第三章相图及应用

1、材料科学与工程基础第三章 相图及应用Phase Diagrams 为了对广泛使用的合金进行熔铸、锻压和热和理，必须首先了解它们的熔点和固态转变温度，并弄清楚它们的凝固过程及凝固后的相和组织结构。相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间的关系的一种图解，又称为状态图或平衡图。利用相图，我们可以了解各种成分的材料在不同温度、压力下的相组成，多种相的成分与相对量及组织的变化规律等。因此，掌握和了解相图的基本知识和分析方法，对制定材料热加工工艺、分析和检测材料的性能以及研究开发新材料等都有重要作用和指导意义。 材料科学与工程基础第一节 二元相图的建立Mensuration of Binary Pha

2、se Diagrams一、二元相图的表示方法一、二元相图的表示方法 二元系中相的平衡状态与温度、成分的关系可以用平面图形来表示，二元系中相的平衡状态与温度、成分的关系可以用平面图形来表示，如图所示。如图所示。 A B LL+温度 A B B % 二元相图材料科学与工程基础CuNi20406080wNi(%)时间时间温度温度wNi=100%wNi=80%wNi=60%wNi=20%wNi=40%Cu-Ni二元合金相图的建立二元合金相图的建立二、二元相图的测定方法 相图的建立一般采用热分析法，其基本思路是先配制一系列不同成分的给定合金，绘制它们各自的冷却曲线，然后由冷却曲线上的临界点绘制相图。材料

3、科学与工程基础三、相律及杠杆定律 相律 相律是分析和使用相图的重要理论依据，它表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平衡相数之间的关系式。在衡压条件下，其数学表达式为 f=c-p+1 式中 f自由度数 c组元数 p平衡相数材料科学与工程基础CuNi20406080wNi(%)液相液相线线固相固相线线ABLL XL X0 XQL +Q =1QLXL +Q X =X0解此方程组得：解此方程组得： LLXQ X X-X0LXQ X X-XL0 杠杆定律杠杆定律 合金的平衡组织中，各个相及合金的平衡组织中，各个相及组织的组成物可通过相图分析得组织的组成物可通过相图分析得到。而不同成分的相的相对量和

4、到。而不同成分的相的相对量和组织的相对量也可通过杠杆定律组织的相对量也可通过杠杆定律进行计算求得。进行计算求得。材料科学与工程基础第二节 匀晶相图及固溶体的结晶Isomorphous Phase Diagrams 从液相中不断结晶出单相固溶体的过程称为匀晶从液相中不断结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。转变。 二组元在液态、固态时均能无限互溶的二元合金二组元在液态、固态时均能无限互溶的二元合金相图就是匀晶相图。这样的二元合金系称为匀晶系。相图就是匀晶相图。这样的二元合金系称为匀晶系。属于匀晶系的合金系有属于匀晶系的合金系有Cu-Ni、Nb-Ti、Ag-Au、Cr-Mo、Fe-Ni、Mo-W等等

5、。几乎所有二元合金相图都包。几乎所有二元合金相图都包含有匀晶转变部分，因此掌握这一类相图是学习二元含有匀晶转变部分，因此掌握这一类相图是学习二元合金相图的基础。合金相图的基础。材料科学与工程基础一、相图分析 A 1083 B 1452 LL+温度 Cu Ni Ni % Cu-Ni合金相图液相线固相线材料科学与工程基础二、固溶体合金的平衡结晶过程 I A 1083 B 1452 L1 L2 L3 L4 4 3 2 LL+温度 Cu XL X0 X Ni % Ni 时间 （a） （b）图3-4 Cu-Ni合金相图 L L 1t1t2t3、3t4材料科学与工程基础四、偏析与区域提纯四、偏析与区域提纯

6、 偏析偏析 通过对固溶体结晶平衡与非平衡过程的分析，表明在结晶过程通过对固溶体结晶平衡与非平衡过程的分析，表明在结晶过程中随着固相的不断形成，其成分也在不断的变化，这种变化是通过中随着固相的不断形成，其成分也在不断的变化，这种变化是通过原子的扩散实现的。若原子能够进行充分的扩散，固溶体将发生平原子的扩散实现的。若原子能够进行充分的扩散，固溶体将发生平衡结晶；若原子不能够进行充分的扩散，固溶体将发生非平衡结晶。衡结晶；若原子不能够进行充分的扩散，固溶体将发生非平衡结晶。由此可见，固溶体在结晶时，溶质和溶剂原子必然要发生重新分配。由此可见，固溶体在结晶时，溶质和溶剂原子必然要发生重新分配。固溶体不

