1、 二元相圖 Binary Phase Diagram 第五章IT米水 基本概念 相律、成分表示方法、相圖測定、杠桿定理典型的二元相圖其它類型的二元相圖相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ) G-X曲線、公切線法則、相圖的幾何規(guī)律實例分析, Fe-C相圖共晶型包晶型形成化合物的相圖包晶勻晶兩相平衡轉(zhuǎn)變共晶具有固態(tài)相變二元相圖二元相圖合金合金（alloy）組元組元（componentcomponent）5.1. 5.1. 基本概念基本概念合金系（合金系（alloy system）組成合金的最簡單、最基本而且能獨立存在的組成合金的最簡單、最基本而且能獨立存在的物質(zhì)，可以是元素物質(zhì)，可以是元素或化合物?；蚧衔?。由兩種或兩

2、種以上金屬或金屬與非金屬，經(jīng)過熔煉、燒結(jié)或其他由兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬，經(jīng)過熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。物質(zhì)。由給定組元配置成的一系列成分不同的合金，組成一個合金系統(tǒng)。由給定組元配置成的一系列成分不同的合金，組成一個合金系統(tǒng)。如如Fe、C、Fe3C等等如鋼、銅合金、鋁合金、鎂合金等如鋼、銅合金、鋁合金、鎂合金等如如Fe-C系、系、Sn-Pb系、系、Cu-Zn系等系等5.1. 5.1. 基本概念基本概念相相（phase）組織組織（structure）合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一結(jié)構(gòu)，以及成分性質(zhì)完全相同的合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一結(jié)構(gòu)

3、，以及成分性質(zhì)完全相同的均勻組成部分。單相、多均勻組成部分。單相、多相相一定的外界條件一定的外界條件下，一定下，一定成分的合金可能由不同成分、結(jié)構(gòu)和性成分的合金可能由不同成分、結(jié)構(gòu)和性能的合金相能的合金相組成，這些組成，這些相的總體稱為合金的相的總體稱為合金的組織。組織。如如 -Fe、 -Fe 、Fe3C等等如如珠光體、萊氏體、魏氏組織珠光體、萊氏體、魏氏組織等等5.1 基本概念基本概念5.1.1 相平衡和相律相平衡和相律各組元在各相中的化學(xué)勢相等各組元在各相中的化學(xué)勢相等在c個組元組成的系統(tǒng)中若有個相, 則：m1=m1b=m1=.=m1m2=m2b=m2=.=m2.mc=mcb=mc=.=m

4、c5.1. 5.1. 基本概念基本概念1. 相平衡相平衡（phase equilibrium）5.1.15.1.1相平衡和相率相平衡和相率2) 相律相律（phase rule）5.1. 5.1. 基本概念基本概念5.1.15.1.1相平衡和相率相平衡和相率系統(tǒng)的自由度與組元數(shù)和相數(shù)之間的關(guān)系 fCP2 f：系統(tǒng)自由度數(shù)； C：系統(tǒng)組元數(shù)； P：系統(tǒng)相數(shù)對于衡壓系統(tǒng)，DP0，相律可寫成：fCP1相圖：反映組織（相組成）和系統(tǒng)參數(shù)之間關(guān)系相圖：反映組織（相組成）和系統(tǒng)參數(shù)之間關(guān)系的一種工具的一種工具5.1. 5.1. 基本概念基本概念5.1.25.1.2相圖的表示方法相圖的表示方法1.單元系的相圖

5、單元系的相圖 對于單元系，若DP0，則： fCP23p， 最多可出現(xiàn)三相平衡。若DP0，橫坐標(biāo)：溫度縱坐標(biāo)：壓力（強）若DP=0，最多只能兩相平衡，相圖為直線5.1.2 相圖的表示方法相圖的表示方法例一：水的相圖：此圖反映了:l 在確定的溫度和壓下H2O的相組成，l 溫度和壓力變化時相組成的變化。若壓強不變，相圖是一條直線。5.1. 5.1. 基本概念基本概念5.1.25.1.2相圖的表示方法相圖的表示方法例二： 純鐵的相圖反映固態(tài)下的相轉(zhuǎn)變反映純鐵在不同溫度和壓強下發(fā)生的相轉(zhuǎn)變1. 1. 基本概念基本概念5.1.25.1.2相圖的表示方法相圖的表示方法例三：石英的相圖 陶瓷晶體的同質(zhì)異構(gòu)轉(zhuǎn)變

6、比金屬晶體多。如：石英在平衡轉(zhuǎn)變時可能出現(xiàn)石英、b石英、b鱗石英、b方石英等同質(zhì)異構(gòu)體。1. 1. 基本概念基本概念5.1.25.1.2相圖的表示方法相圖的表示方法2. 二元系的相圖二元系的相圖1) 二元系的自由度根據(jù)相律：f = CP+2，一般情況下 DP0 f = CP + 1 = 3P系統(tǒng)最大的自由度是2（單相平衡） 分別是： T （溫度） W （一個組元的濃度）二元相圖中，橫坐標(biāo)是成分（組元濃度）， 縱坐標(biāo)是溫度 5.1. 5.1. 基本概念基本概念5.1.25.1.2相圖的表示方法相圖的表示方法2) 2) 成分表示法成分表示法 組元濃度的表示方法： 質(zhì)量百分?jǐn)?shù) wA wB 摩爾百分?jǐn)?shù)

