工程材料及热加工基础课件.ppt

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1、南京航空航天大学材料学院梁文萍工程材料及热加工基础第三章二元合金相图及其应用§3.1二元合金相图的建立§3.2二元匀晶相图§3.3二元共晶相图§3.4其他类型的二元合金相图§3.5相图与性能的关系§3.6铁碳合金相图学习要求和难点学习重点：三种典型二元合金相图特点、结晶过程。杠杆定律及其应用。运用相图分析合金的性能。铁碳合金的基本相、组织，典型成分合金冷却过程组织转变。学习难点：准确区分相、组织、相组成物、组织组成物。相图：表示合金系中合金的状态与温度、成分之间关系的图解。我们经常见到的相图是平衡相图。3.1.1相图的基本知识§3.1二元合金相图的建立Gibbs相律：表示在平衡条件下，系统的

2、自由度数、组元数和相数之间的关系。f=c-p+2其中系统的自由度数是指在保持合金系的相的数目不变的情况下，合金系中可以独立改变的、影响合金状态的内部及外部因素的数目。当系统的压力为常数时，f=c-p+1§3.1二元合金相图的建立建立相图最常用方法是热分析法。它是通过测量相变时的热效应（即相变时放出热量或吸收热量）来确相变时的临界度。3.1.2二元合金相图的建立TemperatureTimeLiquidTwoPhaseSolid§3.1二元合金相图的建立热分析法实验原理§3.1二元合金相图的建立1配制不同成分的二元合金；2作出每个合金的冷却曲线；3建立T-x坐标系，把每个合金冷却曲线上的临界点

3、分别标在各个合金的成分垂线上。4将各个成分垂线上具有相同意义的点连接成线，再加上标注。二元合金相图的绘制步骤§3.1二元合金相图的建立Cu-Ni合金的冷却曲线和相图的绘制150014001300120011001000CuNi80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni温度/℃温度/℃时间Ni%Cu20406080NiLL+αα§3.1二元合金相图的建立两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的相图称为匀晶相图。TemperatureXY%YaddedLiquidSolidTwoPhase§3.2二元匀晶相图§3.2二元匀晶相图§3.2二元匀晶相图3.2.1.相图分析温度/℃ABB%LL+αα液相

4、线固相线B熔点A熔点与纯金属的结晶过程不同，固溶体合金的结晶是在一定的温度范围内完成的。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+）。§3.2二元匀晶相图3.2.2.合金平衡结晶过程分析Cu-Ni合金相图以Cu-Ni合金为例进行分析。§3.2二元匀晶相图LL+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。⑴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。§3.2二元匀晶相图这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀

5、晶转变或匀晶反应。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。§3.2二元匀晶相图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。§3.2二元匀晶相图3.2.3.非平衡结晶—枝晶偏析Cu-Ni合金枝晶偏析示意图§3.2二元匀晶相图在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。Cu-Ni合金枝晶偏析显微组织§3.2二元匀晶相图合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶

6、体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。§3.2二元匀晶相图平衡组织枝晶偏析组织Cu-30%Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织§3.2二元匀晶相图枝晶偏析不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。§3.2二元匀晶相图生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。消除枝晶偏析的办法大型铝合

7、金铸造板材的扩散退火§3.2二元匀晶相图3.2.4.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：①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。12t§3.2二元匀晶相图②确定两平衡相的相对重量设合金的重量