二元合金相图与结晶

通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称 为固溶强化 溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度， 而塑性和韧性没有明显降低
3. 固溶体的特点
晶格：与溶剂晶格保持一致 性能：固溶强化 原子熔合方式：物理方式
（二）、金属化合物
金属化合物(中间相): 合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完 全不同于任一组元的新相 Eg. Fe3C、Cr7C3、Cr23C6
Pb-Sn合金相图
1. 合金I的平衡结晶过程
运用杠杆定律, 两相的质量分数为： 合金室温组织为α+βII 。 其组成相是：f点成分的α相 g点成分的β相。
合金I的室温组织为α+βII 组织由α和βII 二部分组成 α和βII为组织组成物 组织组成物 合金组织中那些具有 确定本质, 一定形成机制的特殊 形态的组成部分 组织组成物可以是单相, 或是两相混合物 组织组成物α和βII 都为单相组成, 所 以组织组成物α、βII的质量分数与组成相α、 β的质量分数相等
●单相区 L相：液相, Cu和Ni 形成的液溶体; α相：Cu和Ni组成 的无限固溶体。 ●双相区: L + α 相区。
以Cu-Ni相图为例进行分析
Cu-Ni相图
2.匀晶结晶过程
3. 匀晶结晶特点 (1) 形核与长大 与纯金属一样, 固溶体结晶也包括形核、 长大两个过程。固溶体更趋向树枝状长大。 (2) 变温结晶 固溶体结晶在一个温度区间内进行, 变温结晶。
2. 合金II(共晶合金)的结晶过程
合金的室温组织：共晶体(α+β) 组织组成物：(α+β) 组成相：α和β相
共晶合金组织的形态
3. 合金Ⅲ(亚共晶合金)的结晶过程 位于共晶点左边, 成分在cd之间的合金
合金室温组织：初生α+二次β+(α+β) 组织组成物：α、二次β、(α+β) 组成相：α、β 组成相的质量分数为：
特点： 晶格 金属化合物晶格复杂 性能 熔点较高、硬度高、脆性大
三、合金的组织类型 1. 固溶体晶粒组织 固溶体晶胞表示、单相、用α、β、γ表示 2. 金属化合物晶粒组织 金属化合物的晶胞、单相组织、用分子式表示 3. 机械混合物晶粒组织 纯金属、固溶体晶胞或金属化合物各自的混合物， 及它们之间的混合物；多相组织、（ α+β）表示
fg
组织组成物的质量分数为：
w( )
2e
ed
2d
100 %
w( )
4f
fg

ed
100 %
w( )
4g
fg

2d
ed
100 %
比重偏析 合金在结晶时，如果结晶出来的晶体的比重与液体的 比重相差较大，那么这些晶体就后上浮或者下沉，最 终就会导致铸件上、下部分的化学成分不一样。这种 因比重不同而造成的化学成分不均匀的现象，称为比 重偏析 比重偏析的危害 使铸件各部分的成分、组织和性能不同，影响铸件使用
eg 2d w( ) 100 % fg ed
亚共晶合金和过共晶合金组织
亚共晶合金组织
初生α+二次β+(α+β)
过共晶合金组织
初生β+二次α+(α+β)
匀晶相图
(1) 形核与长大
Tx X 1 K 2
X’
(2) 变温结晶 (3) 两相的成分确定 (4) 两相的质量比一定 (5)固溶体结晶时成分变化
2.2 二元合金相图的建立
合金结晶及其特点
结晶在一个温度区间而不是一个温度进行 如纯铁在1538℃结晶，而含碳0.6％的Fe-C合金在 1500℃开始结晶，1430℃才结束。 结晶过程有成分的变化。如含0.6％碳的Fe-C合金， 先结晶的固相含碳量低，后结晶固相含碳量高。
一．基本概念
●
相图：平衡的条件下（无限缓慢冷却），合金的 状态与温度、 成分间的关系的图解
● 合金系：指研究的对象。如：Fe-C系，Pb-Sn系等
●
状态：指合金在一定条件下有哪几相组成
二、热分析法建立相图
(a)冷却曲线
(b) 相图
三、相律
由于相平衡条件的约束，处于平衡状态的合金中可能存的 相数，将受到组元数及外界条件的限制，这种限制可从相 平衡的热力学条件推处，这就是相律， 相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相 数和自由度数之间的关系 f=C–P+2 其中f——系统的自由度数，即指独立可变的因素，包括各 组成相的成分、数量及温度、压力等。 C——组元数，P——相数。
