第三章 二元合金与相图
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合金的结构与二元合金相图
构和组织
• (二) 金属化合物 • 合金中的组元按一定原子数量比相互作用而形成的具有金属特性的新
相叫金属化合物.例如Ｍｇ (六方晶格) 与Ｓｉ (金刚石型晶格) 熔合. 可以形成Ｍｇ２Ｓｉ (立方晶格). 金属化合物一般可用分子式大致表 示其组成. • 金属化合物具有复杂的晶体结构. 熔点较高. 硬度高. 而脆性大. 当它 呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时. 将使合金的强度、硬度及耐 磨性明显提高. 这一现象称为弥散强化. 因此金属化合物在合金中常作 为强化相存在. 它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相.
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第二节 二元合金相图
• ２. 二元合金相图的一般识读 • (１) 相结构或组织状态符号. • Ｌ———液相. α、β、γ———不同的固溶体相结构或晶粒组织. Ｌ ＋
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第一节 合金的结构和组织
• 二、合金相结构的类型 • 在熔合合金中. 两组元的原子怎么熔合在一块呢? 研究发现. 合金中的
组元. 不论是二元或三元的. 原子要么以固溶方式相互熔合. 要么以化 合的方式相互熔合. 所谓固溶. 是一组元保留自己晶格类型. 另外的组 元以原子形式进入其中. 所谓化合. 则是指两组元的原子各以一定数量 比相互作用形成新的第三种晶格类型. • (一) 固溶体 • 以固溶方式形成的相结构叫固溶体. 其中保留了晶格的组元叫溶剂. 进 入它里面的其他组元原子叫溶质. 按溶质原子在溶剂晶格中位置的固 溶方式. 固溶体分为置换型和间隙型两大类.
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第二节 二元合金相图
• 上述合金结晶的特点告诉我们. 对于一个合金系. 仅用一个冷却曲线图 是无法表达清楚的. 必须用更复杂的图形. 这就出现了二元合金相图. 所谓二元合金相图. 是表示二元合金系内相结构或组织状态与温度、 成分之间变化关系的坐标图形. 相图如果是在平衡条件(等温、等压、 等容) 下测定的. 又叫平衡图. 不平衡状态下的相图与平衡状态下的相 图有一定区别.
• (二) 金属化合物 • 合金中的组元按一定原子数量比相互作用而形成的具有金属特性的新
相叫金属化合物.例如Ｍｇ (六方晶格) 与Ｓｉ (金刚石型晶格) 熔合. 可以形成Ｍｇ２Ｓｉ (立方晶格). 金属化合物一般可用分子式大致表 示其组成. • 金属化合物具有复杂的晶体结构. 熔点较高. 硬度高. 而脆性大. 当它 呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时. 将使合金的强度、硬度及耐 磨性明显提高. 这一现象称为弥散强化. 因此金属化合物在合金中常作 为强化相存在. 它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相.
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第二节 二元合金相图
• ２. 二元合金相图的一般识读 • (１) 相结构或组织状态符号. • Ｌ———液相. α、β、γ———不同的固溶体相结构或晶粒组织. Ｌ ＋
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第一节 合金的结构和组织
• 二、合金相结构的类型 • 在熔合合金中. 两组元的原子怎么熔合在一块呢? 研究发现. 合金中的
组元. 不论是二元或三元的. 原子要么以固溶方式相互熔合. 要么以化 合的方式相互熔合. 所谓固溶. 是一组元保留自己晶格类型. 另外的组 元以原子形式进入其中. 所谓化合. 则是指两组元的原子各以一定数量 比相互作用形成新的第三种晶格类型. • (一) 固溶体 • 以固溶方式形成的相结构叫固溶体. 其中保留了晶格的组元叫溶剂. 进 入它里面的其他组元原子叫溶质. 按溶质原子在溶剂晶格中位置的固 溶方式. 固溶体分为置换型和间隙型两大类.
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第二节 二元合金相图
• 上述合金结晶的特点告诉我们. 对于一个合金系. 仅用一个冷却曲线图 是无法表达清楚的. 必须用更复杂的图形. 这就出现了二元合金相图. 所谓二元合金相图. 是表示二元合金系内相结构或组织状态与温度、 成分之间变化关系的坐标图形. 相图如果是在平衡条件(等温、等压、 等容) 下测定的. 又叫平衡图. 不平衡状态下的相图与平衡状态下的相 图有一定区别.
