第3章合金相图和合金的凝固

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1、第三章二元合金相图和合金的凝固相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。相图作用由相图可以知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。研究合金中组织的形成及其变化规律3.1二元合金相图的建立一、二元相图的表示方法1）决定合金存在状态的因素：成分、温度和压力，常压下，合金状态可由成分和温度两个因素确定。2）二元相图的表示方法：横坐标表示成分，纵坐标表示温度。3）表象点：成分和温度坐标平面上的点。二、二元合金相图的测定方法1）实验测定；2）理论计算实验测定法：先配制一系

2、列成分不同的合金，然后测定这些合金的相变临界点，最后把这些点标在温度—成分坐标图上，把各相同意义的点连结成线，这些线就在坐标图划分出一些区域，即相区，将各相区所存在的相的名称标出，相图的建立工作即告完成。测定临界点方法：热分析法、金相法、x射线结构分析法等。热分析法测定二元合金相图：1）配制一系列不同成分的合金，测出从液态到室温的冷却曲线。2）将临界点标在温度—成分坐标图中，再将相应的临界点连接起来。3）标注相区。液相线：表示合金结晶的开始温度或加热过程中熔化终了的温度；固相线：表示合金结晶终了的温度或在加

3、热过程中开始熔化的温度。动画3-1Cu-Ni合金冷却曲线的测定3-2Cu-Ni相图三、相律及杠杆定律1.相律及其应用相律：在平衡条件下，表示系统的自由度数、组元数和相数之间关系的数学表达式。当系统的压力不为常数时f=c-p+2当系统的压力为常数时f=c-p+1c是系统组元数，P为平衡条件下系统中的相数，f为自由度数。自由度：在保持合金系中相的数目不变的条件下，合金系中可以独立改变的影响合金状态的内部和外部因素的数目。对纯金属而言，成分固定不变，只有温度可以独立改变，所以纯金属的自由度数最多只有1个；对二元合

4、金来说，已知—个组元的含量，则合金的成分即可确定，因此合金成分的独立变量只有一个，再加上温度因素，所以二元合金的自由度数最多为2个。三元系合金的自由度数最多为3个，四元系为4个…。相律的应用(1)利用相律可以确定系统中可能存在的最多平衡相数。对单元系来说，组元数c＝1，由于自由度不可能出现负值，所以当f=0时，同时共存的平衡相数应具有最大值，代入相律公式f=c-p+1，即得P＝1-0+1＝2即单元系同时共存的平衡相数不超过2个。例如，纯金属结晶时，温度固定不变，自由度为零，同时共存的平衡相为液、固两相。对二

5、元系来说，组元数c＝2，当f＝0时，P=2－0＋1＝3，说明二元系中同时共存的平衡相数最多为3个。(2)利用相律可以解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别。纯金属结晶时存在液、固两相，其自由度为零，说明纯金属在结晶时只能在恒温下进行。二元合金结晶时，在两相平衡条件下，其自由度f＝2－2＋1，说明此时还有一个可变因素(温度)，因此，二元合金将在一定温度范围内结晶。二元合金三相平衡共存时，则其自由度f＝2－3＋1＝0，说明此时的温度不但恒定不变，而且三个相的成分也恒定不变，结晶只能在各个因素完全恒定不变的条件下进

6、行。2.杠杆定律杠杆定律：用于计算相的成分及其相对含量。在二元系合金中，杠杆定律只适用于两相区。要确定相的相对含量，首先必须确定相的成分。根据相律可知，当二元系处于两相共存时，f=c-p+1，其自由度为1，这说明只有一个独立变量，如温度可变，那么两个平衡相的成分均随温度的变化而变化。两平衡相的成分和温度必须是一一相对应的。当温度恒定时，自由度为零，两个平衡相的成分也即随之固定不变。两个相成分点之间的连线(等温线)称为连接线。实际上两个平衡相成分点即为连接线与平衡曲线的交点。在Cu-Ni二元合金相图中，液相线

7、是表示液相的成分随温度变化的平衡曲线，固相线是表示固相的成分随温度变化的平衡曲线。合金I在温度t1时，处于两相平衡状态，即L，要确定液相L和固相的成分，可通过温度t1作一水平线段arb，分别与液、固相线相交于a和b，a、b两点在成分坐标上的投影CL和C，即分别表示液、固两相的成分。设合金的总质量为1，液相的质量为wL，固相的质量为w，则有wL＋w＝1合金I中的含镍量等于液相和固相中镍的含量之和，即wLCL＋wC＝1C由以上两式可以得出将合金I成分C的r点看作支点，将wL、w看作作用于a和b

8、的力，则按力学杠杆原理可得出上式。将上式称为杠杆定律。上式可以换写成下列形式动画3-3杠杆定律证明3.3匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图：两组元在液态无限互溶、固态也无限互溶的二元合金相图。匀晶转变:从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。主要二元合金系：Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Cd-Mg、Fe-Ni、Mo-W等。一、相图分析Cu-Ni二元合金相图:液相线+固相线三个区域：液相区L固相区液、固两相区L＋二