二元系相图.ppt

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1、5-3 5-3 二元系相图二元系相图 二元系统有两个组元，根据相律：二元系统有两个组元，根据相律：F=C-P+2F=C-P+2。对于凝聚（恒压）系统：对于凝聚（恒压）系统：F=C-P+1F=C-P+1，二元系统二元系统最大的自由度数目最大的自由度数目F=2F=2，这两个自由度就是温度和这两个自由度就是温度和成分。成分。故二元凝聚系统的相图，仍然可以采用二维的故二元凝聚系统的相图，仍然可以采用二维的平面图形来描述。即以温度和任一组元浓度为坐标平面图形来描述。即以温度和任一组元浓度为坐标轴的温度轴的温度-成分图表示。成分图表示。状态点状态点温温度度轴轴成分轴成分轴 一、一、二元系相图的建立二元系相

2、图的建立实验方法实验方法热分析法热分析法金相组织法金相组织法X射线分析法射线分析法硬度法硬度法电阻法电阻法热膨胀法热膨胀法磁性法磁性法计算法计算法相图热力学计算相图热力学计算热分析法热分析法(Thermal Analysis)：Cu-Ni 合金相图合金相图无限缓冷下测各无限缓冷下测各合金的冷却曲线合金的冷却曲线标注在温度标注在温度成分坐标中成分坐标中连接各相变点连接各相变点选组元，配合选组元，配合 金系，熔化金系，熔化确定各合金确定各合金的相变温度的相变温度确定相区确定相区 用热分析法建立用热分析法建立Cu-NiCu-Ni相图相图二、杠杆定律（二、杠杆定律（Lever Rule)杠杆定律的证明

3、杠杆定律的证明 随结晶过程的进行，合金中各相的成分及随结晶过程的进行，合金中各相的成分及其相对量都将发生变化。杠杆定律可解决相的其相对量都将发生变化。杠杆定律可解决相的成分和相对量的变化问题。成分和相对量的变化问题。证明证明 合金合金C在在t1温度时处于液、固两相平衡状态温度时处于液、固两相平衡状态 设合金设合金C的总质量为的总质量为1，液相的成分为，液相的成分为CL，重，重量为量为wL，固相成份为，固相成份为C，重量为，重量为w，那么，那么由以上两式可以得出由以上两式可以得出 杠杆定律杠杆定律杠杆定律解决某一成分的合金在某一温度下的相组成。杠杆定律解决某一成分的合金在某一温度下的相组成。u一

4、垂线：成分线。一垂线：成分线。u一水平线：温度线。一水平线：温度线。u三点：原始成分点：垂线与成分三点：原始成分点：垂线与成分 线的交点。线的交点。两个组成相成分点：水平两个组成相成分点：水平 线与相界线的交点。线与相界线的交点。注意：注意：只能计算双相区的相组成。只能计算双相区的相组成。1.匀晶相图匀晶相图（Isomorphous system)由液相结晶出单相固溶体的过程称为由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。匀晶转变。当两个组元化学性质相近，晶体结构相同，晶格当两个组元化学性质相近，晶体结构相同，晶格常数相差不大时，它们不仅可以在液态或熔融态完全常数相差不大时，它们不仅可以在液态或

5、熔融态完全互溶，而且在固态也完全互溶，形成成分连续可变的互溶，而且在固态也完全互溶，形成成分连续可变的固溶体，称为无限固溶体或连续固溶体，它们形成的固溶体，称为无限固溶体或连续固溶体，它们形成的相图即为相图即为匀晶相图匀晶相图。三、二元系相图的类型三、二元系相图的类型 具有这类相图的合金系主要有具有这类相图的合金系主要有Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。等。（1 1）相图分析）相图分析2条线：条线：液相线液相线 固相线固相线2个单相区：固相区个单相区：固相区 液相区液相区L 1个两相区：个两相区：L+ABWB%T液相线液相线固相线固相线+LL（2 2）平衡凝固）平衡凝

6、固u1 1点以上液相点以上液相u1 1点开始凝固，固体点开始凝固，固体成分在对应固相线处成分在对应固相线处u1 12 2之间，温度下降，之间，温度下降，液体数量减少，固体数液体数量减少，固体数量增加，成分沿液相线量增加，成分沿液相线和固相线变化，和固相线变化，u到到2 2点，液体数量为点，液体数量为0 0，固体成分回到合金原，固体成分回到合金原始成分，凝固完成始成分，凝固完成u2 2点以下固相冷却，点以下固相冷却，无组织变化无组织变化合金合金C C冷却曲线及结晶过程示意图冷却曲线及结晶过程示意图Lt1t2L+ABC CLLt时间时间B（3 3）有极值的匀晶相图）有极值的匀晶相图 a a）具有极

