第五章二元相图

1、第五章第五章 二元相图二元相图 相图：相图：描述在热力学平衡状态下，材料的相和组织与其成分和温度之间关系的图形。 从相图中可以确定不同成分的材料在不同温度下所含相的种类和相对数量，通过相图可以预测材料的性能，故相图是研究新材料和制定材料的生产工艺如熔炼、铸造、塑性加工以及热处理规范的重要工具。概述概述5-1 相图的基本知识相图的基本知识 一、相平衡条件和相律一、相平衡条件和相律 材料中的各个相都有其稳定存在的成分、温度及压力范围，超过这个范围，就可能发生相的转变即相变，而处于这个范围，就呈稳定平衡或相平衡。（一）相平衡条件（一）相平衡条件 由热力学原理可知：对于多个相构成的体系，当组元在不同相

2、间转移时，必然引起体系自由能的变化。 对于一个多元系，第 i 组元在不同相间转移所引起的自由能变化可表示为：式中S和V分别为体系的熵和体积，p为压力，T为温度， i是 i 组元的化学位，它代表体系内组元在相间转移的驱动力，dndni为 i 组元在不同相之间的转移量。 在等温等压条件下，上式可简化为： 5-1 相图的基本知识相图的基本知识 iidnSdTVdpdG iidndG 5-1 相图的基本知识相图的基本知识 假设体系中只有 和 两相，当极少量（dndni）的i 组元从 相转移到 相中，则引起的体系自由能变化为： 实际上 故 当 相和 相处于平衡时， 故 、 两相平衡条件：两相平衡条件：两

3、相中同一组元的化学位相等。 iiiidndndG iidndn iiidndG)( 0 dG ii 5-1 相图的基本知识相图的基本知识 若多元系中有C个组元、P个相，则它们的相平衡条件可以写成： PCCCCPP 222211115-1 相图的基本知识相图的基本知识 （二）相律（二）相律 相律：相律：平衡条件下，多元多相体系中的组元数与相数之 间存在着一定的关系，这种关系称为相律。 对于由C个组元和P个相构成的多元多相体系，若忽 略电场、重力场等外力场的影响，则对于每个相来说， 独立可变变量只有温度、压力和其化学成分（所含各组 元的浓度）。 5-1 相图的基本知识相图的基本知识 由于每个相中C

4、个组元的浓度之和为100%，所以，欲确定每个相的成分，需要确定 个组元的浓度。现有P个相，故有 个成分变量。 平衡条件下，各个相均有温度和压力2个变量，所以，要描述整个体系的状态，共有 个总变量，但这些变量并不都是彼此独立可变的。)1( C2)1( CP)1( CP5-1 相图的基本知识相图的基本知识 由相平衡条件可知，有 个方程式表明各个组元在不同相中的化学位之间的关系，而化学位是组元浓度的函数，因此，用来确定体系状态的总变量中应有 个成分或浓度变量不能独立变化。 显然， 个总变量中应包括独立变量和非独立变量两部分，其中的独立变量数即称为自由度，用 f 表示。 f = 总变量数 非独立变量数

5、 )1( PC2)1(2)1( PCPCCP2)1( CP)1( PC5-1 相图的基本知识相图的基本知识 对于不含气相的凝聚态体系，压力在通常范围的变化对平衡状态的影响极小。因此，相律可写成如下形式： 相律给出了平衡状态下多元多相体系中中存在的相数与组元数及温度、压力之间的关系，对分析和研究相图具有重要的意义。 1 PCf5-1 相图的基本知识相图的基本知识 二、相图的表示方法二、相图的表示方法 材料的状态是由成分、温度和压力决定的，但是压力对液固相之间或固相之间的变化影响不大，而且材料的状态变化多数是在常压下进行的，因此，研究材料的相变时往往不考虑压力的作用。这样，影响材料状态的因素就只有

6、成分和温度两个参数了，所以，相图就是以材料的成分和温度为坐标所构成的图形。 对于二元相图，是以横坐标表示成分、纵坐标表示温度的温度成分平面图形。5-1 相图的基本知识相图的基本知识 材料的成分可以用质量分数（w）或者摩尔分数（x）表示。如果没有特别说明，通常是以质量分数表示材料的成分。 对于A-B二元系：1 BAww1 BAxx5-1 相图的基本知识相图的基本知识 三、二元合金相图的建立三、二元合金相图的建立 临界点：临界点：表示材料结构状态发生本质变化的转变点。 根据不同成分材料的临界点即可绘制二元相图。 测定材料临界点的方法有动态法（包括热分析法、膨胀法、电阻法等）和静态法（金相法、x-射

