热分析法建立二元合金相图

实验六 步冷曲线法绘制二元合金相图

实验六 步冷曲线法绘制二元合金相图 一、目的要求 1. 用热分析法测熔融体步冷曲线，再绘制绘Bi-Sn二元合金相图。 2. 了解热分析法的实验技术及热电偶测量温度的方法。 二、实验原理 1.相图 相图是多相(二相或二相以上)体系处于相平衡状态时体系的某些物理性质(如温度或压力)对体系的某一变量(如组成)作图所得的图形，因图中能反映出相图平衡情况(相的数目及性质等)，故称为相图。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条件下的相平衡情况，因此，研究多相体系相平衡情况的演变(例如钢铁及其它合金的冶炼过程，石油工业分离产品的过程)，都要用到相图。由于压力对仅由液相和固相构成的凝聚体系的相平衡影响很小，所以二元凝聚体系的相图通常不考虑压力的影响，而常以组成为自变量，其物理性质则取温度。 2.热分析法测绘步冷曲线 热分析法是绘制相图常用的基本方法。其原理是将体系加热融熔成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，用体系的温度随时间的变化情况来判断体系是否发生了相变化。记录体系的温度随时间的变化关系，再以时间为横坐标，温度为纵坐标，绘制成温度--时间曲线，称为步冷曲线(如图6,1)。从步冷曲线中一般可以判断在某一温

第四章 二元合金相图与合金凝固

一、本章主要内容：

相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律；

二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析 固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼；

二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面；

共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶；

二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶反应的应用 铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭中的偏析

其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，

熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变 二元相图总结及分析方法

二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图， 相图与合金性能的关系

相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图 二、 1.填空

1 相律表达式为___f=C-P+2

第四章 二元合金相图与合金凝固

一、本章主要内容：

相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律；

二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析 固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼；

二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面；

共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶；

二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶反应的应用 铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭中的偏析

其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，

熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变 二元相图总结及分析方法

二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图， 相图与合金性能的关系

相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图 二、 1.填空

1 相律表达式为___f=C-P+2

三元合金相图

一、填空

1. 三元相图等温截面的三相区都是___________________形。

2. 图1是A-B-C三元系成分三角形的一部分，其中X合金的成分是_____________________。

图1

3. 图2是三元系某变温截面的一部分，其中水平线代表________________反应，反应式为______________________ 。

图2

4．图3是某三元系变温截面的一部分，合金凝固时，L+M＋C将发生_________________反应。

图3

5. 三元相图的成分用__________________________表示。 6. 四相平衡共晶反应的表达式__________________________。 7. .图6是A-B-C三元共晶相图的投影图，在常温下：

合金I的组织是______________________________________ 合金II的组织是_______________________________________ 合金III的组织是______________________________________

图4

8． 三元相图有如下

Fe-Cr、Fe-Ni、Cr-Ni的二元合金相图

在Fe-Cr二元合金中，当铬含量超过wcr12%时，奥氏体完全消失。也就是说，在铬含量超过wcr12%后，合金将不会发生γ—α相变，因而也不会发生晶粒细化和强硬度的变化。在整个合金范围内，铁素体都之间从液态中结晶出来。当铬含量较高时，脆硬的σ相在约820℃从δ铁素体中开始析出。σ相是wcr45%的Fe-Cr金属间化合物，会使金属发生脆化。由于σ相是在晶界析出，消耗了大量的铬，使耐腐蚀性下降。在低于600℃时α（δ）铁素体偏析形成低铬的α铁素体和高铬的α’铁素体，这就是不锈钢的475℃脆化。

图1-1 Fe-Ni二元合金相图，Fe-Cr与二元合金相图相反，镍是强奥氏体（γ）形成元素。当镍含量达到wni5%以上时，从液态金属中就不再结晶为铁素体，而是形成γ奥氏体。δ铁素体的形成被限制在图中左上角的一个很小的范围内，而冷却到1400 ~1500℃℃时，δ铁素体又准备为γ奥氏体。这是一个包晶转变。随镍含量的增加，γ—α转变的温度从900℃逐渐下降到350℃。奥氏体组织很稳定，以至于快速冷却时，在很低的温度下，也不会发生γ—α转变，都会保持奥氏体组织。所以，这种钢也不会发生晶粒细化和

第三章 二元合金相图和合金的凝固

一、名词：

相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。 匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。 平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。 成分起伏：液相中成分、大小和位置不断变化着的微小体积。 异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶。 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象。

共晶转变：在一定温度下，由—定成分的液相同时结晶出两个成分一定的固相的转变过程。

脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称之为二次结晶。

包晶转变：在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另

一个一定成分的固相的转变过程。

成分过冷：成分过冷：由液相成分变化而引起的过冷度。

二、简答：

1. 固溶体合金结晶特点？

答：异分结晶；需要一定的温度范围。 2. 晶内偏析程度与哪些因素有关？

答：溶质平衡分配系数k0；溶质原子扩散能力；冷却速度。 3. 影响成分过冷的因素？

答：合金成分；液相内温度梯度；凝固速度。 4. 相图分折有哪几步？

答：以稳定化合物为独立组元分割相图并分析；熟悉相区及相；确定三相平衡转变性质。 三、绘图题

绘图表示铸锭宏观组织三晶区。 四、书后

铁碳平衡图

（The Iron-Carbon Diagrams）

连聪贤

本章阐述了铁碳合金的基本组织，铁碳合金状态图，碳钢的分类、编号和用途。要求牢固掌握铁碳合金的基本组织(铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体)的定义、结构、形成条件和性能特点。牢固掌握简化的铁碳合金状态图；熟练分析不同成分的铁碳合金的结晶过程；掌握铁碳合金状态图各相区的组织及性能，以及铁碳合金状态图的实际应用。掌握碳钢中常存元素对碳钢性能的影响；基本掌握碳钢的分类、编号、性能和用途。

