第4章二元合金相圖

金的性能與合金中的相結(jié)構(gòu)和顯微組織有關(guān);合金中的相是由合金的化學(xué)成分、溫度及壓力等因素決定的，在通常氣壓條件下，合金平衡態(tài)的相組成由合金的化學(xué)成分和溫度決定。相圖：描述平衡條件下合金的狀態(tài)或相的變化與成分、溫度關(guān)系的圖解。本章重點(diǎn)是固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)和二元合金相圖。

4.1合金相圖的建立一、相圖的基本知識(shí)相圖形式和種類很多，如溫度-含量圖（T-X）、溫度-壓力圖（T-P）、溫度-壓力-含量圖（T-P-X）以及立體模型圖（如三元相圖）等，常用的是溫度-含量圖。

(二)相圖的建立相圖的建立可以用實(shí)驗(yàn)方法，也可以用計(jì)算方法，但到目前為止，所有的合金相圖都是通過實(shí)驗(yàn)方法得到的。實(shí)驗(yàn)的方法也很多，又都是以相變發(fā)生時(shí)其物理參數(shù)突變（體積、磁性、比熱容等)為依據(jù)的。熱分析法是最常使用的實(shí)驗(yàn)方法以Cu—Ni合金為例介紹建立的過程。(1)配制不同成分的Cu—Ni合金。例如：100%Cu，O％Ni80％Cu，20％Ni；60％Cu，40％Ni；40%Cu，60％Ni；20％Cu，80％Ni；0％Cu，100％Ni。

(2)測(cè)出每個(gè)合金的冷卻曲線(冷卻速度一般為0.5oC~1.5oC／min)，并找出各冷卻曲線上的臨界點(diǎn)(即停歇點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)）。

(3)以溫度為縱坐標(biāo)(單位為℃)，合金成分為橫坐標(biāo)(單位為質(zhì)量或摩爾分?jǐn)?shù))作直角坐標(biāo)系統(tǒng)，自橫坐標(biāo)上各成分點(diǎn)作垂直線

成分垂線，然后把每個(gè)合金冷卻曲線上的臨界點(diǎn)分別標(biāo)在各個(gè)合金的成分垂線上。(4)將各個(gè)成分垂線上具有相同意義的臨界點(diǎn)連接成線，并根據(jù)已知條件和實(shí)際分析結(jié)果寫上數(shù)字、字母和各區(qū)所存在的相或組織的名稱，就得到—個(gè)完整的二元合金相圖。

用熱分析法測(cè)定Cu、Ni相圖a）冷卻曲線b）相圖冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)及停歇點(diǎn)，表示金屬及合金在冷卻到該溫度時(shí)發(fā)生了冷卻速度的突然改變，這是金屬及合金在結(jié)晶時(shí)有結(jié)晶潛熱放出，抵消了部分或全部熱量散失。合金結(jié)晶的臨界點(diǎn)及合金的實(shí)際結(jié)晶溫度與冷卻速度有關(guān)，合金的冷卻速度愈大，臨界點(diǎn)就愈低；合金的冷卻速度愈小，臨界點(diǎn)愈高。由于相圖是在無限緩慢條件下測(cè)得的，屬于平衡結(jié)晶，因此相圖又稱為平衡圖。4.2二元合金相圖的類型一、勻晶相圖（一）勻晶相圖結(jié)構(gòu)兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶所構(gòu)成的相圖為勻晶相圖，如圖。（二）合金的平衡結(jié)晶過程（以Ni40%為例）與純金屬的結(jié)晶過程不同，合金的結(jié)晶是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，已結(jié)晶合金的成分沿固相線變化，剩余液相成分沿液相線變化。