7、 xA xB兩者之間是可以相互轉(zhuǎn)換的。 設(shè)組元的原子量分別位：RA、RB, 100%xRxRxRwBBAAAAA=%100=BBAABBBxRxRxRw%100=BBAAAAARwRwRwx%100=BBAABBBRwRwRwx1. 1. 基本概念基本概念5.1.25.1.2相圖的表示方法相圖的表示方法5.1.3 相圖的建立相圖的建立可以從理論和實驗兩條途徑獲得相圖 實驗：測臨界點 理論：熱力學(xué)函數(shù)計算測定臨界點的方法：熱分析、X射線、 熱膨脹、磁性方法等 原理：材料在到達(dá)臨界點時，相關(guān)的性能或參數(shù)有一個突變，通過測突變點來確定臨界點。 5.1. 5.1. 基本概念基本概念5.1.3. 5.1

8、.3. 相圖的建立相圖的建立例：用熱分析方法測定相圖 5.1. 5.1. 基本概念基本概念5.1.3. 5.1.3. 相圖的建立相圖的建立5.1. 5.1. 基本概念基本概念5.1.45.1.4相圖的使用相圖的使用5.1.4 5.1.4 相圖的使用相圖的使用 以Al2O3-ZrO3為例說明相圖的使用l 表象點 相圖中的任意點 表征：材料的成分、溫度、所在的相區(qū)，即表征不同成分材料在不同溫度下的的狀態(tài)，故又稱之為狀態(tài)圖。l 相區(qū)： 單相區(qū)、兩相區(qū)、 三相區(qū)（水平線） l 相變溫度 成分坐標(biāo)（垂直于橫坐標(biāo)的直線）與相區(qū)邊界線的交點對應(yīng)的溫度 5.1. 5.1. 基本概念基本概念5.1.45.1.4

9、相圖的使用相圖的使用 a o b A B L abob=%abaoL=%1. 1. 基本概念基本概念5.1.5 5.1.5 杠桿定理杠桿定理 計算兩相區(qū)中各相的相對分?jǐn)?shù) 5.1.55.1.5杠桿定理杠桿定理5.5.2 勻晶相圖勻晶相圖5.2.15.2.1、勻晶相圖和勻晶轉(zhuǎn)變、勻晶相圖和勻晶轉(zhuǎn)變 1) 勻晶相圖 二組元在液態(tài)和固態(tài)都完全互溶 2) 勻晶轉(zhuǎn)變 從液相結(jié)晶出單相固溶體的過程 大多數(shù)的二元系中都包含勻晶轉(zhuǎn)變，但只有少數(shù)的二元相圖是勻晶相圖 。5.2 5.2 勻晶相圖勻晶相圖5. 5.2 .1 2 .1 勻晶轉(zhuǎn)變和勻晶相圖勻晶轉(zhuǎn)變和勻晶相圖5.2.2 5.2.2 平衡轉(zhuǎn)變平衡轉(zhuǎn)變 T=T

10、1 相的成分為1T=T2 相的成分為2 T=T3 相的成分為3 123 所以凝固時晶粒內(nèi)部發(fā)生擴散。 B(Ni)從里向外擴散，A(Cu)從外向里擴散 。只有充分?jǐn)U散，晶粒從里到外成分均勻。擴散需要時間，所以只有冷卻速度足夠慢時才能實現(xiàn)平衡凝固。注意：勻晶轉(zhuǎn)變時，液固相成分不同，所以形核要靠成分起伏。5.2 5.2 勻晶相圖勻晶相圖5.2.2 5.2.2 平衡轉(zhuǎn)變平衡轉(zhuǎn)變 1260125012205.2.3 5.2.3 非平衡勻晶轉(zhuǎn)變非平衡勻晶轉(zhuǎn)變 總的特點：成分不均勻 易形成枝晶偏析固相線偏離5.2 5.2 勻晶相圖勻晶相圖5. 5.2 .3 2 .3 非平衡轉(zhuǎn)變非平衡轉(zhuǎn)變5.2 5.2 勻晶

11、相圖勻晶相圖5. 5.2 .3 2 .3 非平衡轉(zhuǎn)變非平衡轉(zhuǎn)變1260124012201205固相線偏離 先凝固的部分富Ni，不易侵蝕，呈現(xiàn)亮白色，成為枝干. 后凝固的部分富Cu，易被侵蝕，呈現(xiàn)暗黑色，分布于枝間. 5.2 5.2 勻晶相圖勻晶相圖5. 5.2 .3 2 .3 非平衡轉(zhuǎn)變非平衡轉(zhuǎn)變枝晶偏析均勻化退火5.2.4 5.2.4 具有極大和極小點的勻晶相圖具有極大和極小點的勻晶相圖 有些勻晶相圖具有成分的極大或極小點凝固時這個成分的材料液固相成分相同，此時少一個自由度。 f=C-P5.2 5.2 勻晶相圖勻晶相圖5. 5.2 .4 2 .4 具有極大和極小點的具有極大和極小點的勻晶相圖

12、勻晶相圖5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖無鉛焊料的成分多為共晶共晶或近共晶。如Sn-0.7Cu、Sn-3.5Ag、Sn-3.8Ag-0.7Cu、Sn-9Zn等Pb5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖固溶體的鑄造性能（流動性）一般都比金屬或共晶共晶合金差。5.3 3 共晶共晶相圖相圖( (eutectic phase diagram) )大多數(shù)二元系液態(tài)下完全互溶，固態(tài)下有限互溶，形成的相圖有共晶、包晶等。 5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖5.3 .1 5.3 .1 相圖分析相圖分析線:5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖點:相區(qū):5.3 .1 5.3 .1 相圖分析相圖分析共晶亞共晶過共晶 液相線 t

