合金的相结构与.ppt

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1、第三章 二元合金的相结构与结晶,62,教学要求：1、了解合金、合金相、金属化合物、异分结晶、成分过冷、平衡分配系数与同分结晶的概念，其它类型二元合金相图及其分析。2、理解固溶体及其分类，间隙相和间隙化合物，二元固溶体的不平衡结晶。3、掌握间隙固溶体，置换固溶体，二元相图的表示方法，相律与杠杆定律，匀晶相图、共晶相图和包晶相图的分析。重点：间隙固溶体，置换固溶体，相律与杠杆定律，固溶体合金的平衡结晶过程，共晶相图和包晶相图典型合金的平衡结晶及其组织。,学时数：8学时,合金:两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结，或用其它方法结合而成的具有金属特性的物质。如：Pb-Sn合金 钢（Fe-

2、C）锡青铜(Cu-Sn(14%)）,1 合金中的相,组元组成合金最基本的、能独立存在的物质。Fe-C合金：Fe(组元一)-Fe3C(组元二)根据组元数分为：二元合金、三元合金、多元合金。合金系由给定的组元以不同的比例配制成的一系列成分不同的合金系统。例：Fe-C:90%Fe-10%C、80%Fe-20%C、50%Fe-50%C、20%Fe-80%C Fe-Cr-C,相(phase)指合金中结构相同，成分和性能均一，并有界面与其他部分分开的组成部分。金属或合金均由相构成单相合金、多相合金。用、等表示(见P103图3-67),单相固态合金金相（硅钢）,多相固态合金金相（ChSnSb11-6）,例：

3、纯铁、钢中的相 纯铁：-Fe 钢(铁）：铁素体()渗碳体(Fe3C),相,相,Fe3C 相,纯铁,0.45%C 钢,相结构：实指合金的晶体结构，可分为：1 固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体(-Fe)。2 金属化合物 合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物(Fe3C)。,2 合金的相结构,相的分类,1 按溶质原子在晶格中所占的位置分类,置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格结点所形成的固溶体代位固溶体。如90Cu-10Ni合金。,固 溶 体,例：C 固溶于Fe中形成间隙固溶体铁素体 C 固溶于Fe中形成间隙

4、固溶体奥氏体,间隙固溶体溶质原子填入溶剂晶格的空隙位置所形成的固溶体。,一 固溶体分类,固溶体类型,有限固溶体溶质原子在固溶体中的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再溶解，这个限度称为固溶度。无限固溶体溶质原子能以任意比例溶入溶剂，固溶度可达到100%。如Cu-Ni，Ag-Au，Ti-Zr。,2 按固溶度分类,无序固溶体 溶质原子随机地分布于溶剂晶格中。有序固溶体 溶质原子按一定的规律分布在溶剂晶格中形成亚点阵。,3 按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分类,CuAu中Cu原子：简单四方晶系亚点阵,Cu3Au中Cu原子：体心四方晶系亚点阵,例：Fe-Al合金室温下,成分变化时：FeAl(25%)

5、合金 无序相：相 FeAl(25%35%)合金 有序相：Fe3Al FeAl(35%50)合金 有序相：FeAl,有序固溶体特点：溶质原子可形成自己的亚点阵;一定条件下固溶体可在有序和无序间相互转化：温度、成分。,成分固定，温度变化时：Fe3Al：550：完全有序 550950：部分有序 950：完全无序固溶体,20,金属元素之间一般都能形成置换固溶体，但固溶度往往相差很大。如：Cu与Ni无限互溶，Zn在Cu中最大溶解度为39%，Pb几乎不溶解于铜。原因：受元素间原子尺寸、化学亲和力、晶体结构类型等影响。,二 置换固溶体,1 原子尺寸因素 组元间原子半径越相近，固溶度越大。原因：溶质原子会引起

