第04章 合金的结构与二元状态图
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第4章_二元合金
类似于杠杆原理
固溶体合金的不平衡凝固过程
晶内偏析
一个晶粒内化学成分不 均匀的现象，称为晶内 偏析或枝晶偏析。
形成原因
冷却速度较快，原子扩 散来不及充分进行，会 使先结晶出来的固相含 Ni较多，后结晶出来的 固相含Ni较少。
Cu-Ni合金的铸态组织示意图
三、共晶相图
两组元 在液态时无限互溶，在结晶时发生共晶转变， 形成共晶组织的相图。 Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si
80%Ni
100%Ni
温 度
40%Ni
60%Ni
开始结晶点
20%Ni 0%Ni
结晶结束点
时间
Cu
20
40
60
80
Ni
Cu-Ni二元合金冷却曲线及相图
二、匀晶相图
两组元 在液态和固态时能无限互溶所构成的相图
Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr
相图分析
合金K L 液相线 L+α
固相线 Cu
间隙化合物：是由过渡族金属元素与原子半径较小的C、N、 H、B等非金属形成的化合物。
非金属原子与金属原子的半径 比小于0.59时形成间隙相 非金属原子与金属原子的半径 比大于0.59时形成间隙化合物
间隙相与间隙固溶体的区别
间隙相VC的结构
间隙化合物Fe3C的结构
钢中常见碳化物的硬度和熔点
类型 成分 TiC ZrC VC
组织：把能够在显微镜下清楚区别开，并具有一定形 态特征的组成部分，称为组织。 可以由一种相组成，也可以由几种相复合组成。
比重偏析
比重偏析： 因比重不同而造成的化学成分不均匀的现象。 铸件上下部分的化学成分不一样。 防止措施： 在浇注时进行搅拌。
第04章 铁碳合金相图
铁和碳的合金称为铁碳合金， 如钢和铸铁都是铁碳合金。要掌握各种钢和铸铁的 组织、性能及加工方法等，必须首先了解铁碳合金中的
化学成分、组织和性能之间的关系。
铁碳合金相图是研究铁碳合金组织与成分、温度关 系的重要图形，了解和掌握它对制定钢铁的各种加工工 艺都有着重要的作用。
4.1
铁碳合金的基本组织 在铁碳合金系中，可配制多种成分不同的铁碳合金，它们
γ -Fe的最大空隙半径 4-3所示。由于 γ -Fe是面心立方晶格，而
略小于碳原子的半径，其晶格的间隙较大，故奥氏体的溶碳能
力较强，溶解度比铁素体高得多。在1 148℃时溶碳量可达 2.11%的最大溶解度，随着温度的下降，溶解度逐渐减小，在 727℃时溶碳量为0.77%。
4.1
铁碳合金的基本组织
应该指出的是：稳定的奥氏体属于铁碳合金的高温组织，当铁
碳合金缓冷到 727℃时，奥氏体将发生转变，转变为其他类型 的组织。
4.1
铁碳合金的基本组织
图4-4
奥氏体的显微组织
4.1
铁碳合金的基本组织
4.1.3
渗碳体
渗碳体(Fe3C)是指晶体点阵为正交系、分子式为Fe3C的一 种金属化合物。渗碳体碳的质量分数是6.69%。渗碳体具有复 杂的斜方晶格结构，如图4-5所示，与铁和碳的晶格结构完全
在不同温度下的平衡组织是各不相同的，但它们总是由几个基 本相所组成。 在液态，铁和碳可以无限互溶。在固态，碳可溶于铁中，
形成两种间隙固溶体——铁素体和奥氏体。
当碳的质量分数超过其固态溶解度时，则会出现化合物—
—渗碳体(Fe3C)。因此，在铁碳合金中，碳可以与铁组成化合
物，也可以形成固溶体，还可以形成混合物。铁碳合金在固态 下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体等，
4二元合金相图
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) 。
1’
19.2
wt%Sn
23
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）24
Pb-Sn共晶合金组织
26
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 CE 100%
27
在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：
水平线PDC称包晶线，与该线成分对应的合金在 该温度下发生包晶反应：LC+P⇄β D 。该反应是
液相L包着固相, 新相 β 在L与α的界面上形核，
并向L和两个方向长大。 在一定温度下，由一个 液相包着一个固相生成
L L+
L+
+
另一新固相的反应称包
晶转变或包晶反应。
33
② 相区：相图中有:
三个单相区： L、 、； 三个两相区： L+、 L+、+ ；
A B
一个三相区：即水 平线CED。
13
③ 液固相线: 液相线AEB, 固相线ACEDB. A、B分
别为Pb、Sn的熔点.
④ 固溶线: 溶解度
A
共晶反应：LE ⇄(C+D) 。
1’
19.2
wt%Sn
23
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）24
Pb-Sn共晶合金组织
26
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 CE 100%
27
在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：
水平线PDC称包晶线，与该线成分对应的合金在 该温度下发生包晶反应：LC+P⇄β D 。该反应是
液相L包着固相, 新相 β 在L与α的界面上形核，
并向L和两个方向长大。 在一定温度下，由一个 液相包着一个固相生成
L L+
L+
+
另一新固相的反应称包
晶转变或包晶反应。
33
② 相区：相图中有:
三个单相区： L、 、； 三个两相区： L+、 L+、+ ；
A B
一个三相区：即水 平线CED。
13
③ 液固相线: 液相线AEB, 固相线ACEDB. A、B分
别为Pb、Sn的熔点.