13、AE tBE , 固相線 tAM tBN 溶解度曲線 MF NG, 共晶線MEN tA tB E M N F G 單相區(qū): L, , b；兩相區(qū)： L+, L+b, +b 三相區(qū)：Lb 自由度：f=C-P+1330 5.3.2、相圖的基本特征5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖1) 存在共晶反應(yīng) L + b2) 共晶點是二元系最低的凝固點3) 三相區(qū)是水平線， 其兩側(cè)是兩個兩相區(qū)， 兩端點是生成相的成分點5.3.25.3.2、相圖的基本特征、相圖的基本特征5.3.3 5.3.3 共晶材料的性能特征共晶材料的性能特征 1.鑄造性能好2.可以作為自生成復(fù)合材料 3.熔點低，有的可以做焊料5.3 5.3

14、 共晶相圖共晶相圖5.3.3 5.3.3 共晶材料的性能特征共晶材料的性能特征 1 1. .端部固溶體端部固溶體( (10wt.% Sn) ) 5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖5.3.4 5.3.4 平衡凝固過程及組織平衡凝固過程及組織5.3.4 5.3.4 平衡凝固過程及組織平衡凝固過程及組織LL+bII2. 2. 共共晶成分（晶成分（ 61.9wt.% Sn） 在在T=183T=183o oC C時發(fā)生時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變 L LE E M M + + b bN N 合金中合金中各相的相對各相的相對百百分?jǐn)?shù)：分?jǐn)?shù)： %4 .45%=MNEN%6 .54%=MNMEb5.3 5.3 共晶相

15、圖共晶相圖5.3.4 5.3.4 平衡凝固過程及組織平衡凝固過程及組織LL bbbb5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖共晶組織中的共晶組織中的 IIII、b bIIII，不，不容易在金相中被容易在金相中被辨認(rèn)辨認(rèn) 5.3.4 5.3.4 平衡凝固過程及組織平衡凝固過程及組織5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖5.3.4 5.3.4 平衡凝固過程及組織平衡凝固過程及組織3. 3. 亞共晶材料亞共晶材料 液相中先生成 平衡反應(yīng)后繼續(xù)冷卻時析出bII 4. 4. 過共晶材料過共晶材料 液相中先生成b 平衡反應(yīng)后繼續(xù)冷卻時析出II L L L bbbL L bL bbb5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖5.3

16、.4 5.3.4 平衡凝固過程及組織平衡凝固過程及組織L L L bbb5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖5.3.4 5.3.4 平衡凝固過程及組織平衡凝固過程及組織5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖亞亞共晶組織共晶組織過過共晶組織共晶組織5.5.先結(jié)晶先結(jié)晶相的百分?jǐn)?shù)相的百分?jǐn)?shù) 例：例：3030SnSn 合金合金 %6 .25%100199 .611930)%(=b%4 .74%100199 .61309 .61%=5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖5.3.4 5.3.4 平衡凝固過程及組織平衡凝固過程及組織5.3.5 5.3.5 非平衡凝固過程及組織非平衡凝固過程及組織1) 偽共晶 （coupl

17、ed zone） 成分偏離共晶成分時卻得到100的共晶組織 形成原因 凝固時有過冷度 此時液相相對于 和b都飽和，所以同時結(jié)晶出兩相 5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖5.3.5 5.3.5 非平衡凝固過程及組織非平衡凝固過程及組織偽共晶區(qū)b. 偽共晶區(qū)的形狀和位置非對稱的原因 兩相的熔點不同 偽共晶區(qū)偏向于高熔點組元，這是因為此時共晶點偏向于低熔點組元，共晶成分和低熔點相接近，低熔點相容易先生成。5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖5.3.5 5.3.5 非平衡凝固過程及組織非平衡凝固過程及組織對稱型非對稱型C、共晶成分的亞共晶 5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖5.3.5 5.3.5 非平衡凝固過

18、程及組織非平衡凝固過程及組織偽共晶的另一種形式2) 由于偏析引起的亞共晶 成分在非共晶區(qū)，但由于冷卻速度快，引起偏析，致使冷卻到共晶溫度時，凝固過程未結(jié)束，出現(xiàn)共晶組織. 5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖5.3.5 5.3.5 非平衡凝固過程及組織非平衡凝固過程及組織離異共晶 (divorced eutectic) ) 如果亞（過）共晶組織中共晶的分?jǐn)?shù)很小，共晶組織中一相會與如果亞（過）共晶組織中共晶的分?jǐn)?shù)很小，共晶組織中一相會與先共晶相連在一起，此時稱之為離異共晶。先共晶相連在一起，此時稱之為離異共晶。 5.3 5.3 共晶相圖共晶相圖5.3.5 5.3.5 非平衡凝固過程及組織非平衡凝固過

19、程及組織5.4 5.4 包晶包晶( (peritecticperitectic) )相圖相圖5.4.1 5.4.1 相圖分析相圖分析1. 1. 特征特征 a.兩組元固態(tài)不完全固溶 b.含包晶反應(yīng) L=b從液相中結(jié)晶出來，又和液相合成b 典型相圖： PtAg、 AgSn、 Cu-Sn、 CuZn 5.4 5.4 包晶相圖包晶相圖 b b2. 2. 相圖分析相圖分析線： 液相線 AC BC固相線 AP DB 溶解度曲線 PE DF 包晶反應(yīng)線 PDC點： 組元熔點 A B， 包晶點 D， 包晶反應(yīng)時各相成分點 P C 相區(qū)： 兩相區(qū) L+ L+b +b單相區(qū) L b 三相區(qū) L b 5.4.1 5