第3章__二元合金相图
1、相图相区分析 T,C 1500 1400 1300 1200 1100 1000 1083 Cu 固相区 20 40 60 Ni% 80 L 液相区
液相线 纯镍 熔点
1455
L+
纯铜 熔点
Ni 100
固相线
固液两相区
2、合金的结晶过程
L L
平衡结晶
形核和晶粒的长大
能量起伏 结构起伏 成分起伏
图3-17 匀晶相图合金的结晶过程
3、杠杆定律及其应用
设合金成分为ω，合金的总质量 为m，在T温度时，固相成分ωα， 液相成分ωL，对应的质量 m α ， mL mL m m
mLL m m
mL bc m L ab
mL bc m ab m ac m ac m ab
T,C
T,C 1 L L+(+)+
183
L+
M
L
E
L+
N
2L+
+
Pb X3
(+ )+ (+ )+ + Ⅱ Sn
t
标注了组织组成物的相图
M
E
N
三、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。
二、共晶相图
液相线
固相线
T,C
Pb
L+
L
L+
Sn
固溶线
+
Sn%
固溶线
铅-锡合金共晶相图
液相线 纯镍 熔点
1455
L+
纯铜 熔点
Ni 100
固相线
固液两相区
2、合金的结晶过程
L L
平衡结晶
形核和晶粒的长大
能量起伏 结构起伏 成分起伏
图3-17 匀晶相图合金的结晶过程
3、杠杆定律及其应用
设合金成分为ω，合金的总质量 为m，在T温度时，固相成分ωα， 液相成分ωL，对应的质量 m α ， mL mL m m
mLL m m
mL bc m L ab
mL bc m ab m ac m ac m ab
T,C
T,C 1 L L+(+)+
183
L+
M
L
E
L+
N
2L+
+
Pb X3
(+ )+ (+ )+ + Ⅱ Sn
t
标注了组织组成物的相图
M
E
N
三、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。
二、共晶相图
液相线
固相线
T,C
Pb
L+
L
L+
Sn
固溶线
+
Sn%
固溶线
铅-锡合金共晶相图
第3章合金相图和合金的凝固
rb wL 100% ab
w
ar 100% ab
动画3-3 杠杆定律证明
3.3 匀晶相图及固溶体的结晶 匀晶相图：两组元在液态无限互溶、固态也无限互溶的二元合 金相图。 匀晶转变:从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。
主要二元合金系：Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Cd-Mg、Fe-Ni、 Mo-W等。
2）温度t3 温度到t3时，最后一滴液体结晶成固体，固溶体的成分完全与合 金成分一致，成为均匀（C0）的单相固溶体组织时。
固溶体结晶过程概述：
固溶体晶核的形成(或原晶体的长大)，产生相内(液相或固相)的 浓度梯度，从而引起相内的扩散过程，这就破坏了相界面处的 平衡(造成不平衡)，因此，晶体必须长大，才能使相界面处重新
不是3，与合金的成分C0不同， 因此，仍有一部分液体尚未结 晶，一直要到t4温度才能结晶 完毕。
晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象
影响晶内偏析的因素： 1）分配系数k0 当k01时，k0值越小，则偏析越大； 当k01时，k0越大，偏析也越大。 2）溶质原子的扩散能力 结晶的温度较高，溶质原子扩散能力又大，则偏析程度较小；反之，则 偏析程度较大。 3）冷却速度 冷却速度越大，晶内偏析程度越严重。 削除晶内偏析的方法： 扩散退火或均勺化退火
两相。
对二元系来说，组元数c＝2，当f＝0时，P=2－0＋1＝3，说明 二元系中同时共存的平衡相数最多为3个。
(2)利用相律可以解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别。 纯金属结晶时存在液、固两相，其自由度为零，说明纯金属 在结晶时只能在恒温下进行。 二元合金结晶时，在两相平衡条件下，其自由度f＝2－2＋1， 说明此时还有一个可变因素(温度)，因此，二元合金将在一定
三、二元合金相图和合金的凝固
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金属学与热处理
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二、固溶体的平衡结晶过程
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金属学与热处理
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在1点温度以上, 合金为液相L。 缓慢冷却至1～2温度之间时, 合金发生匀晶反应: L→α , 从液相中逐 在1~2点之间任意温度都可以用杠杆定理确定液相L和固相α 的相对
渐结晶出α 固溶体。
含量和成分。
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金属学与热处理
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金属学与热处理
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三、相律及杠杆定理
1.相律及其应用
f c p 2
f —自由度数 c—系统的组元数 p—平衡条件下系统的相数 当系统的压力为常数时
f c p 1
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自由度是指在保持合金系中相的数目不变的条件下，合 金系中可以独立改变的影响合金状态的内部和外部因素 的数目。 影响合金状态的因素有合金的成分、温度和压力，当压 力不变时，则合金的状态由成分和温度两个因素确定。 纯金属的自由度最多只有一个； 二元系合金的自由度最多为2个； 三元系合金的自由度最多为3个。
的成份是不同的，它应按固相 线变化。如果冷却速度较快，
固体中原子难以通过扩散满足
相图中的平衡成份，则就产生 了不平衡凝固过程。此时，通 常先结晶的固溶体内部含高熔 点组元，而后结晶的外部则富 含低熔点组元。 这种在晶粒内部出现的成份
下图是在金相显微镜下观察 到的Cu-Ni合金不平衡凝固的 铸态组织，Ni熔点高，先结晶 出的枝干富含Ni，耐浸蚀，呈 白亮色枝间后结晶含Cu多，易 受浸蚀，呈黑色。 扩散退火的方法可消除晶内 偏析。
成全部共晶组织的成分和 温度范围称为伪共晶区。
第三章 金属的结晶与二元合金相图
液相区L 双相区L+α 固相区α 液相线 固相线
固相区
匀 晶 相 图 合 金 的 结 晶 过 程 (P33)
☆在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是 不相同的,其变化规律是沿着固相线变化.与此同 时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化.
2,晶内偏析——枝晶偏析 (P33)
晶内偏析: 晶内偏析: 在一个晶粒内,各处 成分的不均匀现象. 因为金属通常以枝晶 方式结晶,先形成的 主干和后形成的支干 就会有化学成分之差, 枝晶偏析. 所以也称枝晶偏析 枝晶偏析
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 3,过冷度(△T):理论结晶温度与实际结 过冷度( 晶温度之差.对于纯金属: △T= T0- Tn 4,金属的结晶都 是在一定的过冷 度下进行的,这 种现象称过冷现 过冷现 象.
第一节 金属结晶的基础知识
(二)共晶相图 1,相图分析 (P35)
7)α固溶体溶解度变化曲线——cf 8) β固溶体溶解度变化曲线——eg 9)三个单相区:L,α,β
10)液相线——adb 11)固相线——acdeb 12)共晶线——cde
(二)共晶相图 1,相图分析 (P35)
13)三个两相区:L+α,L+β,α+β 14)一个三相区:L+α+β,在共晶转变过程中三相同时存在.
