材料科学基础 西交版第五章-二元系相图

1、 二元系二元系(binary system)由于合金有成分由于合金有成分(composition)变化，变化，所以其所以其相图（相图（phase diagram）需用纵、横两个坐标轴表示，）需用纵、横两个坐标轴表示，纵轴表示温度，横轴表示成分纵轴表示温度，横轴表示成分 如果合金系由如果合金系由A、B两组元组成，横坐标一端为组元两组元组成，横坐标一端为组元A，而，而另一端为组元另一端为组元B，那么体系中任一成分合金都可以在横坐标，那么体系中任一成分合金都可以在横坐标上找到相应的点。上找到相应的点。 二元合金相图的成分有两种表示方法：二元合金相图的成分有两种表示方法： 质量分数质量分数(W)和摩尔

2、分数和摩尔分数(x)。 通常用通常用质量百分数质量百分数表示，在没有特别注明时，合金成分都表示，在没有特别注明时，合金成分都是指质量百分数。是指质量百分数。相图的建立有相图的建立有实验测定实验测定和和理论计算理论计算两种方法两种方法。 二元相图的测定是根据各种成分材料的二元相图的测定是根据各种成分材料的临界点临界点（critical point）绘制。绘制。 临界点是表示物质结构状态发生本质变化的临临界点是表示物质结构状态发生本质变化的临界相变点。测定材料临界点有两种方法类型：界相变点。测定材料临界点有两种方法类型： (1)动态法：动态法：热分析法（热分析法（thermal analisis

3、method）、膨胀法、电阻法、膨胀法、电阻法 (2) 静态法：金相法、静态法：金相法、X-ray衍射分析法衍射分析法 这些方法主要是这些方法主要是利用合金在相结构变化时，引利用合金在相结构变化时，引起物理性能、力学性能及金相组织变化的特点起物理性能、力学性能及金相组织变化的特点来测定。来测定。 下面以下面以热分析法热分析法为例说明如何测绘为例说明如何测绘Cu-NiCu-Ni相图，其步骤如下：相图，其步骤如下： 1.1. 配制一系列不同成分的配制一系列不同成分的Cu-NiCu-Ni合金。合金。 2.2.熔化均匀后测出所配合金及纯熔化均匀后测出所配合金及纯CuCu、纯、纯NiNi的冷却曲线。的冷

4、却曲线。 3.3.确定合金的凝固温度。求出各冷却曲线上的临界点。确定合金的凝固温度。求出各冷却曲线上的临界点。 纯纯CuCu、纯、纯NiNi的冷却曲线上有的冷却曲线上有一平台一平台，表示其在恒温下凝固。，表示其在恒温下凝固。合金的冷却曲线上没有平台，而为合金的冷却曲线上没有平台，而为二次转折二次转折，温度较高的折，温度较高的折点表示凝固的开始温度，而温度低的转折点对应凝固的终结点表示凝固的开始温度，而温度低的转折点对应凝固的终结温度。温度。 4.4.将各临界点分别投到对应的合金成分、温度坐标中，连将各临界点分别投到对应的合金成分、温度坐标中，连接各相同意义的临界点接各相同意义的临界点( (开始

5、点或终了点）。每个临界点在二开始点或终了点）。每个临界点在二元相图中对应一个点。元相图中对应一个点。 5.5.填写相区即得到填写相区即得到Cu-NiCu-Ni合金的二元相图。合金的二元相图。 点（表象点）：点（表象点）：其坐标值反映一个给定合金的成分和温度。其坐标值反映一个给定合金的成分和温度。 根据表象点所在的相区，可以确定该合金在该温度下所处的根据表象点所在的相区，可以确定该合金在该温度下所处的状态（有哪些相）。状态（有哪些相）。 线：线： 液相线液相线（liquidus line）：）：由凝固开始温度连接起来的线。由凝固开始温度连接起来的线。 固相线固相线（solidus line）：）

6、：由凝固终了温度连接起来的线。由凝固终了温度连接起来的线。 相区：相区： 相图中由相界线划分出来的区域称为相图中由相界线划分出来的区域称为相区（相区（phase regions），表明在此范围内存在的合金的平衡相类型和数目。表明在此范围内存在的合金的平衡相类型和数目。 在二元合金系中有在二元合金系中有单相区（单相区（single phase region）、）、 两相区（两相区（two phase region）、三相区（）、三相区（three phase region）。单相区内：单相区内：f=2 ，T和成分都可变。双相区内：和成分都可变。双相区内：f=1，T和成分和成分只有一个可以独立变化