6、溶剂晶格的点阵畸变，产生畸变能，晶格畸变能越高，晶格越不稳定，当畸变能高到一定程度，溶质原子将不再能溶入固溶体，只能形成其它新相。溶剂与溶质原子的尺寸差别可用r衡量：r=|(r溶剂-r溶质)|/r溶剂 r 不大于15%可大量固溶,如：铁与其他溶质元素的原子半径差别r 小于8%且晶体结构相同时才可大量固溶。,2 电负性 电负性:指元素的原子从其它原子夺取电子而变为负离子的能力。可衡量元素间的化学亲和力，即形成化合物的倾向性。取决于两元素在周期表中的位置，相距越远，电负性相差越大，不利于形成固溶体，而越易形成金属化合物。,元素间负电性相差越小，越易形成固溶体，而且固溶体的固溶度也较大。,3 晶体结

7、构因素 晶体结构相同，溶解度较大。无限固溶体溶质与溶剂的晶体结构一定相同(如Cu-Ni合金等)例：Fe合金 Ni、Co、Cr、V与Fe原子尺寸差别8%,Ni、Co与面心立方晶格-Fe形成无限固溶体 Cr、V与体心立方晶格-Fe形成无限固溶体,4 电子浓度因素原子价因素 合金电子浓度:合金晶体结构中价电子总数与原子总数之比。现象：溶质元素的原子价越高，溶解度越小。原因：固溶体中的电子浓度存在极限值，超过此极限值，只能形成其它新相。不同晶体结构的极限电子浓度不同。如：FCC：1.36；BCC:1.48,5 温度 温度越高，固溶度越大。高温下已达到饱和的有限固溶体，当冷却至低温时，固溶度降低，析出其

8、他相。,当溶质与溶剂的原子半径之比小于0.59时，可能形成间隙固溶体(溶质元素均是原子半径小于0.1nm的非金属元素，溶剂元素则都是过渡族元素)。如：溶质元素有C、N、O、H、B等非金属小原子。特点：a.会引起点阵畸变；b.溶解度与原子大小和溶剂的晶格类型有关：FCCBCC；c.间隙固溶体只能是有限固溶体。,三 间隙固溶体,(1)保持着溶剂的晶格类型；,(3)偏聚与（短程）有序(见下页图),(4)有序固溶体（长程有序化）,当固溶体发生偏聚或有序化时，强度和硬度增加，而塑性和韧性降低。,21,四 固溶体的结构特点,(2)晶格发生畸变,12,21,（1）固溶体力学性能：强度、硬度高于组成它的纯金属

9、，塑韧性低于组成它的纯金属;（2）物理性能：随着溶质原子的浓度,固溶体的电阻率，电阻温度系数，导热性。,五 固溶体的性能,固溶体中随着溶质原子的加入，强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象 固溶强化 金属材料强化的主要手段或途径之一 例如：南京长江大桥采用含锰量为1.301.60%的普通低合金钢16Mn，就是由于锰的固溶强化作用提高了材料的强度，抗拉强度较相同碳含量的普通碳素钢提高了60，从而大大节约了钢材，减轻了大桥的重量。,固溶强化的特点：(1)溶质与溶剂原子相差越大，溶质原子浓度越高，所引起的晶格畸变越大，固溶强化效果越好；(2)间隙原子的强化效果比置换原子的大。因为间隙原子引起的点阵畸变

10、大。(3)固溶体综合机械性能比纯金属和金属化合物优越。适当控制溶质含量，不仅显著提高材料强硬度，且材料的塑韧性不会明显降低。,固溶体的应用：(1)结构材料的基体相；(2)精密电阻、电热材料、磁性材料等。,金属化合物(中间相）及其分类,基本认知：当溶质超过固溶体的固溶度极限时才形成金属化合物。晶体结构和性能均不同于任一组元，可用分子式表示，其结合方式多为离子键、共价键、金属键相混合的结合方式，所以具有金属特性。可使合金强度、硬度、耐磨性及耐热性,但塑韧性有所。具有特殊物理化学性能。如：GaAs半导体材料的性能远远超过硅半导体；Nb3Sn具有高的超导转变温度；NiAl、Ni3Al是超音速飞机喷气发

11、动机的候选材料；NiTi、CuZn记忆合金材料。,特点：由B族或过渡族元素与B族、A、A金属元素形成的金属化合物。虽用化学式表示，但成分可变，不遵守原子价规律，而是按一定的电子浓度的比值形成的化合物。电子浓度不同，化合物的晶格类型也不同。结合键主要为金属键。高熔点、硬而脆，有色金属强化相。见P67表3-1。,2 电子化合物晶体结构取决于电子浓度(21/14,21/13,21/12),特点：成分固定不变，可用化学式表示，由金属元素与周期表中A、A、A族元素组成，电负性相差较大，结合键以离子键、共价键或金属键为主。如Mg2Si、Mg2Sn、MgS、MnS等。具有较高的硬度，脆性较大。有色金属强化相

