二元相图及合金凝固知识点总结
点击上方“材料人考学”关注本公众号均晶相图与固溶体凝固
均晶相图两组元在液态、固态均能无限互溶的二元系所...
点击上方“材料人考学”关注本公众号
均晶相图与固溶体凝固
均晶相图
两组元在液态、固态均能无限互溶的二元系所组成的相图称为均晶相图。
均晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。
以 Cu-Ni 二元合金相图为例说明均晶相图。
均晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。
以 Cu-Ni 二元合金相图为例说明均晶相图。
点：TCu、TNi 分别为 Cu、Ni 熔点。
线：TCuBTNi 为液相线。TCuCTNi 为固相线。
区： L、L+α、α
固溶体的平衡凝固
平衡结晶：在极缓慢冷却条件下进行的结晶。
以含 30%Ni 合金为例分析结晶过程：
t1 以上为 L；
t1 时，L →α，成分分别为：B、C。
t2 时，成分为：E、F。随 T↓，固溶体成分沿固相线变化，液体成分沿液相线变化。
t3 时，结晶终了。得到与合金成分相同的固溶体。
固溶体的结晶过程也是形核和长大的过程。固溶体在形核时，即需要结构起伏（以满足晶核大小超过一定临界值的要求），又需要能量起伏（以满足新相对形核功的要求），此外还需要成分起伏（由于其结晶时，结晶出的 α 成分与 L 成分不同）。
成分起伏：在微小体积内成分偏离平均成分的现象（掌握）。
固溶体合金的结晶特点：以含 30%Ni 合金为例分析结晶过程：
t1 以上为 L；
t1 时，L →α，成分分别为：B、C。
t2 时，成分为：E、F。随 T↓，固溶体成分沿固相线变化，液体成分沿液相线变化。
t3 时，结晶终了。得到与合金成分相同的固溶体。
固溶体的结晶过程也是形核和长大的过程。固溶体在形核时，即需要结构起伏（以满足晶核大小超过一定临界值的要求），又需要能量起伏（以满足新相对形核功的要求），此外还需要成分起伏（由于其结晶时，结晶出的 α 成分与 L 成分不同）。
成分起伏：在微小体积内成分偏离平均成分的现象（掌握）。
1.异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同。
2.结晶需要一定的温度范围。
平衡凝固时组织变化示意图：
偏离平衡条件的结晶。在实际生产中，由于冷却速度较快，内部原子的扩散过程落后于结晶过程，使合金的成分均匀化来不及进行，使凝固偏离了平衡条件，这称为非平衡凝固。
非平衡凝固导致先结晶部分与后结晶部分成分不同，这种一个晶粒内部或者一个枝晶间的化学成分不同的现象，叫做枝晶偏析或晶内偏析。各个晶粒之间化学成分不均匀的现象叫做晶间偏析。
枝晶偏析是非平衡凝固的产物，在热力学上是不稳定的，可以通过均匀化退火消除。
非平衡凝固导致先结晶部分与后结晶部分成分不同，这种一个晶粒内部或者一个枝晶间的化学成分不同的现象，叫做枝晶偏析或晶内偏析。各个晶粒之间化学成分不均匀的现象叫做晶间偏析。
枝晶偏析是非平衡凝固的产物，在热力学上是不稳定的，可以通过均匀化退火消除。
合金 1：
t1 时，α→α1， L→L1
t2 时，α2→α2′, L2→L2′
t3 时，α3→α3′, L3→L3′
t4 时，α4→α4′, L4→L4′
枝晶偏析的大小影响因素：
- 液相线与固相线间的水平距离(成分间距)↑，先后结晶的成分差别↑，偏析严重。
- 溶质原子的扩散能力↑，偏析↓。
- 冷却速度↑，偏析↑。
共晶相图及其合金凝固
共晶相图组成共晶的两组元液态时无限互溶，固态时有限固溶或完全不溶，且发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图。
以 Pb—Sn 共晶凝固为例说明二元相图凝固过程。
点：
tA：Pb 的熔点；
tB：Sn 的熔点；
E：共晶点。成分为 E 的合金为共晶合金；α：是 Sn 溶于 Pb 的固溶体；
β：是 Pb 溶于 Sn 的固溶体。
线：
AEB：液相线；
AMENB：固相线；
MF：Sn 在 Pb 中的固溶度曲线；
NG：Pb 在 Sn 中的固溶度曲线；
