1、第四章 二元相圖 相圖：描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之 間關(guān)系的圖解。 15h1第四章 二元相圖 根據(jù)相圖可確定不同成分的材料在不同溫度下組成相的種類、各相的相對量、成分及溫度變化時可能發(fā)生的變化。 僅在熱力學(xué)平衡條件下成立，不能確定結(jié)構(gòu)、分布狀態(tài)和具體形貌。 2第一節(jié) 相圖的基本知識 1 相律 （1）相律：熱力學(xué)平衡條件下，系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度數(shù)之間的關(guān)系。 （2）表達式：f=c-p+2; 壓力一定時，f=c-p+1。 （3）應(yīng)用 可確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相數(shù)。如單元系2個，二元系3個。 可以解釋純金屬與二元合金的結(jié)晶差別。純金屬結(jié)晶恒溫進行，二元合金變溫進行。 第四章相圖第

2、一節(jié)基本知識3第一節(jié) 相圖的基本知識 2 相圖的表示與建立 （1）狀態(tài)與成分表示法 狀態(tài)表示：溫度成分坐標系。 坐標系中的點表象點。 成分表示：質(zhì)量分數(shù)或摩爾分數(shù)。第四章相圖第一節(jié)基本知識4第一節(jié) 相圖的基本知識 2 相圖的表示與建立 （2）相圖的建立 方法：實驗法和計算法。 過程：配制合金測冷卻曲線確定轉(zhuǎn)變溫度填入坐標繪出曲線。 相圖結(jié)構(gòu)：兩點、兩線、三區(qū)。第四章相圖第一節(jié)基本知識5第一節(jié) 相圖的基本知識 3 杠桿定律 （1）平衡相成分的確定（根據(jù)相律，若溫度一定，則自由度為0，平衡相成分隨之確定。） （2）數(shù)值確定：直接測量計算或投影到成分軸測量計算。 （3）注意：只適用于兩相區(qū)；三點（支

3、點和端點）要選準。第四章相圖第一節(jié)基本知識6第二節(jié) 二元勻晶相圖 1 勻晶相同及其分析 （1）勻晶轉(zhuǎn)變：由液相直接結(jié)晶出單相固溶體的轉(zhuǎn)變。 （2）勻晶相圖：具有勻晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。 第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖 （3）相圖分析 兩點：純組元的熔點； 兩線：L, S相線； 三區(qū)：L, , L+。7第二節(jié) 二元勻晶相圖 2 固溶體合金的平衡結(jié)晶 （1）平衡結(jié)晶：每個時刻都能達到平衡的結(jié)晶過程。 （2）平衡結(jié)晶過程分析 冷卻曲線：溫度時間曲線； 相（組織）與相變（各溫區(qū)相的類型、相變反應(yīng)式，杠桿定律應(yīng)用。）； 組織示意圖； 成分均勻化： 每時刻結(jié)晶出的固 溶體的成分不同。 第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖8第二

4、節(jié) 二元勻晶相圖 2 固溶體合金的平衡結(jié)晶 （3）與純金屬結(jié)晶的比較 相同點：基本過程：形核長大； 熱力學(xué)條件：T0； 能量條件：能量起伏； 結(jié)構(gòu)條件：結(jié)構(gòu)起伏。 不同點：合金在一個溫度范圍內(nèi)結(jié)晶（可能性：相律分析；必要性：成分均勻化。） 合金結(jié)晶是選分結(jié)晶：需成分起伏。 第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖9第二節(jié) 二元勻晶相圖 3 固溶體的不平衡結(jié)晶 （1）原因：冷速快（假設(shè)液相成分均勻、固相成分不均勻）。 （2）結(jié)晶過程特點：固相成分按平均成分線變化（但每一時刻符合相圖）； 結(jié)晶的溫度范圍增大； 組織多為樹枝狀。 第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖10第二節(jié) 二元勻晶相圖 3 固溶體的不平衡結(jié)晶 （3）成分偏

