二元合金相图解析

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：2. 二元合金相图的测定方法目前使用的相图一般都是通过实验的方法得到的，现以Cu-Ni合金为例，说明用热分析实验法测定及绘制合金相图的过程。

纯金属结晶后只能得到单相的固体，合金结晶后，既可获得单相的固溶体，也可获得单相的金属化合物，但更常见的是获得既有固溶体又有金属化合物的多相组织。组元不同，获得的固溶体和化合物的类型也不同，即使组元确定之后，结晶后所获得的相的性质、数目及其相对含量也随着合金成分和温度的变化而变化，即在不同的成分和温度时，合金将以不同的状态存在。为了研究不同合金系中的状态与合金成分和温度之间的变化规律，就要利用相图这一工具。

相图是表示在平衡条件下合金系中合金的状态与温度、成分间关系的图解，又称为状态图或平衡图。利用相图，可以一目了然地了解到不同成分的合金在不同温度下的平衡状态，它存在哪些相，相的成分及相对含量如何，以及在加热或冷却时可能发生哪些转变等。显然，相图是研究金属材料的一个十分重要的工具。

2.2.3.1　二元合金相图的建立

1. 二元合金相图的表示方法

合金存在的状态通常由合金的成分、温度和压力三个因素确定，合金的化学成分变化时，则合金中所存在的相及相的相对含量也随之发生变化，同样，当温度和压力发生变化时，合金所存在的状态也要发生改变。由于合金的熔炼、加工处理等都是在常压下进行，所以合金的状态可由合金的成分和温度两个因素确定。对于二元系合金来说，通常用横坐标表示成分，纵坐标表示温度，如图2-18所示。横坐标上的任一点均表示一种合金的成分，如A、B两点表示组成合金的两个组元，C点的成分ωB=40%、ωA=60%，D点的成分ωB=60%、ωA=40%等。

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图2-18　二元合金相图的坐标

在成分和温度坐标平面上的任意一点称为表象点，一个表象点的坐标值表示一个合金的成分和温度，如图2-18中的E点表示合金的成分为ωB=40%，ωA=60%，温度为500 °C。

2. 二元合金相图的测定方法

目前使用的相图一般都是通过实验的方法得到的，现以Cu-Ni合金为例，说明用热分析实验法测定及绘制合金相图的过程。

（1）配置一系列不同成分的Cu-Ni合金，见表2-1。

表2-1　Cu-Ni二元合金的成分和实验结果

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（2）用热分析实验法测出各成分Cu-Ni合金的冷却曲线，如图2-19（a）所示。

（3）找出各冷却曲线上的相变点。可以看出，纯铜和纯镍的冷却曲线都有一水平阶段，表示其结晶的临界点。其他四种合金的冷却曲线都没有水平阶段，但有两次转折，两个转折点对应的温度表示两个临界点，表明这四种合金都是在一定温度范围内结晶的，温度较高的临界点是结晶开始的温度，温度较低的临界点是结晶终了的温度，见表2-1。

（4）将各个合金的临界点分别标注在温度-成分坐标图中相应的合金线上。

（5）连接各意义相图的临界点，就可得到如图2-19（b）所示的Cu-Ni相图。其中上临界点的连线称为液相线，表示合金结晶的开始温度或加热过程中熔化终了的温度；下临界点的连线称为固相线，表示合金结晶的终了温度或加热过程中开始熔化的温度。

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图2-19　Cu-Ni二元合金相图的测定

从上述测定合金相图的方法可知，配制的合金数目越多，所用金属纯度越高，热分析时冷却的速度越缓慢，则测得的合金相图越精确。目前，已通过实验的方法测定出了许多二元合金相图和三元合金相图，其形式一般都比较复杂，然而复杂的合金相图可以看作是由若干个简单的基本相图组成的。

2.2.3.2　匀晶相图

两组元不但在液态无限互溶，而且在固态也无限互溶的二元合金系所形成的相图，称为匀晶相图。具有这类相图的二元合金系主要有：Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Cd-Mg、Fe-Ni、Mo-W等。现以Cu-Ni相图为例进行分析。

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图2-20　Cu-Ni相图及典型合金平衡结晶过程分析

Cu-Ni二元合金相图如2-20所示，该相图十分简单，只有两条曲线，上面一条是液相线，下面一条是固相线，液相线和固相线把相图分成三个区域：液相区L、固相区α以及液、固两相并存区L+α。

平衡结晶是指合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。下面以ωNi=30%的Cu-Ni合金为例进行分析。

从图2-20可以看出，当合金自高温缓慢冷却至t1温度时，开始从液相中结晶出α固溶体，此时液相成分为L1，固相成分α1的含量为零。说明在温度t1时，结晶刚刚开始，实际固相尚未形成。当缓慢冷却至t2温度时，便有一定数量的α固溶体结晶出来，此时固相成分为α2，液相成分为L2，当冷却至t3温度时，最后一滴液体结晶成固溶体，结晶终了，得到了与原合金成分相同的α固溶体。图2-21示意地说明了该合金平衡结晶时的组织变化过程。

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图2-21　Cu-Ni合金平衡结晶过程示意图

2.2.3.3　共晶相图

两组元在液态时相互无限互溶，在固态时相互有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图，称为二元共晶相图。Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi等合金系的相图都属于共晶相图，在Fe-C、Al-Mg等相图中，也包含有共晶部分。下面以Pb-Sn相图为例，对共晶相图进行分析说明。

图2-22为Pb-Sn二元共晶相图，图中AEB为液相线，AMENB为固相线，MF为Sn在Pb中的溶解度曲线，也叫固溶度曲线，NG为Pb在Sn中的溶解度曲线。

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图2-22　Pb-Sn合金相图

相图中有三个单相区：即液相L、固溶体α相和固溶体β相。α相是Sn溶于Pb中的固溶体，β相是Pb溶于Sn中的固溶体。各个单相区之间有三个两相区，即L+α、L+β和α+β。在L+α、L+β与α+β两相区之间的水平线MEN表示α+β+L三相共存区。

在三相共存水平线所对应的温度下，成分相当于E点液相LE同时结晶出与M点相对应的αM和N点对应的βN两个相，形成两个固溶体的混合物。这种转变的反应式是：

这一转变是在恒温下进行的，而且三个相的成分是恒定值，在相图上的特征是三个单相区与水平线只有一个接触点，其中液相单相区在中间，位于水平线之上，两端是两个固相单相区。这种在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的转变过程，称为共晶转变或共晶反应。共晶转变的产物为两个固相的混合物，称为共晶组织。

相图中的MEN水平线称为共晶线，E点称为共晶点，E点对应的温度称为共晶温度，成分对应于共晶点的合金称为共晶合金，成分位于共晶点以左、M点以右的合金称为亚共晶合金，成分位于共晶点以右、N点以左的合金称为过共晶合金。

图2-22中的合金Ⅱ即为共晶合金，合金Ⅰ和合金Ⅲ为亚共晶合金，合金Ⅳ为过共晶合金，从相图中可以看出，在缓慢冷却时，与MEN共晶线相接触的合金都会发生共晶转变。

二元合金相图解析

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