12、。,1 正常价化合物服从原子价规律,由过渡族金属元素和原子半经较小的非金属元素H、N、C、B组成。结合键为金属键与共价键混合。r非/r金 0.59时，简单结构的化合物间隙相。r非/r金0.59时，复杂晶体结构的化合物间隙化合物。,3 间隙相和间隙化合物,(1)间隙相(H、N均为间隙相)非金属原子位于间隙中。性能：极高的熔点和硬度 如：VC(N);TiC(N);W2C用途：硬质合金和高硬度工模具的重要组织组成。,(2)间隙化合物(B只能形成)结构复杂如钢中的Fe3C、Mn3C、Cr23C6、Fe3W3C等。性能：很高的熔点和硬度，但不如间隙相，加热易分解。用途：钢中的重要强化相。,间隙相与间隙固

13、溶体的区别：间隙相是化合物，晶体结构与其组元完全不同，而间隙固溶体晶体结构与溶剂组元相同。,固溶体,间隙固溶体,置换固溶体,有限固溶体,无序固溶体,有限固溶体无限固溶体,无序固溶体有序固溶体,小 结,金属化合物,正常价化合物,电子化合物,间隙化合物,间隙相,间隙式金属化合物,引言：给定的合金系究竟以什么状态(相)存在，包含哪些相，这是由内因、外因条件所决定的，内因则是化学成分，外因是温度和压力。用相图来表示它们之间的关系。几个概念：相图:表示在平衡条件下，合金系中合金的状态(相)与温度、成分之间关系的图解，又称状态图或平衡图。,3 二元合金相图的建立,相平衡与平衡相：合金系统在一定的外界条件(

14、温度、压力)下，经历任意长时间后，合金中各相的成分都是均匀、不变的，且各相的相对重量也不变，则各相处于平衡状态，称之为相平衡。这时的相称为这种条件下的平衡相。,如纯铁，在常压下：1538以上 L相为平衡相。在1538时 L相和相两相平衡,2、二元合金用直角坐标系表示：横坐标表示合金成分，纵坐标表示温度；M为表象点，表示一个合金的成分和温度。,一、二元相图的表示方法,1、合金存在状态的确定：由于合金熔炼、加工均在常压下进行，所以合金状态由成分和温度确定。,M(x1,T1),C,D,测临界点的方法：热分析法 金相法 膨胀法 电阻法等,二、二元合金相图的建立,B点相状态:单相A点相状态:L+两相,三

15、 相律及杠杆定律,1、相律：表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系。是检验、分析和使用相图的重要工具。数学表达式：f(系统自由度)=c(系统组元数)-p(平衡相数)+2,恒压条件下：f=c-p+1，合金的状态由成分和温度确定。,如：纯金属，成分不变，只有温度变化，其自由度数 f=1；二元合金成分变量一个，加上温度，其自由度数 f=2；三元为3，四元为4，,相律及其应用,2、相律的应用举例 利用相律确定系统中可能共存的最多平衡相数 如：单元系，c=1，f=0，则p=1-0+1=2 纯金属结晶，温度不变，为固液两相共存。二元系最多为三相共存。利用相律解释纯金属与二元合金结晶时的一

16、些差别 如：纯金属结晶时，存在液固两相，f=0，只能在恒温下进行。二元合金结晶时，f=1(两相平衡),在成分和温度中只有一个独立变量；f=0(三相平衡共存),成分和温度均恒定不变。见P84图3-32中共晶反应线MEN。,杠杆定律 用于确定二元相图中两相区各相的相对含量。杠杆定律的証明:设液相质量为 WL，固相的质量为W，则合金的总质量为 WL+W。,合金中的Ni含量为:WLCL+WC=(WL+W)C W(C-C)=WL(C-CL),若将合金成分C的 r 点看做支点，将WL、W看做作用于a 和 b 的力，则相当于力学中的杠杆定律形象的比喻。W=(ar/ab)100%WL=(rb/ab)100%杠