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 1,理论结晶温度 0: 又称平衡结晶温度. 理论结晶温度T 理论结晶温度 (冷速极慢)也就是金属的熔点Tm. 2,实际结晶温度 n:在某一实际冷却速度下 实际结晶温度T 实际结晶温度 的结晶温度.
二元合金相图
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四 平衡结晶分析及其组织1源自金的结晶过程固溶体合金的结晶过程 22
结晶过程
1.当温度到达1点或稍下时，由L→α固溶体随着温度 的降低α％ ↑ ，L％↓。并呈树枝状形态……
2.当温度到达2点时液相完全消失，得到100％α。
液相的成分1→α1→α2→…以致消失。 固相成分由c1→c2→2→… α(ob成分) 最后得到成分均匀的ob成分等轴状的α固溶体。
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第二节 匀晶相图
一．相图的基本概念
● 相图：研究合金在平衡的条件下（无限缓慢冷却，比如 0.5~1.50C/min） ，合金的状态与温度、 成分间的关系的图解称 为相图或平衡图。
● 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， 称为合金在该条 件下的状态。 如纯铁在1538℃以上的状态为液相;在1538℃时为液相和固 相两相共存; 1538℃以下为固相.
匀晶转变：在一定温度范围内，不断由液相中凝固出 固溶体，液相、固相成分都不断随温度的下降而沿液 相线和固相线变化的过程，叫做匀晶转变。
23
五 匀晶结晶的特点
1）树枝状长大：a固溶体在从液相中结晶出来的过程中， 包括有生核和长大两个过程，但固溶体更趋于呈树枝状 长大。
2）变温结晶过程：在一个温度区间进行。
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B.复杂结构的间隙化合物
当非金属原子半径（rB）与金属原子半径（rA）之比rB /rA大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。
（1）形成条件：两类元素的负电性相差较大且满足rB /rA > 0.59
（2）特性
(a) 复杂结构如：Fe3C 、Cr7C3 Cr23C6 (b) 高熔点、高硬度，但比间隙相的略低，在钢中也起强化作用； 塑性为零，加热容易分解 © 常形成Cr、Mn、Co、Fe的碳化物或它们的合金碳化物，常见 的类型有：M3C、M7C3、M23C6、M6C。
第三章二元合金相图和二元合金的结晶
第三章⼆元合⾦相图和⼆元合⾦的结晶第三章⼆元合⾦相图和⼆元合⾦的结晶§1 概述⼀、合⾦系由⼀定数量的组元配制成的不同成分的⼀系列合⾦组成的系统，称合⾦系。
两个组元的称⼆元合⾦系，三个组元的称三元合⾦系。
例如,Cu-Ni是⼆元合⾦系，⽽Pt-Pd-Rh是三元合⾦系。
⼆、什么是合⾦相图合⾦相图是表⽰平衡状态下合⾦系的合⾦状态和温度、成分之间关系的图解。
该定义中，“平衡状态”是指⼀定条件下，合⾦⾃由能最低的稳定状态；⽽“合⾦状态”是指合⾦由哪些相组成，各相的成分及其相对含量是多少。
三、合⾦相图的作⽤利⽤合⾦相图可以了解各种成分的合⾦，在⼀定温度的平衡条件下，存在哪些相、各相的成分及其相对含量。
但它不能指出相的形状、⼤⼩和分布状况，即不能指出合⾦的组织状况。
尽管如此，如果能把相图和相变机理、相变动⼒学结合起来，那么相图便可成为分析组织形成和变化的有利⼯具，成为⾦属材料⽣产、科研的重要参考资料，因此，相图是⾦属学的重要内容之⼀。
§2⼆元合⾦相图的建⽴⼀. ⼆元合⾦相图的表⽰⽅法1.⽤平⾯坐标系表⽰⼆元合⾦系物质的状态通常由成分、温度和压⼒三个因素确定。
由于合⾦的熔炼、结晶都是在常压下进⾏的，所以，合⾦的状态可由成分和温度两个因素确定。
对于⼆元合⾦系来说，⼀个组元的浓度⼀旦确定，另⼀个组元的浓度也随之⽽定，因此成分变量只有⼀个，另⼀个变量是温度，所以⽤平⾯坐标系就可以表⽰⼆元合⾦系。
通常⽤纵坐标代表温度，横坐标代表成分。
成分多⽤重量百分⽐来表⽰。
（如图3.1所⽰），横坐标的两个端点A、B代表组成合⾦的两个组元。
2.⼆元合⾦相图中的表象点和表象线在⼆元合⾦相图中，平⾯上任意⼀点称为表象点。
其坐标值表⽰合⾦的成分和温度。
例如图中的E点表⽰合⾦由40%的B组元和60%的A组元组成，合⾦的温度为500℃。
在⼆元相图上，过合⾦成分点的垂线，称合⾦的表象线。
⼆. ⼆元合⾦相图的测定⽅法建⽴相图的⽅法有两种：实验测定和理论计算。
第三章 二元合金相图汇总
TL
TA
mCo1
1 K0 K0
exp
RX D
（2） （3）
而界面温度： Ti (TL ) x0 TA mCo / K0 （4）
若自液-固界面开始的温度梯度为G，则距界面X处液体实 际温度为
T=Ti+Gx
（5）
将（4）式代入（5）式：T=TA-mCo/K0+Gx （6）
当液体实际温度T<TL （7），产生成分过冷，成分过 冷是由于界面前沿液相中成分差别与实际温度分布两 个因素共同决定的。
在稳态凝固过程中，固溶体溶质分布方程为：
CS
K eC0
1
X L
Ke 1
其中Ke为有效分配系数，
Ke
(CS )i (CL ) B
K0
K0 (1 K 0 )e R / D
常数
式中 R：凝固速度 δ：边界层厚度 D：扩散系数
19
Ke
(CS )i (CL ) B
K0
K0 (1 K 0 )e R / D
1 4
5
10
1．晶内偏析（枝晶偏析） ·定义：晶粒内部出现的成份不均匀现象。 ·通过扩散退火或均匀化退火，使异类原子互相
充分扩散均匀，可消除晶内偏析。
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晶内偏析（枝晶偏析）
2．影响晶内偏析的因素 a、·冷却速度 b、 元素的扩散能力 c、 相图上液相线与固相 d、线之间的水平距离
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四、固溶体合金凝固过程中的溶质分布
1．成分过冷
①成分过冷的产生 设一个K0<1的合金Co在 圆棒形锭模中自左向右 作定向凝固，假定溶质 仅依靠扩散而混合
C
Co1
1 K0 K0
exp
第三章二元合金相图和合金的凝固
第三章⼆元合⾦相图和合⾦的凝固第三章⼆元合⾦相图和合⾦的凝固⼀．名词解释相图、相律、匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、异晶转变、平衡结晶、不平衡结晶、异分结晶、平衡分配系数、晶内偏析、显微偏析、区域偏析、区域提纯、成份过冷、胞状组织、共晶组织、亚共晶组织、过共晶组织、伪共晶、离异共晶、⼆．填空题1.相图可⽤于表征合⾦体系中合⾦状态与和之间的关系。