7、。若三相共存、只有一个可以独立变化。若三相共存、f=0，T和成分都不变，和成分都不变，属恒温转变。属恒温转变。 根据相律，二元系两相平衡共存时，根据相律，二元系两相平衡共存时，f=c-p+1=1f=c-p+1=1 若若T T一定，则一定，则 f=0 f=0 ，说明两平衡相的成分也随之而定。，说明两平衡相的成分也随之而定。杠杆的杠杆的两个端点两个端点为给定温度时为给定温度时两相的成分点两相的成分点，而，而支点支点为为合金合金的成分点的成分点。 WlWlab ab WWbcbc或或 WlWlWW 合金的合金的等于等于之和；之和；合金中合金中等于两相中等于两相中该该之和。之和。WlWlab ab W

8、Wbcbc或或 WlWlW W 两相的相对量关系很像力学中的杠杆原理，故称杠杆定律两相的相对量关系很像力学中的杠杆原理，故称杠杆定律 应用应用：杠杆定律仅适应于：杠杆定律仅适应于平衡相图的两相区平衡相图的两相区 (1)(1)确定两平衡相的成分确定两平衡相的成分( (浓度浓度) )。 (2)(2)确定两平衡相的相对量。确定两平衡相的相对量。 匀晶相图概念匀晶相图概念 由液相直接结晶出单相固溶体的过程称为由液相直接结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变匀晶转变 完全具有匀晶转变的相图称为完全具有匀晶转变的相图称为匀晶相图匀晶相图。 特点：特点：两组元在液态和固态都能两组元在液态和固态都能无限互溶无限互

9、溶。 晶体结构相同，原子半径（离子半径）相近晶体结构相同，原子半径（离子半径）相近 这类相图：这类相图：Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、Fe-Ni、 Cr-Mo、Fe-Cr等；等； 二元陶瓷：二元陶瓷：CaO-MnO、NiO-CoO、CoO-MgO、 NiO-MgO等等 1.1.匀晶相图分析匀晶相图分析绝大多数二元相图都包括匀晶转变部分。绝大多数二元相图都包括匀晶转变部分。两种特殊的匀晶相图两种特殊的匀晶相图 具有极小点：具有极小点：Au-CuAu-Cu、Cr-MoCr-Mo、Fe-CoFe-Co 具有极大点：具有极大点：Pb-Tl Pb-Tl 液、固两相的成分相同，此时用来确定体系状态的

10、变量数应少掉一个，液、固两相的成分相同，此时用来确定体系状态的变量数应少掉一个，于是自由度于是自由度f=c-pf=c-p=2-2=2-20 0，即恒温转变。（，即恒温转变。（特殊情况，相律需修正特殊情况，相律需修正） 平衡凝固（平衡凝固（equilibrium solidification）：）：凝固过凝固过程是指无限缓慢地冷却，原子程是指无限缓慢地冷却，原子(组元组元)有充分的时有充分的时间扩散，时时处于相平衡。间扩散，时时处于相平衡。 平衡凝固方式所得到的组织称为平衡凝固方式所得到的组织称为平衡组织平衡组织（equilibrium microstructure）。 Cu-Ni合金合金冷却曲

11、线（冷却曲线（cooling curve）及结晶过及结晶过程示意图。程示意图。 固溶体的凝固过程：固溶体的凝固过程：形核和长大形核和长大过程。过程。 形核方式：均匀形核，非均匀形核。形核方式：均匀形核，非均匀形核。Cu-NiCu-Ni匀晶相图匀晶相图及平衡结晶过程及平衡结晶过程Cu-NiCu-Ni合金冷却曲线合金冷却曲线及结晶过程示意图及结晶过程示意图固溶体合金与纯金属结晶时的异同点固溶体合金与纯金属结晶时的异同点：共同点：共同点：形核与长大过程，但合金中存在第二组元，凝固形核与长大过程，但合金中存在第二组元，凝固 过程比纯金属复杂。过程比纯金属复杂。区别：区别： 固溶体结晶是在一温度范围内完

12、成，而纯金属在恒温下固溶体结晶是在一温度范围内完成，而纯金属在恒温下 完成。完成。 固溶体合金结晶析出的固相成分与液态合金成分不同。固溶体合金结晶析出的固相成分与液态合金成分不同。这种结晶称为这种结晶称为选分结晶选分结晶； 结晶过程中液固两相成分都要不断发生变化，固相结晶过程中液固两相成分都要不断发生变化，固相成分沿固相线变化，液相成分沿液相线变化，成分沿固相线变化，液相成分沿液相线变化，因此依赖因此依赖于两组元的原子扩散过程。而纯金属在结晶过程中固相于两组元的原子扩散过程。而纯金属在结晶过程中固相与液相的成分始终是相同的，这种结晶称为与液相的成分始终是相同的，这种结晶称为同分结晶同分结晶。

