西华大学工程材料期末考试总复习合金的结构与结晶资料PPT教案

成分坐标轴上合金的分类：
具有共晶成分的合金称共晶
合金。在共晶线上，凡成分位
A
于共晶点以左的合金称亚共晶
合金，位于共晶点以右的合金
称过共晶合金。（凡具有共晶 线成分的合金液体冷却到共晶
温度时都将发生共晶反应，室 问温组织中都有两相共晶组织
。）
位于C点以左和D点以右的 合金室温组织都是单相固溶体
组成，故称单相固溶体合金。
A
② 相区：相图中有三个单相区： L、、
；三个两相区： L+、L+、+ ；
B
一个三相区：即水平线CED。
③ 点：A、B分别为Pb、Sn的熔点。
④ 相线：
液相线AEB，固相线ACEDB。
固溶线: 溶解度点的连线称固溶线。 相图中的CF、DG线分别为 Sn在 Pb中 和 Pb在 Sn中的固溶线。固溶体的溶解 度随温度降低而下降。
合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷 速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的 高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）, 后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素 (如Cu-Ni合金中的Cu)。
如果将各温度下固溶体和液相的平均成分点分别连接成线，则该线分别称 为固相平均成分线和液相平均成分线。
化合物类型
正常价化合物 —— 按化合价规律形成，如，Mg2Si 。
电子化合物 —— 按电子浓度规律形成，如，Cu3Al 。 间隙化合物 —— 过渡族金属+小半径非金属元素
间隙相：r非/r金0.59，如，WC、TiC、VC。间隙相具
有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。部分碳化物和 所有氮化物属于间隙相。
用热分析法建立 Cu-Ni相图
4.3 二元匀晶相图
两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀 晶相图。
以Cu-Ni合金为例进行分析。
铜-镍合金匀晶相图
液相线
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 纯铜 1000 1083 熔点
液相区 L
1455
L+
纯镍 熔点
固相线
Cu
在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求 的两平衡相（或两组织组成物）的成分。 杠杆定律只适用于两相区（或两种组织组成物）。 例（如图）
Q
0.53 0.45 100% 61.5% 0.58 0.45
QL
0.58 0.58
0.53 0.45
100%

38.5%
(3) 固溶体的非平衡结晶与微观偏析
三元系：三元系恒压下有两个独立可变的 成分变量和一个温度变量，故相图有两根成 分横坐标轴和一根温度纵坐标轴组成立体图。
在相图中，任意一点都叫“表象点”。 一个表象点的坐标值反映一个给定合金的成 分和温度。在相图中，由表象点所在的相区 可以判定在该温度下合金由哪些相组成。
恒压下纯铁的相图
相图的建立方法
a 、有序固溶体：溶质原子在固溶体中有规律的分布。 （只能 是置换固溶体）
b、无序固溶体：溶质原子在固溶体中无规律的分布。
固溶体的性能： 随溶质含量增加, 固溶体的强度、硬度增
加, 塑性、韧性下降不多的现象—固溶强化。 故固溶体的综合力学性能较好，多为合金的 基体相。
金属化合物
合金组元相互作用形成的晶格类型和性能与任一组元都不相 同的新相。
Pb原子 扩散
Sn原子 扩散
Pb-Sn共晶组织
共晶体长大示意图
析出过程中两相相间形核、 互相促进、共同长大，因而 共晶组织较细，呈片、棒、 点球等形状。
共晶组织 形态
Pb-Sn共晶组织
层片状(Al-CuAl2定向凝固) 条棒状(Sb-MnSb横截面)
螺旋状（Zn-Mg）
⑵ 合金的结晶过程
相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶 体结构及性能相同并有界面与其它部分分开 的均匀组成部分。
组织由相构成，有单相组织、两相组织、 多相组织等。
组织：用肉眼或用显微镜观察到的材料微 观形貌图像的统称。
同样的几种相，当形态、数量、大小和分 布方式不同时，构成不同的组织。金属材料 性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺 过程决定。
方法：实验法和计算法。
实验法建立相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界 点表示物质结构状态发生本质变化的相变点。测定材料临界点 有动态法和静态法两种方法，如前者有热分析、膨胀法、电阻 法等；后者有金相法、X射线结构分析等。相图的精确测定必须 由多种方法配合使用。下面介绍用室温的冷却曲线，得到各临 界点。
共晶线：水平线CED叫做共晶线。 在共晶线对应的温度下（183 ℃），E点成分的合金同时结晶
出C点成分的 固溶体和D点成分的 固溶体，形成这两个相的
机械混合物：
LE ⇄(C + D)
A
B
在一定温度下，由一定成分的 液相同时结晶出两个成分和结 构都不相同的新固相的转变称 作共晶转变或共晶反应。
共晶反应的产物，即两相的 机械混合物称共晶体或共晶组 织。发生共晶反应的温度称共 晶温度。代表共晶温度和共晶 成分的点称共晶点。
固溶体在不平衡凝固时液、固两相的成分变化及组织变化示意图
结论： 固相平均成分线和液相平均成分线与固相线和液相线不同， 冷却速度越快，它们偏离固、液相线越严重；
非平衡凝固总是导致凝固终结温度低于平衡凝固时的终结温 度。
在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作 枝晶偏析（/微观偏析）。
位置中。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金 属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。 形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂<0.59。
a、有限固溶体：在一定的条件下，溶质在固溶体中存在一极 限浓度，如超过此浓度则有其它相形成。
b、无限固溶体：溶质可以任意比例溶入到溶剂中，最高可达 100%。（只能是置换固溶体）
固相区
20
液固两相区
40 60 Ni%
Ni 80 100
(1)匀晶合金的平衡结晶过程
除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合金为例说 明。
当液态金属自高温冷却 到 t1温度时，开始结晶出成 分为1的固溶体，其Ni含量 高于合金平均成分。
这种从液相中结晶出单 一固相的转变称为匀晶转 变或匀晶反应。
1’
19.2
wt%Sn
③ 亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程
合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到 C点，液相成分变化到E点, 此时两相的相对重量为：
QL
(
QE
)
C2 CE
100%,
Q
2E 100% CE
在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：