2.最基本的⼆元合⾦相图有、、。
3.根据相律，对于给定的⾦属或合⾦体系，可独⽴改变的影响合⾦状态的内部因素和外部因素的数⽬，称为，对于纯⾦属该数值最多为，⽽对于⼆元合⾦该数值最多为。
4.典型的⼆元合⾦匀晶相图，如Cu-Ni⼆元合⾦相图，包含、两条相线，、、三个相区。
5.同纯⾦属结晶过程类似，固溶体合⾦的结晶包括和两个基本过程。
6.勻晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为________ 。
7.共晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为___________ _。
8.共析反应的特征为_____________，其反应式可描述为_____________。
9.⾦属或合⾦在极缓慢冷却条件下进⾏的结晶过程称为。
纯⾦属结晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为；⽽固溶体合⾦结晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为。
10.固溶体合⾦经不平衡结晶所产⽣的两类成分偏析为、。
11.固溶体合⾦产⽣晶内偏析的程度受到溶质原⼦扩散能⼒的影响，若结晶温度较⾼，溶质原⼦的扩散能⼒⼩，则偏析程度。
如磷在钢中的扩散能⼒较硅⼩，所以磷在钢中的晶内偏析程度较，⽽硅的偏析较。
12.固溶体合⾦结晶后出现枝晶偏析时，结晶树枝主轴含有较多的________组元。
严重的晶内偏析降低合⾦的，为消除枝晶偏析，⼯业⽣产中⼴泛采⽤的⽅法。
13.根据区域偏析原理，⼈们开发了，除⼴泛⽤于提纯⾦属、⾦属化合物外，还应⽤于半导体材料及有机物的提纯。
通常，熔化区的长度，液体的成分，提纯效果越好。
第三章合金相的晶体结构
相成分判定方法
单相区: 实际座标点
两相区: 液(固)相成
分在温度水平线 与液(固)相线的 交点处
液(固)相线的意义
(1) 表征了各成 分合金的结晶 起始(终止)温度
(2) 表征了各温 度下液固两相达 到平衡时液(固) 相的成分
4 相律
相律表示在平衡条件下，系统的自由度数、 组元数和相数之间的关系
二 合金的相结构
（一）固溶体
1、固溶体的分类
置换固溶体
** 按溶质原子在晶格中所占的位置分类
（1）置换固溶体— 溶质原子占据溶剂晶格结 点所形成的固溶体——又称代位固溶体
90％ Cu-10％Ni合金
（2）间隙固溶体
—— 溶质原子填入溶剂晶格的 空隙位置所形成的固溶体
间隙固溶体
例： C 固溶于α－Fe中形成间隙固溶体 ┗ 铁素体
4 固溶体的性能
(1) 固溶体强硬度高于组成它的纯金属， 塑韧性低于组成它的纯金属 （2）物理性能方面，随着溶质原子量↑， 固溶体的电阻率↑，电阻温度系数↓，导热性 ↓
什么是固溶强化？
——固溶体中随着溶质原子的加入，强度、 硬度升高，塑性、韧性降低的现象 ——金属材料的主要强化手段或途径之一 例如：采用廉价的16Mn (1.2%~1.6%Mn)，抗 拉强度较相同碳含量的普通碳素钢提高60％
金属 化合物
正常价化合物
电子化合物 间隙化合物
间隙相
间隙式金属 化合物
§ 2 二元合金相图的建立
给定的合金系究竟以什么状态(相)存在，包 含哪些相，这由内、外因条件决定，外因是温度 和压力，内因则是化学成分 ——用相图来表示它们之间的关系
几个概念： 相图: 表示合金系中的状态(相)与温度，成分
第三章(二元合金相图的建立)2
自由度是指在保持合金系中的相的数目不变的 条件下，合金系中可以独立改变的、影响合金 状态的内部及外部因素的数目。
利用相律可解决的问题：
①利用相律确定系统中存在的最多平衡相数：
例如单元系，c=1，同时共存的平衡相数不超过两个。 ②确定可变因素： •纯金属结晶，ｃ＝1、ｐ＝2、f=ｃ－ｐ＋1＝0， 纯金属结晶只能在恒温下进行； •二元合金结晶，在两相平衡时，f=2-2+1=1，说 明某一成分的二元合金的结晶过程是在一定温度 范围内进行。 •三相平衡时：ｆ＝2－3＋1＝0，所以温度固定， 三个相的成分也固定；
3、相律及杠杆定律： 3.1相律及其应用 相律是表示在平衡条件下，系统的自由度 数、组元数和相数之间的关系，是系统的平衡 条件的数学表达式。 相律可用下式表示：
f c p2
当系统的压力为常数时，则为：
式中：
c：系统的组元数； p：平衡条件下系 统中的相数； f：自由度数。
f c p 1
设：成分为C0的合金定向凝固且液体中只有扩散 无对流、搅拌；
①液相线和固相线均为直线（k0＜1），见图ａ）；
②图ｂ）为液态合金中的实际温度分布，是正的温度梯 度；
③固液界面的溶质分布如图ｃ）所示，并可知，在液相 中，随着距固液界面距离的增大，溶质浓度将降低； 由ａ）可知，随着溶质浓度的减少，液相线温度将升 高，故得到液相线温度与到界面距离的关系为图ｄ）；
• 匀晶转变：是指结晶都是从液相结晶出单相的 固溶体的结晶过程。
2.2固溶体合金的结晶特点： 2.2.1异分结晶：
定义：是指结晶出的晶体与母相化学成分不同 的结晶。固溶体的结晶属于异分结晶。 同分结晶：是指结晶出的晶体与母相的化学成 分完全相同的结晶。纯金属结晶属于同分结晶。
第三章 二元合金相图及应用
性能:
加工性能
机械性能
第六节 铁碳合金相图
钢中的渗碳体
铸铁中的石墨
第六节 铁碳合金相图Fra bibliotek灰铸铁(珠光体+片状石墨 )
球墨铸铁（铸态）珠光体+铁素体+球状石墨 400X
第六节 铁碳合金相图
可锻铸铁 400X （铁素体+团絮状石墨）
蠕墨铸铁 (铁素体+蠕虫状石墨)400X
第六节 铁碳合金相图
四、珠光体（P）
共析相图
A
E
( A+Fe3C ) Ld Ld+Fe3CⅠ A+Ld+Fe3CⅡ 727℃
P+Ld′ +Fe3CⅡ Ld′ Ld′ +Fe3CⅠ ( P+Fe3C )
K
0.0218%C 0.77%C Fe
2.11%C
4.3%C
6.69%C Fe3C
第六节 铁碳合金相图
Fe-Fe3C相图分析
点：A、G、Q、D)； E、 P； C、 S 线：ACD、AECF； ECF、PSK； ES、PQ； AE、GS； 区：单相区 两相区 三相区
所谓稳定化合物是指具有一定的熔点， 在熔点温度以下能够保持自己固有结构而 不发生分解的化合物，如：Mg2Si
含稳定化合物的相图
第四节 其他相图
温度
L+Mg L+ Mg2Si 638.8℃ 1087℃
L
L+ Mg2Si L+Si 946.7℃