13、固溶体结晶过程的实质：固溶体结晶过程的实质： a a：液、固相内成分扩散、均匀过程；：液、固相内成分扩散、均匀过程； b b：固相长大过程：固相长大过程固溶体平衡结晶时，液相与固相的相对量可由固溶体平衡结晶时，液相与固相的相对量可由杠杆定律杠杆定律确定。确定。 工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较快，工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较快，在每一温度下不能保持足够的扩散时间，使凝固过在每一温度下不能保持足够的扩散时间，使凝固过程偏离平衡条件，称为程偏离平衡条件，称为非平衡凝固非平衡凝固(结晶结晶) （non-equilibrium solidification）。 非平衡凝固非平衡凝固(结晶结

14、晶)得到的组织称为得到的组织称为不平衡组织不平衡组织（non-equilibrium microstructure）。 固溶体合金不平衡结晶固溶体合金不平衡结晶 通过对非平衡凝固分析得到如下结论：通过对非平衡凝固分析得到如下结论： (1)(1) 固相、液相的平均成分变化偏离固相线、液相线，其固相、液相的平均成分变化偏离固相线、液相线，其偏离程度与冷速有关。偏离程度与冷速有关。 冷速冷速，偏离程度，偏离程度；冷速；冷速，偏离程度，偏离程度，越接近于平衡条，越接近于平衡条件。件。但但L/SL/S界面浓度变化依然沿液固相线变化界面浓度变化依然沿液固相线变化。 液相线的偏离程度较固相线小。液相线的偏离

15、程度较固相线小。 (2)(2) 先结晶部分含有较多的高熔点组元先结晶部分含有较多的高熔点组元(Ni)(Ni)，后结晶部分，后结晶部分含有较多的低熔点组元含有较多的低熔点组元(Cu)(Cu)。 (3)(3) 结晶的滞后性。非平衡结晶条件下，结晶完成的温度结晶的滞后性。非平衡结晶条件下，结晶完成的温度低于平衡结晶时的温度。低于平衡结晶时的温度。 固溶体不平衡结晶时，由于先后从液体中结晶出来的固固溶体不平衡结晶时，由于先后从液体中结晶出来的固相成分不同，并因冷速较快而不能扩散均匀相成分不同，并因冷速较快而不能扩散均匀, ,结果使每个结果使每个晶粒内部的化学成分不均匀晶粒内部的化学成分不均匀( (先结

16、晶部分含高熔点组元较先结晶部分含高熔点组元较多，后结晶部分含低熔点组元较多，在晶粒内部存在着浓多，后结晶部分含低熔点组元较多，在晶粒内部存在着浓度差别度差别) )，这种现象称为，这种现象称为晶内偏析晶内偏析。 由于工业用合金固溶体通常以枝晶状方式结晶，枝晶轴由于工业用合金固溶体通常以枝晶状方式结晶，枝晶轴（干）含高熔点组元多，而枝晶间含低熔点的组元多，导（干）含高熔点组元多，而枝晶间含低熔点的组元多，导致先结晶的枝干和后结晶的枝间成分不同，故亦称致先结晶的枝干和后结晶的枝间成分不同，故亦称枝晶偏枝晶偏析析（dendritic segregation）。 晶内偏析对合金的晶内偏析对合金的力学性能

17、（力学性能（mechanical property）影响影响较大。容易导致合金较大。容易导致合金塑性（塑性（plasticity），韧性（），韧性（toughness）下降；易引起下降；易引起晶间腐蚀（晶间腐蚀（corrosion），降低合金的抗蚀性，降低合金的抗蚀性能。能。 树枝状晶体形貌树枝状晶体形貌 Ni-Ta-Mn-CrNi-Ta-Mn-Cr合金的树枝状界面合金的树枝状界面 枝晶偏析程度大小与铸造时冷却条件、原子的扩散能力，枝晶偏析程度大小与铸造时冷却条件、原子的扩散能力，相图形状有密切关系相图形状有密切关系: : (1) (1) 在其它条件不变时，在其它条件不变时，V V冷冷，晶内偏

18、析程度，晶内偏析程度。 (2) (2) 偏析元素的扩散能力偏析元素的扩散能力，相图上液固相线间隔，相图上液固相线间隔，形，形成枝晶偏析的倾向成枝晶偏析的倾向。 枝晶偏析是不平衡冷却产物，在热力学上不稳定，可通过枝晶偏析是不平衡冷却产物，在热力学上不稳定，可通过均匀化退火均匀化退火( (扩散退火，扩散退火，diffusion annealing）来消除。来消除。 均匀化退火均匀化退火( (扩散退火扩散退火) )：将铸件加热到低于固相线将铸件加热到低于固相线100100200200的温度，进行较长时间保温，使偏析元素充分进行的温度，进行较长时间保温，使偏析元素充分进行扩散，以达到成分均匀化的目的。

