材料科学基础 二元系相图及其合金凝固.doc

第七章 二元系相图及其合金凝固 纯金属在人类生活和生产中获得了一定程度的应用，但它们的性能远不能满足多方面的需求。 在工业中更广泛地被应用的是合金。为了正确地对各种合金进行熔铸、锻压和热处理，必须了解它们的熔点和发生固态转变的温度，并研究它们的凝固进程和凝固后的组织。 合金相图是一种能够反映给定合金系中合金成分、温度与其组织状态之间关系的图形，是制订合金熔铸、锻压及热处理工艺规范的重要依据，也是分析合金组织的重要参考资料。 由于相图是在平衡条件下测定的，所以也叫平衡状态图。 7.1 二元相图表示和测定方法 如果同时考虑成分、压力及温度的影响，二元相图是一个复杂的三维立体图形。 为了简化，通常情况下压力的影响不予考虑。这样，二元相图就变为一个平面图形。 二元相图---它表示由两个组元组成的合金系统中合金平衡状态、温度和成分之间的关系，它以纵轴表示温度，横轴表示合金成分。 如果合金由A和B两个组元组成，横轴的一端表示纯组元A，另一端表示纯组元B，则任何一个合金的成分都可以在横轴上找到相应的一点。 二元相图的基本知识： 合金成分有两种表示方法：一种是采用质量分数，另一种是采用摩尔分数。 A组元的重量分数为wA，摩尔分数为xA，相对原子量为m；B组元的重量分数为wB，摩尔分数为xB，相对原子量为n，则： 在由温度轴和成分轴构成的坐标平面中的任意一点都叫做“表象点”。 二元合金相图可以看成是由许多表象点构成的。一个表象点的坐标值就反映了一个给定合金的成分和温度。在相图中，根据表象点所在的区域，便可以确定这个合金在这个温度下含有哪些相。 相图仅在热力学平衡条件下成立，不能确定结构、分布状态和具体形貌。 研究相图的意义： 确定新材料的成分 制定生产热处理工艺 推断不平衡状态下可能的组织变化 预测材料的性能 对生产过程中的故障进行分析 1、二元相图的测定方法 二元相图的测定是根据各种成分材料的临界点(critical point)绘制。 临界点:表示物质结构状态发生本质变化的相变点。 测定材料临界点有两种方法类型： (1)动态垂直截线法 ：热分析法、膨胀法、电阻法。 (2)静态水平截线法 ：金相法、X-ray衍射分析法。 这些方法主要是利用合金在相结构变化时，引起物理性能、力学性能及金相组织变化的特点来测定。 合金的冷却曲线：a、冷却过程中无相变发生 ；b、纯金属结晶或二元合金中发生某些三相平衡转变时的冷却曲线； c、放出的潜热不足以抵消散热时； d、综合情况（c、d、合金在冷却过程中发生转变 ） 热分析法测绘Cu—Ni相图---动态垂直截线法 Cu—Ni 相图测定： 1.?按质量分数先配制一系列具有代表性成分不同的Cu—Ni合金。 2.??测出上述所配合金及纯Cu、纯Ni的冷却曲线。 3.?求出各冷却曲线上的临界点。 纯Cu、纯Ni的冷却曲线上有一平台，表示其在恒温下凝固。合金的冷却曲线上没有平台，而为二次转折，温度较高的折点表示凝固的开始温度，而温度低的转折点对应凝固的终结温度。 4. 将各临界点分别投到对应的合金成分、温度坐标中，每个临界点在二元相图中对应一个点。 5. 连接各相同意义的临界点(开始点或终了点)就得到了Cu—Ni合金的二元相图。 热分析法测绘Cu—Ni相图： 热分析法建立共晶相图： 静态水平截线法： 取一系列不同成分的合金，在某一个温度下，长时间加热、保温。当达到平衡状态后，将试样迅速放入冷却液中快速冷却，以保持高温时的平衡状态。 在室温下测定这些试样在这一温度加热后急冷状态的某些参数（如点阵常数）或性能（如硬度、电阻率、热膨胀和磁性等），当有相变发生时，这些参数或性能将发生突变，突变处即为固态转变的临界点。 2、相图的类型和结构 (1)二组元在液态无限溶解，在固态无限固溶，并形成连续固溶体的匀晶相图。 (2)二组元在液态无限溶解，在固态有限固溶，并有共晶反应的共晶相图。 (3)二组元在液态无限溶解，在固态有限固溶，有包晶反应的包晶相图。 (4)二组元在液态无限溶解，在固态形成化合物的相图。 (5)二组元在液态无限溶解，在固态有共析或包析转变的相图。 (6)二组元在液态有限溶解，并有偏晶或合晶反应的相图。 (7)其他相图。 相图的组成 ： (1)组元：是组成相图的独立组成物。作为组元的条件有两个：一是有确定的熔点，