20、.4.1 相圖分析相圖分析5.4 5.4 包晶相圖包晶相圖3. 3. 包晶相圖與共晶相圖的區(qū)別包晶相圖與共晶相圖的區(qū)別l 共晶：一個反應(yīng)相，兩個生成相； 包晶：兩個反應(yīng)相，一個生成相l(xiāng) 共晶反應(yīng)后液相消失，包晶反應(yīng)后液相可能還存在l 共晶相圖的液相點在水平線中間，包晶則在一端l 共晶反應(yīng)產(chǎn)物是兩相混合物，包晶則是單一固相5.4.1 5.4.1 相圖分析相圖分析5.4 5.4 包晶相圖包晶相圖 L L L bb5.4.25.4.2平衡凝固平衡凝固 及組織及組織b b中還會析出中還會析出 II II1. 標(biāo)準(zhǔn)成分標(biāo)準(zhǔn)成分5.4.2 5.4.2 平衡凝固及組織平衡凝固及組織5.4 5.4 包晶相圖包

21、晶相圖反反應(yīng)應(yīng)伴伴隨擴隨擴散，液相中富散，液相中富A Ag, 相中富相中富Pt，所以反，所以反應(yīng)時應(yīng)時Ag向向里里擴擴散，散，Pt向外向外擴擴散。散。5.4 5.4 包晶相圖包晶相圖5.4.2 5.4.2 平衡凝固及組織平衡凝固及組織包晶反應(yīng)前兩相的相對百分?jǐn)?shù)：%3 .57%1005 .103 .665 .104 .42%100%=PCDPL%.%.%PCDC742100510366442366100%=5.4 5.4 包晶相圖包晶相圖5.4.2 5.4.2 平衡凝固及組織平衡凝固及組織2. 2. 非標(biāo)準(zhǔn)包晶成分非標(biāo)準(zhǔn)包晶成分合金 II LL L bbL bb 5.4 5.4 包晶相圖包晶相圖

22、5.4.2 5.4.2 平衡凝固及組織平衡凝固及組織合金 III LL L b b b5.4 5.4 包晶相圖包晶相圖5.4.2 5.4.2 平衡凝固及組織平衡凝固及組織5.5.3 非平衡條件下的包晶轉(zhuǎn)變非平衡條件下的包晶轉(zhuǎn)變 包晶名詞的來源 b包 （合金III） 1）初生相剩余）初生相剩余固相中擴散慢，反應(yīng)來不及進(jìn)行，凝固后，初生相剩余如:Cu-Sn合金系中，含Cu 25的合金4150C L+2270C L=1900C 平衡組織 （+）實際組織 （+） 5.4 5.4 包晶相圖包晶相圖5.5.3 5.5.3 非平衡條件下的包晶轉(zhuǎn)變非平衡條件下的包晶轉(zhuǎn)變2）晶）晶內(nèi)內(nèi)偏析偏析不該發(fā)生包晶反應(yīng)的

23、合金中出現(xiàn) b 5.4 5.4 包晶相圖包晶相圖5.5.3 5.5.3 非平衡條件下的包晶轉(zhuǎn)非平衡條件下的包晶轉(zhuǎn)5.5.4 包晶反應(yīng)的應(yīng)用包晶反應(yīng)的應(yīng)用 1) 軸軸承合金承合金 b（軟）+（硬）， 耐磨 5.4 5.4 包晶相圖包晶相圖錫基巴氏合金 83Sn-11Sb-6Cu(SnSb為基的有序固溶體)Cu6Sn52) 細(xì)細(xì)化晶粒化晶粒 如AlTi系 包晶反應(yīng)前有大量的Al3Ti顆粒,可細(xì)化晶粒5.4 5.4 包晶相圖包晶相圖5.5.4 5.5.4 包晶反應(yīng)的應(yīng)用包晶反應(yīng)的應(yīng)用 5.5 其其它類它類型的二元合金相型的二元合金相圖圖 5.5.1 形成形成穩(wěn)穩(wěn)定化合物的相定化合物的相圖圖例： Mg

24、-Si相圖， 相當(dāng)于兩個共晶相圖化合物Mg2Si的成分固定5.5 5.5 其它類型的二元合金相圖其它類型的二元合金相圖 5.5.1 5.5.1 形成穩(wěn)定化合物的相圖形成穩(wěn)定化合物的相圖化合物成分不固定例：Cd-Sb相圖，以虛線為界，將相圖分成兩部分5 .5 5 .5 其它類型的二元合金相圖其它類型的二元合金相圖 5.5.1 5.5.1 形成穩(wěn)定化合物的相圖形成穩(wěn)定化合物的相圖5.5.2 形成不形成不穩(wěn)穩(wěn)定化合物的相定化合物的相圖圖化合物在一定的溫度下會分解例：K-Na相圖5.5 5.5 其它類型的二元合金相圖其它類型的二元合金相圖 有時化合物的成分可在一定的范圍內(nèi)波動， 如：Sn-Sb相圖5.