19、扩散，以达到成分均匀化的目的。 共晶转变共晶转变(the eutectic reaction):某一成分的液相，在恒温下同某一成分的液相，在恒温下同时结晶出两个成份不同的固相的转变。所得到两固相的混合物时结晶出两个成份不同的固相的转变。所得到两固相的混合物称为称为共晶组织共晶组织(eutectic structure)。 LEM +N 共晶相图共晶相图(the eutectic phase diagram):具有共晶转变的相图具有共晶转变的相图 共晶温度共晶温度(the eutectic temperature):发生共晶转变的温度。发生共晶转变的温度。 共晶点共晶点(the eutectic

20、 point)或共晶成分或共晶成分:发生共晶转变的液相成分发生共晶转变的液相成分点点E。PbPbSn Sn 共晶相图共晶相图共晶相图的概念共晶相图的概念 共晶相图的特点：共晶相图的特点：液态下两组元能无限互溶，固态液态下两组元能无限互溶，固态下只能部分互溶下只能部分互溶( (形成有限固溶体或化合物形成有限固溶体或化合物) )，甚至，甚至有时完全不溶，并具有共晶转变。有时完全不溶，并具有共晶转变。 属于二元共晶相图的合金有：属于二元共晶相图的合金有：PbSn、PbSb、AlSi、AlCu、MgSi、AlMg等等。 点与线：点与线：t tA A ：t tB B ：E E：共晶点共晶点t tA AE

21、tEtB B ： t tA AMENtMENtB B ：MFMF、NGNG：固溶线：固溶线 分别表示分别表示SnSn在在PbPb中、中、PbPb在在SnSn中的固溶度曲线中的固溶度曲线MENMEN：共晶线：共晶线 相区：相区：单相区：单相区：L L、双相区：双相区： L+L+、 L+L+、+三相平衡线：三相平衡线：MENMEN共晶线共晶线 L+L+， LEM +NLEM +NPbPbSn Sn 共晶相图共晶相图根据相变特点和组织特征将共晶系根据相变特点和组织特征将共晶系合金分为四类：合金分为四类：端际端际(部部)固溶体合金固溶体合金亚共晶合金亚共晶合金(hypoeutectic alloys）

22、过共晶合金过共晶合金(hypereutectic alloys)共晶合金共晶合金(eutectic alloy）(1)(1)端部固溶体合金端部固溶体合金(M(M点左侧合金点左侧合金) )这类合金的冷却曲线为：这类合金的冷却曲线为：结晶过程：结晶过程： L L+L L+ 匀晶反应脱溶转变匀晶反应脱溶转变室温组织：室温组织：+ (2)(2) 共晶合金（共晶合金（E E点合金）点合金） 该合金的冷却曲线为：该合金的冷却曲线为： 该合金发生共晶反应：该合金发生共晶反应： L LE EM M + +N N 这一过程在恒温下进行，直至凝固结束。形成这一过程在恒温下进行，直至凝固结束。形成共晶体（共晶体（+

23、）。两个相的相对量可用杠杆）。两个相的相对量可用杠杆法则求得：法则求得： M M = EN/MN = EN/MN N N = ME/MN = ME/MN 其组织特征如图其组织特征如图5-235-23 结晶过程：结晶过程：LL+LL+（+）(+)(+)共共 共晶反应脱溶转变共晶反应脱溶转变 室温组织：室温组织：(+)(+)共共 （3 3）亚共晶合金（）亚共晶合金（E E点以左，点以左，M M点以右的合金）点以右的合金） 这类合金的冷却曲线及其组织变化示意图：图这类合金的冷却曲线及其组织变化示意图：图5-155-15 其结晶过程：其结晶过程：LL+L+LL+L+（+）共共+ + ( +) ( +)

24、 共共+ (+)+ (+) 共共 匀晶反应共晶反应脱溶转变匀晶反应共晶反应脱溶转变 室温组织：室温组织： + (+)+ (+) 共共 在共晶转变之前，从液态中先结晶出的固相在共晶转变之前，从液态中先结晶出的固相叫叫先共晶相（先共晶相（pro-eutectic phasepro-eutectic phase）。先共晶相和液相比例可用杠杆法则求出。先共晶相和液相比例可用杠杆法则求出。 (4)4)过共晶合金（过共晶合金（E E点以右，点以右，N N点以左的合金）点以左的合金） 过共晶合金的凝固过程和组织特征与亚共晶合金相过共晶合金的凝固过程和组织特征与亚共晶合金相类似，只是初生相类似，只是初生相(