④ 固溶线: 溶解度
A
二元合金相图ppt课件
共晶 ]
精选版课件ppt
28
2、共晶合金室温平衡组织特征
共晶组织的基本特征是 两相均匀并交替分布， 根据合金组元的不同，共晶组织的形态各异， 有层片状、棒状、球状、针状、螺旋状等。
精选版课件ppt
29
（Pb-Sn）共晶组织（层片状）
精选版课件ppt
30
（Al-Si）共晶组织（针状）
精选版课件ppt
共晶合金结精选晶版课过件p程pt 分析
+ +
t/s
27
概括起来，共晶合金平衡结晶过程为： 共晶温度以上： 液态L61.9 共晶温度： 共晶转变 L61.919 97.5
共晶温度以下： 二次结晶 Ⅱ ， Ⅱ
室温组织： （+）共晶 [由于 Ⅱ和Ⅱ常与共晶和相连， 显微镜下很难分辨，室温组织为：（+）
V1×10%+V2×30精%选=版2课0件%p×pt (V1+V2)
11
这种方法可推广到固相和固液混合相
如图：成分为C的Ni-Cu合金，缓冷到t℃时,根据相图分 析：（Ⅰ）此状态下存在哪几相？（Ⅱ）各相的成分如 何？（Ⅲ）各相的数量（绝对数量与相对数量）？
（Ⅰ）由相图可知，C点
1500
存在L+α两相区
匀晶转变：在一定温度范围内由液相结 晶出单相的固溶体的结晶过程。
二元匀晶相图：指两组元在液态和固态 均无限互溶时的二元合金相图。
具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、 Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。
精选版课件ppt
6
（一）二元合金相图的建立 （以Cu-Ni二元合金为例）
1、建立相图的思路：
二元共晶相图：两组元在液态下无限互溶，冷却 时发生共晶转变的二元精选合版课金件p相pt 图叫二元共晶相图。21
二元合金的相图
+ Ⅱ
组织组成物
Ⅱ
冷却曲线
t
组织中，由一定的相构成 的，具有一定形态特征的 组成部分。
X2合金结晶过程分析 （共晶合金）
T,C
L
T,C
L
(+ )
183
L+
M
L
E
L
L+
N
L(+ ) 共晶体
(+ )
+
Pb Sn X2
冷却曲线
t
(+ )
铅锡共晶合金的显微组织
液固相线距离愈小， 结晶温度范围愈小，则流 动性好，不易形成分散缩 孔，铸造性能好。 共晶成分的合金铸造 性能最好。
锻造、轧制性能：
单相固溶体合金， 变形抗力小，变形均匀， 不易开裂，锻造、轧制性 能最好。
T,C
T,C L
1
L L+(+ )+
L+
183
L+
M
E
+
L+ N
2
(+ )+
(+ )+ + Ⅱ
Sn
Pb
X3
t
亚共晶合金的平衡结晶过程
(+ )+ + Ⅱ
β II
α
α+β
WSn50%的Pb-Sn合金的显微组织
(+ )+ + Ⅱ
L
T,C
3 F 4 X1
L+
M
c
LEL+ 来自L L+
e
N
第四章合金的结构与二元状态图
➢ 相图:用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解， 又称状态图或平衡图。相图上所表示的组织都是十分缓慢
冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。
二、二元合金状态图的建立
测定方法：最基本、最常用的方法是热分析法 1. 首先配制一系列不同成分的Cu—Ni合金； 2. 用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线； 3. 找出各冷却曲线上的相变点； 4. 将各个合金的相变点分别标注在温度——成分坐标图中
Ⅱ
Ⅲ
➢点：包晶点 ➢线：包晶线 ➢区：有3个单相区;3个两相区;一个三相共存点
4. 二元共析相图
§3 相图与性能的关系
1. 根据相图判断材料的力学和物理性能
➢ 溶质元素 → 晶格畸变 → 强度、硬度↑（ 浓度50%时最大 ） ➢ 硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平
均值。 HB = HBα ⅹ α % + HBβ ⅹ β%
9718 79
62 18 44
10.7 20.28 10.50.5
结晶过程分析
相图的相组成物
相图的组织组成物
300
L
200
100
L +
+
L +
0 0
20
40
60
80
100 Co, wt% Sn
共晶
亚共晶
过共晶Leabharlann 175 mm160 mm
共晶组织
3. 二元包晶相图
包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点 成分固相的转变。
➢ 塑性加工性能：选择具有单相固溶体区的合金。 ➢ 热处理性能：选择具有固态相变或固溶度变化的合金
➢ 1,组织与相的关系与区别 相是系统中结构相同,成分及性能均一的组成部分,相与相之间的有界面分开. 从结构上讲,相是合金中的一种原子聚集状态,固相具有一定的晶格类型和性 质. 组织一般是指用肉眼或显微镜观察到的具有某种形态特征的合金组成物,实质 上它是一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体的总称. 97 因此,相构成了组织.合金的组织可以由单相固熔体或金属间化合物组成,也可 由一个固熔体和一个金属间化合物或两个固熔体和两个金属间化合物等组成. 就是由于这些相的相对数量,形状,尺寸和分布的不同,才形成了各种各样的组 织. 如Pb-Sn共晶系合金,常温下只有α和β,而组织组成物却有五种:初生相α和β, 共晶(α+β),次生相αⅡ和βⅡ.其中,α和β较粗大,αⅡ和βⅡ较细小,α,αⅡ虽然同 是一相,却是两种组成物,因为它们形态特征不同. 98 相构成了组织,但组织直接决定了合金的性能,故我们重视组织这个概念. 工业上常用的合金的组织,大多是以固熔体为基体,以金属间化合物为强化相.
冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。
二、二元合金状态图的建立
测定方法：最基本、最常用的方法是热分析法 1. 首先配制一系列不同成分的Cu—Ni合金； 2. 用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线； 3. 找出各冷却曲线上的相变点； 4. 将各个合金的相变点分别标注在温度——成分坐标图中
Ⅱ
Ⅲ
➢点：包晶点 ➢线：包晶线 ➢区：有3个单相区;3个两相区;一个三相共存点
4. 二元共析相图
§3 相图与性能的关系
1. 根据相图判断材料的力学和物理性能
➢ 溶质元素 → 晶格畸变 → 强度、硬度↑（ 浓度50%时最大 ） ➢ 硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平
均值。 HB = HBα ⅹ α % + HBβ ⅹ β%
9718 79
62 18 44
10.7 20.28 10.50.5
结晶过程分析
相图的相组成物
相图的组织组成物
300
L
200
100
L +
+
L +
0 0
20
40
60
80
100 Co, wt% Sn
共晶
亚共晶
过共晶Leabharlann 175 mm160 mm
共晶组织
3. 二元包晶相图
包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点 成分固相的转变。
➢ 塑性加工性能：选择具有单相固溶体区的合金。 ➢ 热处理性能：选择具有固态相变或固溶度变化的合金
➢ 1,组织与相的关系与区别 相是系统中结构相同,成分及性能均一的组成部分,相与相之间的有界面分开. 从结构上讲,相是合金中的一种原子聚集状态,固相具有一定的晶格类型和性 质. 组织一般是指用肉眼或显微镜观察到的具有某种形态特征的合金组成物,实质 上它是一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体的总称. 97 因此,相构成了组织.合金的组织可以由单相固熔体或金属间化合物组成,也可 由一个固熔体和一个金属间化合物或两个固熔体和两个金属间化合物等组成. 就是由于这些相的相对数量,形状,尺寸和分布的不同,才形成了各种各样的组 织. 如Pb-Sn共晶系合金,常温下只有α和β,而组织组成物却有五种:初生相α和β, 共晶(α+β),次生相αⅡ和βⅡ.其中,α和β较粗大,αⅡ和βⅡ较细小,α,αⅡ虽然同 是一相,却是两种组成物,因为它们形态特征不同. 98 相构成了组织,但组织直接决定了合金的性能,故我们重视组织这个概念. 工业上常用的合金的组织,大多是以固熔体为基体,以金属间化合物为强化相.
二元合金优秀课件
➢ 组元：组成合金的独立的、最基本的单元。 组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物
➢ 合金系：由给定组元配制成一系列成分不同 的合金组成的一个系统。
合金的结构与二元合金
相的定义
机械工程材料
➢相：在金属或合金中，凡具有相同的化学成分、
相同的晶体结构并以界面相互分开的均匀组成 部分。
液态物质为液相，固态物质为固相。
合金的结构与二元合金
电子化合物的结构特点
机械工程材料
电子浓度和晶体结构具有一定的对应关系， 且成分可变，可形成以电子化合物为基的固溶 体。
生成这种合金相时, 元素的每个原子所贡献 的价电子数Au、Ag、Cu为1个, Be、Mg、Zn 为2个, Al为3个, Fe、Ni为0个。
合金的结构与二元合金
➢固态合金中两类基本相：固溶体和金属化合物 ➢合金的相状态：合金在一定条件下的相组成情
况，包括相的种类和相对量。
合金的结构与二元合金
组织的定义
机械工程材料
➢组织：在显微镜下所观察到的，具有一定大
小、形状和分布的金属内部的微观形貌。
➢ 在金属或合金中，由于形成的条件不同，各 种相将以不同的数量、形状、大小相互结合， 因此，在显微镜下，可以看到金属或合金具 有各种不同的组织。
体结构均不相同
合金的结构与二元合金
1.固溶体
机械工程材料
溶质原子溶入固态溶剂中，并保持溶剂 晶格类型而形成的相。
它总是以一种元素(与合金晶体结构相同) 作为溶剂，另一种或多种元素作为溶质的。 固溶体用α、β、γ……来表示。
合金的结构与二元合金
固溶体的分类
机械工程材料
•按溶质原子在溶剂晶格中的位置分： 置换固溶体与间隙固溶体
第四章 二元合金
体心 六方 体心 固溶体的浓度（质量分数）=溶质质量/总质量 固溶度：溶质在固溶体中的溶解度；极限浓度
2. 固溶体的分类
无限固溶体 按固溶度分 有限固溶体（端际固溶体） 置换固溶体 按照溶质在溶剂晶格中的位置分 间隙固溶体 置换固溶体 溶质原子位于溶剂晶格某些节点位置而形成的固溶体
无序固溶体
Cu3Au CuAu 有序固溶体
相图分析
坐标 点 线 区
1. 固溶体的平衡结晶
