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第五章 二元相图与合金的凝固. 第一节 二元相图概述 第二节 二元相图分析 第三节 复杂二元相图分析 第四节 二元合金的凝固理论 第五节 高分子合金概述. 第一节 二元相图概述. 一、二元相图概述 二、成分的表示方法 三、杠杆定律 四、二元相图的建立. 一、二元相图概述. 温度. 二元合金相图常用 温度 、 成分 相图，表示合金的状态随成分和温度变化而发生变化的情况。. L. L+Pb. L+ Sb. Pb + Sb. 组分. Pb. Sb. 图 二元 Pb-Sb 合金相图. L. o. L+ Sb. Pb + Sb. X. Sb.
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第五章 二元相图与合金的凝固 第一节 二元相图概述 第二节 二元相图分析 第三节 复杂二元相图分析 第四节 二元合金的凝固理论 第五节 高分子合金概述
第一节 二元相图概述 一、二元相图概述 二、成分的表示方法 三、杠杆定律 四、二元相图的建立
一、二元相图概述 温度 二元合金相图常用温度、成分相图，表示合金的状态随成分和温度变化而发生变化的情况。 L L+Pb L+ Sb Pb + Sb 组分 Pb Sb 图 二元Pb-Sb合金相图
L o L+ Sb Pb + Sb X Sb Pb 在相图中，任意一点都叫“表象点”。 一个表象点的坐标值反映一个给定合金的成分和温度。 确定相组成：由表象点所在的相区可以判定在该温度下合金由哪些相组成。 确定相成分：二元合金在两相共存时，相的成分可由过表象点的水平线与相界线的交点确定。
①质量分数 ②摩尔分数 二、成分的表示方法二元相图中的成分按国家标准有两种表示法 WA、WB分别为A、B组元的质量分数； xA、xB分别为A、B组元的摩尔分数； MA、MB分别为A、B组元的摩尔质量。
合金成分为C，总重量为W。 在T1温度时，由液相和固相组成, 液相的成分为CL，重量为WL，固相成份为Cα，重量为Wα。 则有： W=WL+Wα（1） WL·CL+Wα·C α =W·C （2） 由上述两式，可得： WL/W α=(C α-C) / (C- CL)
四、二元相图的建立 建立相图的关键是要准确地测出各成分合金的相变临界点(临界温度)。 临界点的测试方法： 热分析法，硬度法，电阻法， 膨胀法，金相分析， X射线结构分析等。 常用热分析法：由于合金凝固时的结晶潜热较大，结晶时冷却曲线上的转折比较明显。
温度 30Ni 70Cu 50Ni 50Cu 70Ni 30Cu Cu Ni ● ● ● ● ● ● Cu W(Ni)% Ni 时间 相 图 冷却曲线 用热分析建立Cu-Ni相图 ● ●
不同材料系统可能具有不同的相图型式。常见的有：不同材料系统可能具有不同的相图型式。常见的有： (1)二组元在液态无限溶解，在固态无限固溶，并形成连续固溶体的匀晶相图。 (2)二组元在液态无限溶解，在固态有限固溶，并有共晶反应的共晶相图。 (3)二组元在液态无限溶解，在固态有限固溶，有包晶反应的包晶相图。 (4)二组元在液态无限溶解，在固态形成化合物的相图。 (5)二组元在液态无限溶解，在固态有共析或包析转变的相图。
第二节 二元相图分析 一、匀晶相图 二、共晶相图 三、包晶相图 四、其它相图 五、组元间形成中间相的相图 六、相图与性能的关系 七、相图热力学的基本要点
一、 匀晶相图 １、基本概念 在二元相图中，由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。 两组元在液态无限溶解，在固态无限固溶，并且发生匀晶反应的相图，称为匀晶相图。
２、固溶体合金的平衡凝固及组织 当合金缓慢冷却至l1点以前时，均为单一的液相; 冷却到l1点时，开始从液相中析出α固溶体，冷却到α4点时，合金全部转变为α固溶体; 若继续从α4点冷却到室温，为单一的α固溶体。
平衡凝固：指合金从液态很缓慢地冷却，使合金在相变过程中有充分时间进行组元间的互相扩散，每个阶段都能达到平衡，达到平衡相的均匀成份。平衡凝固：指合金从液态很缓慢地冷却，使合金在相变过程中有充分时间进行组元间的互相扩散，每个阶段都能达到平衡，达到平衡相的均匀成份。
与纯金属相比，固溶体合金凝固过程有两个特点： （1）成份起伏。 （2）异类原子互相扩散。 （1）固溶体合金凝固时析出的固相成分与原液相成份不同，需成份起伏。（晶粒的形核位置是那些结构起伏、能量起伏和成分起伏都满足要求的地方） （2）固溶体合金凝固时依赖于异类原子的互相扩散。
温度 Ｌ α 成分 质量分数 变化趋势 成分 质量分数 变化趋势 t1 l1 100% α1 0% t2 l2 α2 t3 l3 α3 t4 l4 0% α4 100% 液固两相共存区，随着温度的降低，液相的量不断减少，固相的量不断增多； 同时液相的成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。
