二元合金相图及应用

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1、3.23.23.33.3二元相图及应用二元相图及应用重重点点：应应用用相相图图说说明明合合金金的的组组织和性能。织和性能。难点：难点：、合金的结晶过程合金的结晶过程。1p 合金相图合金相图（平衡相图）（平衡相图）：是是用用图图解解的的方方法法表表示示不不同同成成分分、温温度度下下合合金金中中相相的的平平衡衡关系，即关系，即“成分成分-温度温度-相相”三者关系三者关系 2p作用：作用：1 1、根据相图可以了解不同成分、根据相图可以了解不同成分合金在合金在温度变化时的相变温度变化时的相变及及组组织织形成规律。形成规律。2 2、由相图可知、由相图可知一定成分一定成分的合金，的合金，在在一定温度一定温

2、度下的下的相和组织相和组织。33.2 3.2 二元相图的建立二元相图的建立 p通常通常热分析法热分析法获得。获得。p主要步骤主要步骤（以（以Cu-NiCu-Ni合金为例）合金为例）4w wNiNi%CuCuNiNi2020404060608080纯纯NiNi的冷却曲线的冷却曲线时间时间 t t温温度度 T T5w wNiNi%CuCuNiNi202040406060808080%Ni80%Ni的冷却曲线的冷却曲线时间时间 t t温温度度 T T6w wNiNi%CuCuNiNi202040406060808060%Ni60%Ni的冷却曲线的冷却曲线时间时间 t t温温度度 T T7w wNiN

3、i%CuCuNiNi202040406060808040%Ni40%Ni的冷却曲线的冷却曲线时间时间 t t温温度度 T T8w wNiNi%CuCuNiNi202040406060808020%Ni20%Ni的冷却曲线的冷却曲线时间时间 t t温温度度 T T9w wNiNi%CuCuNiNi2020404060608080纯纯CuCu的冷却曲线的冷却曲线时间时间 t t温温度度 T T10汇总汇总w wNiNi%CuCuNiNi2020404060608080温温度度 T TL+L液相线液相线固相线固相线113.3 3.3 二元相图的基本类型及应用二元相图的基本类型及应用一、匀晶相图一、匀

4、晶相图二、共晶相图二、共晶相图三、包晶相图三、包晶相图四、共析相图四、共析相图五、其它相图五、其它相图12一、二元匀晶相图一、二元匀晶相图p定义：定义：是指两组元在是指两组元在液态和固态液态和固态均能无限互溶均能无限互溶时形成的相图。时形成的相图。p例如、例如、Cu-NiCu-Ni。13L+L+141 1、相图分析、相图分析（Cu-NiCu-Ni相图）相图）1 1）组元组元：CuCu、NiNi；2 2）特征点特征点：A A纯组元纯组元CuCu的的熔点熔点（10831083）B B纯组元纯组元NiNi的的熔点熔点（14521452）Cu-NiCu-Ni合金相图合金相图合金相图合金相图153 3）

5、特征线特征线：pABAB上凹线上凹线液相线液相线pABAB下凹线下凹线固相线固相线4 4）特征区特征区：L L、和（和（L+L+）Cu-NiCu-Ni合金相图合金相图合金相图合金相图162 2、合金的结晶过程、合金的结晶过程171 1）匀晶转变：）匀晶转变：从液相从液相 L L 中均匀中均匀析出单相固溶体析出单相固溶体 的过程。的过程。2 2）在两相区：）在两相区：p随着温度的下降，固溶体相不随着温度的下降，固溶体相不断增多，液相不断减少；断增多，液相不断减少；18p固溶体相的成分固溶体相的成分沿固相线变化；沿固相线变化；p液相的成分液相的成分沿液相线变化。沿液相线变化。3 3）室温组织）室温

6、组织：单相固溶体单相固溶体 。19液相线液相线固相线固相线LL温温度度 TwNi%CuNiT1L11T2L22T3L33203 3、杠杆定律、杠杆定律QLQ21p在两相区，两相的质量比可以在两相区，两相的质量比可以用用杠杆定律杠杆定律求得，即：求得，即：QL/Q=bc/ab=bc/abp即即QL/Q恰好与它们的恰好与它们的杠杆杠杆臂臂成反比关系。成反比关系。p杠杆定律只适用于两相区。杠杆定律只适用于两相区。22 4 4、非平衡结晶非平衡结晶与与枝晶偏析枝晶偏析p在实际生产中，由于在实际生产中，由于冷却速度较快冷却速度较快，固溶体中固溶体中原子扩散不充分原子扩散不充分。p先结晶部分含高熔点组元较