温 度
形核和长大的过程
b
L
b合金的成分垂线
L
L
1
L
垂线与相线的交点
2
做出冷却速度曲线
Cu Ni% Ni 时间
固相成分按固相线变化，液相成分按液相线变化
固溶体与液相的相对量，符合杠杆定律
K 温 度
杠杆定理
L
L
求K合金在Tn温度下 两个相的相对重量
(白亮区域含Ni量高、含Cu低，深色区域则相反)
三、共晶相图Eutectic phase diagrams
共晶相图的建立
具有共晶相图的合金系有Pb-Sn, Cu-Ag, Al-Si, AlSn, Pb-Bi, Fe-C 等
共晶反应Eutectic reaction
固态完全不溶解的 二元共晶相图
间隙固溶体 interstitial solid solution 溶质原子分布于溶剂晶格的间隙位置而形成的固溶体
H、N、O、C、B溶于过渡族金属 R溶质 / R溶剂 < 0.59
置换固溶体可能是无限固溶体 也可能是有限固溶体 间隙固溶体只能是有限固溶体
铁素体的晶体结构
3. 固溶体的性能
第4章 二元合金
TE- P 7 Wenyun Ju
测定时所配制的合金数目越多,所用金属纯度越高, 测定时所配制的合金数目越多,所用金属纯度越高,测 温精度越高,冷却速度越慢(0.5℃/min ~1.5℃/min),则所 温精度越高,冷却速度越慢 ℃ ℃ , 测得的相图越精确. 测得的相图越精确. 如图2.8所示是用热分析法建立的 所示是用热分析法建立的Cu-Ni合金的相图过 如图 所示是用热分析法建立的 合金的相图过 程示例. 程示例.
TE- P 2 13 Wenyun Ju
2, 固溶体 溶质原子溶入金属溶剂 溶剂中所组成的合金相称为固溶体.固溶体 溶质 溶剂 的点阵结构仍保持溶剂金属的结构,只引起晶格参数的改变. 当两组元在固态无限溶解时,所形成的固溶体称为连续固溶体 或无限固溶体;当两组元在固态部分溶解时,所形成的固溶体称为 有限固溶体或端际固溶体.按照溶质原子在固溶体中所处的位置, 固溶体又可分为间隙固溶体和置换固溶体. 1) 间隙固溶体 当溶质原子直径与溶剂原子直径的比值 小于0.59时,才能形成间隙固溶体.溶剂晶 格的间隙是有限的,因此,间隙固溶体只能 是有限固溶体.
当共晶组织十分细密且在不平衡结晶时出现伪共晶其强度和硬度在共晶成分附近偏离直线关系而出现峰值如图225中虚线所示wenyunju33不同类型的合金与性能关系tewenyunju34根据相图判断合金的铸造性能合金的铸造性能主要表现为液态合金的流动性缩孔热裂倾向等性能它主要取决于相图上液相线与固相线之间的水平距离及垂直距离即结晶的成分间隔与温度间隔
TE- P 4 15 Wenyun Ju
3,强化金属的方法 ,
1),细晶强化
程度. σs= σi+Kyd-1/2 σi反映位错在晶粒内运动时的摩擦阻力, Ky反映位错运动造成的滑移从一个晶粒传播到相邻晶粒的难易 外来原子溶入基体中形成固溶体,产生晶格畸变造材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生的强化. 这种弥散质点可以是过饱和固溶体时效时的脱溶产物,或是材料制备时特意加入 的弥 散质点(如粉末冶金).
金属学第四章 二元合金相图
热分析法 利用合金在转变时伴有热学性能变化的特性，通
过测量系统温度的变化来得到临界温度，从而建立起
相图。
热分析法建立二元合金相图的步骤
• 将给定两组元配制成一系列不同成分的合金； • 将它们分别熔化后在缓慢冷却的条件下，分别测出它 们的冷却曲线； • 找出各冷却曲线上的相变临界点（曲线上的转折点） ； • 将各临界点注在温度——成分坐标中相应的合金成分 线上； • 连接具有相同意义的各临界点，并作出相应的曲线； • 用相分析法测出相图中各相区（由上述曲线所围成的 区间）所含的相，将它们的名称填入相应的相区内， 即得到一张完整的相图。
c
L+ L+
+
f
Ag%
g
Ag
+ Ⅱ
t
4.3.4. 共析相图
共析转变：
T,C
( + ) 共析体 L L+
A
+
c
+ d
e
+
B
4.4 相图与性能的关系
1. 合金的使用性能与相图的关系
● 固溶体中溶质浓度↑ → 强度、硬度↑ ● 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。
T,C
固相线
Pb
L+
L
L+
Sn
固溶线 固溶线
+
Sn%
共晶转变分析
T,C
Pb
L+
c
L
d
L+
e
共晶反应线 表示从c点到e点 范围的合金，在 该温度上都要发 生不同程度上的 共晶反应。
材料科学基课件 之 合金的结构 二元系相图 三元系相图
性质，又称为金属间化合物。
中间相的分类
正常价化合物(Valence Compoud)：电负性控制，符 合原子价规律 电子化合物(Electron Compound)：电子浓度控制，电 子浓度与晶体结构有关 尺寸因素化合物(Size-Factor Compound)：间隙相， 间隙化合物，△r>41%结构简单， △r<41%，复杂结 构。 拓扑密堆相：全部或主要是四面体间隙的复杂结构。