25、5 5.5 其它類型的二元合金相圖其它類型的二元合金相圖 5.5.2 5.5.2 形成不穩(wěn)定化合物的相圖形成不穩(wěn)定化合物的相圖5.5.3 具有具有熔晶轉(zhuǎn)變的相圖 bL 一相分解成另一固相加液相 共晶型例：FeB相圖dL+5.5 5.5 其它類型的二元合金相圖其它類型的二元合金相圖 5.5.4 具有具有偏晶轉(zhuǎn)變的相圖 也是共晶型L +L2 兩組元液態(tài)不完全互溶，例：CuPb相圖L Cu+L25.5 5.5 其它類型的二元合金相圖其它類型的二元合金相圖 5.5.5 具有具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖 L1+L2 b，包晶型 兩個固定成分的液相合成一個固相（組元在液態(tài)不互熔） 5.5 5.5 其它類型的二元合金

26、相圖其它類型的二元合金相圖 例：Na-Zn相圖L1+L2 b5.5 5.5 其它類型的二元合金相圖其它類型的二元合金相圖 5.5.5 具有合晶轉(zhuǎn)變的相圖 1. 具有共析轉(zhuǎn)變的相圖具有共析轉(zhuǎn)變的相圖b共晶型例： CuAl相圖5.5.65.5.6具有固具有固態(tài)態(tài)相相變變的相的相圖圖5 5 其它類型的二元合金相圖其它類型的二元合金相圖 b2一個固相分解成另兩個固相 2. 具有包析轉(zhuǎn)變的相圖具有包析轉(zhuǎn)變的相圖兩個固相合成另一個固相 b例：FeB相圖 5.5 5.5 其它類型的二元合金相圖其它類型的二元合金相圖 5.5.6 5.5.6 具有固態(tài)相變的相圖具有固態(tài)相變的相圖Fe2B 3. 具有脫溶（沉淀）

27、轉(zhuǎn)變的相圖具有脫溶（沉淀）轉(zhuǎn)變的相圖溶解度隨溫度降低而減小，發(fā)生脫溶轉(zhuǎn)變5.5 5.5 其它類型的二元合金相圖其它類型的二元合金相圖 5.5.6 5.5.6 具有固態(tài)相變的相圖具有固態(tài)相變的相圖4) 具有多晶型轉(zhuǎn)變（同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變）的相圖許多元素具有多晶型性，反映在它們的相圖中有多晶型轉(zhuǎn)變?nèi)鏔e有多晶型性，與鐵組成的二元相圖具有多晶型轉(zhuǎn)變.如：Fe-Ti相圖5.5 5.5 其它類型的二元合金相圖其它類型的二元合金相圖 5.5.6 5.5.6 具有固態(tài)相變的相圖具有固態(tài)相變的相圖5) 具有有序化轉(zhuǎn)變的相圖具有有序化轉(zhuǎn)變的相圖5.5 5.5 其它類型的二元合金相圖其它類型的二元合金相圖 5.5.6

28、5.5.6 具有固態(tài)相變的相圖具有固態(tài)相變的相圖 6) 具有磁性轉(zhuǎn)變的相圖具有磁性轉(zhuǎn)變的相圖有些材料在一定溫度下會發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變，此溫度為居里溫度5.5 5.5 其它類型的二元合金相圖其它類型的二元合金相圖 5.5.6 5.5.6 具有固態(tài)相變的相圖具有固態(tài)相變的相圖復(fù)雜相圖分析F 確定各相區(qū)的相組成F 確定恒溫轉(zhuǎn)變相區(qū)單相區(qū)：L、兩相區(qū)： ？27C三相區(qū)： 復(fù)雜相圖分析恒溫轉(zhuǎn)變共晶 共晶 L+ 共晶 L+ 包晶 L+包晶 共晶 共晶 L+共晶 L+包晶 5.6.1 固溶體的自由能成分曲線固溶體的自由能成分曲線固溶體的自由能設(shè)A、B兩組元組成固溶體，系統(tǒng)自由能為G若A、B兩組元混合前的自由能為G

29、0, 則混合后的自由能為：000BBAAxxGmm=BAmxxH=D)lnln(BBAAmxxxxRS=DxA、 xB分別為A、B兩組元的摩爾分?jǐn)?shù)，m0A、m0B為組元混合前的化學(xué)勢。稱之為相互作用參數(shù)R為氣體常數(shù)5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)G=G0+ D GmG0+ D HmT D SmD Hm、D Sm為混合以后引起的熱焓和熵的增量在計算D Hm時只考慮最近鄰原子的相互作用)2(BBAAABAeeezN=其中NA阿伏加德羅常數(shù)，z為配位數(shù)，eAA、eBB、eAB分別為A-A、B-B、A-B原子對的結(jié)合能5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)5.6.1 5.6.1 固溶體的自由能成分曲

30、線固溶體的自由能成分曲線根據(jù)上述公式:0G=G0+ D GmG0+ D HmT D SmBAmxxH=D)lnln(BBAAmxxxxRS=D可以求出自由能和成分的關(guān)系曲線:5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)5.6.1 5.6.1 固溶體的自由能成分曲線固溶體的自由能成分曲線)2(BBAAABAeeezN=00時，D Hm 0時，D Hm 0，同類原子結(jié)合能小，偏聚，曲線上凸 （調(diào)幅分解）5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)5.6.1 5.6.1 固溶體的自由能成分曲線固溶體的自由能成分曲線1. 圖解法求化學(xué)勢圖解法求化學(xué)勢GA=mA-RTlnxAGB=mB-RTlnxB當(dāng)已知某一二元系在某

31、一特定溫度下的自由能成分曲線后，可用圖解法求出二元中某一成分材料的自由能及各組元的化學(xué)勢5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)GxB=G(x=xB)mA , mB截距5.6.2 5.6.2 公切線法則公切線法則2. 公切線法則公切線法則若在某一溫度下，系統(tǒng)有兩相（如L、）并存，兩相各有自己的G-x曲線，則：（1）這兩相的G-x曲線有一個公切線，切點對應(yīng)的成分為兩相平衡時各相的成分；（2）切點之間的直線部分則是兩相平衡時系統(tǒng)的G-x曲線。5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)5.6.2 5.6.2 公切線法則公切線法則xx證明： A B xLA xLB xA xB兩相的自由能： GL=mALxLA+

