第四章-二元合金相图

第四章二元合金相图 第一节二元匀晶相图第二节二元共晶相图第三节二元包晶相图第四节二元相图与性能的关系 第一节二元匀晶相图 二元单相合金指二元合金在固态时只有一种相 固溶体 的合金 这种合金也是所有合金中最简单且最常见的一类合金 有些二元合金系在固态时无论成分如何只有一种相 如Ni Cu Cu Au Au Ag Mg Cd Fe Ni及W Mo等 几乎所有的二元甚至多元合金在一定成分范围内在固态下也是单相 相图 进行材料研究 金相分析 制定热 铸 锻 焊等热加工工艺规范的重要依据和有效工具 了解合金系中不同成分和温度下的相的种类 相的成分及相的相对含量 了解合金在加热和冷却过程中的转变并预测其性能的变化规律 即表示在平衡条件下合金组织与成分 温度之间关系的图形 合金相图又称合金平衡图或合金状态图 一 相律 在恒压下 在纯固态或纯液态情况下 出现的相数小于等于主元数 在液固共存 恒温 条件下出现的相数小于等于主元数加一 因而 对二元合金 固态下出现的相数为1或2 液固共存 恒温 条件下恒温下出现的相数为2或3 二 二元匀晶相图的分析 二元匀晶相图 指两组元在液态和固态均无限互溶时的二元合金相图 匀晶转变 在一定温度范围内由液相结晶出单相的固溶体的结晶过程 具有这类相图的合金系主要有Ni Cu Cu Au Au Ag Mg Cd W Mo等 一 二元合金相图的建立 以Cu Ni二元合金为例 无限缓冷下测各合金的冷却曲线 标注在温度 成分坐标中 连接各相变点 1 建立相图的思路 合金相变时 伴随物理 化学性能的变化 可利用热分析法 或者热膨胀法 磁性测定法 金相法 电阻法和X射线结构分析法等 精确测定相变临界点 即临界温度 确定不同相存在的温度和成分区间 建立相图 2 具体步骤 选组元 配合金系 熔化 确定各合金的相变温度 确定相 Cu Ni合金相图的建立 L 如 0 Cu 20 Cu 40 Cu 60 Cu 80 Cu 100 Cu六组合金 1 相图分析 两线 液相线 固相线三区 液相 液相 固相 固相 A 二 二元匀晶相图分析 三 合金的平衡结晶过程 平衡结晶过程分析 所谓平衡结晶过程是指合金从液态无限缓慢冷却 原子扩散非常充分 冷却过程中每一时刻都能达到相平衡条件的一种结晶过程 给定合金的成分 可计算不同温度下 此成分的合金所形成不同的相的相对含量 即各相的质量分数计算 引例 100ml的10 的NaCl水溶液和100ml的30 的NaCl水溶液混合后浓度是多少 100 10 100 30 C 200C 20 反过来考虑 把20 的NaCl水溶液分成浓度分别为10 和30 的两份 那么两份的体积分数是多少 V1 10 V2 30 20 V1 V2 四 质量分数计算 这种方法可推广到固相和固液混合相 如图 成分为C的Ni Cu合金 缓冷到t 时 根据相图分析 此状态下存在哪几相 各相的成分如何 各相的数量 绝对数量与相对数量 做水平线 与固相线和液相线分别交于a b点 剩余液相总处于即将结晶的状态 即t 的液相线上的点的成分 即b点成分Cb 而刚结晶出来的固相即t 的固相线上的a点的成分Ca 由相图可知 C点存在L 两相区 利用引例的思路 问题转化为 浓度为C的合金 分成浓度为Ca Cb两份 所以有 Ma Ca Mb Cb C Ma Mb 即Ma C Ca Mb Cb C 由此可知 两相的相对含量为 Ma Mb Cb C C Ca 若M Ma Mb为已知量 那么 两相的绝对含量为 Ma Cb C Ma Mb Cb Ca Mb C Ca Ma Mb Cb Ca 总结 