5、析： 晶內(nèi)偏析：一個晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。 枝晶偏析：樹枝晶的枝干和枝間化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。 （消除：擴散退火，在低于固相線溫度長時間保溫。） 第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖2h11載人航天的效益 原蘇聯(lián)宇航員加加林1961年首次進入太空，美國“阿波羅”飛船1969年成功登月，這兩個轟動世界的壯舉發(fā)掘和吸引了數(shù)以十萬計的精英人才，促進了天文學(xué)、高能物理、材料學(xué)、自動控制、信息、制造工藝學(xué)等科學(xué)技術(shù)門類的發(fā)展，催生了航天器結(jié)構(gòu)力學(xué)、航天動力學(xué)、空間電子學(xué)、航天醫(yī)學(xué)等新學(xué)科，形成了大批高科技工業(yè)群體，豐富了人類對近地空間和月球的認識，產(chǎn)生了顯著的社會和經(jīng)濟效益。 航天飛機、空間站的出現(xiàn)，使人類得

6、以利用微重力、超低溫、強太陽輻射、真空等太空中的獨特條件開展多項研究。在空間站內(nèi)，宇航員已制作出了雜質(zhì)少、表面缺陷小、質(zhì)地精良的半導(dǎo)體、金屬材料、玻璃、陶瓷和光學(xué)元件；在生物材料加工方面，已可以在空間生產(chǎn)抗血栓制劑尿激酶、純度比地面高100倍的抗流感制劑和抗病毒干擾素、可治療糖尿病的胰腺-細胞和用于治療燒傷的表皮生長素等30多種質(zhì)量、療效較高的藥物，航天員還可設(shè)法使蛋白質(zhì)分子按預(yù)定的立體結(jié)構(gòu)排列起來，形成純度比地面高10倍、性能超群的蛋白質(zhì)晶體，促進新藥開發(fā)、疾病研究和防治；載人航天器搭載的農(nóng)作物種子在宇宙射線的作用下，其遺傳基因會發(fā)生變化，有可能誕生高產(chǎn)、營養(yǎng)成分增加或抗病毒的作物新品種。2

7、h12第二節(jié) 二元勻晶相圖 4 穩(wěn)態(tài)凝固時的溶質(zhì)分布 （1）穩(wěn)態(tài)凝固：從液固界面輸出溶質(zhì)速度等于溶質(zhì)從邊界層擴散出去速度的凝固過程。 （2）平衡分配系數(shù)：在一定溫度下，固、液兩平衡相中溶質(zhì)濃度的比值。k0=Cs/Cl 第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖13第二節(jié) 二元勻晶相圖 4 穩(wěn)態(tài)凝固時的溶質(zhì)分布 （3）溶質(zhì)分布：液、固相內(nèi)溶質(zhì)完全混合（平衡凝固）a; 固相不混合、液相完全混合b; 固相不混合、液相完全不混合c； 固相不混合、液相部分混合d。 第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖14第二節(jié) 二元勻晶相圖 4 穩(wěn)態(tài)凝固時的溶質(zhì)分布 (4) 區(qū)域熔煉（上述溶質(zhì)分布規(guī)律的應(yīng)用） 第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖15第二節(jié) 二

8、元勻晶相圖 5 成分過冷及其對晶體生長形態(tài)的影響 （1）成分過冷：由成分變化與實 際溫度分布共同決定的過冷。 （2）形成：界面溶質(zhì)濃度從高 到低液相線溫度從低到高。 （圖示：溶質(zhì)分布曲線 勻晶相圖 液相線溫度分布曲線 實際溫度分布曲線 成分過冷區(qū)。）第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖16第二節(jié) 二元勻晶相圖 5 成分過冷及其對晶體生長形態(tài)的影響 （3）成分過冷形成的條件和 影響因素 條件：G/RmC0(1-k0)/Dk0 合金固有參數(shù)：m, k0; 實驗可控參數(shù)：G, R。第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖17第二節(jié) 二元勻晶相圖 5 成分過冷及其對晶體生長形態(tài)的影響 （4）成分過冷對生長形態(tài)的影響 （正溫度梯度