7、线衍射分析法等）两种。5-1 相图的基本知识相图的基本知识 例如用热分析法测CuNi二元合金相图：先配制一系列含Ni量不同的CuNi合金，测出它们从液态到室温的冷却曲线，得到各个临界点。 Cu108330Ni70Cu50Ni50Cu70Ni30CuNi145210831452时间时间温度温度 / CT / CwNi / %CuNiL L+ 思考题：思考题： 1. 何谓相律？何谓相律？ 2. 请写出不含气相的凝聚态体系中相律的请写出不含气相的凝聚态体系中相律的具体表达式。具体表达式。 5-1 相图的基本知识相图的基本知识 一、一、相图分析相图分析 匀晶转变：匀晶转变：由液相中直接结晶出单相固溶体

8、的过程。 匀晶相图：匀晶相图：只发生匀晶转变的相图。 二元匀晶相图中，两组元在液态、固态均无限互溶。 绝大多数的二元相图都包括匀晶转变部分；有些二元合金如Cu Ni、Au Ag、Au P等只发生匀晶转变，其相图均为匀晶相图。5-2 二元匀晶相图二元匀晶相图 临界点：临界点：a点纯Cu的熔点 b点纯Ni的熔点临界线：临界线：acb线液相线（凝固 开始线） adb线固相线（凝固 终了线）相区：相区：液相线以上为液相区， 固相线以下为固相区，而液 相线与固相线所包围的区域 为液、固两相平衡共存区。5-2 二元匀晶相图二元匀晶相图 10831452温度温度 / CwNi / %CuNiL L+ abc

9、d5-2 二元匀晶相图二元匀晶相图 具有极小点具有极小点 具有极大点具有极大点其他形式的二元匀晶相图其他形式的二元匀晶相图wB / %wB / %ab 其它形式的二元匀晶相图包括具有极小点的相图（如Au Cu、Fe Co相图）和具有极大点的相图（如Pb Tl相图)。 成分对应于极大点和极小点的合金，其液、固两相的成分相同，此时确定合金状态的变量数应少一个，故自由度 f = = 0 0，即发生恒温转变。二、二、固溶体的平衡凝固固溶体的平衡凝固 平衡凝固：平衡凝固：凝固过程中以极缓慢的速度冷却，使每个阶段都能达到平衡，即在相变过程中有充分的时间进行组元间的扩散以达到平衡相的成分。 5-2 二元匀晶

10、相图二元匀晶相图 成分为wo 的Cu Ni固溶体的平衡凝固过程（oo 为合金线） 5-2 二元匀晶相图二元匀晶相图 Cu Ni 二元匀晶相图二元匀晶相图wNi /%温度温度 / CwL3wL2w 2w 1oowoT1T2T3Cu-Ni固溶体平衡凝固时固溶体平衡凝固时的组织变化示意图的组织变化示意图T0T1T2T3 固溶体的凝固过程与纯金属一样，也包括形核与长大两个阶段。但由于存在第二组元，使其凝固过程与纯金属的凝固过程有所不同，主要表现在： (1) 固溶体的凝固是在一个温度范围内完成的，而纯金属的凝固是在恒温下完成的。 (2) 固溶体凝固时所形成的固相成分与液相不同，所以形核时除需要结构起伏和

11、能量起伏外，还需要一定的成分起伏（液相中成分不均匀的现象即称为成分起伏）。 (3) 为了满足不同温度下两相平衡共存的成分要求，液、固两相的成分必须随温度下降而不断地发生变化，这种成分的变化必然依赖于两组元原子的扩散来完成。 5-2 二元匀晶相图二元匀晶相图 随着固溶体凝固过程的进行，液相的量不断减少，而固相的量则不断增加。在液、固两相平衡共存区，两相的相对量与它们各自的成分有关。 设合金的成分为 、总质量为Qo，在T 温度时液相的成分为 、质量为QL，固相 的成分为 、质量为Q 。 显然，T 温度时液、固两相的质量和应等于合金的总质量，即：5-2 二元匀晶相图二元匀晶相图 oBwLBw Bw

12、QQQLo LBALBwoBw BwBw L+ o杠杆定律的推导杠杆定律的推导5-2 二元匀晶相图二元匀晶相图 液相中B 组元的质量应为 ，固相中B 组元的质量应为 ，合金中B 组元的质量应为 。 故有： 整理可得：LBLwQ BwQ oBowQ BLBLoBowQwQwQ BLBLoBLwQwQwQQ )(obaowwwwQQoBBLBoBL Q QLo杠杆定律的力学比喻杠杆定律的力学比喻LBALBwoBw BwBw L+ o5-2 二元匀晶相图二元匀晶相图 杠杆定律：杠杆定律： % 相的相对量；L% L相的相对量 杠杆定律只适用于处于平衡状态的两相区，且对相的类型不作限制。%100% LB