3.1
合金相结构
为何工业上很少使用纯金属，而多使用合金？ 纯金属性能有限。 合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属， 经熔炼或烧结，或用其他方法组合而成的具有金 属特性的物质。
组元：组成合金最基本的、独立的物质。(如二元、 三元、多元合金)可以是纯元素，也可以是化合物。
合金相结构
相(phase) ：合金中具有同一聚集状态、成分 和性能均一，并以界面分开的组成部分。 合金相由固溶体和中间相两大类相组成。
正常价化合物
纤维锌矿(ZnS), 密排六方: AlN, γ-MnS, GaAs, GaSb, InSb, AlP。 NiAs: As组成密排六方，Ni在其间隙中。
2. 电子化合物
Hume(休姆)：电子浓度和晶体结构有明确对应 关系。 电子浓度通常为21/14，21/13，21/12。
几种电子化合物的电子浓度与晶体结构 电子浓度＝21/14＝3/2 β体心立方 复杂立方 β-Mn结构 密排六方δ Cu5Ge, AgZn, Ag3Al, Cu5Sn 21/13 γ黄铜结 构 Cu5Zn8, Cu31Si8, Ni5Be21, Fe5Zn21 21/12 密排六 方结构 CuZn3 , Cu3Sn, Cu3Si, Ag3Sn, Au5Al3
第四章 合金相结构与二元合金相图
Fe
C, wt%
6.69 Fe3C
0
第七节 合金的性能与相图的关系
合金性能 组织性质 组成相性质
一、判断合金的力学性能和物理性能 二、判断合金的铸造性能
流动性 缩孔 热裂倾向
Pt-Ag合金相图
L + 、 +
二、包晶合金平衡结晶过程与室温组织
A 1800
1600
1
1400
温 1200 度
C 1186 D
10.5 42.4
1000
800
600
T/ ℃
L
1
P
66.3
D
B
+ Ⅱ
400
E0
20
40
60
Ag%
F 80
100
包晶合金的平衡结晶过程
L
D'
L
L
+ Ⅱ
t/s
3、合金系—由给定组元配置成的一系列成 分不同的合金，组成一个合金系统。
4、相—合金组织中结构、成分和性质相同的
部分，有相界面分开，是合金组织最基本组 成部分。
5、组织—用肉眼或借助不同放大倍数的显微 镜所观察到的金属材料内部情景，包括晶粒 大小、形状、种类及晶粒的相对数量和分布。
第一节 合金的相结构
体结构，而前者保持溶剂组元的晶格类型。
第二节 相图的建立
合金成分
相组成
温度
相图
一、相图的表示方法
二、热分析法测定相图
冷却曲线
相图
三、相律
f=c-p+2 或 f=c-p+1 (常压)
合金系的最大自由度数：
纯金属：fmax=1(成分固定不变0，温度1) 二元合金：fmax=2(成分独立变量1，温度1) 三元合金：fmax=3(成分独立变量2，温度1)
合金-二元相图
两组元服从原子价规律而生成的正常化学中所称的化合物 两组元服从原子价规律而生成的正常化学中所称的化合物。 通常是金属元素与非金属元素组成，组元间电负性差起主要作 用，两组元间电负性差较大，它们符合 般化合物的原子价规 用，两组元间电负性差较大，它们符合一般化合物的原子价规 律。 例如MnS、Al2O3、TiN、ZrO2等，其结合键为离子键；也有 的是共价键，如SiC；少数也有以金属键结合,如Mg2Pb。
晶体结构因素
组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且才有可 能形成无限固溶体。 若组元间的晶体结构不同，便只能生成有限固溶体。
电负性差
电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变 为负离子的能力。反映两元素的化学性能差别。 两元素间电负性差越小，则越容易形成固溶体，且 所形成的固溶体的溶解度也就越大；随两元素间电负性 差增大 溶解度减小 当其差别很大时 往往形成较稳 差增大，溶解度减小，当其差别很大时，往往形成较稳 定的化合物。
End
固溶体的性能特点
• 由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上与 原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的性能主要决定于溶 剂的性能，或在溶剂性能基础上发生一些改变。 固溶体的性能与原溶剂性能的差别，或称性能变化的大小， 随着溶质的浓度(含量)的增加而加大。 以金属元素为溶剂的固溶体，随着溶质的溶入，强度将提高， 称为固溶强化，溶质的溶入可造成晶格畸变，材料的塑性变 形的阻力加大 同时塑性略有下降 但不明显 在材料中是 形的阻力加大，同时塑性略有下降，但不明显。在材料中是 有效提高金属材料力学性能的途径之一。
固溶强化
尺寸因素