7、大点具有极大点 b b）具有极小点具有极小点Fe-Co、Co-Pb、Fe-Ni、Fe-V、Fe-W、Mn-Co、Mn-Ni、Pb-Ti、V-W、Ti-Zr等。等。TABLL+（4 4）有晶型转变）有晶型转变 的匀晶相图的匀晶相图如：如：Nd-Pr、Sc-ZrSc-Y、Hf-Ti、Ca-Sr一个液相同时结晶出两个不同固相的过程称为一个液相同时结晶出两个不同固相的过程称为共晶转变共晶转变。两组元在液态下无限互溶，而在固态下互不相互溶或有限两组元在液态下无限互溶，而在固态下互不相互溶或有限互溶，并发生共晶转变，形成共晶组织的相图，称为二元互溶，并发生共晶转变，形成共晶组织的相图，称为二元共晶相图共晶

8、相图。2.2.共晶相图共晶相图 (Eutectic Phase Diagram)L LA+BA+BA AB BL+AL+AL+BL+Bw wB B%两两组元完全不溶组元完全不溶（1 1）相图分析）相图分析L+L+L+液相线液相线液相线液相线固溶线固溶线固溶线固溶线固相线固相线固相线固相线：B原子溶入原子溶入A基体中形成的固溶体基体中形成的固溶体：A原子溶入原子溶入B基体中形成的固溶体基体中形成的固溶体固溶线（固溶度曲线）：反映不同温度时的溶解度变固溶线（固溶度曲线）：反映不同温度时的溶解度变化。化。相区：相区：3个单相区个单相区 L,3个两相区个两相区 L，L+,+1个三相区个三相区 L+(水

9、平线水平线CED)根据相律，三相平衡时：根据相律，三相平衡时：F=C-P+1=2-3+1=0 此时三个平衡相的此时三个平衡相的成分成分及反应及反应温度温度都是确定都是确定的，在冷却曲线中出现一个平台。的，在冷却曲线中出现一个平台。共晶线共晶线eutectic line水平线水平线CED 共晶点共晶点eutectic point E 共晶温度共晶温度eutectic temperature TE共晶反应共晶反应 在一定温度下，由一固定成分的液相同时结晶在一定温度下，由一固定成分的液相同时结晶出两个固定成分的固相的反应，称为共晶反应。出两个固定成分的固相的反应，称为共晶反应。（2 2）平衡凝固及其

10、组织）平衡凝固及其组织Pb-SnPb-Sn相图相图w(Snw(Sn）1919的合金的合金室温下室温下 相组成物相组成物 组织组成物组织组成物相对量相对量共晶合金共晶合金 合金合金 w(Snw(Sn）61.961.9室温下室温下 相组成物相组成物:组织组成物组织组成物:hIj亚亚共晶合金共晶合金 合金合金 w(Snw(Sn）5050 从一个固溶体中析出另一个固相从一个固溶体中析出另一个固相脱溶。次脱溶。次生的生的 固溶体以固溶体以 表示（表示（）。）。2室温下室温下 相组成物相组成物 组织组成物组织组成物组织组成物相对量组织组成物相对量过过共晶合金共晶合金 合金合金 w(Snw(Sn）8585合

11、金合金成分成分 w(Snw(Sn）97.597.5结晶过程与亚共晶合金类似。结晶过程与亚共晶合金类似。室温平衡组织室温平衡组织结晶过程与合金类结晶过程与合金类类似。类似。室温平衡组织室温平衡组织合金合金、合金、合金（共晶合金）、合金（共晶合金）、合金（亚共晶合金）（亚共晶合金）室温平衡室温平衡组织组织合金合金合金合金合金合金3.包晶相图包晶相图(Peritectic Phase Diagram)包晶反应包晶反应 在一定温度下，由一固定成分的液相与一在一定温度下，由一固定成分的液相与一个固定成分的固相作用，生成另一个成分固相个固定成分的固相作用，生成另一个成分固相的反应，称为的反应，称为包晶反应

12、包晶反应。根据相律根据相律 包晶反应时包晶反应时 F=0F=0 此时三个平衡相的此时三个平衡相的成分成分及反应及反应温度温度都是确都是确定的。定的。（1 1）相图分析）相图分析液相线液相线固相线固相线固溶线固溶线（1 1）相图分析）相图分析 T TA ACTCTB B-液相线液相线 T TA ADPTDPTB B-固相线固相线 DF-DF-固溶体溶解度曲线固溶体溶解度曲线 PG-PG-固溶体溶解度曲线固溶体溶解度曲线 DPCDPC（水平线）（水平线）-包晶线包晶线 P P包晶点包晶点 相区：相区：3 3个单相区个单相区 L,L,3 3个两相区个两相区 L L，L+L+,+1 1个三相区个三相区

13、 L+L+(水平线水平线DPC)DPC)（2 2）平衡凝固及其组织）平衡凝固及其组织合金合金（包晶点成分合金）（包晶点成分合金）时间时间室温平衡组织室温平衡组织L L 一般一般相是在相是在相上生核，形成一层相上生核，形成一层相相的外壳，把的外壳，把相包起来与相包起来与L L相隔绝，然后通过相隔绝，然后通过原子相两边扩散，消耗原子相两边扩散，消耗相和相和L L相而长大。相而长大。当温度降到包晶点温度当温度降到包晶点温度T TP P时，计算包晶反应前时，计算包晶反应前相相和液相和液相L L的相对含量，用杠杆定律可得，的相对含量，用杠杆定律可得，室温平衡组织室温平衡组织 相对量相对量理论上讲理论上讲