32、 mBLxLB Ga=mAxA+ mBxB微分后得： dGL= mAL dxLA+xLAdmAL +mBLdxLB + xLB dmBL dG= mAdxA+ xAdmA + mB dxB + xBdmB根據(jù)Gibbs-Duhem公式 xidmi=0可得： dGL=mALdxLA +mBLdxLB dG=mAdxA +mBdxB5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)5.6.2 5.6.2 公切線法則公切線法則 xLB=1-xLA xA=1-xB dxLB=-dxLA dxA=-dxB dGL=mALdxLA mBLdxLA dG =mAdxA mBdxA兩相平衡時，各組元的化學(xué)勢相等，所以兩式的

33、右邊相等，于是等式左變也相等。物理意義：兩相平衡時，兩相物理意義：兩相平衡時，兩相G-x曲線在平衡成分處的切曲線在平衡成分處的切線斜率相等。線斜率相等。公切線法則公切線法則。 公切線法則也可用圖解法證明。mmmmBAALBLALALdxdGdxdG= 于是：5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)5.6.2 5.6.2 公切線法則公切線法則三相或多相平衡時，各相的Gx曲線之間有一公切線5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)5.6.2 5.6.2 公切線法則公切線法則具有中間相時的G-x曲線 兩兩平衡5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)5.6.2 5.6.2 公切線法則公切線法則5.6.3. 混合物的

34、自由能和杠桿定理混合物的自由能和杠桿定理（1）混合物的自由能設(shè)：系統(tǒng)處于兩相（、b平衡， 系統(tǒng)的自由焓為Gm、 、b兩相的自由能分別為Gm、 Gmb 系統(tǒng)的總摩爾數(shù)為n，、b兩相的摩爾數(shù)分別為n 、 nb又設(shè)：系統(tǒng)為A、B組成的二元系，B組元在、b中的摩爾濃度分別為：x xb ，則B組元在（混合物）中的摩爾濃度為：bbbnnxnxnx=bbbnnGnGnGmmm=混合物的自由能為：5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)對以上兩式進(jìn)行數(shù)學(xué)換算后可得：xxGGxxGGmmmm=bb此式表明系統(tǒng)（混合物）的自由能在公切線上（2）杠桿定理根據(jù)bbbnnxnxnx=可導(dǎo)出：bbbbbbxxxxnnnxxx

35、xnnn=5.6.3. 混合物的自由能和杠桿定理混合物的自由能和杠桿定理5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)步驟：1）求不同溫度和成分下系統(tǒng)的自由能2）作不同溫度下系統(tǒng)的G-x曲線3）作各相的G-x曲線的公切線，并標(biāo)出相平衡時各相的成分點4）將各點畫在同一坐標(biāo)紙上，從而描出相圖5.6.4. 從從自由能自由能成分曲線推測相圖成分曲線推測相圖5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)例：二元共晶相圖5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)5.6.4. 5.6.4. 從從自由能自由能成分曲線推測相圖成分曲線推測相圖ABT1T2T3T4T5abcdefghijk5.6.5 二元相圖的幾何規(guī)律二元相圖的幾何規(guī)律根

36、據(jù)相圖熱力學(xué)可以推出二元相圖具有以下規(guī)律：1）相圖中所有的線條都代表發(fā)生相變的溫度和平衡相的成分，所以相圖中相區(qū)界線是相平衡的體現(xiàn)，平衡相的成分必須沿相區(qū)界線隨溫度變化而變化；5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)5.6.5 二元相圖的幾何規(guī)律二元相圖的幾何規(guī)律5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)2）相區(qū)接觸法則，相鄰相區(qū)的相數(shù)差為1，這兒的接觸是指線接觸，即：兩個單相區(qū)之間必定是兩相區(qū)，組成相就是這兩個單相區(qū)的相； 兩個兩相區(qū)之間必定是單相區(qū)或三相區(qū)；5.6.5 二元相圖的幾何規(guī)律二元相圖的幾何規(guī)律5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)3）三相平衡區(qū)必定是一條水平線，它與三個兩相區(qū)相鄰（線接觸）

37、，還與三個單相區(qū)點接觸，三個點表示三相平衡時各平衡相的成分；兩個三相區(qū)（水平線）之間必定是兩相區(qū)，其組成相是這兩個三相區(qū)的共同相；5.6.5 二元相圖的幾何規(guī)律二元相圖的幾何規(guī)律5.6 5.6 相圖熱力學(xué)相圖熱力學(xué)4） 當(dāng)兩相區(qū)與單相區(qū)的分界線與三相區(qū)（水平線）相交時，則分界線的延長線應(yīng)進(jìn)入兩相區(qū)，而不是進(jìn)入單相區(qū)。5.7.1 使用性能使用性能5.7 5.7 根據(jù)相圖判斷材料性能根據(jù)相圖判斷材料性能兩相混合物單相固溶體兩固溶體形成穩(wěn)定化合物5.7.2 工藝性能（鑄造性能）工藝性能（鑄造性能）5.7 5.7 根據(jù)相圖判斷材料性能根據(jù)相圖判斷材料性能流動性縮孔性單相固溶體一般不采用鑄造成型5. 8

