第二章 二元合金的相图

2、1、2、1 正常价化合物 通常由金属元素与周期表中第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ族元素组 成。具有严格的化合比，成分固定不变，可用化合式表 示。 正常价化合物的特点：组元负电性相差较大，周期表中 的位置相差较远。两组元的负电性相差越大，组成的化 合物就越稳定。 性能：具有较高的硬度，脆性较大。 2、1、2、2 电子化合物 是由第Ⅰ族或过渡族金属元素与第Ⅱ至第Ⅴ族金属 元素形成的金属化合物。它不遵守原子价规律，而是按 照一定电子浓度的比值形成化合物，电子浓度不同，所 形成的化合物的晶格类型也不同。例如电子浓度为 21/14时，具有体心立方；21/13时，为复杂立方晶格； 21/12时，为密排六方晶格。 性能：具有很高的熔点和硬度，但脆性很大。



(3)式也可以写成: WL=xc/ac*100% Wa=ax/ac*100% 式中：WL为L相的相对质量；Wa为固相相对质量； xc、ax为线段长度。
温 度
L
杠杆定理 QS + QL = 1 aQS + bQL = c QL=(ac／ab) 100% QS=(bc／ab) 100%
§2.2二元合金相图的建立



2、2、1 二元相图表示方法 合金结晶后，可以形成单相的固溶体或金属间化合 物，但通常形成既有固溶体又有金属间化合物的多相组 织。为了研究合金的组织与性能的关系，必须先了解合 金中各种组织的形成与变化规律。而相图则是有效工具。 相图：是表示在平衡状态下合金的化学成分、相、组织 与温度的关系图。（平衡状态图）是表示合金系在平衡 条件下，在不同温度、成分下的各相关系的图解，因此， 又称之为状态图或平衡图。 所谓平衡是指合金系中各相成分与相质量比不再随 时间变化的一种状态。合金在极缓慢冷却条件下结晶， 可以认为是平衡条件下的结晶过程。
教 学 难 点
匀晶相图和固溶体的结晶 包晶相图及其合金的结晶
第二章 二元合金的相结构与结晶




合金：指两种或两种以上的金属，或金属与非金 属，经过熔炼或烧结，或用其它方法组合而成的 具有金属特性的物质。如：碳素钢（铁、碳）； 黄铜（铜、锌）；铅青铜（铜、锌、铅）。 合金为什么比纯金属性能优良呢？首先要了解： 1、各合金组元彼此相互作用形成那些合金相；他 们的化学成分及其晶体结构如何； 2、合金结晶以后各组成相的形态、大小、数量和 分布状况，即组织状态如何？ 最终达到目的：合金和化学成分、晶体结构、组 织状态和性能之间的变化规律。 分析所用的工具：合金相图。


组织的概念： 在金属与合金中，由于形成的条件不同，可能形成不同 的相，并且相的数量、大小、分布状态也不同，即形成 不同的组织。组织是一个与相紧密相关的概念。通常， 可以将直接用肉眼或借助于放大镜、显微镜观察到的微 观形貌图象统称为组织。 宏观组织：用肉眼或放大镜观察到的。 显微组织：用显微镜观察到的。 电子显微组织：用电子显微镜观察到的。 相是组成组织的基本组成部分，但是，同样的相，当它 们的大小、分布不同时，就会出现不同的组织。 组织是决定材料性能的一个极为重要的因素。在条件相 同的条件下，不同的组织使材料表现出不同的性能。因 此，在实际生产中，控制和改变材料的组织具有极为重 要的意义。




2、1、2、3 间隙相和间隙化合物 主要受组元的原子尺寸因素所控制，通常由过渡族 金属与原子半径很小的非金属元素氢、氮、碳和硼所组 成。 根据非金属元素（以X表示）与金属元素（以M表 示）的原子半径的比值，可以分为两类：当rx/rm<0.59 时，形成具有简单结构的化合物，称为间隙相；当 rx/rm>0.59时，则形成具有复杂晶体结构的化合物，称 为间隙化合物。 间隙相的性能：具有极高的熔点和硬度，具有明显的金 属特性，如具有金属光泽和良好的导电性。是硬质合金 的重要相组成（VC ） 。 间隙化合物的性能：具有很高的熔点和硬度，但比间隙 相的熔点和硬度低些，而且加热时也较易分解。是碳钢 及合金钢中的重要组成部分（ Fe3C ） 。


