第七章二元相圖及合金的凝固亞共晶Pb-Sn合金的顯微組織照片幾種基本相圖

勻晶相圖（Cu-Ni合金相圖）

共晶相圖（Pb-Sn合金相圖）

包晶相圖（Pt-Ag合金相圖）相律，杠桿定律及其應用

§引言

相圖(Phasediagrams)是一個材料系統在不同的化學成分、溫度、壓力條件下所處狀態的圖形表示，因此，相圖也稱為狀態圖。由于相圖都是在平衡(Equilibrium)條件（極緩慢冷卻）下測得的，所以，相圖也稱為平衡相（狀態）圖。

相圖中的相(Phase)是指具有相同的狀態（氣、液、固）、相同的化學成分和結構的區域。對于成分單一的純物質，如純水、純金屬、純氧化物等，由于沒有成分的變化，一般采用壓力(Pressure)-溫度(Temperature)相圖(PTphasediagrams)。對于常用的合金相圖，因為壓力的影響很小，況且一般都是處在1個大氣壓的條件下，所以不再把壓力當作變量考慮，而采用溫度-成分相圖。本章所介紹的主要是這一類的二元合金相圖。純鐵的T-P相圖銅-銀合金(的T-C)相圖水的T-P相圖我們可以從相圖中得到許多重要的信息：

1某一成分的合金，在一定的溫度所處的狀態及相的組成；

2合金在冷卻過程中發生了哪些反應或轉變，以及發生反應或轉變的開始與終了溫度；

3一定成分的合金室溫下具有什么樣的平衡組織，進一步可以根據組織與性能的關系，預測材料的性能；

4相圖與材料的加工工藝性能也存在一定的對應關系。

因此，相圖在新材料的研究和開發、材料的生產加工過程中都起著十分重要的作用。一、相律f=c-p+2或f=c-p+1(常壓)合金系的最大自由度數：純金屬：fmax=1(成分固定不變0，溫度1)二元合金：fmax=2(成分獨立變量1，溫度1)三元合金：fmax=3(成分獨立變量2，溫度1)§7-1相律和相圖的建立

F=0的含義是：在保持系統平衡狀態不變的條件下，沒有可以獨立變化的變量。即，任何變量的變化都會造成系統平衡狀態的變化。

壓力不變的二元合金系統(以后所涉及的二元合金系統都是壓力不變的，不再特別說明)，C=2，F=0時，P=3。這說明，當二元合金系統同時出現三個相時，就沒有可以獨立變化的因素了。也就是說，只有在一定的溫度、成分所確定的某一點才會出現三相同時存在的狀態。二元系統(C=2)

二元合金系統三相共存狀態，都是在發生平衡反應的過程中。可以推斷出，二元合金系統的平衡反應僅有二大類型：A→B+C，

A+B→C。由于自由度數為0，這些平衡反應都是恒溫反應，并且反應中的三個相(無論是反應相，還是生成相)化學成分都是固定的。只有當反應結束后(相數小于3時)，隨著溫度的變化，相的化學成分才可能發生變化。

建立相圖的方法有兩種：利用已有的熱力學參數，通過熱力學計算和分析建立相圖；依靠實驗的方法建立相圖。目前計算法還在發展之中，實際使用的相圖都是實驗法建立的。二、相圖的建立實驗法建立相圖的原理和步驟：以A-B二元合金相圖的建立為例。首先，將A-B二元合金系分成若干種不同成分的合金。1)

合金成分間隔越小，合金數目越多，測得的相圖越精確；

2)

合金成分間隔不需要相等。設計合金的成分將上述合金分別熔化后，以非常緩慢的速度冷卻到室溫，測出各合金的(溫度－時間)冷卻曲線。合金在冷卻過程中發生轉變(如：結晶)的起始溫度和結束溫度，對應著冷卻曲線上的折點(如：L1、L2

和S1、S

2等)，即臨界點。1)

冷卻速度越慢，越接近平衡條件，測量結果越準確；

2)

純金屬在恒溫下結晶，冷卻曲線應有一段水平線。測量合金的冷卻曲線將冷卻曲線上的臨界點分別標在溫度－成分坐標內，用光滑曲線把意義相同的臨界點連接起來。這樣就得到了A-B二元合金相圖。連接臨界點，得到相圖

上述方法稱為熱分析法，它是利用合金在轉變時伴有熱學性能變化的特性，通過測量系統溫度的變化來得到臨界溫度，從而建立起相圖。除此之外，還可以利用材料在發生轉變時伴隨有體積變化的特性，通過測量試樣長度隨溫度的變化得到臨界點，從而作出相圖。這種方法稱為熱膨脹法。另外還有電阻法，它是利用材料電阻率隨溫度的變化來建立相圖的。后兩種方法適用于測定材料在固態下發生的轉變。三、杠桿定律1、確定兩平衡相的成分：CL、Cα杠桿定律的證明2、確定兩平衡相的相對重量杠桿定律的力學比喻杠桿定律解決某一成分的合金在某一溫度下的相組成。一垂線：成分線。一水平線：溫度線。三點：原始成分點：垂線與成分線的交點。兩個組成相成分點：水平線與相界線的交點。注意：只能計算雙相區的相組成。7.2.1勻晶相圖（Isomorphoussystem)