（三）杠桿定律(平衡相成分,平衡相相對(duì)重量的確定)杠桿定律

設(shè)合金總質(zhì)量為Q0，t溫度時(shí)液相的質(zhì)量為QL，固相的質(zhì)量為Qa，液、固兩相的質(zhì)量和應(yīng)等于合金的總質(zhì)量Qo，即：Qo＝QL十Qa。液相中鎳的質(zhì)量應(yīng)為QL*wLNi，固相中鎳的質(zhì)量為Qa×wаNi；，金屬中鎳的質(zhì)量為QO×wONi：由此而得：

Qa／QO＝(woNi—wLNi)／(wаNi一wLNi)×100％QL／Qo＝(wаNi—woNi)／(wаNi一wLNi)×l00％Qa×(wаNi—woNi)=QL×(woNi一wLNi)Qa／QO=ao'/abQL／Qo=bo'/abQa/QL=ao'/bo‘這就是杠桿定律(只適用于兩相區(qū))二、二元共晶相圖（一）二元共晶相圖概念兩組元在液態(tài)下完全互溶、在固態(tài)下有限互溶，并且有共晶反應(yīng)發(fā)生的合金相圖，稱為二元共晶相圖。

共晶反應(yīng)：某一成分的液相在恒溫下同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分不同的固相的反應(yīng)。 L→α+βT（二）共晶相圖結(jié)構(gòu)分析共晶相圖中有三個(gè)單相區(qū)：液相區(qū)L，固相α和β相區(qū)；三個(gè)兩相區(qū)：L+α區(qū)，L+β區(qū)，α+β區(qū)；一個(gè)三相共存點(diǎn)：C點(diǎn)（三）平衡結(jié)晶過程分析（以圖2-8）1.共晶合金：2.Sn含量小于C點(diǎn)的合金3.亞共晶合金4.過共晶合金三、其他類型的二元合金相圖1、包晶相圖：兩組元在液態(tài)下無限互溶，固態(tài)下有限互溶（或互不溶），并發(fā)生包晶反應(yīng)的相圖。包晶反應(yīng)：在一定溫度下，由一固定成分的液相與一個(gè)固定成分的固相作用，生成另一個(gè)成分固定的固相的反應(yīng)。2.熔晶反應(yīng)：在一定溫度下，一個(gè)固相分解成一個(gè)固相和一個(gè)液相的反應(yīng)。3.合晶反應(yīng)：由兩個(gè)不同成分的液相，在某一恒溫下，生成一個(gè)成分一定的固相的反應(yīng)。4.偏晶反應(yīng)：在一定溫度下，由一定成分的液相分解出另一成分的液相，并同時(shí)結(jié)晶出一定成分的固相的反應(yīng)。5.共析反應(yīng)：一定成分的固相，在恒定溫度下同時(shí)分解成兩個(gè)成分與結(jié)構(gòu)均不同的固相的反應(yīng)。6.包析反應(yīng)：兩個(gè)不同成分的固相，在恒定溫度下相互作用生成一個(gè)固相的反應(yīng)。4.3相圖與性能的關(guān)系

一、判斷材料的力學(xué)性能和物理性能由上圖可見，當(dāng)合金形成單相固溶體時(shí)，隨溶質(zhì)溶入量的增加，合金的硬度、強(qiáng)度升高，而電導(dǎo)率降低，呈透鏡形曲線變化，在合金性能與成分的關(guān)系曲線上有一極大值或極小值。當(dāng)合金形成兩相混合物時(shí)，其性能是兩相性能值的算術(shù)平均值。隨著成分的變化，合金的強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電率等性能在兩組成相的性能間呈線性變化，對(duì)于共晶成分或共析成分的合金，其性能還與兩組成相的致密程度有關(guān)，組織愈細(xì)，性能愈好。當(dāng)合金形成穩(wěn)定化合物時(shí)，在化合物處性能出現(xiàn)極大值或極小值。二、判斷合金的工藝性能

合金的工藝性能與相圖也有密切的聯(lián)系。如鑄造性能（包括流動(dòng)性、縮孔分布、偏析大?。┡c相圖中液相線和固相線之間的距離密切相關(guān)。相圖中液相線與固相線的距離愈寬，形成枝晶偏析的傾向越大，同時(shí)先結(jié)晶出的樹枝晶阻礙未結(jié)晶液體的流動(dòng)，則流動(dòng)性愈差，分散縮孔愈多。