由质量分数的计算式Ma C Ca Mb Cb C 并结合相图 可知 此式类似与杠杆定律的应用 所以这种方法又称杠杆定律 注意 使用条件 只适合平衡结晶的两相区解决问题 1 确定二平衡相的成分 2 确定二平衡相的数量 平衡结晶 在结晶过程中 原子的扩散在固相 液相及固液相之间非常充分 能跟得上相变的速度 最终形成成分均匀的固溶体 非平衡结晶 合金结晶较快 原子的扩散来不及充分进行 结果使先结晶出来的固溶体和后结晶的固溶体成分不均匀 晶内偏析 一个晶粒内部化学成分不均匀的现象 五 非平衡结晶过程 Cu Ni合金晶内偏析的组织 非平衡结晶 晶内偏析 塑性 韧性下降 易引起晶内腐蚀 热加工困难 将铸件加热到低于固相线100 200 的温度 进行长时间保温 使偏析元素充分进行扩散 以达到成分均匀化 扩散退火 设A B组元的熔点分别为1450 和1080 它们在液态和固态都无限互溶 则这两种组元组成的二元相图叫作二元相图 先结晶的固溶体中含组元多 后结晶的固溶体中含组元多 这种成分不均匀现象称为 通过工艺可以减轻或消除这种现象 已知A B二元合金相图属于匀晶相图 A组元的熔点为500 B组元的熔点为300 400 时液相L中B的质量分数为60 固相 中B的质量分数为40 1 画出该合金相图示意并标注各区域的相组成物 2 计算wB 50 的合金在400 时液相和固相的质量分数 一 二元共晶相图分析 共晶反应 合金在冷却到某一温度时 由一定成分的液相同时结晶出成分不同 结构不同的两个固相 这就是共晶反应 L 反应产物是两个固相的混合物 称为共晶组织或共晶体 二元共晶相图 两组元在液态下无限互溶 冷却时发生共晶转变的二元合金相图叫二元共晶相图 1 基本概念 第二节二元共晶相图 根据相律 在二元合金中 固态下最多能同时出现两种相 这类合金包括二元共晶 或共析 合金 二元包晶合金 2 相与组织 在金属或合金中 凡化学成分相同 晶体结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分 气相 液相 固相 铁碳合金中的 相 相 相等 合金的相组成及相的数量 形态 大小 分布特征 组织可以由一种相组成 也可由多种相组成 亚共晶组织 共晶组织过共晶组织 铁碳合金中的珠光体P 铁素体F 奥氏体A等 X射线衍射分析 金相显微镜 电镜等 概念 例子 检测 例如 图为45钢的平衡组织按相组成为 Fe3C按组织组成为 F P 3 共晶相图的一般特征 L L L A B L B L A L 183 4 相图分析 以Pb Sn相图为例 P52图3 11 1点 共晶点 4种线 液相线固相线溶解度线共晶转变线 6个区 L L L 共晶反应 L61 9 19 97 5 基本反应 三种线 水平线是关键 相区有一有二没有三 三相共存水平线 杠杆定律别小看 能定成分能把量来算 识别分析相图要领 二 平衡结晶过程及室温平衡组织 共晶合金结晶过程分析 1 共晶合金平衡结晶过程 一 共晶合金 概括起来 共晶合金平衡结晶过程为 共晶温度以上 共晶温度 共晶温度以下 室温组织 液态L61 9 共晶转变L61 9 19 97 5 二次结晶 共晶 由于 和 常与共晶 和 相连 显微镜下很难分辨 室温组织为 共晶 2 共晶合金室温平衡组织特征 共晶组织的基本特征是两相均匀并交替分布 根据合金组元的不同 共晶组织的形态各异 有层片状 棒状 球状 针状 螺旋状等 Pb Sn 共晶组织 层片状 Al Si 共晶组织 针状 共晶组织 棒状 共晶组织 点状Cu Cu2O Zn MgZn 共晶组织 螺旋状 共晶组织 蛛网状 