7、多先结晶部分含高熔点组元较多，后后结晶部分含低熔点组元较多结晶部分含低熔点组元较多。p一个晶粒内部化学成分不均匀的现一个晶粒内部化学成分不均匀的现象叫象叫晶内偏析晶内偏析，或，或 枝晶偏析枝晶偏析。23p晶内偏析晶内偏析 塑性塑性、韧性显著下降韧性显著下降p可通过可通过扩散退火消除扩散退火消除。24二、二元共晶相图二、二元共晶相图p定义定义 当二个组元在当二个组元在液态下无限互液态下无限互溶溶，而在，而在固态时有限互溶固态时有限互溶，并有，并有共晶反应共晶反应发生时形成的相图。发生时形成的相图。p例如、例如、Pb-SnPb-Sn共晶相图。共晶相图。25261 1、相图分析、相图分析 （Pb-S

8、nPb-Sn相图）相图）1 1）组元）组元：SnSn、PbPb；p 是是SnSn溶于溶于PbPb中的置换固溶体；中的置换固溶体；p是是PbPb溶于溶于SnSn中的置换固溶体。中的置换固溶体。272 2）特征点）特征点（7 7个点）个点）28pA A、B B点点分别为分别为组元组元PbPb和和SnSn的的熔点熔点；pM M、N N点点分别是分别是固溶体固溶体 、的的最最大溶解度点大溶解度点；29pF F、G G点点 分别是分别是固溶体固溶体 、在室在室温下的溶解度点。温下的溶解度点。p E E点点 为为共晶点共晶点，E E点对应的温度称点对应的温度称为为共晶温度共晶温度；30亚亚亚亚共共共共晶晶

9、晶晶合合合合金金金金共晶合金共晶合金共晶合金共晶合金过过过过共共共共晶晶晶晶合合合合金金金金31p共晶反应：共晶反应：具有具有一定成分的液体一定成分的液体（LeLe）在）在一定温度一定温度（共晶温度）下（共晶温度）下同时结晶同时结晶两种成分的固溶体（两种成分的固溶体（m m+n n）称为）称为共晶反应，即共晶反应，即 Le Le（m m+n n）p结晶产物为结晶产物为共晶体共晶体。32p共晶体的共晶体的显微组织特征显微组织特征：是两相交替分布，其形是两相交替分布，其形态与合金的特性及冷却速度有态与合金的特性及冷却速度有关，通常关，通常呈片层状呈片层状。33共晶组织共晶组织形态形态层片状层片状(

10、Al-CuAl2定向凝固定向凝固)条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织343 3）特征线（）特征线（5 5条条）35p AEBAEB 为液相线；为液相线；p AMENBAMENB 为固相线；为固相线；p MFMF、NGNG 代表两固溶代表两固溶体体 和和溶解度曲线溶解度曲线；p MENMEN 一段水平线又一段水平线又称称共晶反应线共晶反应线，成分，成分在在该范围内的合金都将发该范围内的合金都将发生共晶反应生共晶反应。364 4）特征区（）特征区（7 7个区）个区）L L L+L+L+L+37p3 3个单相区个单相区：L L、和和；p3

11、 3个双相区个双相区：（：（L+L+）、（）、（L+L+）和（）和（+）；）；p1 1个三相区个三相区：（：（L+L+）2 2、合金平衡结晶过程及组织、合金平衡结晶过程及组织3839 含含SnSn量小于量小于m m点的合金点的合金p匀晶转变匀晶转变二次析出（析出二次二次析出（析出二次固溶体固溶体）40p室温显微组织室温显微组织：+41 共晶合金（共晶合金（e e点合金）点合金）发生共晶转变：发生共晶转变：Le Le（m m+n n）42p室温组织：室温组织：（+），），即即100%100%的共晶体的共晶体。43(3)(3)亚共晶合金亚共晶合金 （m-em-e之间的合金）之间的合金）p匀晶转变匀

12、晶转变共晶转变共晶转变二次析出二次析出44p室温显微组织：室温显微组织：+（+）+45p其中其中 、（、（+）、）、均称为合金的均称为合金的组织组成物组织组成物，是合金显微组织的独立部分。是合金显微组织的独立部分。46Pb-SnPb-Sn合金的结晶过程合金的结晶过程4748三、共析相图三、共析相图1 1、特点、特点p上部分为上部分为匀晶相图匀晶相图；p下部分下部分类似共晶相图类似共晶相图。49m me en n匀匀晶晶相相图图类类似似共共晶晶相相图图亚亚亚亚共共共共析析析析合合合合金金金金共析合金共析合金共析合金共析合金过过过过共共共共析析析析合合合合金金金金502 2、e e点点共析点共析点