1414℃
Mg+ Mg2Si
Mg Mg2Si
Mg-Si 合金相图
Mg2Si+ Si Si
第五节 相图与性能的关系
二元合金的相结构与结晶(相图建立与匀晶相图)
11
二元合金相图的一般几何规律
相律： 相律：F=3-P（ F=C-P+1 ；C=2） （ ）
1、P=1，F=2 ——位于相图中的单相区（Single Phase Region） 、 位于相图中的单相区 ， 位于相图中的单相区（ ） 任意一点的成分和温度都可以独立变化而不影响系统的状态。 任意一点的成分和温度都可以独立变化而不影响系统的状态。 可以是任意形状。 恒压下，最大F=2，成分、温度均可变） 可以是任意形状。 （恒压下，最大 ，成分、温度均可变） 2、 P=2，F=1 ——位于相图中的两相区（Two Phase Region） 位于相图中的两相区 、 ， 位于相图中的两相区（ ） 只有一个独立变量，温度一定成分一定，反之亦然。 只有一个独立变量，温度一定成分一定，反之亦然。 一对代表两平衡相的成分和温度的共轭曲线组成。 一对代表两平衡相的成分和温度的共轭曲线组成。 3、 P=3，F=0 ——位于相图中的三相区（Three Phase Region） 位于相图中的三相区 、 ， 位于相图中的三相区（ ） 没有独立变量，温度与每一相的成分均不能变。 没有独立变量，温度与每一相的成分均不能变。 形状是一条等温线。端点和中间点分别表示三个相的成分。 形状是一条等温线。端点和中间点分别表示三个相的成分。 有两种基本形式：共晶型（ ）、包晶型 有两种基本形式：共晶型（Eutectic-type）、包晶型（Peritectic-type） ）、包晶型（ ） 没有意义。 4、 P>3，F<0 ——没有意义。 、 ， 没有意义
CL C Cα
液相C 重量为w 液相 L重量为wL 重量为w 固相Cα重量为wα
wL
wα
WL + Wα = 1
C = WL C L + Wα Cα
[工学]第3章 合金的结构与相图
![[工学]第3章 合金的结构与相图](https://img.taocdn.com/s3/m/ca4b46082af90242a895e56e.png)
即得到Cu、Ni合金相图。
用热分析法测定Cu、Ni相图
a）冷却曲线
b）相图
§3匀晶相图
一、相图分析
二、合金的结晶过程
三、二元相图的杠杆定律
四、固溶体合金中的偏析
两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶的二元合
金系所形成的相图，称为匀晶相图。
匀晶转变：结晶时从液相中结晶出单相固溶体，这种 结晶过程称为匀晶转变。
两种化学成分和晶格结构完全不同
的新固相的转变过程，称为共析过 程。
共析转变属于固态相变的一种类型。和共晶反
应一样是由一个相分解为两个相的三相平衡等温
转变。共析转变的特点是：由特定成分的单相固
态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具
有一定晶体结构的固相。
由于共析反应是在固态下进行的，其原子扩散条
二、金属间化合物
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，属
于化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的β相
（CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等，
都是化合物。
金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶
格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。钢
中渗碳体（Fe3C）是由铁原子和碳原子所组成的
一、固溶体
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称为固溶体。
固溶体中的晶格畸变示意图 a)间隙固溶体 b)置换固溶体 （一）固溶体的结构与分类 1、置换固溶体 2、间隙固溶体
1、置换固溶体
溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而
组成的固溶体称置换固溶体。
溶质原子在溶剂晶格结点上呈无序分布的置换
用热分析法测定Cu、Ni相图
a）冷却曲线
b）相图
§3匀晶相图
一、相图分析
二、合金的结晶过程
三、二元相图的杠杆定律
四、固溶体合金中的偏析
两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶的二元合
金系所形成的相图，称为匀晶相图。
匀晶转变：结晶时从液相中结晶出单相固溶体，这种 结晶过程称为匀晶转变。
两种化学成分和晶格结构完全不同
的新固相的转变过程，称为共析过 程。
共析转变属于固态相变的一种类型。和共晶反
应一样是由一个相分解为两个相的三相平衡等温
转变。共析转变的特点是：由特定成分的单相固
态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具
有一定晶体结构的固相。
由于共析反应是在固态下进行的，其原子扩散条
二、金属间化合物
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，属
于化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的β相
（CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等，
都是化合物。
金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶
格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。钢
中渗碳体（Fe3C）是由铁原子和碳原子所组成的
一、固溶体
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称为固溶体。
固溶体中的晶格畸变示意图 a)间隙固溶体 b)置换固溶体 （一）固溶体的结构与分类 1、置换固溶体 2、间隙固溶体
1、置换固溶体
溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而
组成的固溶体称置换固溶体。
溶质原子在溶剂晶格结点上呈无序分布的置换
第三章二元相图和合金的凝固
固溶体的平衡结晶过程： 固相成核
相内浓度梯度 相内扩散
界面浓度不平衡 晶体长大