由液相結晶出單相固溶體的過程稱為勻晶轉變。

當兩個組元化學性質相近，晶體結構相同，晶格常數相差不大時，它們不僅可以在液態或熔融態完全互溶，而且在固態也完全互溶，形成成分連續可變的固溶體，稱為無限固溶體或連續固溶體，它們形成的相圖即為勻晶相圖。

具有這類相圖的合金系主要有Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。7.2二元相圖分析(1)相圖分析線：液相線、固相線區：液相(L)區、固相(α)區、液固兩相共存(L+α)區(2)平衡結晶過程LL1、t>t1:L2、t=t1:L

α3、t3<t<t1:

L,α共存4、t=t3:結晶完成5、t<t3:α固溶體(3)有極值的勻晶相圖a）具有極大點b）具有極小點Fe-Co、Co-Pb、Fe-Ni、Fe-V、Fe-W、Mn-Co、Mn-Ni、Pb-Ti、V-W、Ti-Zr等。TABLγL+γβγ+β(4)有晶型轉變的勻晶相圖如：Nd-Pr、Sc-ZrSc-Y、Hf-Ti、Ca-Sr富Ni富CuCu-Ni合金晶內偏析的組織晶內偏析：晶粒內部成分不均勻；偏析程度：與相圖形狀、原子擴散能力、冷卻速度有關。

液相線與固相線的水平距離和垂直距離

2.偏析原子擴散能力3.V冷卻偏析程度消除辦法：擴散退火一個液相同時結晶出兩個不同固相的過程稱為共晶轉變。兩組元在液態下無限互溶，而在固態下互不相互溶或有限互溶，并發生共晶轉變，形成共晶組織的相圖，稱為二元共晶相圖。7.2.2共晶相圖(EutecticPhaseDiagram)LA+BABL+AL+BwB%兩組元完全不溶共晶產物——共晶轉變產物（兩相混合物）（1）比純組元熔點低，簡化了熔化和鑄造的操作。（2）共晶合金比純金屬的流動性好，不易產生枝晶。（3）恒溫轉變，偏聚不會縮孔。（4）獲得多種形態的顯微組織。（1）相圖分析Lαβα+βL+αL+β液相線液相線固溶線固溶線固相線固相線α：B原子溶入A基體中形成的固溶體β：A原子溶入B基體中形成的固溶體固溶線（固溶度曲線）：反映不同溫度時的溶解度變化。相區：3個單相區L,α,β3個兩相區L＋α，L+β,α+β1個三相區L+α+β(水平線CED)

根據相律，三相平衡時：F=C-P+1=2-3+1=0

此時三個平衡相的成分及反應溫度都是確定的，在冷卻曲線中出現一個平臺。共晶線eutecticline——水平線CED

共晶點eutecticpoint

——E

共晶溫度eutectictemperature

——TE共晶反應

在一定溫度下，由一固定成分的液相同時結晶出兩個固定成分的固相的反應，稱為共晶反應。（2）平衡凝固及其組織Pb-Sn相圖①w(Sn）≤19％的合金Ⅰ室溫下相組成物

組織組成物相對量②共晶合金合金Ⅱw(Sn）＝61.9％室溫下相組成物:

組織組成物:具有e點成分的合金叫共晶合金。hIj③亞共晶合金合金Ⅲw(Sn）＝50％

從一個固溶體中析出另一個固相——脫溶。次生的固溶體以表示（）。2e點以左成分的合金叫亞共晶合金。室溫下相組成物

組織組成物組織組成物相對量④過共晶合金合金Ⅳw(Sn）＝85％⑤合金成分

w(Sn）>97.5％結晶過程與亞共晶合金類似。室溫平衡組織結晶過程與合金類Ⅰ類似。室溫平衡組織e點以右成分的合金叫過共晶合金。合金Ⅰ、合金Ⅱ（共晶合金）、合金Ⅲ（亞共晶合金）室溫平衡組織合金Ⅰ合金Ⅱ合金Ⅲ層片狀（Al-CuAl2，定向凝固）

