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本课件系统讲解二元合金相图：先给出相平衡与相律、二元相图测定方法与杠杆定律，再依次分析匀晶、共晶、包晶三类基本相图及其典型合金的平衡与非平衡结晶过程，介绍含稳定与不稳定化合物、偏晶、合晶、熔晶等特殊相图，最后重点剖析铁碳相图的组元基本相、三条特性线与七类典型合金的结晶组织。
第四章 二元合金相图及其分类
4.1 相图的基本知识 4.1.1 相平衡和相律
相平衡是合金系中各相经历很长时间而不互相转化，处于平衡状态，相平衡条件是每个组元在各相中的化学位彼此相等。注意，相平衡是一种动态平衡。
相律有多种，其中最基本的是吉布斯相律，其通式如下：系统的压力为常数时，则可采用简化形式。
4.1.2 二元相图的测定方法
二元相图的测定是根据各种成分材料的临界点绘制。临界点是表示物质结构状态发生本质变化的临界相变点。测定材料临界点有两种方法类型：
这些方法主要是利用合金在相结构变化时引起物理性能、力学性能及金相组织变化的特点来测定。
以热分析法为例说明如何测绘 Cu—Ni 相图。
4.1.3 杠杆定律
如图，合金 x 在温度 T1 将由两相长期并存，这时两相的成分和数量保持不变。过 x 点作水平线交液相线和固相线于 a、c 点，经热力学证明 a、c 点的成分分别为平衡的液体和固体的成分。
4.2 匀晶相图及固溶体凝固 4.2.1 匀晶相图分析
匀晶相图是两组元在液态和固态均无限互溶时所构成的相图，其相图由液相线与固相线两条曲线划分为液相区、固相区和两相区。
4.2.2 匀晶转变过程
匀晶转变是液相中不断结晶出固溶体的过程，随温度下降固相不断增多，液相与固相的成分分别沿液相线和固相线变化。
4.2.3 不平衡结晶过程
在实际冷却条件下，由于扩散不充分，先结晶的固溶体与后结晶的固溶体成分不同，形成枝晶偏析。
4.3 共晶相图及其结晶过程
组成共晶相图的两组元，在液态可无限互溶，而固态只能部分互溶，甚至完全不溶。两组元的混合使合金的熔点比各组元低，因此液相线从两端纯组元向中间凹下，两条液相线的交点所对应的温度称为共晶温度。在该温度下，液相通过共晶凝固同时结晶出两个固相，这样两相的混合物称为共晶组织或共晶体。
共晶合金在铸造工业中非常重要，其原因在于它有一些特殊的性质：
4.3.1 共晶相图（CED 图7.10 Pb-Sn 相图）
4.3.2 共晶系典型合金的平衡结晶过程及其组织（一）端部固溶体合金
（二）共晶合金
说明：Pb-Sn 共晶成分的常见标准值为 ω(Sn)＝61.9%，源文件此处写作"69.1%Pb-Sn"，疑为排版或成分标注误差，建议对照原图核对。
（三）亚共晶合金
根据杠杆定律，亚共晶组织中相组成物的相对量：可按共晶温度下两相区两端成分计算。
组织组成物的相对量：初生相与共晶体各自所占比例同样由杠杆定律求得。
从初生相析出的 βⅡ 的相对量，也按相应温度下的杠杆关系计算。
说明：源文件此页的杠杆算式为图片形式，未提取到具体数值，建议对照原图补充。
（四）过共晶合金
过共晶合金的平衡结晶过程与亚共晶合金相似，只是初生相为 β 固溶体。室温组织为：β初＋αⅡ＋(α＋β)共晶。
综上所述
图7.14 ω(Sn)10%的 Pb-Sn 合金显微组织 500×；图7.15 Pb-Sn 共晶合金的显微组织 500×；图7.16 Pb-Sn 亚共晶合金的显微组织 500×；图7.17 Pb-Sn 过共晶合金的显微组织 500×。
4.3.3 共晶合金的非平衡结晶及组织（一）伪共晶