二元合金、
黄铜 （Cu-Zn 碳钢 Fe-C
三元合金、
硬铝 Al-Cu-Mg
多元合金
武德合金 Pb-Sn-Bi-Cd ）
固态合金中的相： 合金中成分、结构及性能相同的均匀组成部分就叫做相
假设100克水最多溶解36克食盐
水
食盐
相
0克
100克 100克
20克
20克 40克
固相
液相 液相+固相
二、合金相结构分类
Pb-Sn合金相图
水平线cde为共晶反应线, 成分在ce之间的合 金平衡结晶时都会发生共晶反应
cf 线为Sn在Pb中的溶解度线(α相的固溶线)。 Sn含量大于f点的合金从高温冷却到室温时, 从
α相中析出β相，叫二次β：α→βII
eg线为Pb在Sn中 溶解度线。Sn含量小g
点的合金, 冷却过程 中同样发生二次结晶, 析出二次α
(3) 两相的成分确定 在两相区内, 温度一定时, 两相的成分(即L相 中Ni的质量分数和α相中Ni的质量分数)确定。
(4) 两相的质量比一定 在两相区，温度一定时, 两相的质量符合 杠杆定律。 在T1温度时：
QL: L 相的质量 液相的质量分数 : ; Qα:α相的质量; α相的质量分数 a1b1、b1c1 为线段长度。 :
一பைடு நூலகம்发生匀晶反应的合金的结晶
1. 基本概念 （1）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变 匀晶反应： L→α固溶体 （2）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。 Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag合金具有匀晶相图。
aa1c 线为液相线,
该线以上合金处于液相; ac1c 线为固相线, 该线以下合金处于固相。
d 点成分(共析成分)合金从
液相经过匀晶反应生成γ相, 冷 却到d 点温度(共析温度)时, 恒 温发生共析反应: γ→(α+β) 一种固相转变成完全不同的 两种固相。 共析反应产物两相 混合物称为共析体
1 2
共析反应在固态下进行, 转变温度低，原子扩散慢，因而 过冷度较大，共析产物比共晶产物要细密且均匀
比重偏析的消除 不能通过热处理消除，只能通过控制合金的成分、 浇注时进行搅拌、增加冷却速度来消除
三、发生包晶反应的合金的结晶
e点为包晶点 e点成分的合金冷却到 e点温度(包晶温度)时发生
包晶反应： L+α →β 反应时三相共存, 它 们的成分确定, 恒温进行 水平线ced 为包晶反应线
cf为Ag在α中的溶解度线, eg为Pt在β中的溶解度线
组成相的质量分数为：
w( )
3f
fg
100 %
w( )
3g
fg
100 %
过共晶合金室温组织为: 初生β+二次α+(α+β) 组织组成物： β 、二次α 、(α+β)
组织组成物的质量分数为：
w( )
2e
ed
100 %
ef 2d w( ) 100 % fg ed
合金室温组织：初生α+二次β+(α+β) 组织组成物：α、二次β、(α+β) 组织组成物的质量分数为：
cg 2d w(a ) 100 % fg cd
w( )
2c
cf 2d w( ) 100 % fg cd
cd
100 %
4. 过共晶合金(合金Ⅳ)： 位于共晶点右边, 成分在 de之间的合金 过共晶合金室温组织为: 初生β+二次α+(α+β) 组织组成物： β、二次α 、(α+β) 组成相：α、β
1. 固溶体的分类 （1）溶质原子在溶剂晶格中的位置
置换固溶体
间隙固溶体
（2）溶质原子在溶剂中的溶解度
在一定温度和压力条件下，溶质在固溶体中的极 限浓度即为溶质在固溶体中的溶解度
●有限固溶体 超过溶解度有其它相形成 ●无限固溶体 溶质可以任意比例溶入，即 溶质溶解度可达100%
2. 固溶体的性能
第2章 二元合金相图及结晶
内容提要：
介绍合金中的相、二元合金相图的建立方法
重点阐明匀晶相图、共晶相图的特征、平衡结
晶、组织与力学 性能的影响
2.1 合金的结构与组织
一．基本概念
合金 一种金属元素同另一种或几种其它元 素, 通过熔化或其它方法结合在一起所形成 的具有金属特性的物质
组元：组成合金的独立的、最基本的单元 金属、非金属元素或稳定化合物
Pb-Sn合金相图
Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu合金具有共晶相图。 Pb-Sn合金相图中有三个单相区: L：Pb与Sn形成的液溶体 α：Sn溶于Pb中的有限固溶体 β：Pb溶于Sn中的有限固溶体 三个双相区：L+α、 L+β、α+β 一条L+α+β三相共 存线(水平线cde )。 这种相图称共晶相图
(5) 固溶体结晶时成分变化 慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀 快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀
枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分分布不均匀
Cu-Ni合金 枝晶偏析示意图
晶内偏析危害： 对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺 性能都不利，降低力学性能、工艺性能。 晶内偏析的消除： (扩散退火)将铸件加热到低于固相线以下 100-200 ℃左右，进行长时间的保温，使偏析 原子互相充分扩散均匀，获得成分均匀的固溶 体
一、固溶体
（原子以固溶方式相熔合）
合金相结构分类
二、金属化合物
(原子化合物的方式相熔合）
（一）、固溶体
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
溶 剂 与固溶体晶格相同的组元
溶 质 其他另一组元（含量较少）
固溶体表示方法：
1. α、β、γ 2. A、B组元构成的固溶体表示为A(B)， A、B—溶剂、溶质 Eg. 铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体的表示方法 ① 一般用α表示 ② 亦可表示为Cu(Zn)
X
K
X’
Cu-Ni相图
共晶相图组织组成图
过共晶合金： 位于共晶点右边, 成分在 de之间的合金 过共晶合金室温组织为: 初生β+二次α+(α+β) 组织组成物： β、二次α 、(α+β) 组成相：α、β
组成相的质量分数为：
w( )
4
3f
fg
3g
100 % 100 %
w( )
Pt-Ag合金相图
Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合金具有包晶相图 Pt-Ag合金相图中 存在三种相: L相:Pt与Ag形成 的液溶体 α相:Ag溶于Pt中的 有限固溶体 β相:Pt溶于Ag中 的有限固溶体
Pt-Ag合金相图
四、发生共析反应的合金的结晶 共析相图形状、各成分合金的结晶过程与共晶相图类似
二、发生共晶反应的合金的结晶
d点为共晶点, 表示d点成分(共晶成分)的液相 合金冷却到d点温度(共晶温度)时, 共同结晶出c点 成分的α相和e 点成分的 β相
Ld→(αc+βe) 共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出两种 固相的反应，生成的两相 混合物叫共晶体
发生共晶反应时三 相共存, 三相各自成分 确定, 恒温进行
五、含有稳定化合物的合金的结晶 稳定化合物:具有一定的化学成分、固定的 熔点, 熔化前不分解, 也不发生其它化学反应 如: Mg-Si合金能形成稳定化合物Mg2Si Mg-Si合金相图属于含有稳定化合物的相图
把稳定化合物看成 独立的组元, 相图分成 几个简单相图 Mg-Si相图可分为 Mg-Mg2Si和Mg2Si-Si 两个相图分析
四、杠杆定律
合金总质量为1，液相相对质量为QL，固相相对质量为QS
Q L QS 1
QLx QS x K
Q L Kx Q S xK
注 意
杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点, 支点为合金的成分点。
杠杆定律只适用于相图中的两相区；
杠杆定律只能在平衡状态下使用。
2.3 二元合金的结晶
• 平衡：外界条件不变时，体系内各相的成分、 结构和相对量等不发生变化
相律表明：在只受外界温度和压力影响的平衡系统中， 其自由度数等于组元数与相数之差再加上2
在金属及合金的制造和应用过程中，一般都是在 常压下进行的，因此常把压力看成一个常数，相 律的表达式可写成 压力一定时，f=c-p+1
应用 可确定系统中可能存在的最多平衡相数。如单元 系2个，二元系3个。 可以解释纯金属与二元合金的结晶差别。纯金属 结晶恒温进行，二元合金变温进行。