Cu P 共晶组织 放射状 二 亚共晶和过共晶合金平衡结晶过程及室温组织 亚共晶合金 以Pb Sn相图为例 成分在M E之间的Pb Sn合金 过共晶合金 成分在E N之间的Pb Sn合金 50 Sn的亚共晶合金的结晶过程分析 概括起来 亚共晶合金平衡结晶过程为 t1温度以上 t1 t2温度 t2温度时发生共晶反应 室温组织 t2温度以下 液态L50 液相中析出 L L61 9 19 97 5 初 初 共晶 亚共晶组织 50 Sn的Pb Sn合金 亚共晶组织 亚共晶白口铁 70 Sn的过共晶合金的结晶过程分析 概括起来 过共晶合金平衡结晶过程为 t1温度以上 t1 t2温度 t2温度时发生共晶反应 室温组织 t2温度以下 液态L70 液相中析出 L L61 9 19 97 5 初 初 共晶 概括起来 过共晶合金平衡结晶过程为 t1温度以上 t1 t2温度 t2温度时发生共晶反应 室温组织 t2温度以下 液态L70 液相中析出 L L61 9 19 97 5 初 初 共晶 过共晶平衡组织 70 Sn的Pb Sn合金 过共晶平衡组织 过共晶白口铁 分析合金结晶 分析结晶也不难 首先定好合金线 画曲线 分阶段 各段画出相转变 引线标相 组织 名 这样做最简便 L 标明组织组成物的Pb Sn合金相图 三 质量分数计算 1 含Sn61 9 的Pb Sn共晶合金 室温组织 共晶 过E点的水平线交MF NG于M N两点 则有 ME EN EN MN 100 97 5 61 9 97 5 19 45 4 54 6 室温组织 初 共晶相组成物 相的质量百分数 PG FG 100 FP FG 100 2 含Sn50 的Pb Sn亚共晶合金 各组织的质量百分数计算 共晶 M2 ME 100 初 2E ME 100 一次杠杆 室温 初 共晶 初 M2 共晶 2E M2 L 2E 或者 1 共晶 初 各组织的质量百分数计算 初 2E ME 100 二次杠杆 初 FS SG 初 初 SG FG 100 2E ME SG FG 100 初 FS FG 100 2E ME FS FG 100 3 含Sn70 的Pb Sn过共晶合金 室温组织 初 共晶相组成物 相的质量百分数 PG FG 100 FP FG 100 各组织的质量百分数 参照亚共晶合金的计算方法请同学们自己计算 共晶 2N EN 100 E2 EN SG FG 100 初 E2 EN FS FG 100 或 初 1 共晶 什么叫包晶转变 合金在冷却到某一温度时 已结晶出的一定成分的固相和它周围尚未结晶的一定成分的液相发生反应结晶出另外一种固相 这就是包晶反应 即 L 1 基本概念 许多合金系都具有包晶转变 例如Pt Ag Sn Ag Cd Hg Cu Zn Cu Sn等 Pt Ag合金相图是一种比较简单的包晶相图 下面以此为例进行分析 第三节二元包晶相图 点 D 区 单相区L 双相区L L 线 液相线APB固相线ACDB包晶线CDPLP C D固溶度曲线CE DF Pt Ag合金相图 2 相图分析 包晶合金的平衡结晶过程 当合金形成单相固溶体时 合金的性能与组元及溶质元素的溶入量有关 对于一定的溶质和溶剂 溶质的溶入量越多 合金的强度 硬度越高 即产生了固溶强化 同时电阻增大 电导率越低 当合金通过包晶 共晶或共析转变形成两相混合物特别是两相机械混合物 合金的性能往往是两组成相性能的平均值 即性能与成分呈线性关系 铸造性能取决于相图中的液相线与固相线之间的水平与垂直间隔 间隔越大 铸造性能越差 单相固溶体压力加工性能优于两相混合物组成的合金 固溶体的切削性能不够好 