25、(先共晶相先共晶相) )为为而不是而不是。 这类合金的冷却曲线为：图这类合金的冷却曲线为：图5-175-17 其结晶过程组织变化示意图如图：其结晶过程组织变化示意图如图： 结晶过程：结晶过程：LL+L+LL+L+（+）共共+ + ( +) ( +) 共共+ (+)+ (+) 共共 匀晶反应共晶反应脱溶转变匀晶反应共晶反应脱溶转变 室温组织：室温组织： + (+)+ (+) 共共 共晶系合金的平衡凝固可分为两类：共晶系合金的平衡凝固可分为两类： 固溶体合金和共晶型合金。固溶体合金和共晶型合金。 固溶体合金固溶体合金的结晶过程主要为的结晶过程主要为匀晶转变脱溶转变匀晶转变脱溶转变，组织为组织为初生

26、固溶体和次生组织初生固溶体和次生组织； 共晶型合金共晶型合金的结晶过程主要为的结晶过程主要为匀晶转变、共晶转变匀晶转变、共晶转变和脱溶转变和脱溶转变, ,组织为组织为初生固溶体、共晶体和次生组织初生固溶体、共晶体和次生组织 组织组成物和相组成物的区别组织组成物和相组成物的区别： 组织组成物组织组成物是在结晶过程中形成的是在结晶过程中形成的, , 有清晰轮廓的有清晰轮廓的独立组成部分，如独立组成部分，如、(+)(+)共共 都是组织组成物，由单相或多相组成。都是组织组成物，由单相或多相组成。 相组成物相组成物是指组成显微组织的基本相，它有确定的是指组成显微组织的基本相，它有确定的成分及结构但没有形

27、态上的概念。成分及结构但没有形态上的概念。 共晶系合金在室温下的相组成物：共晶系合金在室温下的相组成物：、。共晶合金都是由共晶合金都是由相和相和相组成的相组成的机械混合物机械混合物（mechanical mixture）。 (1) (1) 伪共晶伪共晶 平衡结晶条件下，只有共晶成分的合金才能获得完全的共平衡结晶条件下，只有共晶成分的合金才能获得完全的共晶组织。但在晶组织。但在不平衡结晶不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的合金条件下，成分在共晶点附近的合金也可能全部转变成共晶组织。这种由非共晶成分合金所得到也可能全部转变成共晶组织。这种由非共晶成分合金所得到的共晶组织称为的共晶组织称为伪共晶（伪

28、共晶（pseudo-eutecticpseudo-eutectic）。(1) (1) 伪共晶伪共晶(2) (2) 不平衡共晶组织不平衡共晶组织 对于小于饱和溶解度的合金（对于小于饱和溶解度的合金（a a点以左，点以左，c c点以右）在不点以右）在不平衡结晶时固相线下移，使其冷却到共晶温度时仍有少量液平衡结晶时固相线下移，使其冷却到共晶温度时仍有少量液相发生共晶转变而形成不平衡共晶组织。相发生共晶转变而形成不平衡共晶组织。 (2) (2) 不平衡共晶组织不平衡共晶组织不平衡共晶组织通常分布在不平衡共晶组织通常分布在晶界及枝晶间最后凝固部分，晶界及枝晶间最后凝固部分，最后组织为树枝状固溶体及少最后

29、组织为树枝状固溶体及少量共晶体。量共晶体。 在稍低于共晶温度长时间加在稍低于共晶温度长时间加热保温，可消除不平衡共晶组热保温，可消除不平衡共晶组织及固溶体的枝晶偏析，得到织及固溶体的枝晶偏析，得到均匀的单相固溶体。均匀的单相固溶体。(3) (3) 离异共晶离异共晶 当合金中共晶组织（当合金中共晶组织（(+)(+)） 相对量较少，相对量较少，先共晶相先共晶相() () 相对量很大时相对量很大时, ,有时共晶组织中与先共有时共晶组织中与先共晶相相同的那一个相就会依附在先共晶相上形核长大晶相相同的那一个相就会依附在先共晶相上形核长大, ,把另一相推向最后凝固的晶界处把另一相推向最后凝固的晶界处, ,

30、从而使从而使共晶体两组共晶体两组成相成相相间相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶组织的组织特征消失，这种两相分离的共晶组织称为称为离异共晶（离异共晶（divorced eutectic）。 如共晶组织中的如共晶组织中的相依附于初生相依附于初生相生长，将共相生长，将共晶体中另一相晶体中另一相推到最后凝固的晶界处推到最后凝固的晶界处。包晶相图概述包晶相图概述 有些合金当凝固到一定有些合金当凝固到一定温度时温度时, ,已结晶出来的一已结晶出来的一定成分的固相与剩余液定成分的固相与剩余液相相( (有确定成分有确定成分) )发生反发生反应生成另一种固相的恒应生成另一种固相的恒温转变过程称为温转变过程称