在平衡凝固条件下，只有共晶成分的合金才能得到全部的共晶组织。然而在非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得到全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶。
若合金中两组元熔点相近，伪共晶区一般呈对称分布；若两组元熔点相差很大，伪共晶区将偏向高熔点组元一侧。一般认为其原因是：共晶中两组成相的成分与液态合金不同，它们的形核和生长都需要两组元的扩散，而以低熔点为基的组成相与液态合金成分差别较小，通过扩散达到该组成相的成分就较容易，其结晶速度较大。所以，在共晶点偏于低熔点相时，为了满足两组成相形成对扩散的要求，伪共晶区的位置必须偏向高熔点相一侧。
4.4 包晶相图及其合金凝固
4.4.1 包晶相图（图7.20 Pt-Ag 合金相图）
4.4.2 包晶合金的平衡结晶过程及其组织（一）合金Ⅰ
在 1186℃ 发生包晶转变。组织：β＋αⅡ。
图7.21 合金Ⅰ的平衡凝固示意图。
4.4.3 包晶合金的不平衡结晶过程
某些合金在平衡凝固条件下获得单相固溶体，在快冷时可能出现少量的非平衡共晶体，非平衡共晶组织的出现将严重影响材料的性能，应该消除之。这种非平衡共晶组织在热力学上是不稳定的，可在稍低于共晶温度下进行扩散退火来消除非平衡共晶组织和固溶体的枝晶偏析，得到均匀单相 α 固溶体组织。
由于非平衡共晶体数量较少，通常共晶体中的 α 相依附于初生 α 相生长，将共晶体中另一相 β 推到最后凝固的晶界处，从而使共晶体两组成相相间的组织特征消失，这种两相分离的共晶体称为离异共晶。
4.5 其他类型的二元合金相图 一、具有化合物的二元相图（一）形成稳定化合物的相图
稳定化合物指具有一定的熔点，在熔点以下保持自己固有的结构而不发生分解；当温度达到熔点时化合物发生熔解，熔解时所生成的熔体与化合物成分完全一致。
Mg-Si 合金相图就是含有稳定化合物的相图，其中 Mg2Si 为稳定化合物，其熔点为 1087℃。Mg2Si 在状态图中是一条垂直线，可视为一个组元，所以可以将此相图看成是由两个简单的共晶相图 Mg-Mg2Si 和 Mg2Si-Si 组成的，可分别按各自的共晶相图进行分析。
（二）形成不稳定化合物的相图
不稳定化合物加热至一定温度时，不是发生本身的熔化，而是分解为两个相，所生成的液相与原化合物显然不同。
K-Na 合金相图即含有不稳定化合物，当 ω(Na)＝54.4% 的 K-Na 合金所形成的不稳定化合物被加热到 6.9℃，便会分解为成分与之不同的液相和 Na 晶体，实际上它是由包晶转变 L＋Na→KNa2 得到的。同样，不稳定化合物无论是处于一条垂线上或存在于具有一定溶解度的相区中，均不能作为组元而将整个相图划分为两部分。
二、具有偏晶转变的相图
Cu-Pb 二元相图在 955℃ 发生偏晶转变，955℃ 等温线称为偏晶线。326℃ 等温线为共晶线，由于共晶点 ω(Pb) 为 99.94%，很接近纯 Pb 组元。
五、具有固态转变的二元相图
4.6 二元相图的分析和使用 4.6.1 二元合金相图分析方法
4.6.2 根据相图推测合金的性能
合金的性能很大程度上取决于组元的特性及其所组成的合金相的性质和相对量，借助于相图所反映出的这些特性和参量来判定合金的使用性能和工艺性能，对于实际生产有一定的借鉴作用。
图：相图与合金强度、硬度及电导率之间的关系。
本页源文件未提取到文字内容，仅有图片（源文件仅残留章节页脚）。建议对照原课件图片补充本页要点说明。
