1、1重點內容：重點內容：二元相圖的表示與建立；二元相圖的表示與建立；相律、杠桿原理及其應用；相律、杠桿原理及其應用；勻晶系相圖；勻晶系相圖；共晶系相圖；共晶系相圖；1) 1) 包晶系相圖。包晶系相圖。第第7 7章章 相圖相圖 2材料的性能材料的性能組織結構組織結構相種類種類數量數量尺寸尺寸形狀形狀分布分布3 相圖相圖又叫狀態圖或平衡圖，是研究合金的一種重要工具。又叫狀態圖或平衡圖，是研究合金的一種重要工具。常見的相圖是系統在常見的相圖是系統在平衡狀態下平衡狀態下的的相組成與溫度及成分相組成與溫度及成分之間之間關系的一種圖形。關系的一種圖形。 這里這里相組成相組成包括相的數目、成分及相對含量。包括

2、相的數目、成分及相對含量。學習相圖的好處學習相圖的好處1. 1.預測不同成分合金熔化與凝固溫度；預測不同成分合金熔化與凝固溫度；2. 2.合金可能有的固態相變與其他轉變；合金可能有的固態相變與其他轉變；3. 3.預測合金的某些性能。預測合金的某些性能。 例：可以根據相圖確定合金的例：可以根據相圖確定合金的熔煉溫度和澆鑄溫度熔煉溫度和澆鑄溫度，確定，確定熱加工溫度范圍熱加工溫度范圍，預期進行，預期進行熱處理的可能性和確定熱處理規熱處理的可能性和確定熱處理規范。范。47.1 7.1 二元相圖的表示和建立二元相圖的表示和建立1 1、相、相 (Phase)(Phase) 在一個系統中，在一個系統中，成

3、分、結構相同，性能一致的均勻的成分、結構相同，性能一致的均勻的組成部分組成部分叫做相，不同相之間有明顯的叫做相，不同相之間有明顯的界面界面分開分開, ,該該界面稱為界面稱為相界面相界面。 一一. .基本概念基本概念例例1 1、恒定大氣壓下，、恒定大氣壓下，0 0 的冰水混合物。的冰水混合物。 條件：氣壓一定，恒溫。條件：氣壓一定，恒溫。 相相1: 1:冰冰 相相2: 2:水水 界面明顯界面明顯5例例2 2、含、含20%20%銻的鉛銻合金顯微圖片。銻的鉛銻合金顯微圖片。 圖中白色塊狀物為圖中白色塊狀物為初生（初生（SbSb）相）相，就是以，就是以SbSb為溶劑，為溶劑，PtPt為溶質的固溶體。為

4、溶質的固溶體。圖圖7.1 7.1 含含20%20%銻的鉛銻合金顯微圖片銻的鉛銻合金顯微圖片62 2、 組元組元 (Component)(Component) 組元通常是指系統中每一個可以單獨分離出來，并能獨立組元通常是指系統中每一個可以單獨分離出來，并能獨立存在的化學純物質，在一個給定的系統中，組元就是構成系存在的化學純物質，在一個給定的系統中，組元就是構成系統的各種統的各種化學元素化學元素或或化合物化合物。 按組元數目，將系統分為：按組元數目，將系統分為：一元系一元系二元系二元系三元系三元系化學元素：化學元素：Cu, Ni, Fe等等化合物：化合物：NiO, CoO, MgO, CaO, A

5、l2O3， SiO2等等73 3、相平衡、相平衡 在某一溫度下，系統中各個相經過很長時間也不互在某一溫度下，系統中各個相經過很長時間也不互相轉變，處于平衡狀態，這種平衡稱為相轉變，處于平衡狀態，這種平衡稱為相平衡。各組元在各相中的化學勢相同。各組元在各相中的化學勢相同。AB熱力學動態平衡熱力學動態平衡8二、二元相圖的表示與建立二、二元相圖的表示與建立1 1、二元相圖表示、二元相圖表示圖圖7.27.2 CuNiCuNi合金相圖合金相圖9 二元相圖采用兩個坐標二元相圖采用兩個坐標軸軸, ,縱坐標縱坐標用來表示溫度用來表示溫度, ,橫坐標橫坐標用來表示成分。令用來表示成分。令A A和和B B代表合金