17、杆定律只适用于二元相图的两相区,1 匀晶相图：两组元在液态和固态均无限互溶的二元合金相图。如：CuNi、AgAu、CrMo等合金系 匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的过程。几乎所有二元合金相图都有匀均转变部分。平衡结晶：指合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。,4 典型相图分析,匀晶相图及固溶体的结晶,1083,1455,L,L+,纯铜熔点,纯镍熔点,液相线,固相线,液相区,固相区,液固两相区,相图结构：两点、两线、三区,2 相图分析,液(固)相线的意义:(1)表征了各成分合金的结晶起始(终止)温度;,(2)表征了各温度下液固两相达到平衡时液(固)相的成分,49,cL,单相区成分:实际坐标点的

18、成分,两相区:液(固)相成分在温度水平线与液(固)相线的交点处。,相成分判定方法,cL,匀晶转变 L,3 固溶体合金的平衡结晶过程,a,b,c,d,T,C,t,L,L,L,冷却曲线,匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。,1083,1455,L,L+,原始成分为k的合金：Tt1:L(100%)T=t1:液固相含量分别为 L1(100%)、1(0%)，且L1 1 T=t2：L2 2 T=t3：L3 3 T=t4：L4 4,且L4(0%)+4(100%)Tt4：(100%),平衡结晶过程：,L,t1,t2,t3,t4,t1,t2,t3,t1,t2,t4,

19、t3,t1,t2,L+,A,B,K,Cu,Ni,Ni%,k,Cu-Ni%合金相图、冷却曲线及结晶过程,L1,L2,L3,L4,1,2,3,4,从液相中析出匀晶固相(固溶体)的成分变化规律：析出的固相成分沿固相线变化 剩余的液相成分沿液相线变化 液相成分变化和固相成分变化同步进行，并遵守杠杆定律,注意：固溶体合金形核时，不但需要结构起伏和能量起伏，还需要成分起伏。因为所结晶的固相成分与原液相成分不同。,与纯金属相比,固溶体结晶有以下特点：(1)异分结晶固溶体合金结晶时,存在溶质原子在液固相之间的重新分配,即所结晶出的固相成分与母相成分不同的结晶。溶质平衡分配系数：K0=C/CL 一定温度下固液两

20、平衡相中的溶质浓度之比值。K0值的大小反应了溶质重新分配的强弱尺度。,4 固溶体合金的结晶特点,53,(2)固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围内进行,原因：每一定温度下只能析出一定的固相，只有随温度的降低，固相数目才会增加，当固相成分与原合金成分相等时，结晶完毕。固溶体合金在t1和t2温度时的结晶过程见P75图3-18和图3-19。,LC1K0C1,LC2K0C2,K01,溶质浓度,温度,L,+L,C1,K0C1,C2,K0C2,t1,t2,C0,t3,现象：枝晶内部化学成分不均匀。,1)枝晶偏析（晶内偏析）,属于晶粒范围内晶轴与枝间的微观偏析。,5 固溶体的不平衡结晶,L,t4,t3,t1

21、,t2,L+,A,B,Cu,Ni,Ni%,Co,Cu-Ni%合金的不平衡结晶,理论上：当冷却速度无限缓慢时，扩散使先凝固与后凝固的固溶体成分均匀一致。,原因：合金由L时在一定温度范围内结晶，树枝晶主干在较高温度先凝固，枝及边部在较低温度后凝固。,55,1,2,2,3,4,3,4,2,3,4,t5,5,5,实际上：冷却过程并非无限缓慢，扩散是不完全的 枝晶内部中心区域与边部区域化学成分是不均匀的。称之为枝晶偏析,分配系数k0,偏析程度为：Co-C1=Co-KoCo=Co(1-Ko)k01时,k0越大偏析越大。实质是与液相线和固相线间的水平距离或成分间隔有关,间隔越小，偏析越小。,影响晶内偏析的因