31、为包晶转包晶转变变（peritectic reaction）。 Lc+D =PPtPtAgAg包晶相图包晶相图包晶相图概述包晶相图概述 两组元在液态下无限互两组元在液态下无限互溶，固态下只能部分互溶，固态下只能部分互溶并具有包晶转变的相溶并具有包晶转变的相图称为图称为二元包晶相图二元包晶相图(the peritectic phase diagram) 具有包晶转变的二元合具有包晶转变的二元合金有：金有：Cu-Sn、Fe-C、Cu-Zn、Ag-Sn、 Pt-AgPtPtAgAg包晶相图包晶相图 线：线：固相线、液相线、水平线固相线、液相线、水平线(DPC)(DPC)为包晶转变线，包晶线仅为包晶转

32、变线，包晶线仅有有DPDP为固相线，而为固相线，而PCPC为液相线，为液相线，固溶度曲线。固溶度曲线。 包晶转变：包晶转变： Lc+Lc+D D = =P P 相区：相区： 单相区：单相区： L L、 双相区：双相区： L+L+、L+L+、+ 三相区：三相区： DPCDPC线线 L+L+包晶线与共晶线不同之处在于包晶线与共晶线不同之处在于: :共晶线为固相线，线上的合金在共晶线为固相线，线上的合金在共晶温度全部凝固完毕，其组织共晶温度全部凝固完毕，其组织为两相混合物。包晶线仅有为两相混合物。包晶线仅有DPDP为为固相线，而固相线，而PCPC为液相线。为液相线。 PtPtAgAg包晶相图包晶相图

33、 包晶点（包晶点（P P）合金）合金发生包晶反应：发生包晶反应：Lc+Lc+D D = =P P为恒温反应为恒温反应 结晶过程：结晶过程： LL+L+ + LL+L+ + 匀晶反应包晶反应脱溶转变匀晶反应包晶反应脱溶转变 室温组织：室温组织：+ + 包晶相图分析包晶相图分析 包晶点（包晶点（P P）以右合金）以右合金 碰到碰到PCPC发生包晶反应发生包晶反应 ：Lc+Lc+D D=P P 为恒温反应为恒温反应 结晶过程：结晶过程：LL+L+L+LL+L+L+ + 匀晶反应包晶反应匀晶反应脱溶转变匀晶反应包晶反应匀晶反应脱溶转变 室温组织：室温组织：+ + 包晶点（包晶点（P P）以右合金以右合

34、金()()凝固过程凝固过程 包晶点（包晶点（P P）以左合金）以左合金 碰到碰到DPDP发生包晶反应：发生包晶反应：Lc+Lc+D D = =P P 为恒温反应为恒温反应 结晶过程：结晶过程：LL+L+LL+L+ + + + 匀晶反应包晶反应脱溶转变匀晶反应包晶反应脱溶转变 室温组织：室温组织：+ + + + + + 包晶点（包晶点（P P）以左合金以左合金()()凝固过程凝固过程 实际生产中的冷速较快实际生产中的冷速较快, ,包晶包晶反应不能充分进行，得不到平衡反应不能充分进行，得不到平衡状态下的组织状态下的组织+(P+(P点及右点及右边合金边合金) ) ，相中心仍保留残余相中心仍保留残余的

35、的相相, , 相本身成分也不均匀相本身成分也不均匀, ,呈枝晶偏析。呈枝晶偏析。 因固相扩散系数较小，包晶因固相扩散系数较小，包晶转变速度很慢，一般包晶转变不转变速度很慢，一般包晶转变不能充分进行。若在高温下进行，能充分进行。若在高温下进行，则易充分进行。如则易充分进行。如 Fe-CFe-C 相图相图 和共晶系合金一样和共晶系合金一样, ,在不平在不平衡条件下，一些不应发生包晶转衡条件下，一些不应发生包晶转变的合金，因固相线下移，冷却变的合金，因固相线下移，冷却到包晶转变温度时，仍有少量残到包晶转变温度时，仍有少量残存液相，发生包晶反应，形成不存液相，发生包晶反应，形成不应出现的应出现的相。相

36、。 包晶转变产生的不平衡组织包晶转变产生的不平衡组织可通过长时间扩散退火来减轻或可通过长时间扩散退火来减轻或消除。消除。 1. 1. 具有化合物的二元相图具有化合物的二元相图 2. 2. 具有偏晶转变的相图具有偏晶转变的相图 3. 3. 具有合晶转变的相图具有合晶转变的相图 4. 4. 具有熔晶转变的相图具有熔晶转变的相图 5. 5. 具有固态转变的二元相图具有固态转变的二元相图 在某些二元系中，可形成一个或多个化合物，化合在某些二元系中，可形成一个或多个化合物，化合物 一 般 处 于 相 图 的 中 间 位 置物 一 般 处 于 相 图 的 中 间 位 置 , , 又 称 为又 称 为 中

