第四章相图技术分析.ppt

第四章 合金的结晶与相图 合金是指由两个或两个以上元素或组元组成的，具有金属特性的物质。 纯金属结晶时，相状态只与温度有关，且有固定的凝固点。 在合金凝固过程中，除了温度变量以外，还有成分变量，为了描述合金状态与温度与成分的关系，需要借助于相图来表示。 相图是用来表示合金系中各合金结晶过程的简明图解。又称平衡状态图。 组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。 多数情况下组元是指组成合金的元素，但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元，如Fe-C合金中的Fe3C。 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。 根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。 一、二元相图的建立 二、二元相图的基本类型与分析 1、二元匀晶相图 2、二元共晶相图 3、二元包晶相图 4、形成稳定化合物的二元相图 5、具有共析反应的二元相图 6、二元相图的分析步骤 7、相图与合金性能之间的关系 主要内容 第一节 二元相图的建立 几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。 3 二元相图的建立 关键：测定给定材料系中若干成分不同的合金的平衡凝固温度和相变温度 方法：热分析法，金相法、硬度法、磁性法等 例：热分析法(thermal analysis)测定二元Cu-Ni合金 1) 配置不同成分的Cu-Ni合金；Cu, 75Cu25Ni, 50Cu50Ni, 25Cu75Ni, Ni T time Cu Ni w(Ni)% 25 50 75 2) 将合金熔化，测定其冷却曲线； 3) 确定冷却曲线上的转折点，它们反应了合金状态的变化（凝固）； 4) 将这些数据绘入温度-成分坐标中； 5) 连接意义相同的点；分析相图：点、线、区 Cu 75Cu 25Ni 50Cu 50Ni 25Cu 75Ni Ni L L+α α 图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。 第二节 二元相图的基本类型与分析 两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。 以Cu-Ni合金为例进行分析。 一、二元匀晶相图 相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。 相图被两条线分为 三个相区，液相线 以上为液相区L ， 固相线以下为? 固 溶体区，两条线之 间为两相共存的两 相区（L+ ? ）。 1、合金的结晶过程 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相 似，以Ⅰ合金为例说明。 当液态金属自高温冷却到 t1温度时，开始结晶出成分为?1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。 随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。 这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶 转变或匀晶反应。 成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分?3上来。 液、固相线不仅是相区分界线, 也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。 2、杠杆定律 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。 现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律： ⑴ 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成 分垂线。在成分垂线相当于温度t 的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。 则 QL + Q? =1 液相重量 + 固相重量 = 合金重量 QL x1 + Q? x2 =x 液相中B组元含量 + 固相中B组元含量 解方程组得： = 合金中B组元含量 式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。 ⑵ 确定两平衡相的相对重量 设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q?。 因此两相的相对重量百分比为： 两相的重量比为： 上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。 杠杆定律只适用于两相区。 例（如图） 杠杆定律应用条件： 1 必须是在两相区； 2 必须是平衡转变。 杠杆定律扩展应用： 1 已知合金及液、固相成分，可以求得液、固相的重量比； 2 已知合金、液相、固相成分以及液相或固相的重量，可以求得另一相的重量； 3 若已知液、固相的重量比，合金及某一平衡相的成分，可以求