13、BOBBoLwwwwabobQQL %100% LBBLBoBowwwwabaoQQ LBALBwoBw BwBw L+ o5-2 二元匀晶相图二元匀晶相图 平衡分配系数：平衡凝固时固相溶质含量与液相溶质含量之比平衡分配系数：平衡凝固时固相溶质含量与液相溶质含量之比Lswwk 0wowLwST0k0 1LwowSwLT0Lk0 1SS随溶质含量增大，随溶质含量增大，k0 1时，合金凝固开始和终了温度降低，时，合金凝固开始和终了温度降低，k0 1时，则相反时，则相反5-2 二元匀晶相图二元匀晶相图 液液-固界面前沿液相中的溶质成分分布与其决定的凝固温度固界面前沿液相中的溶质成分分布与其决定的凝固

14、温度 wo)11(00DRxoLekkww )11 (00DRxoALekkmwTT5-2 二元匀晶相图二元匀晶相图 成分过冷：成分过冷：液固界面前沿液相的实际温度低于由溶质分布所 决定的凝固温度时所产生的过冷。成分过冷成分过冷GxkmwTToA05-2 二元匀晶相图二元匀晶相图 三、三、固溶体的非平衡凝固固溶体的非平衡凝固 固溶体的凝固依赖于组元原子的扩散，要达到平衡凝固，必须有足够的时间使扩散进行充分，但在实际生产条件下，液态材料浇铸后的冷却速度较快，在每一温度下不能保证足够的扩散时间，从而使凝固过程偏离平衡条件，称为非平衡凝固非平衡凝固。 5-2 二元匀晶相图二元匀晶相图 固溶体在非平衡

15、凝固时液、固两相成分变化及组织变化示意图固溶体在非平衡凝固时液、固两相成分变化及组织变化示意图5-2 二元匀晶相图二元匀晶相图 对于固溶体合金的非平衡凝固过程： (1) 固相和液相的平均成分线分别偏离平衡相图中的固相线和液相线。冷却速度越快，偏离固、液相线越严重；反之，冷却速度越慢，越接近固、液相线。 (2) 先凝固部分总是富含高熔点组元，后凝固部分总是富含低熔点组元。 (3) 非平衡凝固总是导致凝固的终了温度低于平衡凝固时的终了温度。5-2 二元匀晶相图二元匀晶相图 非平衡凝固的固溶体内部富含高熔点组元，而后结晶的外部则富含低熔点组元。这种在晶粒内部出现的成分不均匀现象，称为晶内偏析晶内偏析

16、。 由于固溶体通常以树枝状生长方式生长，故非平衡凝固将导致先结晶的枝干和后结晶的枝间的成分不同，称为枝晶偏析枝晶偏析。Cu Ni 合金的铸态组织合金的铸态组织枝干富枝干富Ni（白色），枝间富（白色），枝间富Cu（黑色）（黑色） 思考题：思考题： 1. 何谓匀晶转变？何谓成分过冷？何谓晶内偏析？何谓匀晶转变？何谓成分过冷？何谓晶内偏析？何谓枝晶偏析？何谓枝晶偏析？ 2. 指出单相固溶体合金的凝固过程与纯金属（或纯指出单相固溶体合金的凝固过程与纯金属（或纯组元）的凝固过程之间的主要区别。组元）的凝固过程之间的主要区别。 3. 指出单相固溶体合金的平衡凝固过程与非平衡凝指出单相固溶体合金的平衡凝固过

17、程与非平衡凝固过程之间的主要区别。固过程之间的主要区别。5-2 二元匀晶相图二元匀晶相图 一、相图分析一、相图分析 两组元在液态无限互溶、在固态有限互溶或完全不互溶，且在冷却过程中发生共晶转变的相图，称为共晶相图。 具有共晶相图的合金系主要有Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、AgAu、PbBi等，一些硅酸盐也具有共晶相图。 5-3 二元共晶相图二元共晶相图 Pb Sn二元共晶相图二元共晶相图wSn /%ae线、be线液相线液相线am线、bn线固相线固相线mf线Sn在Pb中的固溶度曲线固溶度曲线ng线Pb在Sn中的固固溶度曲线溶度曲线men水平线共晶转变线共晶转变线 在e点对应的温度下，会由成

