二元合金相图的建立和分析

2019-07-0114:56:03二元合金相图的建立和分析已关闭评论

合金相图是用来表示合金系的平衡相与成分、温度之间关系的图形,又称合金状态图或合金平衡相图。应用合金相图,可清晰了解合金在缓慢加热或冷却过程中的组织转变规律。所以,相图是进行金相组织分析、制订铸造、锻压、焊接、热处理热加工工艺的重要依据。

2.4.1 二元合金相图的建立

相图都是通过实验方法建立起来的,最常用的是热分析法。现以Cu-Ni合金为例,说明用热分析法测绘二元合金相图的基本步骤。

①配制不同成分的Cu-Ni合金,见表1.2.2。

表1.2.2 不同成分的Cu-Ni合金

二元合金相图的建立和分析

②用热分析法分别测出各组合金的冷却曲线(缓慢冷却),并找出各冷却曲线上的临界点的温度。

③画出温度-成分坐标系,在各合金成分的垂线上标出临界点温度。

④将物理意义相同的临界点连接起来,即获得Cu-Ni合金相图,如图1.2.10所示。

二元合金相图的建立和分析

图1.2.10 Cu-Ni合金的冷却曲线及相图

2.4.2 二元合金相图的分析

(1)匀晶相图

两组元在液态下和固态下均能无限互溶所构成的相图称为二元匀晶相图。属于该类相图的合金有Cu-Ni,Fe-Cr,Au-Ag等。下面以Cu-Ni合金为例,对二元匀晶相图进行分析。

1)相图分析

图1.2.11为Cu-Ni合金相图。图中A点(1 083℃)是纯铜的熔点,B点(1 452℃)是纯镍的熔点。上面一条曲线为液相线,该线以上区域的合金全部为液相的单相区。任何成分的合金从液态冷却到液相线时,就开始结晶出固体。下面一条曲线为固相线,在该线以下区域合金全部转变为固相,也是单相区。在液相线和固相线之间的区域是液相和固相共存的两相区。因此,匀晶相图是由两条曲线,分隔开两个单相区和一个两相区组成。

2)合金的结晶过程

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图1.2.11 Cu-Ni匀晶相图

以w Ni= 40%的合金为例说明Cu-Ni合金的结晶过程。由图可见,其成分垂线与液相、固相分别相交于1和2两点,当合金以极缓慢速度冷却到1点时,开始从液相中结晶出α固相,随着温度的不断降低,α固相不断增多,而剩余的L相不断减少,并且液相和固相的成分通过原子扩散而分别沿着液相线和固相线变化。当温度下降到2点时,合金结晶终了,获得与原合金成分一致的α相固溶体。但在实际生产条件下,由于冷却速度较快,原子扩散来不及充分进行,导致先后结晶出来的固相成分存在差异,这种晶粒内部化学成分不均匀的现象称为晶内偏析,又称枝晶偏析。

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图1.2.12 Pb-Sb共晶相图

(2)共晶相图

两组元在液态无限互溶,在固态下有限溶解,通过共晶反应形成两相机械混合物的二元相图称为二元共晶相图。具有这类相图的合金有Pb-Sn,Pb-Sb,Cu-Ag等。下面以Pb-Sb合金为例进行分析:

1)相图分析

如图1.2.12所示,在Pb-Sb合金相图中,A点为纯Pb的熔点,B点为纯Sb的熔点,ACB线为液相线,即在此线以上的Pb-Sb合金都是液相。而DCE线为固相线,在低于固相线温度时,各种成分的Pb-Sb合金都是固相。在ACB和DCE两线之间是液、固两相共存的两相区。

2)合金的结晶过程

图1.2.13为共晶合金的结晶示意图。当成分为11% Sb和89% Pb的合金,在结晶前即不形成Sb,也不形成Pb,冷却到C点时,开始结晶,并同时从液态合金中结晶出Pb和Sb的共晶体。这种从一种液态中同时结晶出两个固相的过程称为共晶转变(也称共晶反应),即Lc→(Pb+Sb),因此,固相线DCE线也称共晶线,C点称为共晶点。C点以下合金不再发生变化,最终组织为(Pb+ Sb)的共晶体。

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图1.2.13 共晶合金的结晶示意图

含Sb量低于11%的合金,其结晶后的产物为Pb+(Pb+ Sb)的组织,称为亚共晶组织;含Sb量高于11%的合金,结晶后的产物为Sb+(Pb+ Sb)的组织,称为过共晶组织。

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