13、pe e点对应的温度称为点对应的温度称为共析温度共析温度；共析合金共析合金：成分对应于：成分对应于e e点的合金；点的合金；亚共析合金亚共析合金：成分位于：成分位于e-me-m点之间合金；点之间合金；过共析合金过共析合金：成分位于：成分位于e-ne-n点之间合金。点之间合金。51p共析反应：共析反应：具有具有一定成分的固溶体一定成分的固溶体（e e）在）在一定温度一定温度（共析温度）下（共析温度）下同同时析出两种成分的固溶体时析出两种成分的固溶体（m m +n n），），称为共析反应，即称为共析反应，即 e e （m m+n n）52p结晶产物为结晶产物为共析体共析体：呈片层状呈片层状的特征，

14、但比共晶的特征，但比共晶体要细密。体要细密。3 3、menmen为为共析反应线：共析反应线：成分在该范围内的合金成分在该范围内的合金都将都将发生共析反应发生共析反应。533.3.5 3.3.5 相图与合金性能之间相图与合金性能之间的关系的关系一、一、合金成分合金成分与与力学性能力学性能之间关系之间关系二、二、合金成分合金成分与与合金铸造性合金铸造性能之间能之间关系关系54一、合金成分与力学性能和物理性能一、合金成分与力学性能和物理性能 固溶体合金固溶体合金55v共晶合金共晶合金56固溶体的合金固溶体的合金（匀晶相图）（匀晶相图）:57p由于固溶强化，随着溶质组元含量由于固溶强化，随着溶质组元含

15、量的增加，其的增加，其强度强度和和硬度硬度提高，提高，呈曲呈曲线关系线关系变化。变化。p而固溶体合金的而固溶体合金的电阻率电阻率与与成分成分之间之间的关系也的关系也呈曲线关系呈曲线关系变化。变化。58共晶合金共晶合金（共晶相图）：（共晶相图）：59（1 1）相图两端相图两端均为固溶体，其性能与均为固溶体，其性能与合金成分之间合金成分之间呈曲线关系呈曲线关系。（2 2）相图中间部分为）相图中间部分为两相机械混合物两相机械混合物，合金的强度、硬度、电阻率与成分合金的强度、硬度、电阻率与成分呈呈直线关系直线关系。（3 3）但）但两相十分细密两相十分细密时，合金的强度、时，合金的强度、硬度将偏离直线关

16、系而硬度将偏离直线关系而出现峰值出现峰值。60二、合金成分与合金二、合金成分与合金铸造性能铸造性能之间关系之间关系61p固溶体合金固溶体合金:当当相线与液相线距离越大相线与液相线距离越大，越容易产生越容易产生偏析偏析和和分散缩孔分散缩孔。p共晶合金共晶合金:具有具有最好的流动性最好的流动性，并在结，并在结晶时易形成晶时易形成集中缩孔集中缩孔。62结 束633.1 3.1 金属的结晶及其控制金属的结晶及其控制 重点：重点：如何控制晶粒的大小，即如何控制晶粒的大小，即 细化晶粒细化晶粒的途径。的途径。难点：难点：结晶的结晶的必要必要和和充分条件充分条件；643.1.1 结晶的概念结晶的概念1 1、

17、近程有序、近程有序（不稳定、（不稳定、随机、瞬变）和随机、瞬变）和远程远程有序有序。2 2、结晶定义、结晶定义1 1）从从状状态态看看：指指金金属属自自液液态态向向固固态态过过渡渡时时晶晶体体形形成成的的过过程程，称称为为“一次结晶一次结晶”。652 2）从金属学观点：）从金属学观点：p 结晶则是指物质的原子从结晶则是指物质的原子从近近程有序结构程有序结构向向远程有序结构远程有序结构过度过度的过程。的过程。663、结晶的条件、结晶的条件 1 1）必要条件：）必要条件：过冷过冷 67p定义：定义：金属的金属的实际结晶温度（实际结晶温度（T T1 1）低于理论结晶温度低于理论结晶温度(T(T0 0

18、)的现象。的现象。p即即在在T T0 0以下金属仍处于液态以下金属仍处于液态。p作用：作用：过冷过冷 自由能下降（自由能下降（G G）产生产生驱动力驱动力。68 T1 T0 T（）692 2、充分条件充分条件：过冷度过冷度T=T0 T1 p 一般为一般为10-3010-30；p 冷却速度愈大、过冷度愈大。冷却速度愈大、过冷度愈大。703.1.2 结晶的过程v形核形核与与长大长大。711 1、形核、形核1 1）定义）定义p液液体体中中最最初初形形成成分分的的一一些些作作为为结结晶晶中中心心的的稳稳定定的的微微小小晶晶体体（晶核晶核）的过程。）的过程。722 2）形核的方式）形核的方式 （1 1）