重新建立平衡 固溶体的平衡结晶过程 原子的扩散过程 液相和固相均匀一致 原子的扩散进行完全 缓慢冷却 冷却速度大 相内成分不均匀 偏离平衡结晶条件（不平衡
结晶）
17
三、固溶体合金的不平衡结晶
条件：液相完全均匀化，而固相内却来不及进行扩散。
C1平衡重新建立→浓度梯度→原子
扩散→进一步长大
C1
→重复进行
溶 质
LC1
浓
k0C1
度
k 0C1
L
（a）
温
度
L
k0C1 T1
C1
k0C2 T2
C2
L+
C0
C0
溶
C0’
质
浓
k0C1
度
பைடு நூலகம்
L
C1
溶 C0’ 质
浓
k0C1
度
L
C1 溶
质
浓 度
k0C1
L
（b）
（c）
（d） 15
温度T2的结晶过程: LC 2 k 0C 2
§3.1 二元相图的建立
一、相图的表示方法 对二元合金来说，通常用横 坐标表示成分，纵坐标表示 温度。 坐标平面上的任一点称为表 象点，表示合金的成分和温度
1
二、相图的建立
通过实验测定：
先配制一系列成分不同的合金，然后测定这些合金的相变临 界点，最后把这些点标在温度—成分坐标图上，把各相同 意义的点连结成线，这些线就在坐标图上划分出一些区域， 即相区，将各相区所存在的相的名称标出，相图的建立工 作即告完成。
25
形成成分过冷临界条件：G mC 0 1 k0
二元合金相图及其应用
作枝晶偏析。 • 不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 • 冷速越大，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。
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
➢ 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α、Ⅱ的相对重量百分比为：
w
4G FG
➢
由于二次相析出温度较低，一般十分细小。w
F4 FG
Ⅰ合金室温组织为
➢ + Ⅱ 。
A C
F
B ➢ 成分大于 D点合金结晶过程
E
D
与Ⅰ合金相似，室温组织为
+ Ⅱ。
G
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
二元合金相图及其应用
第三章 二元合金相图及其应用
3.1 合金的相结构 纯金属的局限 合金 3.1.1 基本概念 ➢ 合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经
一定方法合成的具有金属特性的物质。
➢ 组元：组成合金最基本、能够独立存在的物质。可以是元 素，也可以是稳定化合物。（如二元、三元合金〕
• 相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线 叫固相线。
3.2.2 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， • 结晶时只结晶出单相固溶
体组织， • 以Cu-Ni合金为例进行分析。
（1）相图分析
• 相图由两条线构成，上 面是液相线，下面是固 相线。
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。
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
➢ 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α、Ⅱ的相对重量百分比为：
w
4G FG
➢
由于二次相析出温度较低，一般十分细小。w
F4 FG
Ⅰ合金室温组织为
➢ + Ⅱ 。
A C
F
B ➢ 成分大于 D点合金结晶过程
E
D
与Ⅰ合金相似，室温组织为
+ Ⅱ。
G
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
二元合金相图及其应用
第三章 二元合金相图及其应用
3.1 合金的相结构 纯金属的局限 合金 3.1.1 基本概念 ➢ 合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经
一定方法合成的具有金属特性的物质。
➢ 组元：组成合金最基本、能够独立存在的物质。可以是元 素，也可以是稳定化合物。（如二元、三元合金〕
• 相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线 叫固相线。
3.2.2 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， • 结晶时只结晶出单相固溶
体组织， • 以Cu-Ni合金为例进行分析。
（1）相图分析
• 相图由两条线构成，上 面是液相线，下面是固 相线。
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合金 亚共析钢有Fe和Fe3C两个组元，也属于二元合金
三元合金 由三个组元构成的合金
例如：硬铝有Al、Cu和Mg三个组元，属于三元合金
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
关于相的相关概念
相 在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与 其他部分有界面分开的均匀部分 单相 若合金是由成分和结构都相同的同一种晶粒构成，称 合金含有一种相，为单相
第三章 二元合金与相图
纯金属的应用
导电体、导热体(散热器)、装饰品、工艺美术品(化学稳定性、 美丽的光泽)等 但其力学性能差（σ b↓）、品种有限约80种）、提纯成本高
合金材料的应用
HB↑ 、σ b↑，数量上万种，生产成本低，广为开发利用
第三章 二元合金与相图
纯金属强度低 强度高
合 金 化
纯铁:σb =200MPa 45钢:σb =610MPa （45钢=纯铁+0.45%碳）
第三章 二元合金与相图
关于合金的相关概念
组元 组成合金独立的、最基本的单元
组元可以是：金属、非金属、稳定化合物
例如：黄铜中Cu和Zn都是组元 硬铝合金中Al、Cu、Mg都是组元 亚共析钢中Fe和Fe3C都是组元 铝硅合金中Al和Si都是组元
第三章 二元合金与相图
关于合金的相关概念
合金系 相同组元按不同比例配制一系列不同成分的合金， 构成一个合金系
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
金属化合物 结 构 特 点
具有相当程度的金属键并具有一定程度的金属性质的化合物
