任务5 二元合金状态图
一、状态图基本概念
纯金属的结晶是指在过冷和恒温状态下由液相向固相的转变过程，可以用冷却曲线来表示。例如，纯Pb和纯Sb的冷却曲线如图2－17所示，在结晶温度（Pb为327℃，Sb为631℃）以上为液相；在结晶温度以下液态全部转变为固态；在结晶温度时，液态和固态共存。
图2－17 纯Pb、纯Sb的冷却曲线
合金的结晶过程在本质上与纯金属的相同，也是一个形核、长大的过程。但合金由两种或两种以上的组元组成，在结晶过程中与纯金属相比，相的状态变化较复杂。合金液相可以结晶出单一固相，也可以结晶出多种相，而且有时相的成分会随温度的不同而变化；其次合金结晶既可在恒温下进行，也可在一定的温度范围内进行，图2－18所示的是三种不同成分的Pb－Sb合金冷却曲线。
图2－18 三种不同成分的Pb－Sb合金冷却曲线
图2－19所示的是根据五种Pb－Sb合金冷却曲线绘制Pb－Sb的合金状态图的过程。状态图中的横坐标表示组成元素的相对成分（质量分数）。在图2－9中，最左端表示纯Pb，从左到右Pb的质量分数减少，Sb的质量分数增加，最右端为纯Sb，任何成分的Pb－Sb合金都在横坐标上有相应的点。在Pb－Sb合金的冷却曲线中，曲线上的水平线或转折点相应的温度称为临界点温度。把纯Pb、纯Sb和其他三种成分的临界点温度标在其成分线上，然后把开始凝固点（A、C、B）和凝固终结点（D、C、E）用光滑曲线连接起来，就可以得到Pb－Sb合金状态图。
图2－19 Pb－Sb合金状态图的建立
状态图中的每个点、每条线、每个区域都有明确的物理意义。A、B点分别为纯Pb和纯Sb的熔点，因合金冷却到ACB线开始结晶，即在ACB线以上均为液相，故称ACB线为液相线，DCE线是合金结晶终结线，即在DCE线以下均为固相，故称DCE线为同相线。由于Pb和Sb在固态下互不相溶，因而该固相是Pb和Sb的混合物，是双相组织。在ACB线和DCE线之间是液相和固相共存区。在ACD区是液相L和固相Pb，在BCE区是液相L和固相Sb。
以上说明，合金状态图用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。由于合金状态图是在极其缓慢的冷却过程中测绘的，只能表示在平衡状态或接近平衡状态下相与相之间的关系，因而也称为平衡图或相图。
二、匀晶状态图
两组元在液态和固态均无限互溶时形成的是匀晶状态图。如图2－20所示，Cu－Ni合金状态图是典型的匀晶状态图，图中A点和B点分别是纯Cu和纯Ni的熔点，上面曲线为液相线，下面曲线为固相线，液相线以上是液相L，固相线以下是Cu与Ni形成的α固溶体。液相线与固相线之间是液相L和固溶体α的两相区，这是一种最简单的二元状态图。如Fe－Cr、Ag－Au、Au－Pt和Si－Be等的状态图均为匀晶状态图。
在匀晶状态图中，无论哪种成分最终都是α固溶体构成的单相匀晶组织，其结晶过程如图2－20所示。液相L降至T1温度时，开始析出α固溶体，这是一个形核、长大的结晶过程，α固溶体的成分为Y1。当温度降至T2温度时，结晶成树枝状晶体α固溶体的成分为Y2，剩余液体的成分为X2。随着温度继续下降，结晶出的α固溶体不断增加，液相不断减少，当降到T4温度时，液相全部结晶为成分是X4的α固溶体，继续冷至室温成分不再发生变化。
图2－20 Cu－Ni合金状态图及合金的结晶过程
实际上这类合金的组织往往具有明显的树枝结晶形态，如图2－21所示，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。这是因为当液相合金降至液相线时就开始析出成分为Y1的α固溶体，当温度下降时，继续结晶出的α固溶体的成分分别为Y2、Y3，最终变为Y4，因为冷却速度较快，原子在固相中扩散速度较慢，扩散速度远跟不上结晶过程，因而在先结晶的主干中含高熔点组元Ni较多，后结晶的枝干部分含低熔点的组元Cu较多。固溶体中结晶温度变化范围，即液相线与固相线间距离越大，不均匀性越明显，枝晶偏析越严重。常用扩散退火的方法改善枝晶偏析造成的力学性能和耐蚀性的下降。扩散退火后的显微组织如图2－22所示。
图2－21 Cu－Ni合金的树枝状组织（铸态组织）
图2－22 Cu－Ni合金扩散退火后的显微组织
三、共晶状态图
两组元在液态和固态部分互溶，并有共晶反应时会形成共晶状态图。如图2－23所示，Pb－Sn合金状态图就属于共晶状态图，其他如Ag－Cu、Pb－Si、Al－Si等合金系的状态图也属于此类状态图。
图2－23 Pb－Sn合金状态图
从图2－23中得知，Pb－Sn状态图中共有三个相，液相L、α相和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。
合金系中相区有：L区、（L＋α）区、（L＋β）区、（α＋β）区、α区、β区等。