棒狀或條狀（Sb-MnSb，橫截面）

螺旋狀（Zn-Mg）灰鐵

針狀（ZL102未變質）

短棒狀或顆粒（Cu-CuO）常見合金的共晶組織鋁硅針狀共晶組織鉛鉍樹枝狀共晶組織Cu-Cu3P放射狀共晶組織鋁釷螺旋狀共晶組織常見合金的共晶組織7.2.3包晶相圖(PeritecticPhaseDiagram)二組元在液態無限溶解，固態有限溶解，有包晶反應的包晶相圖。包晶反應

在一定溫度下，由一固定成分的液相與一個固定成分的固相作用，生成另一個成分固相的反應，稱為包晶反應。根據相律包晶反應時F=0

此時三個平衡相的成分及反應溫度都是確定的。（1）相圖分析相區：3個單相區L,α,β3個兩相區L＋α，L+β,α+β1個三相區L+α+β(水平線DPC)TACTB-液相線TADPTB-固相線DF-α固溶體溶解度曲線PG-β固溶體溶解度曲線DPC（水平線）-包晶線P－包晶點（2）平衡凝固及其組織①合金Ⅰ（包晶點成分合金）時間室溫平衡組織LL→α

β→αⅡ當溫度降到包晶點溫度TP時，計算包晶反應前α相和液相L的相對含量，用杠桿定律可得，室溫平衡組織相對量理論上講液相L和α相同時消耗完畢，得到單一的β相晶體。

發生包晶反應時，β相的成分在P點，液相L和α相的成分分別在C、D，它們消耗的比例為對于包晶點成分合金，即將發生包晶反應時，

一般β相是在α相上生核，形成一層β相的外殼，把α相包起來與L相隔絕，然后通過原子相兩邊擴散，消耗α相和L相而長大。②合金Ⅱ（D～P間成分合金）合金Ⅱ的平衡結晶過程示意圖室溫平衡組織α相的量比包晶反應時所需的量多，即（包晶轉變后α相有剩余）室溫平衡組織③合金Ⅲ（P～C間成分合金）合金Ⅲ的平衡結晶過程示意圖L相的量比包晶反應時所需的量多，即（包晶轉變后L相有剩余）7.2.4其他類型的二元相圖一、形成化合物的相圖（1）穩定化合物穩定化合物：具有一定的熔點，在熔點以下，保持自己固有的結構而不發生分解，當溫度達到熔點時，化合物發生熔解，熔解時所生成的熔體與化合物成分完全一致。化合物在相圖中為一垂線，垂線的頂點是其熔點，垂足是其成分。（2）形成不穩定化合物的相圖K-Na相圖

不穩定化合物加熱至一定溫度時，不是發生本身的熔化，而是分解為兩個相，所生成的液相與原化合物顯然不同。二、具有三相平衡的二元相圖1、分解型（1）共析轉變共析線共析點在一定溫度下，由一定成分的固相同時析出兩個成分和結構完全不同的新固相。α→

β1+β2（2）偏晶轉變L分解為另一個液相與新固相。L→

Cu+L247（3）熔晶轉變一個固相，部分轉變為新固相，部分熔化。δ→γ+L2、合成型（1）包析轉變兩個固相合成一個新固相。r+Fe2B→α（2）合晶轉變L1a+L2b=βs

兩個互不溶液相共同生成一個固相。恒溫轉變類型反應式相圖特征分解型（共晶型）共晶轉變Lα+β共析轉變γα+β偏晶轉變L1L2+α熔晶轉變δγ+L合成型（包晶型）包晶轉變L+βα包析轉變γ+βα合晶轉變L1+L2α一、二元相圖各類恒溫轉變類型、反應式和相圖特征相圖基本類型小結1.兩個單相區只能有一個點接觸；2.兩個單相區之間，必定是一個由這兩個單相構成的兩相區；3.三相共存，必定是一條水平線，它和三個兩相區相鄰；二、二元相圖的幾何規律4.如果兩個三相區中有兩個共同的相，這兩條水平線之間必定是這兩個相組成的兩相區；5.所有兩相區邊界線不應延伸到單相區，而應進入相鄰的兩相區。三、二元相圖的分析方法1.若有穩定的中間相，可依此把相圖分為幾個部分。2.根據相區接觸法則填寫各相區。