在置换固溶体中，溶质原子的尺寸和溶剂相近，溶解度也 愈大，Δr 小于15% 时才有利于形成置换固溶体，要能达到无 限互溶 Δ 的值还要小一些。 限互溶，Δr 的值还要小 些 间隙固溶体的形成的基本条件 D质/D剂 < 0.59。在间隙固溶 体中 显然 D质/D剂 愈小，即溶质原子的尺寸愈小，溶解度也大。 体中，显然 愈小 即溶质原子的尺寸愈小 溶解度也大 间隙固溶体只能有限溶解。
晶体结构因素
组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且才有可 能形成无限固溶体。 若组元间的晶体结构不同，便只能生成有限固溶体。
电负性差
电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变 为负离子的能力。反映两元素的化学性能差别。 两元素间电负性差越小，则越容易形成固溶体，且 所形成的固溶体的溶解度也就越大；随两元素间电负性 差增大 溶解度减小 当其差别很大时 往往形成较稳 差增大，溶解度减小，当其差别很大时，往往形成较稳 定的化合物。
End
固溶体的性能特点
• 由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上与 原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的性能主要决定于溶 剂的性能，或在溶剂性能基础上发生一些改变。 固溶体的性能与原溶剂性能的差别，或称性能变化的大小， 随着溶质的浓度(含量)的增加而加大。 以金属元素为溶剂的固溶体，随着溶质的溶入，强度将提高， 称为固溶强化，溶质的溶入可造成晶格畸变，材料的塑性变 形的阻力加大 同时塑性略有下降 但不明显 在材料中是 形的阻力加大，同时塑性略有下降，但不明显。在材料中是 有效提高金属材料力学性能的途径之一。
固溶强化
尺寸因素
在置换固溶体中，溶质原子的尺寸和溶剂相近，溶解度也 愈大，Δr 小于15% 时才有利于形成置换固溶体，要能达到无 限互溶 Δ 的值还要小一些。 限互溶，Δr 的值还要小 些 间隙固溶体的形成的基本条件 D质/D剂 < 0.59。在间隙固溶 体中 显然 D质/D剂 愈小，即溶质原子的尺寸愈小，溶解度也大。 体中，显然 愈小 即溶质原子的尺寸愈小 溶解度也大 间隙固溶体只能有限溶解。
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一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降， 电阻率升高，导电性逐渐下降等，即固溶强化。
置换固溶体
间隙固溶体
固溶体成份与性能的关系
2. 金属间化合物
金属间化合物：在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解 度时，将析出新相，若新相的晶格结构不同于任一组成元 素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质， 称为化合物
第四章 合金的结构 与 二元状态图
§1 合金中的相结构
一、合金的基本概念
合金 :通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一 种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新 物质，称为合金。 组元 :组成合金的最基本的、独立的物质称为组元 。 相：在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部 分有界面分开的均匀组成部分，均称之为相 组织 ：在金属和合金中，在显微镜下能观察到的微观形貌、 图象称为组织，它是由单相物质或多相物质组合成的，具 有一定形态特征的聚合体 。
1,组织与相的关系与区别 相是系统中结构相同,成分及性能均一的组成部分,相与相之间的有界面分开. 从结构上讲,相是合金中的一种原子聚集状态,固相具有一定的晶格类型和性 质. 组织一般是指用肉眼或显微镜观察到的具有某种形态特征的合金组成物,实质 上它是一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体的总称. 97 因此,相构成了组织.合金的组织可以由单相固熔体或金属间化合物组成,也可 由一个固熔体和一个金属间化合物或两个固熔体和两个金属间化合物等组成. 就是由于这些相的相对数量,形状,尺寸和分布的不同,才形成了各种各样的组 织. 如Pb-Sn共晶系合金,常温下只有α和β,而组织组成物却有五种:初生相α和β, 共晶(α+β),次生相αⅡ和βⅡ.其中,α和β较粗大,αⅡ和βⅡ较细小,α,αⅡ虽然同 是一相,却是两种组成物,因为它们形态特征不同. 98 相构成了组织,但组织直接决定了合金的性能,故我们重视组织这个概念. 工业上常用的合金的组织,大多是以固熔体为基体,以金属间化合物为强化相.
