二元合金相圖及合金的凝固和組織講解課件

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1、第五章二元合金相圖及合金的凝固5.1相平衡與相圖5.2勻晶相圖及固溶體合金的凝固和組織5.3共晶相圖及共晶系合金的凝固和組織2021/7/51合金兩種以上的金屬或金屬和非金屬熔合(或燒結(jié))在一起而具有金屬特性的物質(zhì)分二元合金、三元合金，多元合金(四元以上)合金相圖用圖的形式表明一個合金系的成分、溫度和相態(tài)之間的關(guān)系研究合金中各種相結(jié)構(gòu)和組織的形成和變化規(guī)律的有效工具2021/7/525.1.1二元合金中存在的相相：一個體系中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一，并以界面相互分開的均勻部分。相與相之間有界面：如冰

2、和水;食鹽水溶液是一個相，飽和溶液中析出食鹽晶體為兩個相。有界面分開的不一定都是相，如合金中同一相的不同晶粒。各微區(qū)的性質(zhì)并不完全相同：成分偏聚造成各微區(qū)的成分并不完全均勻；結(jié)構(gòu)缺陷也可能造成各微區(qū)的性質(zhì)并不完全相同。2021/7/535.1相平衡與相圖4一、相平衡概念和相律一個結(jié)構(gòu)的相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)相的過程稱為“相變”。從宏觀上看，如果系統(tǒng)中同時共存的各相在長時間內(nèi)不互相轉(zhuǎn)化，可視之為處于“相平衡”狀態(tài)。實際上這種平衡屬于動態(tài)平衡。從微觀上看，即使在平衡狀態(tài)，組元仍會不停地通過各相界面進行轉(zhuǎn)移，

3、只不過同一時間內(nèi)相互遷移的速度相等而已。在平衡條件下，合金的組元數(shù)和相數(shù)之間存在著一定的關(guān)系，這種關(guān)系稱為“相律”。5.1相平衡與相圖5根據(jù)熱力學(xué)定律，化學(xué)位差是組元在各相間轉(zhuǎn)移的驅(qū)動力，組元轉(zhuǎn)移會引起體系自由能變化。在?、?兩相平衡系統(tǒng)中的平衡條件為?i?＝?i?即平衡時，同一組元在兩相中的化學(xué)位相等。若合金中有c個組元，P個相，則它們的平衡條件為：系統(tǒng)的自由度為:f=C-P+2。式中C為合金系組元數(shù)，P為平衡共存的相數(shù)，f為自由度，2表示溫度與壓力兩個因素。自由度是指不改變平衡系中平衡相數(shù)的獨立

4、可變的因素的數(shù)目(T、P、平衡相的濃度)。5.1相平衡與相圖6相律的推導(dǎo)相律可由熱力學(xué)相平衡條件推導(dǎo)，由影響狀態(tài)的可變因素減去相平衡決定的條件數(shù)即可確定自由度數(shù)。假定系統(tǒng)中有p個相，c個組元，則相組分引起的變數(shù)有p(c-1)個。系統(tǒng)的總變數(shù)為p(c-1)＋2。平衡條件數(shù)由熱力學(xué)相平衡條件確定，在多相平衡時，組元在各相間的化學(xué)位相等。每個組元可以寫出p-1個等式，c個組元的平衡條件總數(shù)應(yīng)為c(p-1)。系統(tǒng)的自由度數(shù)f=變數(shù)-條件數(shù)=P(c-1)+2-c(p-1)=c-p+27在研究不包括氣相反應(yīng)在內(nèi)

5、的合金相變時，壓力的影響不大，可以忽略。相律的表達式為：f=C-P+1應(yīng)用舉例：純金屬最多只有兩相平衡；二元系則存在三相平衡，此時自由度等于零。相律是分析、檢驗相圖的理論基礎(chǔ)，可以用于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐，具有普遍指導(dǎo)意義。相律的推導(dǎo)8相圖的表示和實驗測定方法一、單元系相圖單組分體系的相律為:f=C-P+2=1-P+2=3-P單組分平衡體系最多能3相共存一個純物質(zhì)可以有許多不同的相態(tài)。例如炭：氣相、液相、固相(無定形碳、石墨、金剛石、富勒烯族(C60)。但碳的相圖中最多只能三相共存,不可能四相共存.9舉例：

6、二、二元系相圖二元合金相圖常用溫度、成分相圖，表示合金的狀態(tài)隨成分和溫度變化而發(fā)生變化的情況。相：一個物系中，結(jié)構(gòu)相同，成分和性能均一，并以界面相互分開的組成部分。合金：由兩種以上的金屬和非金屬熔合（或燒結(jié)）在一起而具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成一個體系的基本單元，例如單質(zhì)（元素）和化合物。通常把具有n個組元都是獨立的體系稱為n元系，組元數(shù)為一的體系稱為單元系。相圖的表示和實驗測定方法圖二元Pb-Sb合金相圖PbSb（X2）X1XaobLL+SbPb+Sb在相圖中，任意一點都叫“表象點”。一個表象點

7、的坐標(biāo)值反映一個給定合金的成分和溫度。在相圖中，由表象點所在的相區(qū)可以判定在該溫度下合金由哪些相組成。二元合金在兩相共存時，兩個相的成分可由過表象點的水平線與相界線的交點確定。相圖的表示和實驗測定方法2相圖的建立建立相圖的關(guān)鍵是要準(zhǔn)確地測出各成分合金的相變臨界點(臨界溫度)。測臨界點的方法通常有熱分析法、硬度法、金相分析、X射線結(jié)構(gòu)分折、磁性法、膨脹法、電阻法等。由于合金凝固時的結(jié)晶潛熱較大，結(jié)晶時冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折比較明顯，因此常用熱分析法來測合金的結(jié)晶溫度，即測液相線、固相線。相圖的表示和實驗測定

8、方法幾乎所有的相圖都是通過實驗得到的，最常用的是熱分析法。相圖的表示和實驗測定方法二元相圖的建立步驟為：[以Cu-Ni合金(白銅)為例]1.配制不同成分的合金，測出各合金的冷卻曲線，找出曲線上的臨界點（停歇點或轉(zhuǎn)折點）。2.將臨界點標(biāo)在溫度-成分坐標(biāo)中的成分垂線上。3.將垂線上相同意義的點連接起來，并標(biāo)上相應(yīng)的數(shù)字和字母。相圖的表示和實驗測定方法a）冷卻曲線b）相圖相圖的表示和實驗測定方法組元：系統(tǒng)中每一個能單獨分離出來并能獨立存在的均勻物質(zhì)。組元數(shù)(c)：決定一個相