相區接觸法則：二元系相圖中，相鄰相區的相數之差均為一（點接觸除外）。3.找出三相共存水平線，確定其轉變性質和反應式4.分析典型成分合金的結晶過程及組織轉變，并利用杠桿定律計算各相相對含量。注意事項：相圖是在平衡條件下測定的，而實際中的很少能達到平衡狀態。相圖不能給出相的形狀、大小和分布。相圖可能存在誤差和錯誤。具有三種恒溫轉變的相圖包晶轉變(HJB水平線)共晶轉變(ECF水平線)共析轉變(PSK水平線)垂直線(Fe3C)Fe06.69Fe3CTemperature(C)Temperature(C)PSK0.77727CECF4.32.111148CHJBANGQDLC,wt%1495C1538C1394C912C§7.2.5Fe-C合金相圖1)Fe-C合金中的組元和基本相2)Fe-Fe3C合金相圖分析3)鐵碳合金分類4)典型合金的結晶過程分析及組織5)相組成物及組織組成物計算6)含碳量對組織及性能的影響鐵碳合金中的組元：純鐵(Fe):熔點1538℃鐵素體(ferrite，F或α）：碳原子溶于α-Fe形成的固溶體（BCC）奧氏體（austenite，A或γ）：碳原子溶于γ-Fe形成的固溶體（FCC）高溫鐵素體：C在δ－Fe的間隙固溶體（δ相），在1459℃時最大溶解量可達0.09%，為bcc結構。滲碳體：碳原子與鐵原子形成復雜結構的化合物（正交點陣）石墨：碳原子以游離態穩定相存在（六方結構）1、Fe-C合金中的組元1、Fe-C合金中的基本相在Fe—Fe3C相圖中，Fe-C合金在不同條件(成分，溫度)下，可有六個基本相：L相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、石墨(C)碳在γ－Fe晶格中的位置2、Fe-Fe3C合金相圖分析1）點：五個單相區：七個雙相區：3）線：2）區：①ABCD液相線②AHJECF固相線。③三條水平線。HJB、ECF、PSK④三條析出線CD、ES、PQ⑤GS線2、Fe-Fe3C合金相圖分析三條水平恒溫轉變線包晶線：HJB線（1459℃），J為包晶點，wc=0.09～0.53%的Fe、C合金緩冷到HJB線均發生包晶反應，即：L0.53+δ0.09→α0.17

（LB+δH→αJ）共晶線：ECF水平線（1148℃），C點為共晶點，wc=2.11～6.69%的Fe、C合金緩冷到EFC線均發生共晶反應，即：L4.30→γ2.11+Fe3C（LC→γE+Fe3C）轉變產物為γ和Fe3C組成的共晶混合物稱為萊氏體（ledeburite），用Ld表示。三條水平恒溫轉變線共析線：PSK水平線（727℃），S點為共析點。凡wc>0.0218%的Fe、C合金冷卻到PSK線均發生共析反應，即：γ0.77→α0.0218+Fe3C（γS→αP+Fe3C）轉變產物為α和Fe3C組成的機械混合物稱為珠光體（pearlite），用P表示。共析轉變溫度常用A1表示。三條水平恒溫轉變線3、鐵碳合金分類1）工業純鐵：C≤0.0218%的Fe－C合金。2）碳鋼：0.0218%<C≤2.11%的Fe-C合金。共析鋼0.77%

亞共析鋼0.0218～0.77%

過共析鋼0.77～2.11%.3）白口鑄鐵：2.11%<C≤6.69%的Fe-C合金。亞共晶白口鐵2.11～4.3%

共晶白口鐵4.3%

過共晶白口鐵4.3～6.694、典型合金的結晶過程分析及組織典型鐵碳合金平衡結晶過程分析圖1）含碳0.01%的鐵碳（工業純鐵）工業純鐵的平衡組織

4、典型合金的結晶過程分析及組織2）含碳0.77%的鐵碳合金（共析鋼）室溫P

組織，α

和

Fe3C呈層片狀。

3）含碳0.4%的鐵碳合金（亞共析鋼）

含碳0.40%的碳鋼結晶過程示意室溫平衡組織組成物都是珠光體和先共析鐵素體。4）含碳1.2%的鐵碳合金（過共析鋼）

含碳1.2%的碳鋼結晶過程示意組織是珠光體和二次滲碳體含碳量<1.0%,二次滲碳體呈顆粒狀分別在晶界（又稱斷續網狀），對性能影響不是很大；含碳量>1.0%，二次滲碳體呈現出連續的網狀，將嚴重損害鋼的塑性和韌性5）含碳4.3%的鐵碳合金（共晶白口鑄鐵）1以上1~22以下含碳4.3%的共晶白口鑄鐵的結晶過程示意共晶白口鑄鐵的室溫組織（白色基體是共晶滲碳體，黑色顆粒為珠光體）6）含碳3.0%的鐵碳合金（亞共晶白口鑄鐵）

含碳3.0%的亞共晶白口鐵結晶過程示意

亞共晶白口鑄鐵室溫組織（黑色樹枝狀為珠光體，其余為萊氏體）合金室溫平衡組織為：Ld'

＋Fe3CⅡ＋P。7）含碳5.0%的鐵碳合金（過共晶白口鑄鐵）含碳5.0%的過共晶白口鑄鐵結晶過程示意

過共晶白口鑄鐵室溫組織(白色的為一次滲碳體，其余為萊氏體)5、相組成物及組織組成物計算6、含碳量對組織及性能的影響1）對平衡組織