37、间 相中 间 相（intermediate phase）。 根据两组元间形成化合物的稳定性，可分为稳定化根据两组元间形成化合物的稳定性，可分为稳定化合物和不稳定化合物。合物和不稳定化合物。(1) (1) 形成稳定化合物的相图形成稳定化合物的相图 稳定化合物是指具有固定的熔点，且在熔点以下保稳定化合物是指具有固定的熔点，且在熔点以下保持固有结构而不发生分解的化合物。持固有结构而不发生分解的化合物。 相图特征：相图特征：形成的没有溶解度的化合物在相图上表形成的没有溶解度的化合物在相图上表现为一条垂线。可以把它作为一个独立的组元而把相现为一条垂线。可以把它作为一个独立的组元而把相图分为两部分。该类化

38、合物成分是固定的，或在一定图分为两部分。该类化合物成分是固定的，或在一定范围内但有确定的熔点。范围内但有确定的熔点。 形成稳定化合物的二元相图有：形成稳定化合物的二元相图有：MgMgSiSi、CuCuTiTi、FeFeP P、MgMgCuCu、AgAgSrSr、Na2SiO3Na2SiO3SiO2SiO2、BeOBeOAl2O3Al2O3、SiO2SiO2MgO MgO (2) (2) 形成不稳定化合物的相图形成不稳定化合物的相图 不稳定化合物是指在加热到一定温度时会发生分解的化合物不稳定化合物是指在加热到一定温度时会发生分解的化合物 包晶反应所形成的中间相均属于不稳定化合物。它们不能视包晶反

39、应所形成的中间相均属于不稳定化合物。它们不能视为独立组元而把相图划分为简单相图。为独立组元而把相图划分为简单相图。 例如：例如：K KNaNa相图相图 偏晶转变（偏晶转变（monotectic reaction）相图特点：相图特点： 在一定的成分和温度范围内，两组元在液态下也只能有限在一定的成分和温度范围内，两组元在液态下也只能有限溶解，存在两种不同浓度的液相溶解，存在两种不同浓度的液相L1L1和和L2L2。 偏晶转变：在一定温度下从一个液相中同时分解出一个固偏晶转变：在一定温度下从一个液相中同时分解出一个固相和另一成分的液相的过程。相和另一成分的液相的过程。 即：即：L1 +L2L1 +L2

40、 具有偏晶转变的二元系有：具有偏晶转变的二元系有： CuCuS S、CuCuO O、MnMnP P 合晶转变（合晶转变（syntectic reaction）相图特点：相图特点： 两组元在液态下有限溶解，存在不熔合线，不熔合线以下两组元在液态下有限溶解，存在不熔合线，不熔合线以下为两液相为两液相L1L1和和L2L2。 合晶转变：在恒定温度下，两个成分不同的液相相互作用合晶转变：在恒定温度下，两个成分不同的液相相互作用形成一个固相的转变称为形成一个固相的转变称为合晶转变合晶转变。 即即 L1 + L2 L1 + L2 具有合晶转变的二元系如：具有合晶转变的二元系如： NaNaZnZn、K-ZnK

41、-Zn等等 在某些合金结晶过程中，当达在某些合金结晶过程中，当达到一定温度会从一个固相分解到一定温度会从一个固相分解为一个液相和另一个固相，即为一个液相和另一个固相，即发生了固相的再熔现象，这种发生了固相的再熔现象，这种转 变 称 为转 变 称 为 熔 晶 转 变熔 晶 转 变（metatectic reaction）。 即：即： L+ L+ 具有熔晶转变的合金很少，具有熔晶转变的合金很少， 如如FeFeS S、CuCuSb Sb 当合金中组元具有同素当合金中组元具有同素( (分分) )异构转变时，则异构转变时，则其固溶体会出现三种情况：固溶体的多晶型转其固溶体会出现三种情况：固溶体的多晶型转

42、变 ， 共 析 转 变 、 包 析 转 变 、变 ， 共 析 转 变 、 包 析 转 变 、 偏 析 转 变偏 析 转 变（monotectoid reaction）。(1) (1) 具有固溶体多晶型转变的相图具有固溶体多晶型转变的相图 固溶体的多晶型转变又称为多型性转变。具固溶体的多晶型转变又称为多型性转变。具有这类转变的合金有：有这类转变的合金有：FeFeC C、FeFeTiTi合金等。合金等。(2) (2) 具有共析转变的相图具有共析转变的相图 共析转变：共析转变：在一定温度下一个固相转变为另在一定温度下一个固相转变为另两个固相的过程。两个固相的过程。 共析转变与共晶转变相似，区别在于它