两相混合物的合金则切削性能较好 适合高速切削 第四节二元合金相图与合金性能之间的关系 A B合金相图属于共晶相图 A组元的熔点为330 B组元的熔点为200 共晶转变温度为160 共晶合金中B的质量分数为60 B在 以A为溶剂的固溶体 中的最大溶解度为10 A在 以B为溶剂的固溶体 中的最大溶解度为5 室温下两组元互不相溶 溶解度为0 画出相图 将题中给出的3个温度和3个成分点以及各区域的相组成标在相图上 由Pb Sn相图可知 纯Sn的熔点为 共晶成分中Pb的质量分数为 在共晶温度下Sn在 固溶体中的最大溶解度为 共晶点对应的Sn的质量分数为 教材P52图3 11 已知AB二元合金相图属于匀晶相图 A组元的熔点是300 B组元的熔点是600 400 时液相L中A的质量分数为70 固相 中A的质量分数是30 1 画出该合金相图并将各区域的相组成标在相图上 2 计算WB 50 的合金在400 时液相和固相的质量分数 二 固溶体合金结晶时溶质的重新分布 1 讨论条件 1 平衡凝固时各温度下两相溶质都达到均匀化 此时固相内溶质浓度CS 液相内溶质浓度CL k0 CS CLk0平衡分配系数 一定温度下 固 液两平衡相中溶质浓度之比值 近似认为固 液相线均为直线 k0恒定 2 不考虑非平衡冷却情况 液 固相界面处始终保持局部平衡 即相界面处由液相生成的固相成分由CS k0CL确定 3 不考虑固相内的扩散 在各温度下按 CS i k0 CL i关系生成的固相成分在随后冷却中保持不变 而相界面处液相的浓度 CL i取决于液相内溶质的混合状态 合金凝固过程中液相内溶质混合状态分3种类型 将成分为C0的单相固溶体合金的熔液置于圆棒形锭子内由向右进行定向凝固 水平圆棒的凝固 2 液相内溶质可充分均匀混合 凝固速度缓慢 液相内溶质中通过的对流 扩散和扩散可充分混合使成分均匀化 冷凝过程中液相成分沿液相线变化 局部平衡时 CS i k0 CL i 在随后冷却中保持不变 圆棒从左到右产生显著浓度差 在k0 1时 如果合金圆棒自左向右凝固 则左端获得纯化 溶质富集于右端 且k0越小 此效应越显著 剩余液相的平均浓度 圆棒离左端距离Z处的溶质浓度 其中L 合金棒长度C0 合金的原始浓度k0 平衡分配系数 液相内溶质充分均匀混合 3 液相内溶质仅靠扩散混合当凝固速度较大时 液相无搅拌 对流而只有扩散时 则凝固时从固相中排出的溶质原子不能均匀分布在液相中 而在液 固界面处液相一侧堆积 凝固过程中溶质原子的变化分三个阶段 1 起始瞬态 凝固开始 液相成分C0 固相成分K0C0 冷却中 界面处两相局部平衡 液相成分不均匀 界面处有局部平衡成分CL 远离界面保持母相成分CO K0 1固溶体合金成分过冷形成示意图 a 相图一角 b 边界层内浓度分布 c 边界层内液相线温度 d TL与TD G 构成成分过冷 TD 3 影响成分过冷的因素 合金本身 m Co越大 D越小 k01时k0值越大 成分过冷倾向增大 外界条件 G越小 R越大 成分过冷倾向增大 形成成分过冷的临界条件 区 液相温度梯度G很大 使TD TL 不产生成分过冷 晶体以平面方式生长 形成稳定平界面 区 液相温度梯度G减小 产生小的成分过冷区界面偶有凸起 形成胞状界面 区 液相温度梯度G很小 成分过冷程度很大 类似负温度梯度条件 晶体以树枝状方式长大 形成树枝状晶 不同成分过冷程度的三个区域 影响晶体生长方式的主要因素 影响晶体生长方式的主要因素 温度梯度G 凝固速度R 溶质浓度C0 增大溶质浓度 降低液相温度梯度 均可增大成分过冷程度 发展树枝状结晶 成胞状组织 Cell