四二元相图的建立

1、第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用第四章第四章 二元相图的建立二元相图的建立第一节第一节 二元相图的建立二元相图的建立 第二节第二节 二元相图基本类型及应用二元相图基本类型及应用 第三节第三节 相图与合金性能之间关系相图与合金性能之间关系第四节第四节 铁碳合金相图铁碳合金相图第五节第五节 二元陶瓷相图二元陶瓷相图 第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用相图相图 制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规程的重要依据和有效工具。也理等工艺规程的重要依据和有效工具。也可作为陶瓷选配原料、制定生产工艺、分可作为陶瓷选配原料、制定生产工艺、分析性能的重要

2、依据。析性能的重要依据。了解了解由由相相图图可可作用作用相相图图的的相图相图（平衡图或状态图）：（平衡图或状态图）： 表示在平衡条件下合金表示在平衡条件下合金相相或或组织组织与与成分成分、温度温度之间关系的图形。之间关系的图形。 不同成分的材料在不同温度下存在哪些不同成分的材料在不同温度下存在哪些相、各相的相对量、成分及温度变化时可相、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。能发生的变化。 第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用第一节第一节 二元相图的建立二元相图的建立图图4-1 4-1 用热分析法测绘用热分析法测绘Cu-NiCu-Ni相图相图a)冷却曲线 b)相图1.配制不同成分的

3、配制不同成分的 Cu-Ni合金；合金；2.作出各合金的冷作出各合金的冷 却曲线。并找出却曲线。并找出 各个冷却曲线上各个冷却曲线上 的临界点；的临界点；3.画出温度画出温度成分成分 坐标系。在相应坐标系。在相应 成分垂线上标出成分垂线上标出 临界点温度；临界点温度；以以Cu-Ni合金为例，介绍用合金为例，介绍用热分析法热分析法建立相图的具体步骤建立相图的具体步骤 4.将物理意义相同的点连成曲线，即得将物理意义相同的点连成曲线，即得Cu-Ni合金相图。合金相图。第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用第二节第二节 二元相图基本类型及应用二元相图基本类型及应用一、二元匀晶相图一、二元匀晶相图 二

4、、二元共晶相图二、二元共晶相图 三、二元包晶相图及其它相图三、二元包晶相图及其它相图 第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用一、二元匀晶相图一、二元匀晶相图 匀晶反应：匀晶反应：二元匀晶相图：二元匀晶相图：从液相中直接结晶出从液相中直接结晶出固溶体固溶体的反应。的反应。 匀晶相图中两组元在液态、固态下都匀晶相图中两组元在液态、固态下都能能无限互溶无限互溶。 表示匀晶反应的相图。表示匀晶反应的相图。二元匀晶相图：二元匀晶相图： 二组元在液态和固态下均无限互溶时二组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图。所构成的相图。 组成合金的元素互相溶解，组成合金的元素互相溶解，形成一种与某一元素的晶体

5、结形成一种与某一元素的晶体结构相同，并包含有其它元素的构相同，并包含有其它元素的合金固相，合金固相，称为固溶体。称为固溶体。第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用温温度度CuNiABCu-NiCu-Ni二元合金相图二元合金相图1.1.相图分析相图分析两个点两个点两条线两条线三个相区三个相区液相线液相线固相线固相线液相区液相区 L固相区固相区两相平衡共存区两相平衡共存区 L+第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用2.2.结晶过程分析结晶过程分析（合金（合金）CuNiNi%温温度度21时间时间LL合金合金的成分垂线的成分垂线垂线与相线的交点垂线与相线的交点做出冷却速度曲线做出冷却速度曲线L

6、L第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用（1 1）单相区单相区中，不论温度怎么变化中，不论温度怎么变化 单相的成份单相的成份= =合金的成份，合金的成份， 单相的重量单相的重量= =合金的重量。合金的重量。两个相的两个相的成分成分随温度变化分别沿各随温度变化分别沿各 自的相线变化自的相线变化（水平温度线）（水平温度线）两个相的两个相的相对重量相对重量随温度变化也要随温度变化也要 发生变化发生变化（杠杆定律）（杠杆定律） （2）两相区两相区中的两个相随温度变化会中的两个相随温度变化会 发生两个变化：发生两个变化：第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用Cu温温度度K21LL两相区中两相区中

7、T T温度下的两个相的成分确定：温度下的两个相的成分确定：Ni12331C2C3C1LC3LC2LCK合金的成分垂线合金的成分垂线过垂线的水平温度过垂线的水平温度线与相线的交点线与相线的交点交点在成分轴交点在成分轴上的投影上的投影T1T2T3第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用3.3.杠杆杠杆定律定律 两相区中某温度下的两个相的相对重量确定两相区中某温度下的两个相的相对重量确定t3XLXaX0 01XXQXQQQLLaL %100)(%100)(00 aLLaLaLXXXXQXXXXQ 温度温度AB LLQLQ00XXXXQQLaL 第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用Qa bc/