18、分为e的液相中同时凝固出成分为m的 相和成分为n的 相5-3 二元共晶相图二元共晶相图 )(nmTeeL Pb Sn二元共晶相图二元共晶相图wSn /%单相区：单相区：液相L相区 固相 相区 固相 相区两相区：两相区：L + 相区 L + 相区 + 相区三相区：三相区：L + + 相区（men水平线）5-3 二元共晶相图二元共晶相图 Pb Sn二元共晶相图二元共晶相图wSn /%共晶转变：共晶转变：由某一成分的液相 在恒温下同时结晶 出两个成分不同的 固相的转变。共晶温度：共晶温度：发生共晶转变的温度。共晶组织（共晶体）：共晶组织（共晶体）：共晶转变 的产物即两个固相的机械混合物。共晶点：共晶

19、点：两条液相线与共晶转变线的汇交点（e点）。 5-3 二元共晶相图二元共晶相图 Pb Sn二元共晶相图二元共晶相图wSn /%5-3 二元共晶相图二元共晶相图 两组元在液态无限互溶、两组元在液态无限互溶、固态完全不互溶的二元共晶相图固态完全不互溶的二元共晶相图wB /%LL + AA + BL + BAB)(BALT 二、共晶系的平衡凝固及平衡组织二、共晶系的平衡凝固及平衡组织 （一）（一）wSn 19%的固溶体合金（的固溶体合金（合金线合金线I） 1点以上：液相L 12点：发生匀晶转变，由液 相中凝固出 相 23点：单相 3点以下： （由过饱和的 相不断析出富Sn的 相，称为次生相或二次相）

20、5-3 二元共晶相图二元共晶相图 II LPb Sn二元共晶相图二元共晶相图wSn /%I 合金 I（wSn = 10%的固溶体合金）平衡凝固后的室温平衡组织为 + II。 此合金缓冷时的平衡凝固过程示意图如下： 此合金的平衡凝固过程也可用如下方式表述：5-3 二元共晶相图二元共晶相图 1以上以上12233以下以下 以以下下33221LLII 5-3 二元共晶相图二元共晶相图 根据杠杆定律可计算合金 I 的室温组织组成物（构成组织的最基本的独立单元）的相对量： 所有成分位于m和f点之间合金的平衡凝固过程与合金 I 相似，只是两组织组成物的相对量不同。 %100210010100%10010%

21、fgg %II %1002100210%10010 fgfPb Sn二元共晶相图二元共晶相图wSn /%I（二）（二）共晶合金：共晶合金：成分为e点（即wSn = 61.9%）的合金 该成分合金缓冷至Te 温度（183 C）时，将发生共晶转变，即 。这一过程一直在恒温进行，最终得到由 和 两相机械混合物构成的共晶组织。 该合金的室温平衡组织为100%的（ + + ）共晶体（或共晶组织）。 5-3 二元共晶相图二元共晶相图 Pb Sn二元共晶相图二元共晶相图wSn /%nmTeeL 5-3 二元共晶相图二元共晶相图 Pb Sn 共晶组织共晶组织（三）亚共晶合金：（三）亚共晶合金：成分位于共晶点

22、e 以左、m点以右的合金。 此类合金的成分低于共晶成分，故只有部分液相可凝固成共晶组织。 例：例：wSn=35%的亚共晶合金（合金线II）的平衡凝固过程：1点以上：液相L12点之间： ，L + 2点： ，初晶 +(+( + + ）2点以下：5-3 二元共晶相图二元共晶相图 LnmTeeL II Pb Sn二元共晶相图二元共晶相图wSn /%1II2 wSn = 35%的亚共晶合金平衡凝固后的室温平衡组织为： 初晶 + II+（ + ） 该成分合金缓冷时的平衡凝固过程示意图如下图所示： 该成分合金的室温组织组成物为：初晶初晶 ， II，（，（ + ） 该成分合金的室温相组成物为： ， 5-3 二

23、元共晶相图二元共晶相图 1以上以上1222以下以下5-3 二元共晶相图二元共晶相图 Pb Sn亚共晶组织亚共晶组织 200Pb Sn二元共晶相图二元共晶相图wSn /%1II2wSn=35%的亚共晶合金的平衡凝固过程也可用如下方式表述： )()(2221 IInmmLL以下以下 根据杠杆定律可计算相组成物和组织组成物的相对量：相组成物：相组成物：组织组成物：组织组成物：5-3 二元共晶相图二元共晶相图 %1002100219199 .61359 .61%1002%100210019100199 .61359 .61%1002%100199 .611935%1002)%( fgfmmeefgmg

