二元相圖及應用
重要概念
相圖：描述系統的狀態、溫度、壓力、成分之間關係的一種圖解。
狀態：指系統中的各相的凝聚狀態、相的類型等。
相變：合金中的相從一種類型轉變為另一種類型的過程。
特別提示
相圖是在熱力學平衡的條件下建立起來的。測定相圖最常用的辦法是熱分析法，它要求合金在冷卻時冷卻速度非常緩慢，從而能夠滿足惹咯學平衡的條件。因此相圖又被稱為平衡相圖，平衡圖。
相圖的作用
利用相圖，可以了解不同成份的材料在不同條件下：
存在哪些相；
各相的相對量；
成分、溫度變化時材料中發生的相變。
二元相圖的建立
熱分析法
以 合金為例
配製一系列不同的 合金（例如等 6 个合金）；
分別測定上述合金的冷卻曲線；
在冷卻曲線上找出合金的各個臨界點（合金在凝固開始和凝固終了的溫度點）；
將各臨界點標在相圖的座標平面上（二元相圖的座標平面，橫軸為成分，縱軸為溫度）；
在相圖平面上將性質相同的臨界點分別連結起來，即建立起相圖。
二元相圖的基本類型與分析
二元勻晶相圖
$ Cu-Ni $ 合金相圖
勻晶反應（轉變）
從液相中直接結晶出固溶體的反應（轉變）。
具有勻晶相圖的二元合金系： 等。
槓桿定律：用於二元合金處於兩相平衡時，兩個相的相對量的計算。
枝晶偏析：合金在結晶時通常以樹枝狀形式長大，從而造成了樹幹和樹枝在成分上的差異，這就是枝晶偏析，是一種冶金缺陷。
處理辦法：一般可以通過鍛造和均勻化退火（或稱擴散退火）與以減輕或消除。
Cu-Ni 合金鑄態（枝晶偏析）
Cu-Ni 合金退火態
二元共晶相圖
共晶反應（轉變）
從液相中同時結晶出兩種不同的固相的反應（轉變）。
共晶相圖
兩組元在野台無限互溶，固態有限互溶或完全不互溶，冷卻時發生共晶反應的相圖。
具有共晶相圖的二元合金系：$ Pb-Sn, Al-Ag, Al-Si, Pb-Bi 等。
對 Pb-Sn 合金相圖各區域的分析
按組織組合物填寫的 Pb-Sn 合金相圖
二元包晶相圖
包晶反應（轉變）
依從液相中結晶出的固相和液相作用，生成一種新的固相等反應。
包晶相圖
兩組元在液態無限互溶，固態有限互溶或完全不互溶，冷卻時發生包晶反應的相圖。
具有包晶反應的二元合金系：等。
形成穩定化合物的二元相圖
穩定化合物
具有一熔點，在溶點一下保持其固有結構而不發生分解的化合物。
行曾穩定化合物的二元合金系：等。
1
Mg-Si 合金相圖
具有共析反應的二元相圖
共析反應（轉變）
一定成分的固相，一定溫度下，同時析出兩種化學成分和結構完全不同的新的固相的反應（轉變）。
共析相圖和共晶相圖在形狀上很相似，但發生的反應完全不同。共析相圖的分析方法與共晶相圖類似。
鐵碳合金相圖
鐵碳合金：以鐵和碳爲基本組元的合金。
兩大類：碳鋼（）、鑄鐵（）
碳在鐵碳合金中的存在形式：
C 溶入 Fe 的晶格間隙中形成間隙固溶體（鐵素體、奧式體）。
C 與 Fe 作用形成化合物（）.
