【材科基幹貨】第41期:收藏!最全二元相圖知識總結(上)

本期將對上海交通大學版《材料科學基礎》第7章內容:二元相圖進行講解。

01 勻晶相圖

勻晶相圖:兩組元不僅在液態下無限互溶,在固態下也無限溶解,並形成成分連續可變的固溶體的相圖為二元勻晶相圖。如 Pb-Sn、Ag-Cu 等二元合金對應的相圖就是二元勻晶相圖。

勻晶轉變:由液相結晶出單相固溶體的過程稱為勻晶轉變。勻晶轉變是變溫轉變。

二元勻晶相圖的分析(以Cu-Ni 二元合金相圖為例,如圖1所示):

相圖中左右兩端點分別為 Cu、Ni 熔點。相圖隻有兩條曲線,上面的是液相線,下面的是固相線,這兩條線將相圖分為三個區,液相區 L 、固相區 α、液固兩相共存區 L+α。

圖1 Cu-Ni二元勻晶相圖

二元勻晶合金的平衡凝固及其組織:

①合金 C 由高溫冷至 t1:液相 L 結晶出 α 固溶體,此時液相的成分為 L1,固相的成分為 α1;

② t1 緩冷至 t2:液相 L 的成分沿液相線變化至 L2 、固相 α 的成分沿固相線變化至 α2 ;

③ t2 緩冷至 t3:當冷卻至 t3 時,最後一滴液體結晶成固溶體,凝固結束,固溶體的合金成分與原液態相同。

圖2

02 杠桿原理

相圖可以獲得兩平衡相的成分,杠桿定律還可求出兩平衡相的相對含量。

① 確定兩平衡相的成分:成分為 C 的合金在 t1 溫度下處與液固兩相平衡態。過 t1 做一等溫線,其與液相線的交點 a 投影在成分軸上的 CL 即為液相成分,同理 Cα 即為固相的成分,如圖3所示。

圖3

② 確定兩平衡相的相對重量:設合金 C 的總重量為1,液相質量為WL,固相質量為Wα,將o點視為支點,則有:

03 共晶相圖

共晶相圖:當兩組元在液態下無限互溶,在固態下有限互溶或互不相溶,並發生共晶反應形成共晶組織的相圖,如圖4所示。

圖4

二元共晶相圖的分析(以 Pb-Sn 二元共晶相圖為例,如圖5所示):

相:相圖中有 L 、α 、β 三種相,α 是溶質 Sn 在 Pb 中的固溶體 、β 是溶質 Pb在 Sn 中的固溶體。

單相區:L 、 α 、 β

兩相區:L+ α 、L+ β 、 α + β

三相區:水平線 ced(共晶線)

液相線:aeb

固相線:acedb

固溶線:cf、dg 分別為 Sn 在 Pb 中和 Pb 在 Sn 中的飽和溶解度曲線

共晶線:ced

共晶點:e 點

共晶溫度:e 點對應的溫度

共晶反應:在一定的溫度(共晶溫度)下,一定成分的液體同時結晶出兩種一定成分的固相的反應:L → α + β

共晶體:共晶反應的產物,即兩種固相的機械混合物。

共晶合金:成分對應於共晶點的合金

亞共晶合金:成分位於共晶點 e 以左,c 點以右的合金稱為亞共晶合金

過共晶合金:成分位於共晶點 e 以右,d 點以左的合金稱為亞共晶合金

圖5

二元共晶合金的平衡凝固及其組織:

(1)w(Sn) ≤ 19% 的 Pb-Sn 合金 I

① 緩冷至 1 點:析出以 Pb 為基體的 α 固溶體

② 緩冷至 2 點:結晶完畢,合金液全部凝固成單相 α 固溶體

③ 2 ~ 3:α 固溶體不發生變化

④ 3 點以下:Sn 在 α 固溶體中過飽和,多餘的Sn 以 β 固溶體的形式從 α 固溶體中析出

⑤ 室溫:成分為 f 的 α 固溶體與成分為 g 的 β 固溶體相平衡

【註】

① 從一個固溶體中析出另一個固相稱為脫溶,即過飽和固溶體的分解,又稱二次結晶

② 二次結晶析出的相稱次生相、二次相,用下角標 II 表示,以區別於從液相中直接結晶的固溶體。

③ w(Sn) 小於 f 的合金無 βII 析出

室溫時的各相含量(使用扛桿定律計算):