24、meememII %1002100235%1002%100210035100%1002% fgffgg Pb Sn二元共晶相图二元共晶相图wSn /%1II2（四）过共晶合金：（四）过共晶合金：成分在e点以右、n点以左的合金。 过共晶合金的平衡凝固过程与亚共晶合金类似，不同的是过共晶合金的初晶相为 相而不是 相，次生相 II将由初生相 中析出。过共晶合金的室温平衡组织为 + II +（ + ）。）。此类合金的平衡凝固过程亦可表示为： 5-3 二元共晶相图二元共晶相图 以以下下2221)(nmnLLII )( Pb Sn二元共晶相图二元共晶相图wSn /%1III25-3 二元共晶相图二元共晶相

25、图 wB / %按组织组成物填注的共晶相图按组织组成物填注的共晶相图按相组成物填注的共晶相图按相组成物填注的共晶相图wB / % + 三、三、共晶系的非平衡凝固共晶系的非平衡凝固 （一）伪共晶（一）伪共晶 平衡凝固条件下，只有共晶成分的合金才能获得百分之百的共晶组织，但在非平衡凝固条件下，成分在共晶点附近的合金也可能全部转变成共晶组织。这种非共晶成分的共晶组织即称为伪共晶伪共晶。5-3 二元共晶相图二元共晶相图 当共晶点附近成分的合金溶液过冷到两条液相线的延长线所包围的阴影区时，合金溶液将处于两条液相线的延长线ea 及eb 之下，这说明过冷液相对于 相和 相的凝固均处于过冷状态， 相和 相就会

26、在过冷液相中同时形核并生长大，形成具有共晶组织特征（但不是共晶成分合金）的伪共晶组织。 图中的阴影区称做伪共晶区伪共晶区。 5-3 二元共晶相图二元共晶相图 伪共晶区伪共晶区（二）离异共晶（二）离异共晶 最大固溶度点附近的合金（图中m点附近的合金 I 和 II）发生非平衡凝固时，由于固相线下移，使其冷却到共晶温度时仍有少量液相剩余，这部分液相将发生共晶转变而形成少量非平衡共晶组织。由于其中的初生相数量很多而共晶组织数量很少，故共晶组织中与初生相相同的那一相就会依附在初生相上形核、生长，从而将共晶组织中的另一相推到最后凝固的初生相的晶界处，导致两相的分布完全失去了共晶组织的形貌特征。 这种两相分

27、离的共晶组织称为离异共晶离异共晶。 5-3 二元共晶相图二元共晶相图 离异共晶离异共晶 wB / %思考题：思考题： 1. 何谓共晶转变？何谓伪共晶？何谓离异共晶？何谓共晶转变？何谓伪共晶？何谓离异共晶？ 2. 典型成分的典型成分的Pb-Sn系合金的平衡凝固过程分析系合金的平衡凝固过程分析 及室温平衡组织中相组成物和组织组成物相对及室温平衡组织中相组成物和组织组成物相对 量的计算。量的计算。5-3 二元共晶相图二元共晶相图 一、相图分析一、相图分析 两组元在液态无限互溶、在固态有限互溶或者完全不互溶，且在冷却过程中发生包晶转变的相图，称为包晶相图包晶相图。 包晶转变：包晶转变：已凝固的固相与剩

28、余液相反应形成另一固相的恒温转变。 具有包晶转变的二元系有Pt-Ag、Fe-C、Cu-Zn、Cu-Sn、Sn-Sb、Ag-Sn等二元合金系以及ZrO2-CaO等二元陶瓷系。 5-4 二元包晶相图二元包晶相图 ACB线液相线，其中AC线和CB线分别代表 和 两种匀晶转变开始线AD、PB线固相线DE线和PF线 相和 相的 固溶度曲线DPC水平线包晶转变线P点包晶点 成分在DC范围内的合金在P点对应的温度下将发生包晶转变：5-4 二元包晶相图二元包晶相图 Pt-Ag二元包晶相图二元包晶相图PTDCPL L L二、二、包晶系的平衡凝固及平衡组织包晶系的平衡凝固及平衡组织 （一）（一）wAg= 42.4

29、的的Pt-Ag合金（合金（合金线合金线I） 1点以上：液相L12点之间： ，从液相 中凝固出 相冷至P点：发生包晶转变，形 成 相：P点以下：室温平衡组织： + + 5-4 二元包晶相图二元包晶相图 Pt-Ag二元包晶相图二元包晶相图 LPTDCPL II 包晶转变机制示意图包晶转变机制示意图5-4 二元包晶相图二元包晶相图 PTDCPL （二）（二）42.4% wAg 66.3%的的Pt-Ag合金（合金（合金线合金线II）1点以上：液相L12点之间：冷至2点: : 发生包晶转变 ，L + 23点之间： ，L + 34点之间：无变化，单相 4点以下：室温平衡组织: + + 5-4 二元包晶相图