22、素：,48,晶内偏析对合金的机械性能不利。可用高温扩散退火(固相线下100200)的方法减轻或消除，又称均匀化退火。,溶质原子扩散能力：扩散能力大偏析小。冷却速度V：一般V小，偏析则小，反之大。但当V大时，可获得细小晶粒。,Cu-Ni合金扩散退火后的固溶体,固溶体合金由于不平衡结晶造成大范围内化学成分不均匀的现象。,应用：区域提纯特种冶金,2)区域偏析,区域偏析形成过程图,过冷度：Tm-T实际 由T实际发生改变而引起的过冷 热过冷,成分过冷：固溶体结晶过程中，由于液相中溶质分布发生变化，改变了液相的熔点，这种由成分变化引起的过冷现象称为成分过冷。见P81图3-28。,6 成分过冷及其产生条件,

23、成分过冷产生的条件：成分过冷产生的极限条件：是液体的实际温度梯度G1与固液界面处的平衡结晶温度曲线恰好相切。如实际温度梯度进一步增大，就不会出现成分过冷；只有实际温度梯度减小，才会出现成分过冷。而且温度梯度越小，成分过冷区就越大。,成分过冷对晶体成长形状和铸锭组织的影响 金属一般为粗糙界面:纯金属:取决于液固前沿温度分布 正温度梯度平面晶；负温度梯度树枝状。固溶体：取决于液固前沿温度分布成分过冷 负温度梯度树枝状。正温度梯度随成分过冷程度增大分别形成平面晶、胞状晶和树枝晶。,G1：仍为正温度梯度 平面晶G2：小的成分过冷区 胞状晶G3：相当于负温度梯度 树枝晶,胞状界面的形成过程,平面晶所需过

24、冷度（或温度梯度）较大，工业实际中通常达不到，故金属、固溶体合金铸件组织一般为树枝晶组织。,匀晶转变小结,（1）匀晶转变式：L；（2）单相区相成分与合金原始成分一致，即坐标点成分；两相区成分：液相成分在液相线上，固相成分在固相线上(与温度水平线的相交点)；（3）与纯金属不同，合金的结晶过程是在一定温度范围内进行的，不同温度下两平衡相的成分不相同，量也不同，两相的相对量可依据杠杆定律计算得出。（4）不平衡结晶会造成枝晶偏析和区域偏析。（5）K01时K0值越小，或K0 1时K0值越大，偏析越严重。,成分过冷倾向越大,1 定义：两组元在液态无限互溶，在固态时相互有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的

25、二元系相图称为二元共晶相图。Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi 等合金系相图都是二元共晶相图。共晶转变：是在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出一定成分的两个固相的转变过程。其转变产物为两相的混合物，称为共晶组织。共晶转变式：L（液）（固）+（固）,二元共晶相图及其合金的结晶,Pb,Sn,Sn%,T,C,液相线,L,固相线,+,L+,L+,固溶线,固溶线,共晶相图有7个相区：三个单相区L、相区；三个两相区为L+a、L+、+相区；一个三相区，即水平共晶线CED，它是L、三相平衡的共存线。,2 共晶相图分析,E,C,D,Pb,Sn,T,C,L,+,L+,L+,共晶反应线表示从C点到D

26、点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。而且发生共晶反应的的液相成分均在E点,C,D,共晶点表示E点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。,E,LE C+D,E,C,D,相图上的特征：三个单相区与共晶水平线只有一个接触点，其中液相单相区在中间，位于水平线之上，两端是两个固相单相区。,Pb,Sn,T,C,L,+,L+,L+,C,D,E,E,C,D,共晶反应要点：,共晶转变在恒温下进行。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。存在一个确定的共晶点，在该点凝固温度最低。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。,E,C,D,3 典型的合金结晶过程分析,c,e,F,G,X1,T,

27、C,t,L,L,L,L+,冷却曲线,+,1,2,3,4,（1）X1合金结晶过程分析,成分为A-C和D-B之间的合金结晶为匀晶转变，可用杠杆定律计算室温组织 和 的相对含量。,A,B,t,L,L,L,L+,冷却曲线,+,1.没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相固相。,2.要经过脱溶反应，室温 组织组成物为+,组织组成物:由一定的相构成，是具有一定形态特征的组成部分。在显微镜下均能清楚的区分。,T,C,X1合金结晶特点,（2）X2合金结晶过程分析（共晶合金）,X2,T,C,t,L,(+),L,L,L(+)共晶体,冷却曲线,(+),实际转变过程复杂：,注意：(1)共晶转变产物(+)多相邻间隔协