金属化合物的晶格结构类型不同于任一组元（可用分子式大致表示）
举例： 渗碳体是由Fe和C构成的金属化合物， 其晶格类型与Fe和C都不形同，而是形 成一种复杂晶格（如右图）。Fe与C原 子比例固定为3:1，故可以Fe3C来表示
奥氏体（一种高温固溶体）其溶剂是Fe，溶质是C，溶剂高温晶格 为面心立方结构，溶质为层状立边形结构，奥氏体为面心立方晶格 结构
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
固溶体 固 溶 体 分 类
根据溶质原子在溶剂晶格中占据位置的不同， 固溶体可分为两类
有序固溶体
置换固溶体
固 溶 体
间隙固溶体
合金性能与相图的关系
力 学 性 能 与 相 图 的 关 系
当合金形成单相固溶体时，
由于溶质原子使基体晶格畸变， 溶质元素浓度越高，引起晶格 畸变越大，则合金的强度、硬 度越高
当合金形成为两相机械混合
物的组织时，合金的强度和硬 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
第三章 二元合金与相图
金的显微组织中的基本相， 如α 、β 固溶体相
合金的组织组成物：由
基本相组成的单相组织和 共晶体等基本组织，如亚 共晶合金的组织组成 物 α +β II+（α +β ）
Pb—Sn合金相图(用组织组成物标注）
g
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
共晶相图 体积质量偏析
由于体积质量的原因而引起铸件成分偏析
室温下合金Ⅲ的显微组织：a）相组成：α、β； b）组织组成：α、（α+β）、βⅡ
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
共晶相图
过共晶合金 结晶过程
室温下合金Ⅳ的显微组织：a）相组成：α、β； b）组织组成：αⅡ、（α+β）、β
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
共晶相图
合金的相组成物：在合
合金系中：组元固定、含量（成分)不同 例如：金色黄铜和弹壳黄铜都是黄铜，但金色黄铜含Cu ≈90%，含Zn≈10%，而弹壳黄铜含Cu≈70%， 含Zn ≈30%
Cu 0 25 50 75 100 Zn
A组元
wZn（%）→ 合金的成分
黄铜合金系线
B组元
第三章 二元合金与相图
关于合金的相关概念
二元合金 由两个组元构成的合金
溶解度有限的固溶体
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
固溶体 固 溶 体 的 性 能
不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使 固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料 的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属 材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化
第一节 固态合金相结构
合金相种类
固溶体
相
金属化合物
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
固溶体
合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶体
置换原子
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
固溶体 晶 体 结 构 特 点
固溶体的晶格结构类型与溶剂金属组元的晶格相同
举例： 铁素体（一种固溶体）其溶剂是Fe，溶质是C，溶剂常温晶格为体 心立方结构，溶质为层状立边形结构，铁素体为体心立方晶格结构
渗碳体的晶格结构
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
金属化合物 结 构 特 点
晶体结构复杂，熔点高、硬度高、脆性大。一般只用作强化相
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
基本知识 相图（合金平衡图/合金状态图）
用图解的方法表示不同温度、压力及成分下的合 金系中各相的平衡关系
平衡状态下——是个理想状态 只有在极缓慢的冷却 速度下才能趋近这个状态
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
合金性能与相图的关系
铸 造 性 能 与 相 图 的 关 系
在恒温下结晶的合金具有最好 的流动性，易生成集中缩孔， 因此铸造合金的成分接近共晶 成分，越容易铸成致密件 所以铸造合金的成分常取共晶 成分和接近共晶成分或选择结 晶温度区间较小的合金
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
合金性能与相图的关系
铸 造 性 能 与 相 图 的 关 系
铸造性能主要表现在流动性、 偏析、缩孔等方面，主要决定 与液相线与固相线之间的温度 间隔 液固相线距离愈小，结晶温 度范围愈小→合金的流动性好 →有利于浇注
液固相线距离大→枝晶偏析 倾向愈大，合金流动性也愈差， 形成分散缩孔的倾向也愈大， 使铸造性能恶化
固溶体 固 溶 体 分 类
间隙固溶体 指溶质原子进入溶剂晶格间隙而形成的固溶体
间隙固溶体一定是无序固溶体
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
固溶体 固 溶 体 分 类
溶解度 在一定温度及压力下，溶质元素在固溶体中的极限浓度
无限固溶体 溶解度在0%～100%间可以任意改变的固溶体
有限固溶体：
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
关于相的相关概念
多相 若合金是由成分和结构不相同的多种晶粒构成，称 合金含有多种相，为多相 显微组织与相之间的关系
显微组织是由相组成，是由于组成相的种类、相对数量、晶 粒形状、大小及分布形态等的不同，而分别具有不同形貌特征的 相的组合物
第三章 二元合金与相图
无序固溶体
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
固溶体 固 溶 体 分 类
置换固溶体 指溶质原子置换溶剂晶格结点上的溶剂原子而形成的固溶体
无序固溶体 溶质原子在溶剂晶格中的呈无规则分布。（多数）
有序固溶体：
溶质原子在溶剂晶格中的呈规则分布。 （为数不多）