30、二元包晶相图 Pt-Ag二元包晶相图二元包晶相图 LPTDCPL LII 5-4 二元包晶相图二元包晶相图 （三）（三）10.5% wAg 42.4%的的Pt-Ag合金（合金（合金线合金线III）1点以上：液相L12点之间： ，L + 冷至2点: : 发生包晶转变 ， + 2点以下： ， 室温平衡组织： + + + + + + LPTDCPL II II Pt-Ag二元包晶相图二元包晶相图三、三、包晶系的非平衡凝固包晶系的非平衡凝固 非平衡凝固条件下，包晶转变所依赖的固体中的原子扩散不能充分进行，导致包晶转变的不完全性，即在低于包晶温度时，本应完全消失的 相部分地被保留下来，剩余的液相则在低于

31、包晶转变温度下将发生匀晶转变直接凝固出相，使得所形成的 相成分极为不均匀。 由于包晶转变不能充分进行而产生的成分不均匀现象称为包晶偏析包晶偏析。5-4 二元包晶相图二元包晶相图 例：例：wCu= 35的的Cu-Sn合金合金 缓慢冷却至415C时，将发生包晶转变 ，剩余液相冷却至227C时又将发生的共晶转变 ，最终的平衡凝固组织应为 + ( + Sn)； 非平衡凝固时，组织中保留着相当数量的初生相 （灰色），包围它的是 相（白色），再外面则是黑色的共晶组织（ + Sn）。）。 5-4 二元包晶相图二元包晶相图 非平衡凝固组织非平衡凝固组织wSn / %Cu-Sn合金相图合金相图 LSnL 对于一

32、些原来不发生包晶转变的合金（如合金I），在平衡冷却条件下并不发生包晶转变，但在非平衡冷却条件下，由于 固溶体的平均成分线下移，致使合金冷却到包晶转变温度时仍有少量残余液相存在，此时就有可能发生包晶转变，形成某些平衡状态下不应出现的相。 5-4 二元包晶相图二元包晶相图 wB / %I一、形成化合物的二元相图一、形成化合物的二元相图 稳定化合物：稳定化合物：具有确定的熔点，可熔化成与固态相同成 分液体的化合物（其相区与液相区直接相 接触）。 不稳定化合物：不稳定化合物：没有确定的熔点，不能熔化成与固态相 同成分的液体，当加热到一定温度时只能 发生分解，转变为两个相（其相区与液相 区不直接触，中间

33、为两相区）。5-5 其他类型的二元相图其他类型的二元相图 （一）形成稳定化合物的二元相图（一）形成稳定化合物的二元相图 可把稳定化合物Mg2Si看作一个独立组元，把Mg-Si二元相图分成Mg-Mg2Si和Mg2Si-Si两个独立的二元相图进行分析 5-5 其他类型的二元相图其他类型的二元相图 Mg-Si二元相图二元相图wSi / %LLLLL 如果所形成的化合物对组元有一定的溶解度，则化合物在相图中有一定的成分范围。若以该化合物熔点对应的成分向横坐标作垂线，该垂线可把相图分成两个独立的相图。 5-5 其他类型的二元相图其他类型的二元相图 Cd-Sb二元相图二元相图wSb / %L + （二）形

34、成不稳定化合物的二元相图（二）形成不稳定化合物的二元相图 K-Na二元系中，当含Na量为54.4%的化合物KNa2被加热到6.9 C，便会分解为成分与之不同的液相和Na晶体（不稳定化合物KNa2实际上是由包晶转变得到的）。5-5 其他类型的二元相图其他类型的二元相图 K-Na二元相图二元相图wNa / %5-5 其他类型的二元相图其他类型的二元相图 二、具有偏晶、熔晶、合晶转变的二元相图二、具有偏晶、熔晶、合晶转变的二元相图具有偏晶、熔晶、合晶转变的二元相图具有偏晶、熔晶、合晶转变的二元相图a具有偏晶转变具有偏晶转变; b具有熔晶转变具有熔晶转变; c具有合晶转变具有合晶转变acb偏晶转变：偏

35、晶转变：熔晶转变：熔晶转变：合晶转变：合晶转变： 21LLT LT TLL215-5 其他类型的二元相图其他类型的二元相图 三、具有固态转变的二元相图三、具有固态转变的二元相图 具有共析、包析转变的二元相图具有共析、包析转变的二元相图a具有共析转变的相图具有共析转变的相图; b具有包析转变的相图具有包析转变的相图ba共析转变：共析转变：包析转变：包析转变： T T思考题：思考题： 分别解释包晶转变、熔晶转变、合晶转变、分别解释包晶转变、熔晶转变、合晶转变、偏晶转变、共析转变和包析转变的概念。偏晶转变、共析转变和包析转变的概念。 5-5 其他类型的二元相图其他类型的二元相图 5-6 铁碳相图及铁

