第四章

二元相圖

根據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生的變化。僅在熱力學平衡條件下成立，不能確定結構、分布狀態和具體形貌。

1第一節相圖的基本知識

1相律（1）相律：熱力學平衡條件下，系統的組元數、相數和自由度數之間的關系。（2）表達式：f=c-p+2;壓力一定時，f=c-p+1。（3）應用可確定系統中可能存在的最多平衡相數。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晶差別。純金屬結晶恒溫進行，二元合金變溫進行。

2第一節相圖的基本知識

2相圖的表示與建立（1）狀態與成分表示法狀態表示：溫度－成分坐標系。坐標系中的點－表象點。成分表示：質量分數或摩爾分數。3第一節相圖的基本知識

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－確定轉變溫度－填入坐標－繪出曲線。相圖結構(勻晶)：兩點、兩線、三區。4第一節相圖的基本知識

3杠桿定律-相含量的計算工具

（1）平衡相成分的確定（根據相律，若溫度一定，則自由度為0，平衡相成分隨之確定。）（2）數值確定：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；三點(支點和端點)要選準。5第二節二元勻晶相圖

1勻晶相同及其分析（1）勻晶轉變：由液相直接結晶出單相固溶體的轉變。（2）勻晶相圖：具有勻晶轉變特征的相圖。

(兩組元在液態和固態都無限互溶)

（3）相圖分析兩點：純組元的熔點；兩線：L,S相線；三區：L,α,L+α。6第二節二元勻晶相圖

2固溶體合金的平衡結晶（1）平衡結晶：每個時刻都能達到平衡的結晶過程。（2）平衡結晶過程分析①冷卻曲線：溫度－時間曲線；

?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.7第二節二元勻晶相圖

2固溶體合金的平衡結晶②相（組織）與相變（各溫區相的類型、相變反應式，杠桿定律應用。）；③組織示意圖；④成分均勻化：每時刻結晶出的固溶體的成分不同。

?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.2h8第二節二元勻晶相圖

2固溶體合金的平衡結晶

（3）與純金屬結晶的比較①

相同點：基本過程：形核－長大；熱力學條件：⊿T>0；

能量條件：能量起伏；結構條件：結構起伏。②不同點：合金在一個溫度范圍內結晶（可能性：相律分析；必要性：成分均勻化。）合金結晶是選分結晶：需成分起伏。

9第二節二元勻晶相圖

3固溶體的不平衡結晶（1）原因:冷速快(假設液相成分均勻、固相成分不均勻)。（2）結晶過程特點：固相成分按平均成分線變化（但每一時刻符合相圖）；

結晶的溫度范圍增大；

組織多為樹枝狀。

10第二節二元勻晶相圖

3固溶體的不平衡結晶

?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.11第二節二元勻晶相圖

3固溶體的不平衡結晶（3）成分偏析：晶內偏析：一個晶粒內部化學成分不均勻現象。枝晶偏析：樹枝晶的枝干和枝間化學成分不均勻的現象。

（消除：擴散退火，在低于固相線溫度長時間保溫。）

12第二節二元勻晶相圖

4穩態凝固時的溶質分布（1）穩態凝固：從液固界面輸出溶質速度等于溶質從邊界層擴散出去速度的凝固過程。（2）平衡分配系數：在一定溫度下，固、液兩平衡相中溶質濃度的比值。k0=Cs/Cl

13第二節二元勻晶相圖

4穩態凝固時的溶質分布(3)溶質分布冷卻速度無限慢→有擴散和對流→液、固相內溶質完全混合（平衡凝固）－a;冷卻速度非常慢→有擴散和對流→固相不混合、液相完全混合－b;冷卻速度很大→僅有擴散→固相不混合、液相完全不混合－c；冷卻速度一般→部分擴散和對流→固相不混合、液相部分混合－d。

14第二節二元勻晶相圖

4穩態凝固時的溶質分布(4)區域熔煉（上述溶質分布規律的應用）

15第二節二元勻晶相圖

5成分過冷及其對晶體生長形態的影響（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：界面溶質濃度從高到低→液相線溫度從低到高。