9、下）G越小，成分過冷 越大生長形態(tài)：平面狀胞狀 樹枝狀。第四章相圖第二節(jié)勻晶相圖1h18第三節(jié) 二元共晶相圖及合金凝固 共晶轉(zhuǎn)變：由一定成分的液相同時結(jié)晶出兩個一定成分固相的轉(zhuǎn)變。 共晶相圖：具有共晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。（液態(tài)無限互溶、固態(tài)有限互溶或完全不溶，且發(fā)生共晶反應(yīng)。 共晶組織：共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。（是兩相混合物）第四章相圖第三節(jié)共晶相圖19第三節(jié) 二元共晶相圖及合金凝固 1 相圖分析（相圖三要素） （1）點：純組元熔點；最大溶解度點；共晶點（是亞共晶、過共晶合金成分分界點）等。 （2）線：結(jié)晶開始、結(jié)束線；溶解度曲線；共晶線等。 （3）區(qū)：3個單相區(qū)；3個兩相區(qū)；1個三相區(qū)。第四章相圖第三節(jié)共

10、晶相圖20第三節(jié) 二元共晶相圖及合金凝固 2 合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例） （1）Wsn19的合金 凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。 二次相（次生相）的生成：脫溶轉(zhuǎn)變（二次析出或二次再結(jié)晶）。 室溫組織（）及其相對量計算。第四章相圖第三節(jié)共晶相圖21第三節(jié) 二元共晶相圖及合金凝固 2 合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例） （2）共晶合金 凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。 共晶線上兩相的相對量計算。 室溫組織（）及其相對量計算。第四章相圖第三節(jié)共晶相圖2h22第三節(jié) 二元共晶相圖及合金凝固 2 合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（3）亞共晶

11、合金 凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。 共晶線上兩相的相對量計算。 室溫組織（）及其相對量計算。 第四章相圖第三節(jié)共晶相圖23第三節(jié) 二元共晶相圖及合金凝固 2 合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（4）組織組成物與組織圖 組織組成物：組成材料的中各個不同本質(zhì)和形態(tài)的部分。 組織圖：用組織組成物填寫的相圖。 組織組成物相對量的計算：杠桿定律。 第四章相圖第三節(jié)共晶相圖24第三節(jié) 二元共晶相圖及合金凝固 3 不平衡結(jié)晶及其組織 （1）偽共晶 偽共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶組織。 形成原因：不平衡結(jié)晶；成分位于共晶點附近。 不平衡組織 由非共晶成分的合金得到的完全共晶

12、組織。 共晶成分的合金得到的亞、過共晶組織。（偽共晶區(qū)偏移） 第四章相圖第三節(jié)共晶相圖25第三節(jié) 二元共晶相圖及合金凝固 3 不平衡結(jié)晶及其組織 （2）不平衡共晶 不平衡共晶：位于共晶線以外成分的合金發(fā)生共晶反應(yīng)而形成的組織。 原因：不平衡結(jié)晶。成分位于共晶線以外端點附件。 第四章相圖第三節(jié)共晶相圖26第三節(jié) 二元共晶相圖及合金凝固 3 不平衡結(jié)晶及其組織 （3）離異共晶 離異共晶：兩相分離的共晶組織。 形成原因 平衡條件下，成分位于共晶線上兩端點附近。 不平衡條件下，成分位于共晶線外兩端點附。 消除：擴散退火。 第四章相圖第三節(jié)共晶相圖2h27第三節(jié) 二元共晶相圖及合金凝固 4 共晶組織的形

13、成 （1）共晶體的形成成分互惠交替形核 片間搭橋促進生長 兩相交替分布 （共晶組織）第四章相圖第三節(jié)共晶相圖28第三節(jié) 二元共晶相圖及合金凝固 4 共晶組織的形成（2）共晶體的形態(tài) 粗糙粗糙界面：層片狀（一般情況）、棒狀、纖維狀（一相數(shù)量明顯少于另一相） 粗糙平滑界面：具有不規(guī)則或復(fù)雜組織形態(tài)（由于兩相微觀結(jié)構(gòu)不同） 所需動態(tài)過冷度不同，金屬相任意長大，另一相在其間隙長大?？傻玫角驙?、針狀、花朵狀、樹枝狀共晶體。 非金屬相與液相成分差別大。形成較大成分過冷，率先長大，形成針狀、骨骼狀、螺旋狀、蜘蛛網(wǎng)狀的共晶體。第四章相圖第三節(jié)共晶相圖29第三節(jié) 二元共晶相圖及合金凝固 4 共晶組織的形成 （2