7、平衡结晶所形成的枝晶偏析是指一个晶粒内部成分的不均固溶体不平衡结晶所形成的枝晶偏析是指一个晶粒内部成分的不均匀现象；而固溶体的在结晶时，沿一定方向结晶过程中，在一个较匀现象；而固溶体的在结晶时，沿一定方向结晶过程中，在一个较大区域范围内也会出现成分差异，这称为宏观偏析。大区域范围内也会出现成分差异，这称为宏观偏析。 材料科学与工程基础五、成分过冷 长大方式 长大方式取决于凝固过程中的温度分布。TCxSL(b)xTCSL(a)铸锭凝固过程中的温度分布材料科学与工程基础结晶时合金液体中的浓度分布结晶时合金液体中的浓度分布 由于结晶时随温度不同，液固两相的成分也不同，所以会在液固界由于结晶时随温度不

8、同，液固两相的成分也不同，所以会在液固界面上形成浓度差，造成理论结晶温度面上形成浓度差，造成理论结晶温度Tm变化。变化。T C0 CL 成分成分TmX（位置）（位置）SL液固界面液固界面浓浓度度CX（位置）（位置）SL液固界面液固界面CLC0材料科学与工程基础成分过冷TX（位置）SLTmTc材料科学与工程基础第三节 共晶相图 Binary Eutectic Phase Diagrams 大多数二元合金在液态时相互无限溶解，而在大多数二元合金在液态时相互无限溶解，而在固态时并不能完全互溶，发生共晶转变形成有固态时并不能完全互溶，发生共晶转变形成有限固溶体。具有共晶转变的典型合金系有限固溶体。具有

9、共晶转变的典型合金系有Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi等，它们的相图等，它们的相图都属于共晶相图。都属于共晶相图。 材料科学与工程基础一、相图分析一、相图分析 二、典型合金的平衡结晶二、典型合金的平衡结晶 固溶体合金（含固溶体合金（含SnSn量小于量小于1919的的Pb-SnPb-Sn合金）合金） 共晶合金（含共晶合金（含Sn量为量为61.9的的Pb-Sn合金）合金）亚亚共晶合金（含共晶合金（含Sn量为大于量为大于19小于小于61.9的的Pb-Sn合金）合金）400 A300200100Pb 20 40 60 80 SnWSn（%）Pb-Sn相图温度 327.5 L 19 61.

10、9 97.5 L+ 231.9 B183 E L+ 材料科学与工程基础材料科学与工程基础材料科学与工程基础材料科学与工程基础PbSn20406080wSn(%)AB L L L ( ) II MNFGE由组织组成物填写的由组织组成物填写的Pb-Sn合金相图合金相图( ) ( ) II II II 材料科学与工程基础第四节 包晶相图 Binary Peritectic Phase Diagrams 一个一定成分的液相与一个一定成分的固相在恒一个一定成分的液相与一个一定成分的固相在恒温下生成另一固相的转变称为包晶转变。两组元温下生成另一固相的转变称为包晶转变。两组元液态时能相互无限溶解，固态时有限

11、互溶，并发液态时能相互无限溶解，固态时有限互溶，并发生包晶转变的二元合金系相图称为包晶相图。具生包晶转变的二元合金系相图称为包晶相图。具有这种相图的典型合金有有这种相图的典型合金有Pt-Ag、Sn-Sb、Cu-Sn、Cu-Zn等合金系。等合金系。 材料科学与工程基础一、相图分析一、相图分析 二、典型合金的平衡结晶二、典型合金的平衡结晶 含含AgAg量为量为42.442.4的的Pt-AgPt-Ag合金合金 含含AgAg量为大于量为大于42.442.4小于小于66.366.3的的Pt-AgPt-Ag合金合金 含含AgAg量为大于量为大于10.510.5小于小于42.442.4的的Pt-AgPt-A

12、g合金合金 18001600140012001000 800 600 400 温度 Pt 20 40 60 80 Ag图332 Pt-Ag合金相图LL+L+B(961.93)CA(1772) 1186 D 2P42.410.566.3EF材料科学与工程基础材料科学与工程基础材料科学与工程基础材料科学与工程基础材料科学与工程基础材料科学与工程基础第五节 其它类型的二元合金相图 匀晶、共晶、包晶相图是最基本的三匀晶、共晶、包晶相图是最基本的三种相图。除这三种相图外，还有几种种相图。除这三种相图外，还有几种其它类型的相图。其它类型的相图。 材料科学与工程基础一、组元间形成中间相的相图一、组元间形成中间相的相图 两组元形成稳定化合物的相图两组元形成稳定化合物的相图 Mg 20 40 60 80 Si Si%Mg-SiMg-Si合金相图合金相图16001200 800 400温温度度/Mg2Si1 0 8 7 56.5LMg2SiLSi 946.7LMg2Si638.8 1.38LMgMg2SiSiMgMg2Si1414 L材料科学与工程基础两组元形成不稳定化合物的相图 Sn 20 40 60 80 Sb温温度度/Sb%700600500400300200100L630.7450 64 4