38、 實例分析實例分析課堂討論課堂討論1.分析下列各相圖的相同與不同之處。分析下列各相圖的相同與不同之處。BCD5.8 實例分析實例分析 2. 下面所示的相圖中包含什么樣的平衡反應(yīng)？屬于下面所示的相圖中包含什么樣的平衡反應(yīng)？屬于什么類型？什么類型？dL+熔晶L Fe2B共晶Fe2B包析5.8 實例分析實例分析 3. 下面所示的相圖中包含什么樣的平衡反應(yīng)？下面所示的相圖中包含什么樣的平衡反應(yīng)？屬于什么類型？屬于什么類型？L1 Cu+L2 偏晶L Cu+Pb 共晶5.8 實例分析實例分析LPb99.94 4. 下面所示的相圖中包含什么樣的平衡反應(yīng)？屬于下面所示的相圖中包含什么樣的平衡反應(yīng)？屬于什么類型

39、？什么類型？L1+L2 b合晶L b共晶L b 共晶5.8 實例分析實例分析 5. 下面所示的相圖中包含什么下面所示的相圖中包含什么樣的平衡反應(yīng)？屬于什么類型？樣的平衡反應(yīng)？屬于什么類型？565 b共析型1036 Lb共析型1037 Lb包晶型1021 L 1 包晶型964 b1 共析型786 1 b2共析型5.8 實例分析實例分析6. NiBe相圖相圖I、 L、Ld、LdbBe) IV、 bBe) dBe）5.8 實例分析實例分析7. AlMn相圖相圖5.8 實例分析實例分析I. 共晶反應(yīng) Lb.包晶反應(yīng) Lb.包晶反應(yīng) LdVI. 包晶反應(yīng) LdV. 包晶反應(yīng) Lz1VI. 包晶反應(yīng) L1

40、z1VII. 包晶反應(yīng) L1VIII. 包晶反應(yīng) LlIX. 共析反應(yīng) KlbMn)X. 共析反應(yīng) 1lMn）XI. 共析反應(yīng) lMn) 1bMn)XII. 共析反應(yīng) 1 2 bMn）XIII. 共析反應(yīng) 1 z1 25.8 實例分析實例分析8. 與通常在單相固溶體的擴散相比，反應(yīng)擴散呈與通常在單相固溶體的擴散相比，反應(yīng)擴散呈現(xiàn)什么樣的特征？在什么情況下會發(fā)生反應(yīng)擴散？現(xiàn)什么樣的特征？在什么情況下會發(fā)生反應(yīng)擴散？9 在在Fe表面滲表面滲N時，表層內(nèi)的組織會呈現(xiàn)什么樣時，表層內(nèi)的組織會呈現(xiàn)什么樣的分布？為什么滲層內(nèi)不會出現(xiàn)相圖所示的兩相的分布？為什么滲層內(nèi)不會出現(xiàn)相圖所示的兩相區(qū)（如區(qū)（如 ）？

41、l擴散過程中形成新相擴散過程中形成新相l(xiāng)系統(tǒng)的相圖中有中間相或化合物系統(tǒng)的相圖中有中間相或化合物5.8 實例分析實例分析5.8 實例分析實例分析10.氧化過程是否是一個反應(yīng)擴散過程？材料抗氧化氧化過程是否是一個反應(yīng)擴散過程？材料抗氧化性能的優(yōu)劣，是否與氧化層的特征有關(guān)？為什么？性能的優(yōu)劣，是否與氧化層的特征有關(guān)？為什么？11. 反應(yīng)擴散動力學(xué)解決的主要問題是什么？反應(yīng)反應(yīng)擴散動力學(xué)解決的主要問題是什么？反應(yīng)擴散的速度主要取決于什么因素？擴散的速度主要取決于什么因素？l是。因為氧化過程伴隨氧化物的形成。是。因為氧化過程伴隨氧化物的形成。l有關(guān)。氧化層致密，氧和形成氧化物的元素在擴散層中有關(guān)。氧化

42、層致密，氧和形成氧化物的元素在擴散層中的擴散系數(shù)小，則氧化過程進(jìn)行緩慢，材料就呈現(xiàn)良好的抗的擴散系數(shù)小，則氧化過程進(jìn)行緩慢，材料就呈現(xiàn)良好的抗氧化性能。氧化性能。l反應(yīng)的速度，即反應(yīng)生成物的體積分?jǐn)?shù)增長的速率反應(yīng)的速度，即反應(yīng)生成物的體積分?jǐn)?shù)增長的速率l擴散系數(shù)和界面遷移速率。擴散系數(shù)和界面遷移速率。5.8 實例分析實例分析5.95.9鐵鐵碳碳相相圖圖雙重相圖FeFe3C亞穩(wěn)態(tài)FeC 穩(wěn)態(tài)5.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖5.95.9鐵鐵碳碳相相圖圖5.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖p測定的鋼的臨界點（1889）200“淬透應(yīng)冷卻的溫度”；450“充分回火的溫度”；700-800“紅熱”；o-b(

43、上)“穩(wěn)定結(jié)構(gòu)”；b-c(上)“非晶結(jié)構(gòu)”；b-c(下)“結(jié)晶”；o-a(下)“淬火不成功”p鋼的臨界點18895.95.9鐵鐵碳碳相相圖圖5.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖p俄國冶金學(xué)家從鍛造、淬火、回火、斷口檢驗等大量生產(chǎn)實踐中總結(jié)出：鋼一定要加熱到某一溫度以上才能在淬火硬化隨著碳含量的變化，臨界點范圍也有所變化鋼在淬火中需要急冷到的溫度也有一定數(shù)值A(chǔ)1A3MS溫度主要是靠肉眼觀察,硬度靠鋼銼或玻璃的劃痕5.95.9鐵鐵碳碳相相圖圖5.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖FeC平衡圖臨界點圖Sauveur的Fe-C臨界點圖（1896）此圖給出不同含碳量的鋼在冷卻時臨界點的位置。Sauveur1896