6、的兩個組元代表合金的兩個組元, ,則橫坐標的一端代表純組則橫坐標的一端代表純組元元A,A,另一端代表純組元另一端代表純組元B,B,任何一個由任何一個由A,BA,B二組元組二組元組成的合金成的合金, ,其成分都可以其成分都可以在橫坐標上找到相應的一在橫坐標上找到相應的一點。點。 合金的成分可以用合金的成分可以用質量分數質量分數或原子百分數表示。一般情或原子百分數表示。一般情況下況下, ,如果沒有特別的注明如果沒有特別的注明, ,都是指都是指質量分數質量分數。10BAABABLLL+L+L+L+L+L圖圖7.3 7.3 三個不同類型的二元相圖三個不同類型的二元相圖 相圖中有一系列曲線有時還有水平線

7、段相圖中有一系列曲線有時還有水平線段, ,這些線把相圖分這些線把相圖分成若干個不同的相區成若干個不同的相區, ,圖圖7.37.3給出了三個不同類型的二元相圖給出了三個不同類型的二元相圖. . 一定成分的合金一定成分的合金加熱或冷卻加熱或冷卻時時, ,在相圖上的表示就是對應在相圖上的表示就是對應于該合金的成分點平行于溫度軸上下移動于該合金的成分點平行于溫度軸上下移動, ,若與相圖上的某若與相圖上的某一條線相遇一條線相遇, ,則交點所對應的溫度就是該合金從一種相組成則交點所對應的溫度就是該合金從一種相組成狀態轉變為另一種相組成狀態的溫度狀態轉變為另一種相組成狀態的溫度, ,又稱又稱臨界點。臨界點。

8、臨界點臨界點因此因此, ,相圖的建立過程也就是合金臨界點的測定過程。相圖的建立過程也就是合金臨界點的測定過程。112 2 相圖的建立相圖的建立方法：實驗法和計算法。方法：實驗法和計算法。過程：配制合金測冷卻曲線確定轉變溫度過程：配制合金測冷卻曲線確定轉變溫度 填入坐標繪出曲線。填入坐標繪出曲線。相圖結構相圖結構( (勻晶勻晶) )：兩點、兩線、三區。：兩點、兩線、三區。Cuw圖圖7.4 7.4 相圖的建立相圖的建立12說明：說明： 當合金的相組成狀態因溫度改變而發生變化，合金某些當合金的相組成狀態因溫度改變而發生變化，合金某些性質的變化或多或少帶點性質的變化或多或少帶點突變性突變性，這樣就可以

9、通過測量合，這樣就可以通過測量合金的性質來確定其金的性質來確定其臨界點臨界點。1 1、目前測定臨界點方法有熱分析、差熱分析、金相分析、目前測定臨界點方法有熱分析、差熱分析、金相分析、X X射線、電阻、熱膨脹、磁性、力學性能等；射線、電阻、熱膨脹、磁性、力學性能等； 不論那種合金系，各種方法配合使用，以充分利用每種不論那種合金系，各種方法配合使用，以充分利用每種方法的特點。方法的特點。2 2、相圖也可以根據合金熱力學原理及有關的熱力學數據計相圖也可以根據合金熱力學原理及有關的熱力學數據計算出，對于比較簡單的相圖，有時計算還比較精確。算出，對于比較簡單的相圖，有時計算還比較精確。 隨著計算機的發展

10、，相圖計算不斷取得新的進展，但由隨著計算機的發展，相圖計算不斷取得新的進展，但由于合金中原子相互作用比較復雜，目前還不能于合金中原子相互作用比較復雜，目前還不能普遍的精確普遍的精確計算計算出相圖，特別是相平衡比較復雜的相圖，但是用來預出相圖，特別是相平衡比較復雜的相圖，但是用來預測未知的多元相圖，可以大大減輕實驗工作量。測未知的多元相圖，可以大大減輕實驗工作量。137.2 7.2 相律、杠桿定律及其應用相律、杠桿定律及其應用 相律能定量的表示出系統的相律能定量的表示出系統的自由度數自由度數與與組元數組元數和和相數相數之間的關系。之間的關系。 系統的自由度數是指系統的自由度數是指系統本身的可變變

11、量系統本身的可變變量，即，即 溫度、溫度、壓力和相的成分。壓力和相的成分。 一一. .相律相律F=C-P+2說明：說明：1 1、F F為自由度數，為自由度數，C C為組元數，為組元數，P P為相數，為相數，2 2代表溫度和代表溫度和壓力可變；壓力可變； 2 2、若為恒壓，則、若為恒壓，則F=C-P+1。14例例1 1、圖圖7.57.5為鐵的單組元系統相圖，它能夠告訴我們鐵的為鐵的單組元系統相圖，它能夠告訴我們鐵的狀態和溫度及壓力之間的關系。狀態和溫度及壓力之間的關系。圖圖7.5 7.5 鐵的相圖鐵的相圖OAOA、OBOB、OCOC把圖分成把圖分成3 3個個區域區域：1 1、在、在AOBAOB以