（圖示：溶質分布曲線→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。）16第二節二元勻晶相圖

5成分過冷及其對晶體生長形態的影響（3）成分過冷形成的條件和影響因素條件：G/R<mC0(1-k0)/Dk0

合金固有參數：m(液相線斜率),k0;

實驗可控參數：G(溫度梯度),

R(凝固速度)。17第二節二元勻晶相圖

5成分過冷及其對晶體生長形態的影響

（4）成分過冷對生長形態的影響（正溫度梯度下）G越小，成分過冷越大－生長形態：平面狀－胞狀－樹枝狀。18第二節二元勻晶相圖

5成分過冷及其對晶體生長形態的影響（4）成分過冷對生長形態的影響

4h19第三節二元共晶相圖及合金凝固

共晶轉變：由一定成分的液相同時結晶出兩個一定成分固相的轉變。EutecticReaction

共晶相圖：具有共晶轉變特征的相圖。（液態無限互溶、固態有限互溶或完全不溶，且發生共晶反應。共晶組織：共晶轉變產物。（是兩相混合物）20第三節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：結晶開始、結束線；溶解度曲線；共晶線等。（3）區：3個單相區；3個兩相區；1個三相區。21第三節二元共晶相圖及合金凝固

2合金的平衡結晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（1）Wsn<2％的合金凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.22第三節二元共晶相圖及合金凝固

2合金的平衡結晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（2）2％<Wsn<19％的合金①凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。②二次相（次生相）的生成：脫溶轉變（二次析出或二次再結晶）。③室溫組織（α＋βⅡ）及其相對量計算。(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.23(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.第三節二元共晶相圖及合金凝固

2合金的平衡結晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（3）共晶合金①凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。②共晶線上兩相的相對量計算。③室溫組織（α＋β＋αⅡ＋βⅡ）及其相對量計算。(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.24第三節二元共晶相圖及合金凝固

2合金的平衡結晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（3）共晶合金(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.25第三節二元共晶相圖及合金凝固

2合金的平衡結晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（4）亞共晶合金①凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。②共晶線上兩相的相對量計算。③室溫組織（α＋βⅡ＋（α＋β））及其相對量計算。

(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.26第三節二元共晶相圖及合金凝固

2合金的平衡結晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（4）亞共晶合金(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.27第三節二元共晶相圖及合金凝固

2合金的平衡結晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（5）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和形態的部分。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。

28第三節二元共晶相圖及合金凝固

3不平衡結晶及其組織（1）偽共晶①偽共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶組織。②形成原因：不平衡結晶；合金成分位于共晶點附近。③不平衡組織由非共晶成分的合金得到的完全共晶組織。共晶成分的合金得到的亞、過共晶組織。（偽共晶區偏移）

29第三節二元共晶相圖及合金凝固

3不平衡結晶及其組織

（2）不平衡共晶①

不平衡共晶：位于共晶線以外成分的合金發生共晶反應而形成的組織。②原因：不平衡結晶。成分位于共晶線以外端點附件。

30第三節二元共晶相圖及合金凝固

3不平衡結晶及其組織

（3）離異共晶①

離異共晶：兩相分離的共晶組織。②

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。③

消除：擴散退火。

6h31第三節二元共晶相圖及合金凝固

4共晶組織的形成（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）32第三節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

粗糙－粗糙界面：層片狀（一般情況）、棒狀、纖維狀（一相數量明顯少于另一相）

第四章相圖第三節共晶相圖33第三節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

粗糙－平滑界面：具有不規則或復雜組織形態.（由于兩相微觀結構不同）所需動態過冷度不同，金屬相任意長大，另一相在其間隙長大。可得到球狀、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、蜘蛛網狀的共晶體。34第三節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：金屬固溶體：粗糙界面－樹枝狀；非金屬相：平滑界面－規則多面體。35第四節二元包晶相圖及合金凝固

包晶轉變：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變。PeritecticReaction

包晶相圖：具有包晶轉變特征的相圖。1相圖分析點、線、區。36第四節二元包晶相圖及合金凝固

2平衡結晶過程及其組織（1）包晶合金的結晶結晶過程：包晶線以下，L,α對β過飽和