19、自发形核）自发形核p从过冷液体中从过冷液体中直接产生晶核直接产生晶核，但但需要很大的过冷度需要很大的过冷度。Fe Fe 需要需要T=T=295295；Ni Ni 需要需要T=T=319319。73均匀形核均匀形核74（2 2）非自发）非自发 形核形核p依依附附于于杂杂质质微微粒粒的的表表面面或或容容器壁器壁表面产生的核；表面产生的核；p过冷度小过冷度小10 10 3030；p为为主导形核方式主导形核方式。75非非均均匀匀形形核核示示意意图图762 2、晶粒长大、晶粒长大1)1)以以枝晶状长大枝晶状长大；2 2）有选择性：）有选择性：散热条件好的方散热条件好的方向向利于长大。利于长大。77结晶前

20、沿结晶前沿锑锭树枝状晶锑锭树枝状晶783.1.3 晶粒的大小及控制晶粒的大小及控制1 1、对金属性能的影响、对金属性能的影响p在在一一般般情情况况下下，晶晶粒粒愈愈细细小小，则则金金属属的的强强度度、塑塑性性和和韧韧性性愈好愈好。79晶粒大小对纯铁的机械性能的影响晶粒大小对纯铁的机械性能的影响 晶粒直径晶粒直径（mmmm）强度强度b b（MPaMPa）伸长率伸长率（%）9.79.716516528.628.67.07.018018030.630.62.52.521021039.539.580 2 2、晶粒大小的控制、晶粒大小的控制1 1）决定晶粒度的因素）决定晶粒度的因素 p形核率（形核率（N

21、 N）：）：单位时间单位单位时间单位体积内形成晶核的数目。体积内形成晶核的数目。p长大速度（长大速度（G G）：）：晶核在单位晶核在单位时间内生长的长度。时间内生长的长度。81N/GN/G 晶粒愈细小晶粒愈细小822 2）控制晶粒度的方法）控制晶粒度的方法（1 1）增加过冷度）增加过冷度 冷却速度冷却速度TT N/GN/G 晶粒愈细小晶粒愈细小。p 降低铸造温度；降低铸造温度；p 用用金属型铸造金属型铸造代替代替砂型砂型。83气轮机转子的宏观组织气轮机转子的宏观组织(纵截面纵截面)细晶的熔模铸件细晶的熔模铸件(上上)普通铸件普通铸件(下下)84冷却速度对金属晶粒度的影响冷却速度对金属晶粒度的影

22、响冷速大冷速大冷速小冷速小85p当冷却速度当冷却速度 10102 24 4/s/s 微晶合金微晶合金、纳晶合金纳晶合金。p微晶合金的特点微晶合金的特点：具有具有高强度高强度、高硬度高硬度、良好良好的韧性的韧性；86 较高的较高的耐磨性耐磨性、耐蚀性耐蚀性及及抗氧化抗氧化、抗辐射性抗辐射性、稳定性好稳定性好等优良性能。等优良性能。还具有还具有良好的物理性能：良好的物理性能：高电阻率高电阻率，较高的，较高的超导超导，高的，高的矫顽力矫顽力。87p当冷却速度当冷却速度 10 106 68 8/s/s 非晶态材料非晶态材料。p非晶态合金的特点非晶态合金的特点：很高的强度很高的强度、硬度硬度、刚度刚度；

23、具有具有良好的韧性良好的韧性和和塑性塑性；88 无晶体缺陷，因此具有无晶体缺陷，因此具有很高的耐蚀性很高的耐蚀性，及，及高电阻率高电阻率，高导磁率高导磁率，低磁损低磁损和和低声波低声波衰率衰率。89（2 2）变质处理）变质处理p是是指指在在液液态态金金属属结结晶晶前前，加加入入一一些些细细小小高高溶溶点点的的物物质质，促促使非自发形核使非自发形核的方法。的方法。p易实现易实现、效果明显效果明显、最常用最常用。90孕育处理孕育处理加入人加入人工晶核工晶核晶粒晶粒细化细化91p钢钢中加入中加入TiTi、V V、AlAl；p铸铁铸铁中加入中加入SiSi、CaCa；p铝铝中加入中加入TiTi、锆锆。（3 3）振动，搅拌方法：）振动，搅拌方法：p破碎作用破碎作用 提高形核率。提高形核率。92电磁搅拌细化晶粒示意图电磁搅拌细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图93结 束94