36、碳合金铁碳相图及铁碳合金 碳钢和铸铁是最为广泛使用的金属材料，铁碳平衡相图是研究钢铁材料的组织和性能及其热加工工艺的重要工具。 一、一、铁碳合金中的基本相铁碳合金中的基本相 铁素体：铁素体：碳原子溶于体心立方结构的Fe中形成的间隙 固溶体 奥氏体：奥氏体：碳原子溶于面心立方结构的Fe中形成的间隙 固溶体 渗碳体：渗碳体：碳原子与铁原子之间形成的具有复杂正交点阵 的间隙化合物（Fe3C） 石墨：石墨：碳也可能以具有六方结构的游离态石墨存在 5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 二、相图分析二、相图分析（一）恒温转变（共三个（一）恒温转变（共三个）（1）包晶转变：）包晶转变：HJB水平线（

37、2）共晶转变：）共晶转变：ECF水平线 转变产物：莱氏体莱氏体 Ld（3）共析转变：共析转变：PSK水平线 转变产物：珠光体珠光体 PJCDBoL 1495)(31148CFeLECCo Fe- Fe3C相图相图)(3727CFePCSo 5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 （二）临界线（二）临界线（1）液相线：AB、BC、CD线（2）固相线：AH、JE线（3）GS线：线：又称A3线，它是在 冷却过程中，由奥氏体转变 为铁素体的开始线，或是在 加热时铁素体全部转变为奥 氏体的终了线Fe- Fe3C相图相图Fe- Fe3C相图相图5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 （4）ES

38、线：线：它是碳在奥氏体中 的固溶度曲线，通常称为 Acm线。当温度低于此线时， 奥氏体中将析出Fe3C，称为 二次渗碳体（Fe3CII）（5）PQ线：线：它是碳在铁素体中 的固溶度曲线。当温度低于 此线时，也将析出Fe3C，称 为三次渗碳体（Fe3CIII）Fe- Fe3C相图相图5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 （三）相区（三）相区（1）单相区）单相区 L、 、 、 、Fe3C（2）两相区）两相区 L + 、L + 、L + Fe3C、 + 、 + 、 + Fe3C、 + Fe3C（3）三相区）三相区 L + + 、 L + + Fe3C、 + + Fe3C思考题：思考题： 1.

39、 分别解释铁素体、奥氏体、渗碳体、莱氏体、分别解释铁素体、奥氏体、渗碳体、莱氏体、珠光体的概念。珠光体的概念。 2. 指出一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、指出一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体和共析渗碳体之间的主要区别。共晶渗碳体和共析渗碳体之间的主要区别。 5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 三、铁碳合金的平衡凝固过程及平衡组织三、铁碳合金的平衡凝固过程及平衡组织（一）铁碳合金的分类（一）铁碳合金的分类 铁碳合金通常可按含碳量及其室温平衡组织划分为 三大类：工业纯铁、碳钢和铸铁。工业纯铁、碳钢和铸铁。 碳钢碳钢和铸铁铸铁是按有无共晶转变有无共晶转变来区分的。5-6

40、铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 Fe- Fe3C相图相图5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 在工程上，按获得的不同组织特征将铁碳合金细分为七种七种类型： 工业纯铁工业纯铁：wC 0.0218% 共析钢：共析钢：wC = 0.77% 亚共析钢：亚共析钢：0.0218% wC 0.77% 过共析钢：过共析钢：0.77% wC 2.11% 共晶白口铸铁：共晶白口铸铁：wC = 4.3% 亚共晶白口铸铁：亚共晶白口铸铁：2.11% wC 4.3% 过共晶白口铸铁：过共晶白口铸铁：4.3% wC 6.69%5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 wC / %Fe- Fe3C相图相图

41、 (二二) 铁碳合金的平衡凝固过程与室温平衡组织铁碳合金的平衡凝固过程与室温平衡组织 (1) 工业纯铁（工业纯铁（0.01C的合金的合金） 1点以上：点以上：液相L 12点：点：匀晶转变 L 23点：点：单相固溶体 34点：点：多晶型转变 45点：点：单相 56点：点：多晶型转变 67点：点：单相 7点点以下：以下：析出转变 Fe3CIII 室温平衡组织： + Fe3CIII 5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 工业纯铁的显微组织工业纯铁的显微组织wC = 0.01%的工业纯铁凝固过程示意图的工业纯铁凝固过程示意图wC / %Fe- Fe3C相图相图(2) 共析钢（共析钢（0.77C