固溶体结晶的特点： （１）异分结晶 固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分不同； 这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶，或称选择结晶。 （２）固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围 在此温度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数量的固相。 随着温度的降低，液相数量减少，固相的数量增加； 同时，固相和液相的成分分别沿着固相线和液相线而连续地改变；直至固相的成分与原合金的成分相同时，才结晶完成。
３、固溶体合金的非平衡凝固及组织 实际上，达到平衡凝固的条件是极为困难的。 在实际冷却过程中，凝固常在数小时甚至几分钟内完成，固溶体成分来不及扩散至均匀。 先结晶的部分含高熔点的组分多，后结晶的部分含低熔点的组分多，溶液只能在固态表层建立平衡。 实际生产中的凝固是在偏离平衡条件下进行的，这种凝固过程被称为不平衡凝固。
温度 L α α平均 L平均 t1 L1 α1 t2 L2 α2 t3 L3 α3 t4 L4 α4 t5 图 匀晶系合金的不平衡凝固
图 Cu-Ni铸态组织 不平衡凝固过程中通常先结晶的固溶体内部含高熔点组元，而后结晶的外部则富含低熔点组元。这种在晶粒内部出现的成份不均匀现象称为晶内偏析。 如果固溶体是以树枝状结晶长大的，则枝干与枝间会出现成份差别，称为枝晶偏析。 通过扩散退火或均匀化退火，使异类原子互相充分扩散均匀，可消除晶内偏析。
两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶的系统称为匀晶系。两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶的系统称为匀晶系。
１、相图分析 由液相同时结晶出两个固相的过程称为共晶转变。 二、共晶相图 两组元在液态无限溶解，在固态有限固溶，并且发生共晶反应的相图，称为共晶相图。
图 铅锡相图 • 点 • tA点 tB点 E点 • M点 N点 F点 G点 • 线 • tAEtB线为液相线 • tAMENtB线为固相线 • MEN线是共晶转变线 • MF线为Sn在Pb中的固溶度曲线 • NG线为Pb在Sn中的固溶度曲线 • 相区 • 单相区 • 两相区 • 三相线
2、Pb-Sn合金的平衡凝固 （1）端部固溶体合金 （10%Sn-Pb合金）
图 61.9%Sn-Pb 合金凝固过程示意图 （2）共晶合金 （61.9%Sn-Pb）
共晶转变发生后，当温度继续降低时，共晶组织中的α相及β相将分别析出二次相βⅡ与 αⅡ，由于此种二次相常依附于同类相上形核、长大，在显微镜下难以区分，故一般不予考虑。
图 亚共晶合金凝固过程示意图 共晶转变 脱溶转变 （3）亚共晶合金
图 50%Sn-Pb 合金显微组织 相的相对量： 组织的相对量：
β II α + β α
共晶转变 脱溶转变 图 70%Sn-Pb 合金显微组织（过共晶） （4）过共晶合金
β + α II +(α+β) 过共晶合金（VI合金）组织 α II β (α+β)
1 L 2 L+ α L+ β α β 97.5 61.9 19 3 α+ β 4 5 F 10 G Sn Pb 40 75
3、共晶合金的非平衡凝固和组织 伪共晶、不平衡共晶和离异共晶 各自的特点为： 伪共晶——靠近共晶点附近的合金得到了全部共晶组织； 离异共晶——共晶组织没有显示出共晶的特征； 不平衡共晶——在不应该出现共晶的合金里出现了共晶组织。
图 四种伪共晶区 （1）伪共晶 • 在非平衡凝固条件下，成分接近共晶成分的亚共晶或过共晶合金，凝固后组织却可以全部是共晶体，称为伪共晶。 • 伪共晶的组织形态与共晶相同，但成分不同。 • 两组元熔点大致相同的，一般出现对称的伪共晶区；两组元相差悬殊，伪共晶区偏向高熔点组元。
图 共晶系合金的不平衡凝固 （2）不平衡共晶 • 合金II在不平衡凝固时，由于固相线偏离平衡位置，冷到共晶温度以下，还有少量液相残留，最后这些液相转变为共晶体，形成不平衡共晶组织。
（3）离异共晶 由于共晶体中与初生固溶体相同的一相，往往依附在初生固溶体上生长，而把另一相推向最后凝固的晶界处，因此这种共晶体失去了共晶组织的形态特征，看上去好象两相被分离开来，所以称为离异共晶。 图 可能产生离异共晶示意图
三、包晶相图 １.相图分析 由一个液相与一个固相在恒温下生成另一个固相的转变称为包晶转变。 两组元在液态无限溶解，在固态有限固溶，并且发生包晶反应的相图，称为包晶相图。