14、）共晶體的形態(tài) 第四章相圖第三節(jié)共晶相圖30第三節(jié) 二元共晶相圖及合金凝固 4 共晶組織的形成 （3）初生晶的形態(tài)： 金屬固溶體：粗糙界面樹枝狀； 非金屬相：平滑界面規(guī)則多面體。第四章相圖第三節(jié)共晶相圖2h31第四節(jié) 二元包晶相圖及合金凝固 第四章相圖第四節(jié)包晶相圖 包晶轉(zhuǎn)變：由一個特定成分的固相和液相生成另一個特點成分固相的轉(zhuǎn)變。 包晶相圖：具有包晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。1 相圖分析 點、線、區(qū)。 32第四節(jié) 二元包晶相圖及合金凝固 第四章相圖第四節(jié)包晶相圖 2 平衡結(jié)晶過程及其組織 （1）包晶合金的結(jié)晶結(jié)晶過程：包晶線以下，L, 對過飽和界面生成三相間存在濃度梯度擴散長大全部轉(zhuǎn)變?yōu)?。室溫組織：或

15、。33第四節(jié) 二元包晶相圖及合金凝固 第四章相圖第四節(jié)包晶相圖 2 平衡結(jié)晶過程及其組織 （1）包晶合金的結(jié)晶結(jié)晶過程：包晶線以下，L, 對過飽和界面生成三相間存在濃度梯度擴散長大全部轉(zhuǎn)變?yōu)?。室溫組織：或。34第四節(jié) 二元包晶相圖及合金凝固 第四章相圖第四節(jié)包晶相圖 2 平衡結(jié)晶過程及其組織 （2）成分在C-D之間合金的結(jié)晶 結(jié)晶過程：剩余； 室溫組織：。35第四節(jié) 二元包晶相圖及合金凝固 第四章相圖第四節(jié)包晶相圖 2 平衡結(jié)晶過程及其組織 36第四節(jié) 二元包晶相圖及合金凝固 第四章相圖第四節(jié)包晶相圖 3 不平衡結(jié)晶及其組織 異常相導(dǎo)致包晶偏析包晶轉(zhuǎn)變要經(jīng)擴散。包晶偏析：因包晶轉(zhuǎn)變不能充分進行

16、而導(dǎo)致的成分不均勻現(xiàn)象。 異常相由不平衡包晶轉(zhuǎn)變引起。成分在靠近固相、包晶線以外端點附近。 37第四節(jié) 二元包晶相圖及合金凝固 第四章相圖第四節(jié)包晶相圖 4 包晶轉(zhuǎn)變的應(yīng)用 （1）組織設(shè)計：如軸承合金需要的軟基體上分布硬質(zhì)點 的組織。 （2）晶粒細化。 38第五節(jié) 二元相圖的分析和使用 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 一、 二元相圖中的幾何規(guī)律 相鄰相區(qū)的相數(shù)差1（點接觸除外）相區(qū)接觸法則.； 三相區(qū)的形狀是一條水平線，其上三點是平衡相的成分點。 若兩個三相區(qū)中有2個相同的相，則兩水平線之間必是由這兩相組成的兩相區(qū)。 單相區(qū)邊界線的延長線應(yīng)進入相鄰的兩相區(qū)。 39第五節(jié) 二元相圖的分析和使用 第四章

17、相圖第五節(jié)相圖分析 二、 相圖分析步驟 以穩(wěn)定的化合物分割相圖； 確定各點、線、區(qū)的意義； 分析具體合金的結(jié)晶過程及其組織變化。注：虛線、點劃線的意義尚未準確確定的數(shù)據(jù)、磁學(xué)轉(zhuǎn)變線、有序無序轉(zhuǎn)變線。40第五節(jié) 二元相圖的分析和使用 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 三、相圖與合金性能的關(guān)系 根據(jù)相圖判斷材料的力學(xué)和物理性能 41第五節(jié) 二元相圖的分析和使用 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 三、相圖與合金性能的關(guān)系根據(jù)相圖判斷材料的工藝性能 鑄造性能：根據(jù)液固相線之間的距離X X越大，成分偏析越嚴重（因為液固相成分差別大）； X越大，流動性越差（因為枝晶發(fā)達）； X越大，熱裂傾向越大（因為液固兩相共存的溫區(qū)大