ACB线是液相线，ADCEB线是固相线，DF线是有限固溶体α的溶解度曲线，EG线是有限固溶体β的溶解度曲线，DCE线是共晶线。成分为C点的合金在该温度下，同时结晶出α和β两种固溶体混合物的反应称为共晶反应，该组织称为共晶组织或共晶体，反应式为：
。共晶反应是在恒温下完成的，共晶组织中的α相为D点的成分，β相为E点的成分。
在共晶状态图中，室温下的各种不同成分合金的组织如图2－24（a）所示。
成分F点以左的合金，由液相析出α相，随后为单相α匀晶组织。成分在FD线范围内时，合金在形成单相α匀晶组织后，继续冷却到DF线时，α相中Pb的质量分数达到饱和，低于DF线时就要析出含Sn较高的β固溶体，它以细质分布在α固溶体内。这种在固相中析出第二相的现象称为二次结晶，用βⅡ表示。最终组织为（α＋βⅡ）。
合金成分为C点时，液态合金冷却到DCE线时发生共晶反应，最终形成（α＋β）细密混合的共晶体组织，这种成分的合金称为共晶合金。
在DC线之间，液相L首先析出α相，剩余液相L的成分沿AC线变化，冷却至DCE线时液相成分恰好为C点成分，便发生共晶反应，因而最终组织为先析出的α相与共晶组织（α＋β）的混合组织，即α＋（α＋β），这部分合金称为亚共晶合金。在C点和E点之间，合金成分与前述D点和C点之间合金相类似，不同的是先析出的是β相，最终形成β相与共晶组织（α＋β）的混合组织，这部分合金称为过共晶合金。
在E点和G点之间最终组织为（β＋αⅠ），在G点右边，最终组织为单相β匀晶组织。
从以上分析可看到，在室温时，F点以左、G点以右分别为单相α、β。在F点和G点之间均是双相（α＋β），但随着Sn质量分数的增加，两相中α相逐渐减少，而β相相对增加，如图2－24（b）所示。
四、共析状态图
具有共析反应的状态图如图2－25所示。共析反应与共晶反应极为相似，不同的是在平衡温度下从一个固相中析出另外两个固相的混合物。共析反应为
图2－24 各种不同成分合金组织及其相对数量变化
图2－25 具有共析转变的二元合金状态图
分析这类状态图时，可把上半部分看做是匀晶状态图，下半部分看做是共晶状态图。
由于原子在固态时扩散困难，共析反应时易过冷，因而得到的共析组织比其共晶组织细密得多。
复习思考题2
1．名词解释。
晶体 非晶体 单晶体 多晶体 金属键 晶格 晶胞 晶格常数 致密度 晶体的各向异性 同素异晶 构）转变 点缺陷 线缺陷 亚晶粒 亚晶界 位错 结晶一次结晶 二次结晶 理论结晶温度（熔点） 树枝状晶体 晶粒度 变质剂 变质处理 组元（元）系 相 组织 组织组成物 置换固溶体 间隙固溶体 正常价化合物电子化合物 间隙相 间隙化合物 机械混合物 匀晶状态图 共晶状态图 共析状态图 枝晶偏析
2．试用金属键的特点说明金属的特点。
3．金属晶格类型常见的有哪几种？试画出示意图。
4．为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？
5．何谓位错？位错对金属材料的力学性能有什么影响？
6．何谓过冷度？它与冷却速度有何关系？对铸件晶粒大小有何影响？
7．简述金属的结晶过程，分析一般金属结晶后会形成多晶体的原因。
8．获得细晶粒的途径主要有哪些？细晶粒对力学性能有何影响？
9．如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小。
（1）金属模铸造与低温浇注。 （2）高温浇注与低温浇注。
（3）铸成薄件与铸成厚件。（4）浇注时采用振动与不采用振动。
10．判断是非题。
（1）凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶。
（2）金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越细。
（3）当冷却速度非常缓慢时，不要过冷度也可以结晶。
11．把铁加热，铁会逐渐膨胀，但发现加热温度超过912℃时，铁反而收缩，试解释其原因。
12．工业上为什么大多使用合金材料？
13．试比较固溶体、金属化合物和机械混合物的特点，填入下表。
14．已知A（熔点为600℃）与B（熔点为500℃）在液态下无限互溶；在固态300℃时，A 在B中有最大的溶解度，wA为30%；在室温时wA为10%。但B不溶于A，在300℃时B的质量分数为40%的液态合金发生共晶反应。（1）试分析A－B合金状态图。（2）试分析wB为20%时合金的结晶过程。
15．什么是共晶转变？什么是共析转变？它们有何异同处？
16．铸造为什么常用接近共晶成分的合金？压力加工为什么选用单相固溶体合金？
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