(2) 杠杆定律
处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还 可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。 现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：
① 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。在
成分垂线相当于温度t 的o点作水平
线，其与液固相线交点a、b所对应 t
的成分x1、x2即分别为液相和固相的
随温度下降，固溶体重 量增加，液相重量减少。 同时，液相成分沿液相线 变化，固相成分沿固相线 变化。
成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴L3成分 的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分3上来。
液固相线不仅是相区分界 线, 也是结晶时两相的成分 变化线；匀晶转变是变温转 变。
相图（/平衡图/状态图）：平衡条件下，合金的相状态与温 度、成份间关系的图形。是制订熔炼、铸造、热加工及热处理 工艺的重要依据。
根据组元（组成元素）数, 分为二元相图、三元相图和多元 相图。
（补充）相率
恒压下：f=c-p+1
f：自由度数，能改变系统状态的、独立可变的因素（包括温 度、成分等）的数目。fmin=0。
因此两相的相对重 量百分比为：
QL
x x2 x1 x2
ob ab
Q
x1x x1 x2
ao ab
两相的重量比为：
QL Q
xx2 x1 x
(
ob ao
)
或QL x1 x
Q
xx2
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即 合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离 较远的成分线段之比。
c：组元数。 p：相数。 由公式可知： fmin=c-pmax+1 故：pmax=c-fmin+1=c-0+1
相图的表示
单元系：单元系成分不变，恒压下只有温 度可变，故相图由一根温度纵坐标轴组成。
二元系：二元系恒压下有一个独立可变的 成分变量和一个温度变量，故相图有一根成 分横坐标轴和一根温度纵坐标轴组成平面图。
合金机械性能好（有固溶强化、弥散强化等），种类多，可满足各方面 要求。
组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。 二元合金：由两个组元（组成元素）组成的合金。 多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生 任何反应的化合物也可看作组元, 如Fe-C合金中的Fe3C。
4.1 合金中的相
4.4 二元共晶相图
当两组元在液态下完 全互溶，在固态下有 限互溶,并发生共晶反 应时所构成的相图称 作共晶相图。
以 Pb-Sn 相图为例进 行分析。
Pb
成分（wt%Sn）
Sn
Pb-Sn合金相图
⑴ 相图分析
① 相：相图中有L、、三种相, 是
溶质Sn在 Pb中的有限固溶体， 是溶
质Pb在Sn中的有限固溶体。
成分。
1
2
② 确定两平衡相的相对重量 设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。
则 QL + Q =1
QL x1 + Q x2 =x
解方程组得
QL
x2 x x2 x1
Qα
x x1 x2 x1
式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、 x1x2(ab)、 x1x(ao)的长度。
Q
QⅡ
② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程
液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共晶反应：LE
⇄(C+D) 。在共晶转变过程中，L、 、 三相共存, 三个相的
量在不断变化，但它们各自成分是固定的。
1’
19.2
wt%Sn
共晶结束后，随温度下降， 和 的成分分别沿CF线和DG线 变化，并从共晶 中析出Ⅱ ，从共晶 中析出Ⅱ ，由于共晶 组织细， Ⅱ与共晶结合， Ⅱ与共晶 结合，共晶合金的室温 组织仍为 ( + ) 共晶体。
复杂结构的间隙化合物：r非/r金0.59如，Fe3C、
Cr23C6。
金属化合物的性能：熔点高、硬度高，脆性大。
弥散强化：金属化合物硬而脆，当其以极 小的粒子均匀分布在固溶体基体上时，使合 金的强度、硬度增加，而塑性、韧性降低不 多的现象。
故金属化合物多为合金的强化相（也称第 二相）。
4.2 合金相图的建立
合金中有两类基本相 —— 固溶体和金属 化合物。
过共析钢 x400 亚共析钢 x400
固溶体
合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相。
习惯以、、表示。
与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。
固溶体的分类： a、置换固溶体：溶质原子取代溶剂原子的位置，
但整个结构仍然是溶剂的晶体结构。 b、间隙固溶体：溶质原子位于溶剂原子的间隙
形成二次相的过程称脱溶转变, 是固态相变的一种。
.2
随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线变化， Ⅱ的重量增加。
室温下Ⅱ的相对重量百分比为：QⅡ
F 4 100% FG
由于二次相析出温度较低，一般十分细小。
Ⅰ合金室温组织为 + Ⅱ 。
成分大于 D点合金 结晶过程与Ⅰ合金 相似，室温组织为 +Ⅱ。
L+
C
B D
Pb-Sn合金的结晶过程
① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程 在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相
称一次相或初生相。 温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过
程也称析出）新相— 相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。由 析出 的二次 用Ⅱ 表示。
西华大学工程材料期末考试总复习合金 的结构与结晶资料
会计学
1
常用概念
合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列 不同成分的合金。
合金：一种金属元素与另一种或几种其它元素（金属或非 金属），通过熔炼或其它方法结合在一起所形成的具有金属 特性的物质。
实际应用中多使用合金，主要因为：
纯金属机械性能差，种类有限。
冷速越大、元素的扩散能力越弱、液固相线间距越大，枝晶 偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。
生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，以 使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺 称作扩散退火（不能消除宏观偏析）。
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织