43、是共析转变与共晶转变相似，区别在于它是由一个固相在恒温下转变为另外两个固相。由一个固相在恒温下转变为另外两个固相。 共析转变对热处理强化意义很大。钢的热共析转变对热处理强化意义很大。钢的热处理是以共析转变为基础的。处理是以共析转变为基础的。 共析合金（共析合金（eutectoid alloy）、亚共析合）、亚共析合金（金（hypoeutectoid alloy）、过共析合金）、过共析合金（hypereutectoid alloy）(3)(3)具有包析转变的相图具有包析转变的相图 包析转变：包析转变：类似于包晶转变，区别在于类似于包晶转变，区别在于包析转变是由两个固相反应生成另外一包析转变是由两

44、个固相反应生成另外一个固相。个固相。(4)(4)具有脱溶沉淀过程的相图具有脱溶沉淀过程的相图 随着温度降低固溶体中溶解度下降，析随着温度降低固溶体中溶解度下降，析出第二相的过程，称为脱溶过程。出第二相的过程，称为脱溶过程。二元相图应遵循如下规律二元相图应遵循如下规律: :(1)(1) 相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的成相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的成分，所以相界线是相平衡的体现，平衡相的成分必须沿着相分，所以相界线是相平衡的体现，平衡相的成分必须沿着相界线随温度而变化。界线随温度而变化。(2)(2) 两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区分开，两个单相区

45、之间必定有一个由该两相组成的两相区分开，而不能以一条线接界。两个两相区必须以单相区或三相水平而不能以一条线接界。两个两相区必须以单相区或三相水平线分开。即线分开。即相邻相区相数之差均为相邻相区相数之差均为1 1，为，为相区接触法则相区接触法则。(3)(3) 二元相图中的水平线均表示三相平衡共存的恒温转变二元相图中的水平线均表示三相平衡共存的恒温转变( (如表如表5-6)5-6)。三个单相区分别处于水平线的两端和中间。三个单相区分别处于水平线的两端和中间, , 水平线的水平线的上下方分别与上下方分别与3 3个两相区相接。个两相区相接。(4)(4)若两个恒温转变中有两个共同的相若两个恒温转变中有两

46、个共同的相, ,则这两条水平线之间必则这两条水平线之间必定是这两个相组成的相区。定是这两个相组成的相区。分析复杂二元相图的步骤和方法如下：分析复杂二元相图的步骤和方法如下：(1) (1) 首先看是否存在稳定化合物，如有则把相图分成首先看是否存在稳定化合物，如有则把相图分成几个区域几个区域( (基本相图基本相图) )进行分析。进行分析。(2) (2) 根据相区接触法则，弄清各相区的组成相。根据相区接触法则，弄清各相区的组成相。(3)(3) 找出所有的三相共存水平线及与其接触的三个单找出所有的三相共存水平线及与其接触的三个单相区，根据相区，根据3 3个单相区与水平线的相互位置确定三相个单相区与水平

47、线的相互位置确定三相平衡转变的类型及反应式。平衡转变的类型及反应式。分析相图的关键步骤分析相图的关键步骤。 表表5-65-6列出了二元系各类三相恒温反应列出了二元系各类三相恒温反应( (转变转变) )的的类型，可借助于分析。类型，可借助于分析。 (4)(4) 应用相图分析典型合金的组晶过程和组织应用相图分析典型合金的组晶过程和组织变化规律。变化规律。 单相区：单相区：相成分与原合金相同。相成分与原合金相同。 双相区：双相区：在不同温度下，两相成分分别沿相在不同温度下，两相成分分别沿相界线变化，各相的相对量可由杠杆法则求得。界线变化，各相的相对量可由杠杆法则求得。 三相共存三相共存( (平衡平衡

48、) )时：时：三个相的成分固定不变，三个相的成分固定不变，可用杠杆法则求出恒温转变前、后相组成的相可用杠杆法则求出恒温转变前、后相组成的相对量。对量。 (5)(5) 在应用相图分析实际情况时，切记相图只给在应用相图分析实际情况时，切记相图只给出体系在平衡条件下存在的相和相对量，并不能出体系在平衡条件下存在的相和相对量，并不能表达出相的形状、大小和分布（这些只取决于相表达出相的形状、大小和分布（这些只取决于相的本性及形成条件）；的本性及形成条件）；相图只表示平衡状态的情相图只表示平衡状态的情况，而实际生产条件下很难达到平衡状态，因此况，而实际生产条件下很难达到平衡状态，因此要特别重视它们的非平衡条件下可能出现的相和要特别重视它们的非平衡条件下可能出现的相和组织组织。 (6)(6) 相图的正确与否可用相律来判断。相图的正确与否可用相律来判断。 在分析和认识相图中的相、相区及相变线的特点在分析和认识相图中的相、相区及相变线的特点之后，就可分析具体合金随温度改变而发生的相之后，就可分析具体合金随温度改变而发生的相变及组