42、的合金的合金） 1点以上：点以上：液相L 12点：点：匀晶转变 L 23点：点：单相 3点：点：发生共析转变 0.77 P（ 0.0218 + Fe3C） 3点以下点以下：P P 共析钢的平衡凝固过程亦可表示为： （ + Fe3C） 5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 PLL 33221 珠光体 P 通常为片层状铁素体与渗碳体交替重叠的两相机械混合物。P 中片层状的Fe3C经适当的退火处理后，可呈颗粒状分布在铁素体基体上，称为球状（或粒状）珠光体。 5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 共析钢中的层片状珠光体共析钢中的层片状珠光体共析钢中的球状珠光体共析钢中的球状珠光体wC

43、/ %Fe- Fe3C相图相图 室温下珠光体中铁素体与渗碳体的相对量为：Fe3C% 5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 %88%1000008. 069. 677. 069. 6% %12%1000008. 069. 60008. 077. 0 (3) 亚亚共析钢（共析钢（0.4C的合金的合金） 1点以上：点以上：液相L 12点：点：匀晶转变 L 2点：点：发生包晶转变 L0.53 + 0.09 0.17 23点：点：匀晶转变 L 34点：点：单相 45点：点：多晶型转变 5点：点：发生共析转变 0.77 P（ 0.0218 + Fe3C） 5点以下：点以下： + P5-6 铁碳相图

44、及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 wC / %Fe- Fe3C相图相图亚共析钢的室温平衡组织为： + P亚共析钢的含碳量越高，室温平衡组织中珠光体的含量越多。5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 亚共析钢的室温组织亚共析钢的室温组织对于对于0.4C的亚的亚共析钢，共析钢，室温组织组成物的相对量：室温组织组成物的相对量：室温相组成物的相对量：室温相组成物的相对量： Fe3C5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 wC / %Fe- Fe3C相图相图%1000218. 077. 04 . 077. 0%1000218. 077. 00218. 04 . 0% P%1000008. 069

45、. 64 . 069. 6% %1000008. 069. 60008. 04 . 0% wC / %Fe- Fe3C相图相图(4) 过共析钢（过共析钢（1.2C的合金的合金） 1点以上：点以上：液相L 12点：点：匀晶转变 L 23点：点：单相 34点：点：析出转变 Fe3CII （Fe3CII通常沿奥氏体晶 界析出，呈网状分布） 4点：点：发生共析转变 0.77 P（ 0.0218 + Fe3C） 室温平衡组织：P + Fe3CII5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 过共析钢的室温组织过共析钢的室温组织过共析钢的室温组织过共析钢的室温

46、组织wC / %Fe- Fe3C相图相图5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 对于对于1.2C的过的过共析钢，共析钢，室温组织组成物的相对量：室温组织组成物的相对量： Fe3CII室温相组成物的相对量：室温相组成物的相对量： Fe3C%10077. 069. 62 . 169. 6% P%10077. 069. 677. 02 . 1% %1000008. 069. 62 . 169. 6% %1000008. 069. 60008. 02 . 1% (5) 共晶白口铸铁（共晶白口铸铁（4.3%C的合金的合金） 1点以上：点以上：液相L 1点：点：发生共晶转变 L 4.3 Ld（ 2.

47、11 + Fe3C） 12点：点：析出转变 Fe3CII （ Fe3CII 无法分辨） 2点：点：发生共析转变 0.77 P（ 0.0218 + Fe3C） 室温平衡组织：L d5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 wC / %Fe- Fe3C相图相图5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 共晶白口铸铁的室温组织共晶白口铸铁的室温组织wC / %Fe- Fe3C相图相图(6) 亚共晶白口铸铁（亚共晶白口铸铁（3.0C的合金的合金） 1点以上：点以上：液相L 12点：点：匀晶转变 L 2点：点：发生共晶转变 L 4.3 Ld（ 2.11 + Fe3C） 23点：点：析出转变 Fe3CII 3点：点：发生共析转变 0.77 P（ 0.0218 + Fe3C） 室温平衡组织：P + Fe3CII + L d5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 亚共晶白口铸铁的室温组织亚共晶白口铸铁的室温组织 5-6 铁碳相图及铁碳合金铁碳相图及铁碳合金 wC / %Fe- Fe3C相图相图对于对于3.0C的亚共晶白口铸铁的亚共晶白口铸铁，室温相组成物的相对量：室温相组成物的相对量： Fe3C 室温组织组成物的相对量：室温组织组成物的相对量： Fe3CII%10011. 23 . 411. 2