杠杆定律：在合金结晶过程中，随着结晶过程的进行， 合金中各个相的成分以及它们的相对含量都发生变化。 对于一种合金，我们不仅要知道相的成分，还要知道相 的相对含量。杠杆定律就是解决此问题。 当合金处于两相区内任一温度时，L、α相的成分及 两相的相对量可按下述方法确定：
当合金处于两相区内任一温度时，L、α相的成分 及两相的相对量可按下述方法确定： 1) 两相成分的确定 如图所示，过温度（T1）作水平线，该线与液相 线交于a点，与固相线交于c点，点a在成分轴上的 投影点a即为L相的成分，c在成分轴上、2 固溶体的性能

溶质原子与溶剂原子大小不同，溶入溶剂必然造 成局部的晶格畸变。





1、对于置换固溶体和间隙固溶体而言，随着溶质原子 的加入，点阵常数都要发生变化，固溶体能也发生了变 化。见图2-5。 固溶强化的概念:表现为固溶体的强度和硬度升高、塑 性和韧性有所下降。溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越 大，则强化效果越好；间隙原子造成的晶格畸变比置换 原子大，强化效果也好。而如延伸率、断面收缩率和冲 击功等塑性、韧性等比纯金属的平均值要低。 固溶强化是提高合金机械性能的一种重要途径，在 金属材料的生产和研究中得到了极为广泛的应用。 间隙原子造成的晶格畸变比置换原子大，强化效果 也好。对综合力学性能要求较高，即强度、韧性和塑性 之间有较好配合的结构材料，常以固溶体作为基本相。 2、物理性能也会发生变化。
第二章 二元合金的相结构与结晶
§2.1 合金中的相 §2.2二元合金相图的建立
§2.3匀晶相图
§2.4共晶相图 §2.5包晶相图 §2.6组元间形成稳定化合物的相图 §2.7由二元相图判断合金的性能
本章题重点与难点
教 学 重 点
合金的相结构 匀晶相图、共晶相图和包晶相图的 相图分析、平衡结晶过程等

（2）间隙固溶体：溶质原子不是占据溶剂晶格的正常 结点位置，而是填入溶剂原子间的一些间隙中。

2、按固溶度分类 （1）有限固溶体：在一定条件下，溶质组元在固溶体 中的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再溶解了。 这一限度称为溶解度或固溶度。




（2）无限固溶体：溶质能够以任意比例溶入溶剂，固 溶体的溶解度可达100%。此时，难以区分溶质、溶剂， 只有将浓度大于50%的组元成为溶剂，浓度小于50%的 组元称为溶质。 注意：无限固溶体只可能是置换固溶体，不可能是间隙 固溶体。 3、按溶质原子与溶剂原子的相对分布分类 （1）无序固溶体：溶质原子统计地或随机地分布于溶 剂的晶格中，它或占据着与溶剂原子等同的一些位置， 或占据溶剂原子的间隙中，看不出什么次序性或规律性， 这类固溶体叫做无序固溶体。 （2）有序固溶体：当溶质原子按适当比例并按一定的 顺序和一定的方向，围绕着溶剂原子分布时，这类固溶 体叫做有序固溶体。 有些合金在一定温度下，可以由无序固溶体转变为有序 固溶体，称为有序化转变。有序固溶体又称为超结构或 超点阵。
I：纯铜；II：75%Cu+25%Ni III：50%Cu+50%Ni IV：25%Cu+75%Ni V：纯Ni





2、2、3 二元合金相图的使用 1、由相图确定某一成分合金某一温度时存在的相。 2、由相图确定给定合金的相变温度。 3、由相图确定某成分合金某一温度下两平衡相的成分 和相对质量（杠杆定律） 二元合金两相平衡时，两平衡相的成分与温度有关， 温度确定则两平衡相的成分均为确定值。 确定方法：过该温度时的合金表象点作水平线，分 别与相区两侧分界线相交，两个交点的成分坐标即为 相应的两平衡相的成分。 某一成分二元合金某温度处于两相平衡共存状态时， 两平衡相的相对质量也可以确定，但需用到杠杆定律。


2) 两平衡相相对量的确定 在两相区内，对特定的温度，两相的质量比是一定 值。 设:合金的总质量为1,液相的相对质量为WL, 固相的相 对质量为Wa,,则有:WL+ Wa=1。…….(1) 此外，合金中含镍量应等于液相中的镍与固相中的 镍含量之和，即 WL*a+Wa*c=1*x…(2) 将(1)代入(2)式中,可得 WL/Wa=xc/ax….(3)