均匀细密，强度达最高值。）
2. 根据相图判断材料的工艺性能
铸造性能：根据液固相线之间的距离X
X越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差别大）；
X越大，流动性越差（因为枝晶发达）；
X越大，热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大）。
塑性加工性能：选择具有单相固溶体区的合金。
热处理性能：选择具有固态相变或固溶度变化的合金
1)置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。 影响固溶度的因素 1. 原子尺寸因素：原子半径差越小，固溶度越大。 2. 晶体结构因素：结构相同，溶解度大；
3. 负电性因素(化学亲和力)：负电性差越大，溶解度大。
（负电性差很大时，形成化合物） 4. 电子浓度因素：电子浓度e/a越大，溶解度越小。 c=e/a=xu +(1-x)v（电子浓度：合金中两个组元的价电子 总数和原子总数之比。）
2)间隙固溶体：原子半径小于0.1nm的非金属元素溶入到溶
剂金属晶体点阵的间隙中形成的固溶体。
非金属元素：H, N, C , B, O 溶解度一般都很小，只能形成有限固溶体。
固溶体的性能
当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相
同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其
2.二元共晶相图
共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相 的转变。
点：共晶点E，纯组元熔点， 线：液相线、固相线，共晶线，固溶线 区：3个单相区，3个两相区， 1个三相区（线） 合金类型：固溶体合金，共晶型合金(亚共晶，共晶，过共晶)
结晶过程分析——共晶合金
共晶组织金相图
二、合金中的相结构
1. 固溶体 ：在合金结晶时所形成的固相的晶格结构与合金
的某一种组元的晶格结构相同。 2. 化合物：形成合金的组元相互作用并且所形成合金的晶 格类型和特性完全不同于任一组元的新物质。
1. 固溶体
固溶体分类：
按溶质原子在溶剂点阵中的位置分: 置换固溶体、间隙固溶体
按溶解度分:无限固溶体、有限固溶体 按原子在点阵中排列的秩序性分: 无序固溶体、有序固溶体
固相区
20
40
60 Ni%
80
液固两相区
结晶过程分析
平衡结晶
杠杆定律
不平衡结晶过程示意图
实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。扩散过 程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡的条件下进 行的。这使得先结晶出来的固溶体合金富含高熔点组元， 构成晶体的树枝状骨架，后结晶出的部分富含低熔点组元 较少，填充于枝间。这种在晶粒内化学成分不均匀的现象 称为枝晶偏析或称晶内偏析。 出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能和加 工工艺性能变坏。 出现枝晶偏析后，可通过扩散退火予以消除。一般采用将 铸件加热到低于固相线100～200℃的温度，进行长时间 保温，使偏析元素进行充分扩散，成分均匀化。
相图的组织组成物
300
L L+ + L+
200
100
0 0
20
40
60
80
100
Co , wt% Sn
过共晶
共晶 亚共晶
160 mm
175 mm
共晶组织
3. 二元包晶相图
包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点 成分固相的转变。
Ⅱ
二、二元合金状态图的建立
测定方法：最基本、最常用的方法是热分析法 1. 首先配制一系列不同成分的Cu—Ni合金； 2. 用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线； 3. 找出各冷却曲线上的相变点； 4. 将各个合金的相变点分别标注在温度——成分坐标图中 相应的合金垂线上。 5. 连接各相同意义的相变点，所得的线称为相界线，这样 就得到Cu—Ni合金相图
片间距示意图
结晶过程分析——亚共晶合金
18 62 97
97 40 57 0.72 97 18 79
62 40 22 0. 5 62 18 44
1 0.72 0.28
1 0.5 0.5
结晶过程分析
相图的相组成物
Ⅲ
点：包晶点 线：包晶线 区：有3个单相区;3个两相区;一个三相共存点4. 二元共析相图§3 相图与性能的关系
1. 根据相图判断材料的力学和物理性能
溶质元素 → 晶格畸变 → 强度、硬度↑（ 浓度50%时最大 ）
硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平
均值。 HB = HBα ⅹ α % + HBβ ⅹ β% 强度与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或 组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织细小、
力学性能：高硬度、高熔点、低塑性
类型： 正常价化合物：符合原子价规则的化合物，AmBn
电子化合物（电子相）：按照一定电子浓度值形成。
间隙化合物：受原子尺寸因素控制。
§2 二元合金状态图
一. 相图的相关概念
组元：通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在 的物质称为组元。在所研究的范围内既不分解也不发生任 何化学反应的稳定化合物也可称为组元，如Fe3C。 合金系:由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系 列不同成分的合金，称为合金系。 相图:用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解， 又称状态图或平衡图。相图上所表示的组织都是十分缓慢 冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。
三、二元状态图的基本类型分析
1. 二元匀晶相图
2. 二元共晶相图
3. 二元包晶相图
4. 具有共析转变的相图
液相线
相 图 分 析
1.二元匀晶相图 液相区
T C 1500 1400 1300 1200 1100 1083 1000 纯铜 熔点 Cu L 1455 L+ 纯镍 熔点
100
固相线 Ni
置换固溶体
间隙固溶体
固溶体成份与性能的关系
2. 金属间化合物
金属间化合物：在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解 度时，将析出新相，若新相的晶格结构不同于任一组成元 素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质， 称为化合物
第四章 合金的结构 与 二元状态图
§1 合金中的相结构
一、合金的基本概念
合金 :通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一 种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新 物质，称为合金。 组元 :组成合金的最基本的、独立的物质称为组元 。 相：在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部 分有界面分开的均匀组成部分，均称之为相 组织 ：在金属和合金中，在显微镜下能观察到的微观形貌、 图象称为组织，它是由单相物质或多相物质组合成的，具 有一定形态特征的聚合体 。
1,组织与相的关系与区别 相是系统中结构相同,成分及性能均一的组成部分,相与相之间的有界面分开. 从结构上讲,相是合金中的一种原子聚集状态,固相具有一定的晶格类型和性 质. 组织一般是指用肉眼或显微镜观察到的具有某种形态特征的合金组成物,实质 上它是一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体的总称. 97 因此,相构成了组织.合金的组织可以由单相固熔体或金属间化合物组成,也可 由一个固熔体和一个金属间化合物或两个固熔体和两个金属间化合物等组成. 就是由于这些相的相对数量,形状,尺寸和分布的不同,才形成了各种各样的组 织. 如Pb-Sn共晶系合金,常温下只有α和β,而组织组成物却有五种:初生相α和β, 共晶(α+β),次生相αⅡ和βⅡ.其中,α和β较粗大,αⅡ和βⅡ较细小,α,αⅡ虽然同 是一相,却是两种组成物,因为它们形态特征不同. 98 相构成了组织,但组织直接决定了合金的性能,故我们重视组织这个概念. 工业上常用的合金的组织,大多是以固熔体为基体,以金属间化合物为强化相.