12、左為體心立方以左為體心立方晶格晶格 FeFe；2 2、在、在AOCAOC以上為面心立方以上為面心立方晶格晶格 FeFe；3 3、在、在BOCBOC以右為密排六方以右為密排六方的的 FeFe。練習：練習：1 1、在、在AOBAOB區域，區域，F=2F=2；2 2、在、在AOAO線上，兩相平衡線上，兩相平衡F=1F=1；3 3、在、在O O點，三相平衡，點，三相平衡，F=0F=0。15例例2 2 （1 1）金屬及合金的加工處理過程通常都在大氣壓力下）金屬及合金的加工處理過程通常都在大氣壓力下進行，壓力不再是系統中的變量，因此系統的可變因素數進行，壓力不再是系統中的變量，因此系統的可變因素數應當減去

13、一個，應當減去一個， 即即F=C-P+1F=C-P+1 （2 2）當純金屬系統處于單相（固相或液相）時，系統）當純金屬系統處于單相（固相或液相）時，系統的自由度數的自由度數 F=1 F=1，那溫度可以在一定范圍內任意變動而仍，那溫度可以在一定范圍內任意變動而仍保持為固相保持為固相( (或液相），或液相）， 當金屬開始熔化（或凝固）處于固液兩相平衡時，系當金屬開始熔化（或凝固）處于固液兩相平衡時，系統的自由度數統的自由度數F=0F=0，即溫度必須保持不變。這說明純金屬，即溫度必須保持不變。這說明純金屬的熔化的熔化( (或凝固）是在恒溫下進行的。或凝固）是在恒溫下進行的。 16二二. .杠桿定律杠

14、桿定律 設合金設合金m m在溫度在溫度T T1 1時處于（時處于（ + + ）兩相平衡，）兩相平衡， 和和 兩兩相成分分別在相成分分別在a a，b b兩點。具體數據如下：兩點。具體數據如下：abmww圖圖7.6 7.6 杠桿定律的推導杠桿定律的推導1.合金總質量為合金總質量為MM，含，含B B組元百分含量組元百分含量 ；2. 2. 相質量為相質量為 ，占總質，占總質量的百分數量的百分數 ，含，含B B組元組元百分含量百分含量 ；3. 3. 相質量為相質量為 ，占總質，占總質量的百分含量量的百分含量 ，B B組元組元百分含量百分含量 。wwmTMbTwMaTwM111MwMwM（總質量守恒）（總

15、質量守恒）（B B組元質量守恒）組元質量守恒）mT1a1Tb1TMM17即即1wwmTbTwaTw111得出得出,abmbw ,aabmw ,mambwwabmww說明：說明：（1 1）mbmbT T1 1b bT T1 1m m， ma maT T1 1m m T T1 1a a， ab abT T1 1b b T T1 1a a ，其實就是其實就是B B組元百分含量之差；組元百分含量之差；（2 2）abab長度類比于力學上第一類杠桿的杠桿長度，合金的長度類比于力學上第一類杠桿的杠桿長度，合金的成分點可作為杠桿支點，兩個相的質量分數可看成分別集成分點可作為杠桿支點，兩個相的質量分數可看成分別

16、集中在各自的成分點，當杠桿達到平衡，即得出杠桿原理。中在各自的成分點，當杠桿達到平衡，即得出杠桿原理。杠桿原理杠桿原理187.3 7.3 相律、杠桿定律及其應用相律、杠桿定律及其應用 勻晶系是指合金二組元在固態及液態均能完全互溶的勻晶系是指合金二組元在固態及液態均能完全互溶的系統。鎳銅系就是一個實例。系統。鎳銅系就是一個實例。無限互溶條件：兩者的晶體結構相同無限互溶條件：兩者的晶體結構相同 原子尺寸相近，尺寸差小于原子尺寸相近，尺寸差小于15% 兩者有相同的原子價和相似的電負性兩者有相同的原子價和相似的電負性一一. .相圖概述相圖概述相圖結構相圖結構(勻晶勻晶)：兩點、兩線、三區。：兩點、兩線