以游離態（石墨）存在。
鐵碳合金中的基本相
鐵素體
符號：或
定義：碳溶解在體心立方晶格的形成的間隙固溶體。
碳溶解在體心立方晶格的中形成的間隙固溶體也是鐵素體，為了區別起見，故稱或高溫鐵素體。
性能：強度和硬度低，塑性和韌性高。
奧式體
符號：或
定義：碳溶解面心立方晶格的形成的間隙固溶體。
性能：強度和硬度低，塑性和韌性高。
相比鐵素體，奧式體可溶入更多的碳，強度和硬度更高。
滲碳體
符號：或
定義：碳和鐵相互作用形成的間隙化合物。
性能：熔點高，硬度大，脆性大，塑性幾乎為零。
鐵碳合金相圖分析
特徵點
| 符號 | 溫度 | 說明 | |
|---|---|---|---|
| A | 1538 | 0 | 純鐵的熔點 |
| B | 1495 | 0.53 | 包晶轉變時液態合金的成分（）。 |
| C | 1148 | 4.3 | 共晶點 |
| D | 1227 | 6.69 | 滲碳體的熔點 |
| E | 1148 | 2.11 | 碳在中的最大溶解度 |
| F | 1148 | 6.69 | 滲碳體的成分 |
| G | 912 | 0 | 的轉變溫度（A3） |
| H | 1495 | 0.09 | 碳在中的最大溶解度 |
| J | 1495 | 0.17 | 包晶點 |
| K | 727 | 6.69 | 滲碳體的成分 |
| N | 1394 | 0 | 的轉變溫度（A4） |
| P | 727 | 0.0218 | 碳在中的最大溶解度 |
| S | 727 | 0.77 | 共析點（A1） |
| Q | 室温 | 0.0008 | 室溫時碳在中的溶解度 |
特徵線
液、固相線
ABCD：液相線
AHJECF：固相線
三條水平線
HJB：包晶線（）
包晶反應：
ECF：共晶線（）
包晶反應： ，形成萊氏體
PSK：共析線（）
共析反應： ，形成珠光體
三條固態轉變線
GS： 轉變溫度線，又稱為線
ES： 碳在奧氏體（）中的固溶度曲線，又稱為線
PQ： 碳在鐵素體（）中的固溶度曲線
五種型態不同的滲碳體
一次滲碳體（）：從液相中析出的滲碳體。
共晶滲碳體：共晶反應中生成的滲碳體
二次滲碳體（）：從奧氏體中析出的滲碳體
共析滲碳體：共析反應中生成的滲碳體
三次滲碳體（）：從鐵素體中析出的滲碳體
典型鐵碳合金的平衡結晶過程分析
| 分類 | C% |
|---|---|
| 工業純鐵 | ＜0.0218 |
| 亞共析鋼 | 0.0218～0.77 |
| 共析鋼 | ＝0.77% |
| 過共析鋼 | 0.77～2.11 |
| 亞共晶白口鑄鐵 | 2.11～4.3 |
| 共晶白口鑄鐵 | ＝4.3% |
| 過共晶白口鑄鐵 | 4.3～6.69 |
工業純鐵（）的室溫組織：
工業純鐵
亞共析鋼 （）的室溫組織：
亞共析鋼
共析鋼 （）的室溫組織：
共析鋼
過共析鋼 （）的室溫組織：
過共析鋼
亞共晶白口鑄鐵 （）的室溫組織：
亞共晶白口鑄鐵
共晶白口鑄鐵 （）的室溫組織：
共晶白口鑄鐵
過共晶白口鑄鐵（）的室溫組織：
過共晶白口鑄鐵
含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響
對平衡組織的影響
對相組成物（和）的影響：隨升高，的相對量減少，的相對量增多。
對組織組成物（）的影響：隨升高，的相對量減少，的相對量增多，其餘組織的相對量在達到其特性成分點時達到最大值。
對力學性能的影響
鐵素體（）：軟韌相；滲碳體（）：硬脆相。
對硬度的影響：隨升高，硬度逐漸增大。
對強度的影響：隨升高，強度先增大、後降低。
對塑性和韌性的影響：隨升高，塑性和韌性降低。
對工藝性能的影響
對切削加工性的影響：中碳鋼的切削加工性能最好。
對可鍛性的影響：低碳鋼比高碳鋼的可鍛性好。
- 對鑄造性的影響：共晶點附近的鑄鐵鑄造性好。
- 對焊接性的影響：低碳鋼比高碳鋼的焊接性好。