44、5.95.9鐵鐵碳碳相相圖圖5.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖Roberts-Austen第一個Fe-C平衡圖（1897）首先正式提出鋼中的固溶體冶金史上第一個FeC平衡圖Austen18975.95.9鐵鐵碳碳相相圖圖5.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖Roberts-Austen第二個Fe-C平衡圖（1899）三相共存區(qū)改成水平線Austen18995.95.9鐵鐵碳碳相相圖圖5.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖Roozeboom修訂的Fe-C平衡圖（1900）Roozeboom1900根據(jù)相率修訂Austen的相圖5.95.9鐵鐵碳碳相相圖圖5.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖5.95.9鐵鐵碳碳相相

45、圖圖5.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖Fe-C相圖中的相：-Fe-FeLFe3Cd-Feb-Fe？5.95.9鐵鐵碳碳相相圖圖5.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖Arnold正在向BETA小姐執(zhí)行臨終的宗教儀式Stead, Ledebur,Roberts-Austen , Osmond, Rosenhain,Howe, Sauveur,Arnold, Hadfield, Heyn, Brinell等金相學(xué)第一代或第二代學(xué)者都參與了爭論。1885-20世紀(jì)30年代5.95.9鐵鐵碳碳相相圖圖5.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖5.9.1.5.9.1.亞穩(wěn)態(tài)相圖亞穩(wěn)態(tài)相圖課堂討論題：1、在FeFe3C相圖中

46、有幾個三相平衡反應(yīng)？寫出這些三相平衡反應(yīng)式，并標(biāo)出平衡反應(yīng)的溫度和各相成分。2、分別寫出工業(yè)純鐵、亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼、亞共晶鑄鐵、共晶鑄鐵和過共晶鑄鐵的成分范圍。3、畫出共析鋼在平衡冷卻時的熱分析曲線，并計算在7270C時珠光體中共析鐵素體和共析滲碳體的百分?jǐn)?shù)。4、畫出成分為Fe0.4%C的亞共析鋼的平衡冷卻曲線和它在7300C和7200C時的組織示意圖。計算在室溫下該鋼中珠光體和先共析鐵素體的百分?jǐn)?shù)。5、畫出成分為Fe1.2%C的過共析鋼的平衡冷卻曲線和它在7300C和7200C時的組織示意圖。計算在室溫下該鋼中珠光體和二次滲碳體的百分?jǐn)?shù)。5.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖6、畫出共晶

47、鑄鐵在平衡冷卻時的熱分析曲線，并計算在11480C時萊氏體中奧氏體和滲碳體的百分?jǐn)?shù)。7、畫出成分為Fe3.5%C的亞共晶鑄鐵的平衡冷卻曲線，計算在室溫下該鋼中萊氏體（變態(tài)萊氏體）的百分?jǐn)?shù)。8、畫出成分為Fe5.0%C的過共晶鑄鐵的平衡冷卻曲線。9、說明以下術(shù)語的含義：珠光體、萊氏體、變態(tài)萊氏體鐵素體、奧氏體、滲碳體三次滲碳體、二次滲碳體、一次滲碳體（初生滲碳體）、共析滲碳體、共晶滲碳體10、計算在FeFe3C相圖中可能出現(xiàn)的二次滲碳體和三次滲碳體百分?jǐn)?shù)的最大值。5.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖5.9.1. 5.9.1. 亞穩(wěn)態(tài)相圖亞穩(wěn)態(tài)相圖1、三相平衡反應(yīng) 5.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖5.

48、9.1. 5.9.1. 亞穩(wěn)態(tài)相圖亞穩(wěn)態(tài)相圖 HJB 14950C L0.53+d0.09=0.17包晶ECF 11480C L4.32.11Fe3C 共晶（萊氏體 Ld） PSK 7270C 0.770.0218Fe3C 共析 (珠光體 P)2、工業(yè)純鐵：C%0.0218, 亞共析鋼： 0.0218C%0.77 共析鋼： C%0.77過共析鋼：0.77C%2.11亞共晶鑄鐵：2.11C%4.305.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖5.9.1. 5.9.1. 亞穩(wěn)態(tài)相圖亞穩(wěn)態(tài)相圖3、共析鋼 %8 .88%100218. 069. 677. 069. 6= L LFe3C (P ) Fe3C （P）

49、 5.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖5.9.1. 5.9.1. 亞穩(wěn)態(tài)相圖亞穩(wěn)態(tài)相圖室溫組織 珠光體 Fe3C (P) 形貌 片狀 珠光體中鐵素體和滲碳體的相對百分?jǐn)?shù)：和Fe3C 的相對分?jǐn)?shù): = Fe3C 11.25.9 5.9 鐵碳相圖鐵碳相圖5.9.1. 5.9.1. 亞穩(wěn)態(tài)相圖亞穩(wěn)態(tài)相圖4、亞共析鋼 碳含量： 0.0218-0.77% 平衡轉(zhuǎn)變：例 0.4%C L LdL+dLFe3C(P)P+Fe3C 0.4%C亞共析鋼中各相（組織）的相對分?jǐn)?shù) %49%1000218. 077. 040. 077. 0%=%51%1000218. 077. 00218. 040. 0%=P%84.48%10049. 069. 60218. 069. 6%=Fe3CIII%=(49-48.84)%