28、同长大，称为共晶体或共晶组织；,CF+G,DG+F,(2)共晶体中随后析出的二次相多依附于原共晶体生长，故往往观察不到。,共晶组织示意图,注：和呈层片状交替分布，其中黑色为相，白色的为相,Pb-Sn共晶合金的显微组织,共晶体(共晶组织)：由共晶反应形成的细密的两相或多相机械混合物。,共晶组织中两相的相对含量为：,共晶相图 杠杆定律应用,（3）X3合金结晶过程分析（亚共晶合金）,X3,T,C,t,L,L+,(+)+,1,2,(+)+,温度降至2点后，可用杠杆定律计算 先共晶相和剩余液相的相对含量。,亚共晶成分：ce亚共晶转变式：L c+(c+d),F,G,X3,共晶转变刚刚结束后，组织组成物和相

29、的相对含量？,共晶相图,相的相对含量：和,杠杆定律应用,亚共晶合金,组织组成物的相对含量为：,组织组成物:先+(+)共,PbSn亚共晶组织先+(+)共+,注：暗黑色树枝状是先共晶相，其中白色颗粒为二次相，而黑白相间者为共晶体(+)。,（4）X4合金结晶过程分析（过共晶合金）,X4,T,C,t,L,L+,(+)+,1,2,(+)+,过共晶成分：ed过共晶转变式：L d+(C+d),(C+d)+d,(F+G)+G+）,L+,(LE+d),L,F,G,Sn70%的Pb-Sn合金显微组织 500,过共晶合金组织：+(+)共,II,(+),注：白色枝晶是先共晶相，其中黑色颗粒为二次相，而黑白相间者为共晶

30、体(+)。,4 合金的组织构成,亚共晶合金：+,成分在FG之间的合金均由+相构成；但不同合金中两相的形成过程与形貌各不相同。,共晶合金与过共晶合金呢？,各成分合金的组织构成,计算Pb-30%Sn合金共晶转变刚刚结束后，组织组成物和相的相对含量如何计算？,其它形状共晶相图,伪共晶组织 定义：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也可能得到全部共晶组织，这种非共晶成分所得到的共晶组织称为伪共晶组织。,形成条件：过冷度或冷却速度控制在图中红色阴影区。,5 共晶系合金的不平衡结晶现象,伪共晶区,此类伪共晶区为两相熔点相近，属于金属金属型共晶。,注意：并不是所有共晶成分的合金均能得到共

31、晶组织(快冷)。如：Al-Si系合金，其伪共晶区偏向高熔点相一边扩大。共晶合金在快冷条件下得不到共晶组织，而是得到亚共晶组织。,此类伪共晶区为两相熔点相差悬殊，属于金属非金属型共晶。,离异共晶 定义：当先共晶相数量较多而共晶相组织较少时，有时共晶组织中与先共晶相相同的那一相会依附在先共晶相上生长，剩下的另一相单独存在于晶界，从而失去共晶组织的特征，这种两相分离的共晶称为离异共晶。,形成条件：成分控制在M或N附近。,C,D,Al-4%Cu铸造合金中的离异共晶组织,均匀退火后,1 包晶相图：两组元在液态无限溶解，在固态相互有限溶解，并发生包晶转变的二元合金系相图。PtAg、SnSb、CuSn、Cu

32、Zn,包晶相图,包晶转变在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。,包晶转变式：L+,单相区:L、；两相区:L、L、三相区:P D C（包晶转变线）,液相线:A C B固相线:A P D B溶解度曲线：P E、D F,2 相图分析,D点为包晶点,包晶转变式：L C+P D,包晶转变：Ld+c e,Pt,Ag,Ag%,T,C,L,+,L+,c,e,d,f,g,T,C,t,L,L+,L+,+,包晶转变区的特征：反应相是液相和固相，其成分点位于水平线的两端，所形成的固相位于水平线中间的下方。,L+,合金,3 典型合金的平衡结晶过程及组织,根据杠杆定律可计