14、液相液相L L和和相相同时消耗完毕同时消耗完毕，得到单一，得到单一的的相晶体。相晶体。发生包晶反应时，发生包晶反应时，相的成分在相的成分在P P点，液相点，液相L L和和相的成分分别在相的成分分别在C C、D D，它们消耗的比例为，它们消耗的比例为对于包晶点成分合金，即将发生包晶反应时，对于包晶点成分合金，即将发生包晶反应时，合金合金（D DP P间成分合金）间成分合金）合金合金的的平衡结晶过程示意图平衡结晶过程示意图室温平衡组织室温平衡组织相的量比包晶反应时所需的量多，即相的量比包晶反应时所需的量多，即（包晶转变后（包晶转变后相有剩余）相有剩余）室温平衡组织室温平衡组织合金合金（P PC C

15、间成分合金）间成分合金）合金合金的的平衡结晶过程示意图平衡结晶过程示意图L L相的量比包晶反应时所需的量多，即相的量比包晶反应时所需的量多，即（包晶转变后（包晶转变后L L相有剩余）相有剩余）4.4.形成化合物的相图形成化合物的相图 相图中间存在化合物，又称中间相。相图中间存在化合物，又称中间相。根据化合物的稳定性可以分为两类：根据化合物的稳定性可以分为两类：稳定化合物指具有一定的熔点，在熔点以下，稳定化合物指具有一定的熔点，在熔点以下，保持自己固有的结构而不发生分解，当温度达到熔保持自己固有的结构而不发生分解，当温度达到熔点时，化合物发生熔解，熔解时所生成的熔体与化点时，化合物发生熔解，熔解

16、时所生成的熔体与化合物成分完全一致。合物成分完全一致。不稳定化合物加热至一定温度时，不是发生本不稳定化合物加热至一定温度时，不是发生本身的熔化，而是分解为两个相，所生成的液相与原身的熔化，而是分解为两个相，所生成的液相与原化合物显然不同。化合物显然不同。（1 1）形成稳定化合物的相图）形成稳定化合物的相图 Mg-Mg-SiSi相图相图（1 1）形成稳定化合物的相图）形成稳定化合物的相图 Cd-SbCd-Sb相图相图（2 2）形成不稳定化合物的相图）形成不稳定化合物的相图 K-NaK-Na相图相图（1 1）具有共析转变）具有共析转变 的相图的相图 5.5.具有固态相变具有固态相变的相图的相图Cu

17、-Cu-SnSn相图相图（2 2）具有固溶体）具有固溶体 多晶型转变多晶型转变 的相图的相图 Fe-TiFe-Ti相图相图1.1.两个单相区只能有一个点接触；两个单相区只能有一个点接触；2.2.两个单相区之间，必定是一个由这两个单相构两个单相区之间，必定是一个由这两个单相构成的两相区；成的两相区；3.3.三相共存，必定是一条水平线，它和三个两相三相共存，必定是一条水平线，它和三个两相区相邻；区相邻；4.4.如果两个三相区中有两个共同的相，这两条水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；平线之间必定是这两个相组成的两相区；5.5.所有两相区边界线不应延伸到单相

18、区，而应进所有两相区边界线不应延伸到单相区，而应进入相邻的两相区。入相邻的两相区。四、二元相图的几何规律四、二元相图的几何规律恒恒 温温 转转 变变 类类 型型反应式反应式相图特征相图特征分解型分解型（共晶型）（共晶型）共晶转变共晶转变L L+共析转变共析转变+偏晶偏晶转变转变L L1 1L L2 2+熔晶转变熔晶转变+L+L合成型合成型（包晶型）（包晶型）包晶转变包晶转变L L+包析转变包析转变+合晶转变合晶转变L L1 1+L+L2 2二元相图各类恒温转变类型、反应式和相图特征二元相图各类恒温转变类型、反应式和相图特征五、二元相图的分析方法五、二元相图的分析方法1.1.若有稳定的中间相，可

19、依此把相图分为几个若有稳定的中间相，可依此把相图分为几个部分。部分。2.2.根据相区接触法则填写各相区。根据相区接触法则填写各相区。相区接触法则相区接触法则：二元系相图中，相邻相区的二元系相图中，相邻相区的相数之差均为一（点接触除外）。相数之差均为一（点接触除外）。3.3.找出三相共存水平线，确定其转变性质和反找出三相共存水平线，确定其转变性质和反应式应式4.4.分析典型成分合金的结晶过程及组织转变，分析典型成分合金的结晶过程及组织转变，并利用杠杆定律计算各相相对含量。并利用杠杆定律计算各相相对含量。注意事项：注意事项：1.相图是在平衡条件下测定的，而实际中的相图是在平衡条件下测定的，而实际中的很少能达到平衡状态。很少能达到平衡状态。2.相图不能给出相的形状、大小和分布。相图不能给出相的形状、大小和分布。3.相图可能存在误差和错误。相图可能存在误差和错误。Thanks