(2)w(Sn) = 61.9% 的 Pb-Sn 合金 II (共晶合金)

① 緩冷至 e 點:合金液同時被 Pb 和Sn飽和,發生共晶反應 Le → (α c+ βd ),該轉變一直在共晶溫度下進行,直到液相全部凝固完畢。共晶溫度下獲得的 (α c+ βd ) 的兩相混合物為共晶組織,相對含量為:

② e 點以下:共晶組織中的 α 和 β 相各自析出二次相 βII 和 αII

圖6

(3) 19% ≤ w(Sn) ≤ 61.9% 的 Pb-Sn 合金 III (亞共晶合金)

① 緩冷至 1 點:合金液開始析出 α 固溶體

② 1 ~ 2:固相不斷增多,液相不斷減少

③ 2 點(共晶溫度):α 相的成分為 c,液相的成分為 e,α 相的成分為 c,液相的成分為 e,兩相含量分別為:

成分為 e 的液相在此溫度下開始共晶轉變:Le → (α c+ βd ),直到剩餘液相全部轉變為共晶組織為止,其含量即為共晶轉變前剩餘液相的含量72.2%。共晶轉變前形成的固溶體稱初晶或先共晶相,故亞共晶合金的共晶轉變剛結束時的組織由初晶 α 和共晶組織 (α c+ βd ) 組成。

④ 2 點以下:初晶 α 和共晶組織 (α c+ βd ) 中的 α 固溶體不斷析出 βII ,而 β 固溶體不斷析出 αII(通常忽略),故亞共晶合金的室溫組織為 α + (α+β) + βII

(4) 61.9% ≤ w(Sn) ≤ 97.5% 的 Pb-Sn 合金 IV (過共晶合金)

過共晶合金的平衡凝固過程及其組織與亞共晶合金類似,初晶為 β 固溶體,室溫組織為 β + (α+β) + αII。

(5) 61.9% ≤ w(Sn) ≤ 97.5% 的 Pb-Sn 合金 IV (過共晶合金)

合金V 平衡凝固過程與合金 I 類似,從液相結晶出的為 β 固溶體,隨後從 β 固溶體中析出二次相 αII。

​04 重要思考題

(1)Pb-Sn 合金的相組成物和組織組成物分別是什麼?

(2)組織組成物之間有何區別?

(3)使用扛桿定律計算相組成物和組織組成物時有何區別?

​05 易錯題分享

根據圖7所示的二元共晶相圖,回答下列問題:

(1)分析合金Ⅰ,Ⅱ的結晶過程,並畫出冷卻曲線;

(2)說明室溫下合金Ⅰ,Ⅱ的相和組織是什麼?並計算出相和組織組成物的相對量;

(3)如果希望得到共晶組織加上5%的β初的合金,求該合金的成分。

(4)合金Ⅰ,Ⅱ在快冷不平衡狀態下結晶,組織有何不同?

圖7

06 上期答案(1)填空題:根據相圖可以推斷合金的性能,相圖上的成分間隔越大,_____越嚴重;結晶間隔越大,鑄件凝固時越易產生_____;流動性越____。

(2)判斷題:合金中的相構成瞭組織,組織決定瞭合金的性能。( )

(3)選擇題:有一Cu-Ni合金的鑄態組織為樹枝狀α固溶體,枝幹富Ni、枝間富Cu,則其組織為( )。

A、單相;B、兩相;C、多相

【解析】

(1)偏析;縮孔疏松;差

液相線和固相線距離越大,勻晶反應析出的固相和液相的成分差就越大,冷速較快的情況下,來不及充分擴散,就會形成嚴重的枝晶偏析;

溫度間隔越大,在勻晶反應中,樹枝晶就會越粗大,阻礙液體流動,流動性差;同時分散縮孔就會嚴重,材料鑄造性能差,殘餘應力多,熱裂傾向大。

(2)正確

(3)A

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