8、ab (70-60)/(70-40)100% 33.3% ；Qb66.7% ；例：例：求含求含Ni60%Ni60%的的Cu-NiCu-Ni合金，冷却至温度合金，冷却至温度t t时两相的质量分数。时两相的质量分数。二元相图中杠杆定律只适用平衡状态下的两二元相图中杠杆定律只适用平衡状态下的两相区。杠杆的相区。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两相的成分点分点，而，而支点支点为为合金的成分点合金的成分点。解：解：由相图知由相图知 Xa 40% Xb 70%第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用4.4.非平衡结晶与枝晶偏析非平衡结晶与枝晶偏析 在实际生产时，冷速较快，从液体中先

9、后结在实际生产时，冷速较快，从液体中先后结晶出来的固相成分不同，使得一个晶粒内部化晶出来的固相成分不同，使得一个晶粒内部化学成分不均匀，这种现象称为学成分不均匀，这种现象称为晶内偏析晶内偏析。由于。由于固溶体一般都以树枝状方式结晶，先结晶的树固溶体一般都以树枝状方式结晶，先结晶的树枝晶轴含高熔点组元（枝晶轴含高熔点组元（Ni）较多；后结晶的晶）较多；后结晶的晶枝间含低熔点组元枝间含低熔点组元(Cu)较多，故把晶内偏析又较多，故把晶内偏析又称为称为枝晶偏析。枝晶偏析。 在实际生产条件下，一般不可能实现平衡结晶。在实际生产条件下，一般不可能实现平衡结晶。 在平衡条件在平衡条件（极其缓慢地冷却条件）

10、（极其缓慢地冷却条件）下结晶下结晶时，由于冷速缓慢，时，由于冷速缓慢，原子可进行充分扩散，原子可进行充分扩散，能能够得到成分均匀的固溶体。够得到成分均匀的固溶体。第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用后结晶出来的，含后结晶出来的，含NiNi元素少元素少先结晶出来的，含先结晶出来的，含NiNi元素多元素多枝晶偏析枝晶偏析( (如如Cu-NiCu-Ni合金合金) )第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用非平衡结晶非平衡结晶枝间偏析枝间偏析塑性、韧性下降，塑性、韧性下降，热加工困难热加工困难 将合金加热到低于固相线将合金加热到低于固相线100100200200的温的温度，进行度，进行长时间保

11、温长时间保温，使合金进行充分扩散，使合金进行充分扩散，消除晶枝偏析，以达到成分均匀化。消除晶枝偏析，以达到成分均匀化。扩散退火扩散退火020406080100800900100011001200130014001500C uN i WC u(% )L + L加热温度范围加热温度范围第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用二、二元共晶相图二、二元共晶相图 共晶反应：共晶反应： 合金在冷却到某一温度时，由一定成分的液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，相同时结晶出成分不同、结构不同的两个固相，这就是共晶反应这就是共晶反应（L L ）。）。反应反应产物产

12、物是两是两个固相的混合物，称为个固相的混合物，称为共晶组织共晶组织或或共晶体。共晶体。二元共晶相图：二元共晶相图： 两组元在液态下无限互溶，冷却时发生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。共晶转变的二元合金相图叫二元共晶相图。 属于这类相图的有：属于这类相图的有：Pb-Sn、Cu-Ag、Pb-Bi等，一些陶瓷材料也具有共晶相图，等，一些陶瓷材料也具有共晶相图，如如Al2O3-ZrO2。第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用1.1.相图分析相图分析 01020304050607080901000100200300400500 PbSnWSn(%)T L 18

13、3327.5231.9BA1997.5MNGFL+ L+ + 1点：点：共晶点共晶点4种线：种线： 液相线液相线 固相线固相线 溶解度线溶解度线 共晶转变线共晶转变线6 6个区：个区：L、 、 L+ 、 L+ 、 + 61.9E 共晶反应：共晶反应：L61.919 97.5（以（以Pb-Sn相图为例相图为例 ） P55第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用（1 1）合金）合金（W WSnSn19%0.9%时：时： Wc HB，但，但b。第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用3.3.含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响 中碳钢的塑性比较适中，硬度在中碳钢的塑性比较适中，硬度在HB

14、200左左右，切削加工性能最好。含碳量过高或过低，右，切削加工性能最好。含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。都会降低其切削加工性能。 低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相单相A状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。锻所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始造时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和始锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和温度也不能过低，以免产生裂纹。轧和温度也不能过低，以免产生裂纹。 切削加工性：切削

15、加工性：可锻性：可锻性：第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用 铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。从相图动性也好，更具有良好的铸造性能。从相图的角度来讲，凝固温度区间越大，越容易形的角度来讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。 铸造性：铸造性： 含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。低碳钢比高碳钢更容易焊接。焊接性：焊接性：图图第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用A+FL+ Fe3CACG1148727LAL+AFA+ Fe3CEPFQC%FeF+ Fe3C4.30.772.116.69S亚亚共共析析钢钢过过共共析析钢钢共共析析钢钢亚共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁共共晶晶白白口口铁铁热处理热处理锻锻 造造铸铸 造造淬火温度淬火温度锻轧温度锻轧温度浇注温度浇注温度第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用第五节第五节 二元陶瓷相图二元陶瓷相图略略第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用推导推导第四章第四章 二元相图及应用二元相图及应用推导：推导：t3XLXaX0温度温度AB LLQLQ设合金重设合