17、、三區。1920二二. .固溶體的固溶體的“平衡平衡”凝固過程凝固過程 現在來分析圖現在來分析圖7.77.7中含中含50%50%銅的合金自液相非常緩慢冷卻時的凝固過銅的合金自液相非常緩慢冷卻時的凝固過程。并假定固、液相平衡。程。并假定固、液相平衡。圖圖7.7 7.7 固溶體的固溶體的“平衡平衡”凝固過程凝固過程凝固過程：凝固過程：（1 1）高溫）高溫T T1 1，從液相要凝固出，從液相要凝固出成分為成分為x x1 1固相，它的含鎳量比原液固相，它的含鎳量比原液相要高；隨著溫度的降低，凝固過相要高；隨著溫度的降低，凝固過程不斷進行。液相及固相成分分別程不斷進行。液相及固相成分分別沿著液相線及固相

18、線改變；沿著液相線及固相線改變；（2 2）到）到T T2 2時，液相成分在時，液相成分在x x3 3，固相，固相成分在成分在x x2 2。這里所指的固相是合金。這里所指的固相是合金中所有的固相，而在溫度在中所有的固相，而在溫度在T T1 1到到T T2 2之間凝固的固相，其含鎳量在之間凝固的固相，其含鎳量在x x1 1到到x x2 2之間；之間；（3 3）當溫度接近）當溫度接近T T3 3，合金中只剩下，合金中只剩下很少的液相，其成分接近很少的液相，其成分接近x x4 4; ;（4 4）當溫度到達）當溫度到達T3T3時，所有固相成分都在時，所有固相成分都在50%Cu50%Cu處。處。21 從以

19、上分析可以看出從以上分析可以看出， 固溶體合金在整個凝固過程中，由液相固溶體合金在整個凝固過程中，由液相凝固出與它自身成分不同的固相，而且液相和固相的成分還不斷地凝固出與它自身成分不同的固相，而且液相和固相的成分還不斷地分別沿液相線分別沿液相線bdfbdf和固相線和固相線aceace變化；變化； 液相和固相的成分變化是通過擴散進行的液相和固相的成分變化是通過擴散進行的( (有時液相中還有有時液相中還有對流對流的的作用），而固相中的擴散要比液相中的擴散慢幾個數量級，因此，作用），而固相中的擴散要比液相中的擴散慢幾個數量級，因此，如果按照上述方式進行擴散，即使合金的數量不多，擴散也要很長如果按照上

20、述方式進行擴散，即使合金的數量不多，擴散也要很長的時間才能完成。的時間才能完成。圖圖7.7 7.7 固溶體的固溶體的“平衡平衡”凝固過程凝固過程22平衡凝固中組織的變化平衡凝固中組織的變化ABL+Lt1t22324三三. .固溶體的不平衡凝固過程固溶體的不平衡凝固過程 在實際生產中，即使在實驗室中，也不能使合金隨時達到平衡。在實際生產中，即使在實驗室中，也不能使合金隨時達到平衡。 假定在凝固過程中，通過擴散與對流的作用，液相的成分保持均勻，假定在凝固過程中，通過擴散與對流的作用，液相的成分保持均勻，而而固相中的擴散可忽略不計固相中的擴散可忽略不計。圖圖7.7 7.7 固溶體的不平衡固溶體的不平

21、衡凝固過程凝固過程凝固過程：凝固過程：（1 1）當溫度冷卻到）當溫度冷卻到T T2 2時，已凝固的時，已凝固的固相，其成分在固相，其成分在a a，c c之間，因此固之間，因此固相中平均成分應在相中平均成分應在a a，c c之間的某一之間的某一點點c c，液相成分改變到，液相成分改變到d d點；點；（2 2）當合金的溫度冷卻到）當合金的溫度冷卻到T T3 3時，時，固固相的平均成分在相的平均成分在e，即尚未達到，即尚未達到50%銅；銅；（3 3）當溫度降低到）當溫度降低到T T4 4，固相的平均固相的平均成分到達成分到達50%（即（即g點），凝固過點），凝固過程才結束，圖中虛線程才結束，圖中虛線