4.4鐵碳合金相圖鋼鐵材料是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料，其最基本的組成是鐵和碳兩個(gè)元素。根據(jù)含碳量多少分為碳鋼（碳含量0.02%?2.11%）和鑄鐵（含碳量大于2.11%）。因?yàn)楫?dāng)鐵碳合金中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6.69%時(shí)，性能很脆，無實(shí)用價(jià)值。所以，在鐵碳合金相圖中僅研究Fe-Fe3C(6.69%C)的部分。下面所討論的鐵碳合金相圖實(shí)際上是Fe—Fe3C相圖。

一、鐵碳合金中的基本相1.固溶體（高溫鐵素體）：是高溫下，碳溶于-Fe形成的間隙固溶體，-Fe中碳的最大溶解度為0.09%（1495℃），室溫下不存在。2.奧氏體（A或

）：是碳溶于-Fe中形成的間隙固溶體。在727℃以上存在。碳的最大溶解度為2.11%（1148℃）。強(qiáng)度低、塑性好。3.鐵素體（F或）：是碳溶于

—Fe中形成的間隙固溶體。室溫下碳在

—Fe中溶解度為0.0008％），最大溶解度為0.0218％（727℃）。４.滲碳體(Fe3C)Fe3C是—種具有復(fù)雜晶格的間隙化合物，其中鐵原子與碳原子之比為3：1，F(xiàn)e3C中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6．69％，F(xiàn)e3C的熔點(diǎn)為1227℃，不發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變。Fe3C的硬度很高，約為800HB，極脆，其塑性幾乎是零。在室溫平衡狀態(tài)下，鐵碳合金中的碳大多以Fe3C形式存在。二、Fe－Fe3C相圖結(jié)構(gòu)分析FeFe3C

T°L+AAFA+FSELCD1148℃L+Fe3CⅠ(A+Fe3C)727℃P(F+Fe3C)QKF6.69%CA

Fe-Fe3C

相圖ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相圖共析相圖勻晶相圖(P+Fe3C)三、典型合金的平衡結(jié)晶過程分析※鐵碳合金的分類：工業(yè)純鐵：含碳量≦0.0218％，顯微組織為F。碳鋼：含碳量0.0218％?2.11％。包括共析鋼（0.77％）組織為F+P；亞共析鋼（0.77％）組織為P；過共析鋼（0.772.11％）組織為P+Fe3CⅡ。白口鑄鐵：(2.11％～6.69％C），包括共晶白口鑄鐵（4.3％C）組織為萊氏體；亞共晶白口鑄鐵（4.3％C）組織為萊氏體、P、Fe3CⅡ；過共晶白口鑄鐵（4.3％C）組織為萊氏體、Fe3CⅠ；

四、以組織組成物標(biāo)示的Fe—Fe3C相圖在Fe—Fe3C相圖中，隨含碳量的不同，可獲得七種類型的室溫平衡組織，將這七種組織列于相圖中，即得到以組織組成物標(biāo)示的Fe—Fe3C相圖。五、鐵碳合金的成分、組織和性能變化規(guī)律1.相的變化規(guī)律室溫時(shí)，碳含量低于0.0218%時(shí)全部為F（忽略三次Fe3C）、隨著含碳量的增加，F(xiàn)的含量呈線性減少，到6.69%C時(shí)為零，F(xiàn)e3C含量由零增加到100%。2.組織變化規(guī)律（1）組織組成物的變化：（2）組織形態(tài)的變化?F：?jiǎn)蜗郌為塊狀（等軸晶粒）；共析體中F呈交替片狀。?Fe3C：一次Fe3C呈長(zhǎng)條狀；二次Fe3C沿晶界呈網(wǎng)狀；三次Fe3C沿晶界呈小片或粒狀；