MEN 水平线：共晶线。凡位于此线上的合金均发生共晶反应：LE →TE→αM+βN（共晶组织）
这种：由固定成分的 L 中（在固定的温度之下）同时结晶出两种成分、结构均不同的固相反应，称为共晶反应。
成分位于 M—E 之间的合金称为亚共晶合金。
成分位于 E—N 之间的合金称为过共晶合金。
区：
三个单相区：L、α、β。
三个两相区：L+α、L+β、α+β
以 Pb—Sn 共晶凝固为例说明二元相图凝固过程。
点：
tA：Pb 的熔点；
tB：Sn 的熔点；
E：共晶点。成分为 E 的合金为共晶合金；α：是 Sn 溶于 Pb 的固溶体；
β：是 Pb 溶于 Sn 的固溶体。
线：
AEB：液相线；
AMENB：固相线；
MF：Sn 在 Pb 中的固溶度曲线；
NG：Pb 在 Sn 中的固溶度曲线；
MEN 水平线：共晶线。凡位于此线上的合金均发生共晶反应：LE →TE→αM+βN（共晶组织）
这种：由固定成分的 L 中（在固定的温度之下）同时结晶出两种成分、结构均不同的固相反应，称为共晶反应。
成分位于 M—E 之间的合金称为亚共晶合金。
成分位于 E—N 之间的合金称为过共晶合金。
区：
三个单相区：L、α、β。
三个两相区：L+α、L+β、α+β
共晶铸造的重要优点：
- 比纯组元熔点低，简化了熔化和铸造的操作。
- 共晶合金比纯金属有更好的流动性，其在凝固之中防止阻碍液体流动的枝晶的形成，从而改善铸造性能
- 恒温转变减少了铸造缺陷，比如偏聚和缩孔。
- 共晶凝固可以获得多种形态的显微组织，尤其是规则排列的层状获杆状共晶组织。
共晶合金的平衡凝固
1
W(Sn)>共晶组织的量，使共晶组织中与先结晶相相同的那一相，依附在先结晶相上生长，剩下的另一相则单独在晶界处凝固，从而使共晶组织特征消失，这种两相分离的共晶称为离异共晶。离异共晶可以在平衡条件下获得，也可在不平衡条件下获得。如：合金Ⅰ：缓冷得 α+（α+β），α 量>>(α+β)量，使（α+β）中的 α 依附在先结晶的 α 上生长，
而 β 则存在于晶界处，产生了离异共晶。
合金Ⅱ：快冷，使先结晶出的 α 成分偏离固相线，沿虚线变化。当冷到 2 点时，还剩一部
分液体，当冷到共晶温度以下时，剩余的 L 发生共晶转变，形成共晶组织。冷到 3 点以下时 L
消失。
此时，α 量>>（α+β）量，（α+β）中的 α 依附在 α 上生长，β 被推向晶界出凝固，产生了离异共晶。
包晶相图及其合金的凝固
包晶相图两组元液态时无限互溶，固态时有限互溶，并发生包晶转变的二元系相图中，已结晶的固相与剩余液相反应形成另一固相的恒温转变。
点：
A：Pt 的熔点。
B：Ag 的熔点。
P：包晶点。具有 P 点成分的合金为包晶合金。
线：
ACB：液相线。
ADPB：固相线。
DE：Ag 溶于 Pt 的固溶度曲线
PF：Pt 溶于 Ag 的固溶度曲线
DPC：水平线，叫包晶线，在此线上的合金均发生包晶反应：LC + αD =βP
区：
三个单相区： L、α、β
α：Ag 溶于 Pt 中的固溶体。
β：Pt 溶于 Ag 中的固溶体。
三个两相区：L+α、L+β、α+β。
包晶合金的平衡凝固
1
包晶合金（合金 Ⅰ）合金Ⅰ自高温向低温凝固时，凝固步冷曲线和示意图如图所示。
在开始进行包晶反应时的两相相对量可有杠杆法则求出：
wL =DP/DC×100% = 57.3%
wα =PC/DC×100% = 42.7%
包晶反应结束后，液相和 α 相反应正好全部转变为 β 固溶体。
在开始进行包晶反应时的两相相对量可有杠杆法则求出：
wL =DP/DC×100% = 57.3%
wα =PC/DC×100% = 42.7%
包晶反应结束后，液相和 α 相反应正好全部转变为 β 固溶体。
2
过包晶合金（合金 Ⅱ）3
亚包晶合金（合金Ⅲ）复杂二元相图分析方法
形成两相混合物的合金，性能是两组成相性能的平均值（性能与成分呈线性变化）。固溶体的性能随合金成分呈曲线变化。
根据相图判别合金的工艺性能。
共晶合金：熔点低，流动性好，易形成集中缩孔，合金致密，铸造性能好。
固溶体合金：强度低，塑性好，变形均匀，压力加工性能好。
关注 材料人考研
微信扫一扫关注公众号
