材料科学基础 二元系相图及其合金凝固 11二元相图表示和测定方法.ppt

通过对非平衡凝固分析得到如下结论： (1)?固相、液相的平均成分分别与固相线、液相线不同，有一定的偏离。其偏离程度与冷却速度有关。冷却速度越大，其偏离程度越严重；冷却速度越小，偏离程度越小，越接近于平衡条件。液相线的偏离程度较固相线小。 (2)?先结晶部分含有较多的高熔点组元(Ni)，后结晶部分含有较多的低熔点组元(Cu)。 (3)?非平衡结晶条件下，凝固的终结温度低于平衡结晶时的终止温度。 固溶体非平衡结晶时，由于从液体中先后结晶出来的固相成分不同，结果使得一个晶粒内部化学成分不均匀，这种现象称为晶内偏析。 由于固溶体一般都以枝晶状方式结晶，枝晶轴（干）含有高熔点组元多，而枝晶间含有低熔点的组元多，导致先结晶的枝干和后结晶的枝间成分不同，故称为枝晶偏析(dendritic segregation)。枝晶偏析属于晶内偏析。枝晶偏析的合金对合金的力学性能(mechanical property)影响较大。容易导致合金塑性(plasticity)，韧性(toughness)下降；易引起晶间腐蚀(corrosion)，降低合金的抗蚀性能。 Cu-Ni合金的非平衡组织 ? Cu-Ni合金的平衡组织 固溶体合金不平衡结晶 树枝状偏析的程度取决于以下因素： (1)冷却速度　冷速愈大，扩散进行愈不充分，则偏析程度愈大。 (2)合金的结晶范围　相图中，合金的结晶温度范围愈大，则成分偏析的范围愈大。 枝晶偏析将引起合金性能不均匀，消除的措施是在高温下进行扩散退火，使原子充分扩散，成分均匀化。 匀晶相图的其它类型 有些合金的匀晶相图还有极点： 在Au－Cu、Fe－Co、Ti－Zr等合金的相图上有极小点； 在Pb－Tl、Al－Mn等合金的相图上有极大点。 α α 具有极点的匀晶相图 液相线 固相线 固溶线 水平反应线 (3)相区：相图中由相界线划分出来的区域称为相区，相区表明在此范围内存在的平衡相类型和数目。 在二元合金系中有单相区、两相区、三相区。 单相区内、f=2 ，T和成分都可变。 双相区内、f=1，T和成分只有一个可以独立变化（在此相区内温度改变则成分随之改变）。 若三相共存、f=0，T和成分都不变，属恒温转变。 7.2 相图热力学的基本要点 由图可见，固溶体的自由能-成分曲线至少有一个极小值。 1、固溶体的自由能（G）—成分（%）曲线 b是理想固溶体，a和c是实际固溶体 ? 2、多相平衡的公切线原理 二元合金系中当两相平衡时，两组元分别在两相中化学势相等。两相平衡时的成分由两相自由能—成分曲线的公切线所确定，两相曲线的切线斜率相等，即它们的公切线。 两相平衡时的公切线 二元合金系在特定温度条件下三相平衡，其热力学条件为两组元分别在三相中的化学势相等，三相的切线斜率相等，并且为它们的公切线，其切点成分分别为三相平衡时的成分，切线与两组元自由能轴G的交点就是两组元在该条件化学位。 三相平衡时的公切线 3、从G—成分曲线推测相图 根据公切线原理可求出体系中在某一温度下平衡相的成分，因此可根据二元系的不同温度下的自由能G—成分曲线推出二元系相图。公切线的位置代表二平衡相成分或三平衡相成分。 自由能曲线求得匀晶相图 ? 自由能曲线求得 共晶相图 三相两两平衡时的公切线 4、杠杆定律 某一成分的二元合金在某温度处于二元相图的两相区内，则两相之间的重量比可以用“杠杆定律”来求得。 根据相律，二元合金两相平衡时只有一个自由度，因而在给定温度下这两个平衡相的成分均应为固定值。 过合金表象点作水平线，使之与两侧的相界线相交，交点的成分坐标即为这两个平衡相的成分。 ? ? 两相的重量分数 根据此式，可确定给定合金在给定温度下处于两相平衡状态时，各平衡相所占的重量分数及它们之间的重量比。这个公式所反映的关系很像力学中的杠杆平衡，因此把它叫做杠杆定律或截线法则。 必须指出，在合金相图中，杠杆定律只能在两相平衡的状态下使用。 在以摩尔分数表示的平衡相图中，也有相似的杠杆定理，只是将重量和重量分数改成摩尔和摩尔分数即可。 5、二元相图的几何规律 (1) 相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的成分，所以相界线是相平衡的体现，平衡相的成分必须沿着相界线随温度而变化。 (2) 两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区分开，而不能以一条线接界(即两个单相区只能交于一点而不能交于一条线)。两个两相区必须以单相区或三相水平线分开。即:在二元相图中，相邻相区的相数差为1，这个规则为相区接触法则。 两个单相区只能交于一点而不能交于一条线 (3) 二元相图中的三相平衡必为一条水平线，