4.7 铁碳相图
碳钢和铸铁是最为广泛使用的金属材料，铁碳相图是研究钢铁材料的组织和性能及其热加工和热处理工艺的重要工具。
图7.28 典型铁碳合金冷却时的组织转变过程分析。
4.7.1 铁碳相图的组元与基本相
4.7.2 Fe-Fe3C 相图分析：Fe-Fe3C 相图比较复杂，但可将其分成包晶相图、共晶相图及共析相图三个基本相图。
说明：源文件此页共析转变处写作"含0.218%C的铁素体"，按铁碳相图标准值应为 0.0218%C，此处已修正。
三条重要直线
4.7.3 铁碳合金的平衡结晶过程及组织（一）铁碳合金的分类
铁碳合金通常可按含碳量及其室温平衡组织分为三大类：工业纯铁、碳钢和铸铁。碳钢和铸铁是按有无共晶转变来区分的，无共晶转变、即无莱氏体的合金称为碳钢。在碳钢中又分为亚共析钢、共析钢及过共析钢，有共析转变的称为铸铁。
| 类型 | 含碳量 ω(C) |
|---|---|
| 工业纯铁 | ＜0.0218% |
| 亚共析钢 | 0.0218%—0.77% |
| 共析钢 | 0.77% |
| 过共析钢 | 0.77%—2.11% |
| 亚共晶白口铸铁 | 2.11%—4.30% |
| 共晶白口铸铁 | 4.30% |
| 过共晶白口铸铁 | 4.30%—6.69% |
（二）铁碳合金的平衡结晶 1、工业纯铁（ω(C)＝0.01%）
2、共析钢（ω(C)＝0.77%）
2、共析钢（ω(C)＝0.77%）
室温下珠光体中铁素体与渗碳体的相对量可用杠杆法则求得。
图7.31 共析钢的显微组织 500×；图7.32 共析钢的结晶过程示意图。
3、亚共析钢（0.0218%＜ω(C)＜0.77%）
因此，室温下的亚共析钢的组织为铁素体和珠光体。
亚共析钢的结晶过程示意图；亚共析钢的室温组织 200×。
4、过共析钢（0.77%＜ω(C)＜2.11%）
因此，过共析钢室温组织为珠光体和二次渗碳体。
5、共晶白口铸铁（ω(C)＝4.30%）
因此，共晶白口铸铁的室温组织是变态莱氏体，它保持原莱氏体的形态，只是共晶奥氏体已转变为珠光体。
6、亚共晶白口铸铁（2.11%＜ω(C)＜4.30%）
因此，亚共晶白口铸铁的室温组织为珠光体和变态莱氏体。
7、过共晶白口铸铁（4.30%＜ω(C)＜6.69%）
合金熔液冷至1～2点温度区间，结晶出渗碳体，先共晶相为以条状形态生长的一次渗碳体，其余的转变同共晶白口铸铁的转变过程相同。因此，过共晶白口铸铁的室温组织为一次渗碳体和变态莱氏体。
4.8.4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响
随着含碳量的增加，铁碳合金的组织发生以下的变化：
α＋Fe3CⅢ → α＋P → P → P＋Fe3CⅡ → P＋Fe3CⅡ＋Ld′ → Ld′ → Ld′＋Fe3CⅠ
碳含量对钢的力学性能的影响，主要是通过改变显微组织及其组织中各组成相的相对含量来实现的。铁碳合金的室温平衡组织均由铁素体和渗碳体两相组成。由于铁素体是软韧相，而渗碳体是硬脆相，珠光体由铁素体和渗碳体组成，其强度比铁素体高、比渗碳体低，而塑性和韧性比铁素体低、比渗碳体高；而且珠光体的强度随层片间距减小而提高。
在钢中渗碳体是一个强化相。如果合金的基体是铁素体，则随含碳量的增加，渗碳体越多，合金的强度越高。但若渗碳体这种脆性相分布在晶界上，特别是形成连续的网状分布时，则合金的塑性和韧性显著下降。
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