33、算温度到达D点时，液相和固相的相对含量,合金,合金,组织组成：+,实际中受扩散条件限制，包晶转变往往不完全 包晶偏析。可采用长时间均匀化退火减少或消除包晶偏析。,含65%的Cu-Sn合金的不平衡组织,Pt原子,Ag原子,4 不平衡结晶,包晶转变的实际应用 在轴承合金中的应用。先结晶出硬质点化合物，再通过包晶反应形成软的固溶体，并把硬质点包围起来。细化晶粒的作用。如在铝及铝合金中加入钛。见P97图3-56，当Ti0.15%以后，合金首先析出初晶TiAl3，TiAl3可以作为非均匀形核质点。,1、形成稳定化合物的二元合金相图,分析：稳定化合物是指具有一定熔点，在熔化前不分解的化合物。可将稳定化合物

34、看作一个组元（相区呈直线），从而把整个相图看成由若干个简单相图组成。如：Mg2Si、Fe3C,其他类型的二元相图,2、具有固态转变的二元合金相图,固态转变主要有：固溶体的脱溶转变；共析转变；包析转变；固溶体的同素异晶转变；有序无序转变等。固溶体的脱溶转变 固溶体因溶解度变化而发生的脱溶转变。如图所示,具有脱溶转变和共析反应的二元合金相图,共析转变,由图分析可知：从固相中同时析出两种不同新相的反应称为共析反应。共析反应的产物为共析物。由于共析反应在固态进行，所以共析组织比共晶组织要细得多。,A,B,T,C,+,+,+,c,e,d,L+,L,共析转变式：(+)共析体,1)若有稳定化合物，则将其看作

35、一独立组元，把相图分成几个部分分析。,2)相区接触法则：二元相图中，相邻相区中的相数只相差一个(点接触除外)。分析时首先熟悉单相区中的相，再根据相区接触法则辨别其它相区。,1、二元相图的分析步骤,3)找出与三相共存水平线点接触的三个单相区，确定三相平衡转变的性质和反应式。,4)在两相平衡区，可应用杠杆定律求出各相的相对量。,二元相图的分析与应用,1、固溶体与机械性能和物理性能的关系,相图与合金性能之间的关系,固溶体强硬度较纯金属高。,纯金属导电性较固溶体高。,固溶体中溶质浓度 强度、硬度,共晶成分附近性能突变(组织细、伪共晶),2、共晶组织与机械性能和物理性能的关系,组织组成物的形态对强度影响

36、很大。组织越细密，强度越高。,3、合金铸造性能与相图的关系,铸造缺陷：偏析、疏松、缩孔等。结晶的温度范围、成分范围越大，偏析、缩孔等越严重。,铸造性能取决于结晶区间：液固相线之间距离越大(温度和成分的间距)，铸造性能越差。,铸造性能最好,铸造性能差,合金铸造性能与相图的关系,流动性能好，偏析倾向小。,流动性能差，偏析倾向大。,结论：纯金属、共晶体铸造性能最好，且偏析小，分散缩孔少。,4、锻造、压力加工及切削加工性能,单相固溶体：锻造与压力加工性能较佳，但切削加工性能不好；合金：为两相混合物时，切削加工性能较好，但锻造与压力加工性能较差。总体：单相固溶体不宜制作铸件而适于承受压力加工；铸造材料应

37、当尽可能选用共晶体合金。,m,p,n,L,L,+,+,L+,恒温,恒温,恒温,共晶、包晶、共析反应图型与反应式比较,相图的基本类型,复习,二元相图的一些几何规律,两个单相区只能交于一点，而不能交成线段。两个单相区之间，必定是一个由这两个单相构成的两相区。三相共存区，必定是一条水平线，该水平线必须与由这3个相组合而成的3个两相区相邻。如果两个三相区中有两个共同的相，这两条水平线之间必定是这两个相组成的两相区。（P110 Fe-C相图)相图中相邻相区的相数之差均为一。单相区边界线延长线应进入相邻的两相区，而不会进入单相区。,基本概念：平衡凝固、匀晶、共晶、包晶、共析各种典型相图的分析及平衡凝固过程杠杆定律的应用（尤其是二元共晶合金相图）重点讲了Pb-Sn相图，要求会标出各相区存在的组织二元相图的几何规律,小 结,