22、ac，e，g代表代表固相平均成分變化的軌跡。固相平均成分變化的軌跡。 固溶體的不平衡固溶體的不平衡凝固過程，使合金的凝固過程，使合金的凝固終了溫度降低凝固終了溫度降低，而且固，而且固相的成分是不均勻的，相的成分是不均勻的，先凝固的部分先凝固的部分含高熔點的組元較多。含高熔點的組元較多。25三三. .固溶體的不平衡凝固過程固溶體的不平衡凝固過程26分析：t1溫度時，合金1首先結晶出成分為1的固相，含Cu量遠低于合金的原始成分，液相含Cu量升高至L1.t2溫度時，冷卻到t2溫度時，固相的平衡成分為2，液相變到L2.由于冷卻較快，固相中的擴散不充分，其內部成分低于2，甚至保留為1，出現成分不均勻現象

23、。整個結晶固體的平均成分2在1和2之間，整個液體的平均成分L2在L1和L2之間。冷卻到t3時，結晶后的固體平衡成分變為3，液相成分變為L3,因擴散不充分達不到平衡凝固成分，固相實際成分為1， 2， 3的平均值3；液相的實際成分則為L1， L2和L3的平均值L3。1. 冷卻到t4時，凝固結束，故鄉的平均成分從3變到427非平衡凝固過程的分析得到如下幾點結論：1）固相平均成分線和液相平均成分線與固相線和液相線不同，與冷卻速度有關，冷卻速度越快，它們偏離固液相線越嚴重；反之，冷卻速度越慢，越接近固液相線，表明冷卻速度越接近平衡冷卻條件。2）先結晶部分總是富高熔點組元，后結晶的部分是富低熔點組元3)非

24、平衡凝固總是導致凝固終結溫度。28四四. .晶內偏析與擴散退火晶內偏析與擴散退火1. 1.晶內偏析晶內偏析 合金凝固一般先以枝晶的形式長大，枝晶的主干合金凝固一般先以枝晶的形式長大，枝晶的主干( (即先凝固部分）含高熔點組即先凝固部分）含高熔點組元較多，而枝晶分枝的間隙部分（即后凝固部分）含低熔點組元較多，元較多，而枝晶分枝的間隙部分（即后凝固部分）含低熔點組元較多，這種在一這種在一個枝晶范圍內成分不均勻的現象，叫做枝晶偏析個枝晶范圍內成分不均勻的現象，叫做枝晶偏析。由于一個枝晶相當于一個晶粒，。由于一個枝晶相當于一個晶粒，所以枝晶偏析又叫做所以枝晶偏析又叫做晶內偏析晶內偏析。 枝晶偏析程度的

25、大小與相圖的形狀有密切的關系，固相線與液相線的水平距枝晶偏析程度的大小與相圖的形狀有密切的關系，固相線與液相線的水平距離及垂直距離愈大，合金凝固時固、液二相的成分變化就愈大，枝晶偏析就愈離及垂直距離愈大，合金凝固時固、液二相的成分變化就愈大，枝晶偏析就愈顯著。顯著。2. 2.擴散退火擴散退火（1 1）枝晶缺陷：具有枝晶偏析的鑄錠或鑄件，通常強度不高，也比較脆，它的）枝晶缺陷：具有枝晶偏析的鑄錠或鑄件，通常強度不高，也比較脆，它的機械性能和物理性能也不均勻。枝晶偏析組織還容易引起晶內腐蝕，降低臺金的機械性能和物理性能也不均勻。枝晶偏析組織還容易引起晶內腐蝕，降低臺金的抗腐蝕性；枝晶偏析組織對于變

26、形加工也是很不利的。因此，鑄錠和大多數鑄件抗腐蝕性；枝晶偏析組織對于變形加工也是很不利的。因此，鑄錠和大多數鑄件是不希望有枝晶偏折的。是不希望有枝晶偏折的。（2 2）為了消除枝晶偏忻，需要進行專門的熱處理，即在相當高的溫度下長時間）為了消除枝晶偏忻，需要進行專門的熱處理，即在相當高的溫度下長時間加熱。這種熱處理叫做加熱。這種熱處理叫做擴散退火或均勻化擴散退火或均勻化。對于大多數合金，溫度每降低。對于大多數合金，溫度每降低5050，擴散速率大約要減慢擴散速率大約要減慢%，因此擴散退火的溫度應盡可能地高，但是應低于實際凝，因此擴散退火的溫度應盡可能地高，但是應低于實際凝固終了溫度，否則合金將部分溶化（又稱過燒）而使鑄錠或鑄件報廢。固終了溫度，否則合金將部分溶化（又稱過燒）而使鑄錠或鑄件報廢。 鑄錠經過均勻化處理后，塑性