铁碳合金基本组织铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体的定义、表示符号、晶体结构、显微组织特征、形成条件及性能特点。铁碳合金状态图的构成、状态图中特性点、线的含义。典型合金的结晶过程分析及其组织，室温下不同区域的组织组成相。碳含量对铁碳合金组织和性能的影响。铁碳合金状态图的实际应用。锰、硅、硫、磷等常存杂质元素对钢性能的影响。碳铁的分类、编号、性能和用途。

铁碳合金状态图是金属热处理的基础。必须配合铁碳合金平衡组织的金相观察实验，结合课堂授课，作重点分析铁碳合金的基本组织及其室温下不同成分铁碳合金的组织特征。练习绘制铁碳合金状态

四、课程纲要

（一）铁碳合金的构成

1．何谓金属的同素异构转变？试画出纯铁的结晶冷却曲线和晶体结构变化图。

答：由于条件（温度或压力）变化引起金属晶体结构的转变，称同素

异构转变。

2．为什么γ-Fe 和α- Fe 的比容不同？一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时，其体积如何变化？

答：因为γ-Fe和α- Fe原子排列的紧密程度不同，γ-Fe的致密度

为74%,α- Fe的致密度为68%，因此一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时体积将发生膨胀。

3.何谓铁素体（F）,奥氏体（A），渗碳体（Fe3C），珠光体（P）,莱氏体（Ld）？它们的结构、组织形态、性能等各有何特点？

答：铁素体（F）：铁素体是碳在??Fe中形成的间隙固溶体，为体心

立方晶格。由于碳在??Fe中的溶解度`很小，它的性能与纯铁相近。塑性、韧性好，强度、硬度低。它在钢中一般呈块状或片状。

奥氏体（A）：奥氏体是碳在??Fe中形成的间隙固溶体，面心立方

晶格。因其晶格间隙尺寸较大，故碳在??Fe中的溶解度较大。有很好的塑性。

渗碳体（Fe3C）：铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物。

渗碳体具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。

二元液系相图

一、实验目的

1.测定在常压下环己烷-乙醇的气液平衡相图。 2.掌握阿贝折射仪的使用方法。 二、实验原理

在恒压下，完全互溶双液体系的沸点与成分关系有下列三种情况：

（1）溶液的沸点介于二纯组分沸点之间；

（2）溶液有最高恒沸点，即对拉乌尔定律发生负偏差的溶液； （3）溶液有最低恒沸点，即对拉乌尔定律发生正偏差的溶液

图1 简单完全互溶双液系的T-x图

图2 具有最高恒沸点的T-x图

图3 具有最低恒沸点的T-x图

配制一系列不同组成的环己烷—乙醇溶液，然后测定其相应的折光率，由此可绘出组成—折射率的标准曲线。

测定混合液近似组成所对应的液相和气相折射率，通过标准曲线可以查出该温度下气液二相平衡时折射率所对应的环己烷组成，通过此方法再找出其他混合液近似组成的折射率所对应的环己烷组成，这样测得若干组数据后，以环己烷的组成x为横坐标，温度T为竖坐标作图，将气相点和液相点用光滑的曲线连成气相线和液相线，即得T-x图。 气液组成的折光率可用阿贝折射仪来测定。 三、仪器与试剂

阿贝折射仪，铁架台，沸点测量仪，沸点仪， 50mL量筒一个，

10mL刻度移液管各2支、试剂瓶若干、，长取液管，短取液管。

环己烷，无水乙醇，重蒸馏水

1 表示方法 1.1 二元系统概述

二元系统是含有两个组元(C=2)的系统，如：CaO—SiO2系统，Na2O—SiO2系统等。根据相律F=C-P+2=4-P,由于所讨论的系统至少应有一个相，所以系统最大自由度数为3，即独立变量除温度、压力外，还要考虑组元的浓度。对于三个变量的系统，必须用三个坐标的立体模型来表示。

但是，在通常情况下，硅酸盐系统是凝聚系统，可以不考虑压力的改变对系统相平衡的影响，此时相律可以下式表示：

F=C-P+1

在后面所要讨论的二元、三元、四元系统都是凝聚系统，不再做特别说明。 对于二元凝聚系统：F=C-P+1=3-P

当Pmin=1时，Fmax=2；当Pmax=3，Fmin=0

可见，在二元凝聚系统中平衡共存的相数最多为三个，最大自由度数为2，这两个自由度就是指温度（T）和两组元中任一组元的浓度（X）。因此二元凝聚系统相图仍然可以用平面图来表示，即以温度一组成图表示。

1.2 二元系统组成表示法

二元系统相图中横坐标表示系统的组成，因此又称为组成轴。组成轴的两个端点分别表示两个纯组元，中间任意一点都表示由这两个组元组成的一个二元系统。假设二元系统由AB两组元构成，则两个端点A和B分别表示纯A和纯B。

组成轴分