二元合金与相图教学目的及要求通过本章学习使学生掌握

第三章二元合金与相图
教学目的及要求
通过本章学习，使学生掌握固态合金的相结构相图，了解几种最基本的二元相图，理解合金相图与合金性能之间的相互关系。

主要内容
1．二元相图及合金的结晶过程
2．合金相图与合金性能之间的关系
学时安排
讲课3学时。

教学重点
1．合金的相结构
2．几种最基本的二元相图的特征
3．二元合金的结晶
教学难点
1．合金的相结构
2．二元相图及合金的结晶
教学过程
第一节固态合金的相结构
一、基本概念
1．合金。

两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为合金。

合金具有比纯金属高得多的强度、硬度、耐磨性等机械性能，是工程上使用得最多的金属材料。

2．相：指系统中具有同一聚集状态、同一物理化学成分、同一结构并以界面相互隔开的均匀组成部分。

二、合金的相结构
两大类：固溶体和金属化合物。

1．固溶体
定义：就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，并保持溶剂元素的晶体结构。

结构：同溶剂的晶格结构。

分类：置换固溶体和间隙固溶体
（1）置换固溶体：溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，形成固溶体时溶质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子，就形成了置换固溶体。

例如：Fe与Mn、Si 、Al 、Cr 、Ti 、Nb 等形成置换固溶体。

（2）间隙固溶体：溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置上，则形成间隙固溶体。

例如：Fe 与C、N 、O 、H 形成间隙固溶体。

固溶体的性能：与基体金属相比，强度硬度增加，塑性韧性降低，电阻、矫顽力增加。

固溶强化：通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材料强度增加的现象称为固溶强化。

强化材料的方法之一。

2．金属化合物
定义：合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。

分类：分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三大类型。

对合金性能的影响：金属化合物具有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性，是合金中的强化相。

它的出现可提高合金的强度、硬度和耐磨性，但降低塑韧性。

三、机械混合物
是由两种单相固溶体或固溶体与化合物组成的一种复相物，两相各自保持独立的晶格结构，不互溶，不化合，作为一种金相组织出现在合金中。

机械混合物的性能取决于两相的相对含量及组成相的大小和形状。

第二节合金相图的建立
一、相图的概念
1．相图：表示合金在缓慢冷却的平衡状态下相或者组织与温度、成分间关系的图形，又称状态图或平衡图。

2．相图的分类（根据组元数量分）：二元相图（两个组元配成的合金体系）、三元相图（三个组元配成的合金体系）等
3．相图的建立：用热分析法测定出各成分合金的冷却曲线，找出不同成分合金的结晶转变温度，在温度－成分坐标中对应各合金成分取点，将所有的开始转变点和转变结束点分别连接起来即得。

4．相图中的线
液相线：结晶时液相的成分，在其以上为液相
固相线：结晶时固相的成分,在其以下为固相。

两线之间为液相与固相混合的两相区。

二、合金的结晶过程（平衡结晶过程）
以Cu — Ni二元合金相图中合金I为例分析合金的结晶过程。

当合金：
（1）缓慢冷却至l1点时，均为单一的液相，成分不发生变化，只是温度的降低；
（2）冷却到l1点时，开始从液相中析出α固溶体；
（3）在l1～α4之间，随温度降低，发生匀晶转变，从液相L中不断结晶出α固溶体，为液、固相两相共存；
（4）冷却到α4点时，合金全部转变为α固溶体；
（5）从α4点继续冷却到室温，合金只是温度的降低，组织和成分不再变化，为单一的α固溶体。

在液固两相共存区，随着温度的降低，液相的量不断减少，固相的量不断增多，同时液相和固相的成分也将通过原子的扩散不断改变。

液相的成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。

注：纯金属的结晶是在恒温下完成的，而合金的结晶是在一个温度区间内完成的，表现在冷却曲线上为一斜线段。

三、杠杆定律
在实际生产中，常利用杠杆定律计算二元相图中两相平衡状态下相组成物或组织组成物的相对含量。

杠杆定律仅适用于两相区。

杠杆的支点是两个相的平均质量分数（合金的成分点），端点分别是两个相的成分点。

合金Ⅰ在温度T1时处于两相区的b点，组成相为（L+α），则：
W L／Wα＝bc/ab=(Cα－C)/(C-C L). （根据质量守恒定律推导而得）用百分数表示可得合金中相的相对含量：
液相L：L％＝bc/ac×100%
固相α：α％＝ab/ac×100%
四、几种最基本的二元相图
1．匀晶转变和匀晶相图。

由液相中直接结晶出单一固相的转变，属于非恒温转变。

表示匀晶转变的相图称为匀晶相图，反应表达式为：L＝＝α（L表示液相，α表示固溶体）。

2．共晶转变和共晶相图。

含义：由一定成分的液相在恒温下同时转变成两个一定成分的固相的转变。

用反应式表达为：L＝α+β
共晶转变的产物为两个相的机械混合物，称其为共晶体或共晶组织，组织细密。

3．共析转变和共析相图。

在恒温下由一定成分的固相同时生成两个成分不同的新固相的转变。

其反应表达式为：γ＝＝α+β；共析反应的产物称为共析组织。

4．包晶转变和包晶相图。

由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一个一定成分新固相地反应---包晶转换反应。

反应式为：L+α＝＝β
由于新相β是包围着初生相α生长故称包晶转变。

5．具有稳定化合物的二元相图。

稳定化合物是指在熔化前既不分解也不产生任何化学反应的化合物，形成稳定化合物的二元合金时，相图的特征是出现垂直于成分轴的一条垂线。

五．相图与合金性能之间的关系
概括起来：
1．力学性能
单相固溶体的强度、硬度大于纯金属，具有良好的塑性；金属化合物硬度而脆；机械混合物的性能取决于组成相的比例、形态及细密程度，如球状珠光体和片状珠光体中渗碳体的形态不同。

2．工艺性能
单相固溶体的铸造性能和切削加工性能差：熔点高，结晶温度间隔大，流动性差；塑性好，切削时易粘刀，不易断屑；
单相固溶体具有良好的可锻性和焊接性：塑性好，压力加工用单相固溶体合金，如钢锻造时要加热到奥氏体区；
共晶和接近共晶成分的合金铸造性能好：熔点低，结晶温度低，结晶温度间隔小，铸造时常选用共晶合金；如铸铁碳当量在4％左右。

两相混合物的可锻性和焊接性差，但切削加工性好。