均匀细密，强度达最高值。）
2. 根据相图判断材料的工艺性能
铸造性能：根据液固相线之间的距离X
X越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差别大）；
X越大，流动性越差（因为枝晶发达）；
X越大，热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大）。
塑性加工性能：选择具有单相固溶体区的合金。
热处理性能：选择具有固态相变或固溶度变化的合金
1)置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。 影响固溶度的因素 1. 原子尺寸因素：原子半径差越小，固溶度越大。 2. 晶体结构因素：结构相同，溶解度大；
3. 负电性因素(化学亲和力)：负电性差越大，溶解度大。
（负电性差很大时，形成化合物） 4. 电子浓度因素：电子浓度e/a越大，溶解度越小。 c=e/a=xu +(1-x)v（电子浓度：合金中两个组元的价电子 总数和原子总数之比。）
2)间隙固溶体：原子半径小于0.1nm的非金属元素溶入到溶
剂金属晶体点阵的间隙中形成的固溶体。
非金属元素：H, N, C , B, O 溶解度一般都很小，只能形成有限固溶体。
固溶体的性能
当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相
同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其
2.二元共晶相图
共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相 的转变。
点：共晶点E，纯组元熔点， 线：液相线、固相线，共晶线，固溶线 区：3个单相区，3个两相区， 1个三相区（线） 合金类型：固溶体合金，共晶型合金(亚共晶，共晶，过共晶)
结晶过程分析——共晶合金
共晶组织金相图
二、合金中的相结构
1. 固溶体 ：在合金结晶时所形成的固相的晶格结构与合金
的某一种组元的晶格结构相同。 2. 化合物：形成合金的组元相互作用并且所形成合金的晶 格类型和特性完全不同于任一组元的新物质。
1. 固溶体
固溶体分类：
按溶质原子在溶剂点阵中的位置分: 置换固溶体、间隙固溶体
按溶解度分:无限固溶体、有限固溶体 按原子在点阵中排列的秩序性分: 无序固溶体、有序固溶体
固相区
20
40
60 Ni%
80
液固两相区
结晶过程分析
平衡结晶
杠杆定律
不平衡结晶过程示意图
实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。扩散过 程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡的条件下进 行的。这使得先结晶出来的固溶体合金富含高熔点组元， 构成晶体的树枝状骨架，后结晶出的部分富含低熔点组元 较少，填充于枝间。这种在晶粒内化学成分不均匀的现象 称为枝晶偏析或称晶内偏析。 出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能和加 工工艺性能变坏。 出现枝晶偏析后，可通过扩散退火予以消除。一般采用将 铸件加热到低于固相线100～200℃的温度，进行长时间 保温，使偏析元素进行充分扩散，成分均匀化。
相图的组织组成物
300
L L+ + L+
200
100
0 0
20
40
60
80
100
Co , wt% Sn
过共晶
共晶 亚共晶
160 mm
175 mm
共晶组织
3. 二元包晶相图
包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点 成分固相的转变。
Ⅱ
二、二元合金状态图的建立
测定方法：最基本、最常用的方法是热分析法 1. 首先配制一系列不同成分的Cu—Ni合金； 2. 用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线； 3. 找出各冷却曲线上的相变点； 4. 将各个合金的相变点分别标注在温度——成分坐标图中 相应的合金垂线上。 5. 连接各相同意义的相变点，所得的线称为相界线，这样 就得到Cu—Ni合金相图
片间距示意图
结晶过程分析——亚共晶合金
18 62 97
97 40 57 0.72 97 18 79
62 40 22 0. 5 62 18 44
1 0.72 0.28
1 0.5 0.5
结晶过程分析
相图的相组成物
Ⅲ
点：包晶点 线：包晶线 区：有3个单相区;3个两相区;一个三相共存点4. 二元共析相图§3 相图与性能的关系
1. 根据相图判断材料的力学和物理性能
溶质元素 → 晶格畸变 → 强度、硬度↑（ 浓度50%时最大 ）
硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平
均值。 HB = HBα ⅹ α % + HBβ ⅹ β% 强度与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或 组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织细小、
力学性能：高硬度、高熔点、低塑性
类型： 正常价化合物：符合原子价规则的化合物，AmBn
电子化合物（电子相）：按照一定电子浓度值形成。
间隙化合物：受原子尺寸因素控制。
§2 二元合金状态图
一. 相图的相关概念
组元：通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在 的物质称为组元。在所研究的范围内既不分解也不发生任 何化学反应的稳定化合物也可称为组元，如Fe3C。 合金系:由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系 列不同成分的合金，称为合金系。 相图:用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解， 又称状态图或平衡图。相图上所表示的组织都是十分缓慢 冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。
三、二元状态图的基本类型分析
1. 二元匀晶相图
2. 二元共晶相图
3. 二元包晶相图
4. 具有共析转变的相图
液相线
相 图 分 析
1.二元匀晶相图 液相区
T C 1500 1400 1300 1200 1100 1083 1000 纯铜 熔点 Cu L 1455 L+ 纯镍 熔点
100
固相线 Ni