2、1、2 金属间化合物 是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，又 称为中间相。其晶格类型及性能不同于任一组元，一般 可以用分子式来大致表示其组成。因为具有一的金属性 质，所以称为金属间化合物。 金属间化合物的性能：由于金属间化合物一般具有复杂 的化合键和晶格结构，其熔点高，硬而脆。合金中的金 属化合物使合金的强度、硬度和耐磨性提高，但会降低 塑性和韧性。因此，它是碳钢、合金钢、硬质合金和许 多有色合金的重要强化相。与固溶体适当配合，可以满 足材料所需要的性能要求。如碳钢中的Fe3C、工具钢中 的VC、高速钢中的W2C、硬质合金中的WC和TiC等，提 高了材料的强度、硬度、耐磨性和热硬性等。 常见的金属间化合物有：正常价化合物、电子化合物、 间隙相和间隙化合物三种。
§2.1 合金中的相

１、组元(元）：组成合金的最基本的、能独立存在的 物质。一般，组成合金的各个化学元素及稳定的化合物 都是组元。合金中有几种组元就称之为几元合金。碳素 钢是二元合金，铅青铜是三元合金。


２、合金系：是指具有相同组元，而成分比例不同的一 系列合金。如各种碳素钢。 ３、相：当不同组元经熔炼或烧结组成合金时，这些组 元间由于物理、化学的相互作用，形成具有一定晶体结 构和一定成分的相。相是指在合金中，凡是化学成分相 同、晶体结构相同并有界面与其它部分分隔开来的一个 均匀区域。在一个相中可以有多个晶粒，但是一个晶粒 中只能是同一个相。由一种相组成的合金称为单相合金； 由几种不同相组成的合金称为多相合金。
a
TL Tn TS
S
Qs A QL
b a c b
B
§2.3匀晶相图

2、3、1 相图分析

两组元在液态和固态都无限互溶的合金系称为匀晶系， 匀晶系合金的相图称为匀晶相图。这类合金凝固时， 都是从液相中结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称 匀晶转变。 Cu-Ni、Ag-Au、Fe-Cr、Fe-Ni、Cr-Mo、 Mo-W合金的相图都属于这类相图。 相图分析：Cu-Ni二元合金相图如图2-10所示。上面一 条是液相线，下面一条是固相线。液相线和固相线将 相图分为三个区域：液相区L、固相区a和固液共存的 区域L+a。


2、2、2 相图的测定 建立相图的方法有实验测定和理论计算两种。现在所使 用的相图大部分是根据实验方法建立起来的。实验的方 法很多，有热分析法、膨胀法、X射线结构分析法等 方法是： 以Cu-Ni合金为例。 上临界点连线为液相线， 下临界点连线为固相线， 三个区：液相区 用L表示， 固相区，用a 表示， 液、固两相共存区，用 a + L表示。



利用相图，可以一目了然地了解到不同成分的合 金在不同温度下的平衡状态，它存在哪些相，相的成 分及相对含量如何，以及加热或冷却时，可能发生哪 些转变等。 合金存在的状态通常由合金的成分、温度和压力 三个因素确定。合金的化学成分变化时，则合金中所 存在的相以及相的相对含量也随之发生变化，同样， 当温度和压力发生变化时，合金所存在的状态也要发 生变化。由于合金的熔炼、加工都是在常压下进行， 所以合金的状态可以由合金的成分及温度两个因素决 定。 二元系合金的相图如2-7所示。横坐标表示成分， 纵坐标表示温度。在成分和温度坐标平面上的任意一 点称为表象点。一个表象点的坐标值表示一个合金的 成分和温度。

相的种类繁多，但根据相的晶体结构特点可以将相分为 两大类：固溶体和金属间化合物。 固溶体和金属间化合物的区别在于晶体结构与组成合金 的组元的结构是否相同。 2、1、1 固溶体






固溶体：合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合 后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同， 这种相称为固溶体。这种组元称为溶剂，其它的组元即 为溶质。 2、1、1、1 固溶体的分类 1、按溶质原子在晶格中所占位置分类： （1）置换固溶体：是指溶质原子位于溶剂晶格的某些 结点位置所形成的固溶体，犹如这些结点的溶剂原子被 溶质原子所置换一样。