18、）。 42第五節(jié) 二元相圖的分析和使用 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 三、 相圖與合金性能的關(guān)系塑性加工性能：選擇具有單相固溶體區(qū)的合金。熱處理性能：選擇具有固態(tài)相變或固溶度變化的合金。2h43第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第五節(jié)相圖分析44第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 1 組元和相 （1）組元：鐵石墨相圖：Fe,C; 鐵滲碳體相圖：Fe-Fe3C。 （2）相：L, , A(), F(), Fe3C(K)。（其定義）45第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 2 相圖分析 點：16個。 線：兩條磁性轉(zhuǎn)變線；三條等溫轉(zhuǎn)變線；其余三條線： GS,ES,PQ。 區(qū)：5個單相區(qū)

19、，7個兩相區(qū)，3個三相區(qū)。 相圖標注：相組成物標注的相圖。 組織組成物標注的相圖。46第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 2 相圖分析 點：16個。 47第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 2 相圖分析 線：兩條磁性轉(zhuǎn)變線；三條等溫轉(zhuǎn)變線；其余三條線： GS, ES, PQ。 區(qū)：5個單相區(qū)，7個兩相區(qū)，3個三相區(qū)。 相圖標注：相組成物標注的相圖。 組織組成物標注的相圖。48第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 3 合金分類： 工業(yè)純鈦（C%0.0218%） 碳鋼（0.0218C%2.11%）49第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 4 平衡結(jié)晶過程

20、及其組織 （1）典型合金（7種）的平衡結(jié)晶過程、組織變化、室溫組織及其相對量計算。 50第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 4 平衡結(jié)晶過程及其組織 （1）典型合金（7種）的平衡結(jié)晶過程、組織變化、室溫組織及其相對量計算。 工業(yè)純鐵結(jié)晶過程（+Fe3C，三次滲碳體最大量計算）51第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 4 平衡結(jié)晶過程及其組織 （1）典型合金（7種）的平衡結(jié)晶過程、組織變化、室溫組織及其相對量計算。 共析鋼結(jié)晶過程 P（+Fe3C）52第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 4 平衡結(jié)晶過程及其組織 亞共析鋼結(jié)晶過程 （+P）53第六節(jié) 鐵碳合金相圖

21、 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 4 平衡結(jié)晶過程及其組織 過共析鋼結(jié)晶過程（P+Fe3C，二次滲碳體最大量計算）54第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 4 平衡結(jié)晶過程及其組織 共晶白口鐵結(jié)晶過程 Ld（P+ Fe3C+ Fe3C共晶） Ld（+ Fe3C共晶） （ Ld-Ld轉(zhuǎn)變）55第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 4 平衡結(jié)晶過程及其組織 亞共晶白口鐵結(jié)晶過程 （ P+ Fe3C+ Ld ）56第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 4 平衡結(jié)晶過程及其組織 過共晶白口鐵結(jié)晶過程 （ Fe3C+ Ld ）57第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第五節(jié)相圖分析 4

22、 平衡結(jié)晶過程及其組織 （2）重要問題： Fe3C, Fe3C, Fe3C 的意義及其最大含量計算。 Ld-Ld轉(zhuǎn)變。 二次杠桿的應(yīng)用。2h58第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第六節(jié)鐵碳相圖 5 含碳量對平衡組織和性能的影響（1）對平衡組織的影響（隨C%提高） 組織：Fe3C LdFe3C； 相：減少，F(xiàn)e3C增多； Fe3C形態(tài)：Fe3C（薄網(wǎng)狀、點狀） 共析Fe3C（層片狀） Fe3C（網(wǎng)狀） 共晶Fe3C（基體） Fe3C（粗大片狀）。59第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第六節(jié)鐵碳相圖 5 含碳量對平衡組織和性能的影響 （2）對力學(xué)性能的影響 強度、硬度升高，塑韌性下降。60第六節(jié) 鐵碳合金相圖 第四章相圖第六節(jié)鐵碳相圖 5 含碳量對平衡組織和性能的影響 （3）對工藝性能的影響 適合鍛造：C%2.11%，可得到單相組織。 適合鑄造：C%4.3%。，流動性好。 適合冷塑變：C%0.25%，變形阻力小。 適合熱處理：0.0218-2.11，有固態(tài)相變。