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
匀晶相图
晶内偏析: 在一个晶粒内，各处成分的不 均匀现象 因为金属通常以枝晶方式 结晶，先形成的主干和后形成 的支干就会有化学成分之差， 所以也称枝晶偏析
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
匀晶相图
枝晶偏析会降低合金的力学性能 （尤其是塑性和韧性）和工艺性 能 均匀化退火（扩散退火） 把有枝晶偏析的合金放在低于固 相线100～200℃的温度下进行较 长时间的加热，通过原子的相互 扩散而使成分趋于均匀
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
共晶相图
• 共晶相图——当两组元在液态时无限互溶，在固态 时有限互溶，而且发生共晶反应，所构成的合金相 图(或者说以共晶转变为主的相图） • 共晶转变——一定化学成分的合金在一定的温度下 （恒温），同时由液相中结晶出两种不同成分和不 同晶体结构的固相
第三章 二元合金与相图
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
匀晶相图
液相区
匀晶转变——由液相直接结晶成 单相固溶体的结晶转变 L →α
双相区
固相区
液相区 L 双相区 L+α 固相区 α 液相线 aeb 固相线 alb
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
匀晶相图
在不同温度下刚刚 结晶出来的固相的 化学成分是不相同 的，其变化规律是 沿着固相线变化。 与此同时剩余液相 的化学成分也相应 地沿着液相线变化
第二节 二元合金相图
合金性能与相图的关系
压 力 加 工 性 能 与 相 图 的 关 系
固溶体合金具有良好的塑性，因而压力加工性能好，可以进行锻、轧、 拉拔、冲压等 两相机械混合物的合金，其压力加工性能不如单相固溶体 这是因为主要混合物各相的变形能力不同，造成一相阻碍另一相的变 形，使塑性变形阻力增加，因而共晶体的压力加工性最差
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
固溶体 固 溶 体 的 性 能
固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。 实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显 著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好 的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结 构材料，都是以固溶体为基体的合金
三元合金 由三个组元构成的合金
例如：硬铝有Al、Cu和Mg三个组元，属于三元合金
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
关于相的相关概念
相 在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与 其他部分有界面分开的均匀部分 单相 若合金是由成分和结构都相同的同一种晶粒构成，称 合金含有一种相，为单相
第三章 二元合金与相图
纯金属的应用
导电体、导热体(散热器)、装饰品、工艺美术品(化学稳定性、 美丽的光泽)等 但其力学性能差（σ b↓）、品种有限约80种）、提纯成本高
合金材料的应用
HB↑ 、σ b↑，数量上万种，生产成本低，广为开发利用
第三章 二元合金与相图
纯金属强度低 强度高
合 金 化
纯铁:σb =200MPa 45钢:σb =610MPa （45钢=纯铁+0.45%碳）
第三章 二元合金与相图
关于合金的相关概念
组元 组成合金独立的、最基本的单元
组元可以是：金属、非金属、稳定化合物
例如：黄铜中Cu和Zn都是组元 硬铝合金中Al、Cu、Mg都是组元 亚共析钢中Fe和Fe3C都是组元 铝硅合金中Al和Si都是组元
第三章 二元合金与相图
关于合金的相关概念
合金系 相同组元按不同比例配制一系列不同成分的合金， 构成一个合金系
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
金属化合物 结 构 特 点
具有相当程度的金属键并具有一定程度的金属性质的化合物
金属化合物的晶格结构类型不同于任一组元（可用分子式大致表示）
举例： 渗碳体是由Fe和C构成的金属化合物， 其晶格类型与Fe和C都不形同，而是形 成一种复杂晶格（如右图）。Fe与C原 子比例固定为3:1，故可以Fe3C来表示
奥氏体（一种高温固溶体）其溶剂是Fe，溶质是C，溶剂高温晶格 为面心立方结构，溶质为层状立边形结构，奥氏体为面心立方晶格 结构
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
固溶体 固 溶 体 分 类
根据溶质原子在溶剂晶格中占据位置的不同， 固溶体可分为两类
有序固溶体
置换固溶体
固 溶 体
间隙固溶体
合金性能与相图的关系
力 学 性 能 与 相 图 的 关 系
当合金形成单相固溶体时，
由于溶质原子使基体晶格畸变， 溶质元素浓度越高，引起晶格 畸变越大，则合金的强度、硬 度越高
当合金形成为两相机械混合
物的组织时，合金的强度和硬 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
第三章 二元合金与相图
金的显微组织中的基本相， 如α 、β 固溶体相
合金的组织组成物：由
基本相组成的单相组织和 共晶体等基本组织，如亚 共晶合金的组织组成 物 α +β II+（α +β ）
Pb—Sn合金相图(用组织组成物标注）
g
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
共晶相图 体积质量偏析
由于体积质量的原因而引起铸件成分偏析
室温下合金Ⅲ的显微组织：a）相组成：α、β； b）组织组成：α、（α+β）、βⅡ
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
共晶相图
过共晶合金 结晶过程
室温下合金Ⅳ的显微组织：a）相组成：α、β； b）组织组成：αⅡ、（α+β）、β
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
共晶相图
合金的相组成物：在合
合金系中：组元固定、含量（成分)不同 例如：金色黄铜和弹壳黄铜都是黄铜，但金色黄铜含Cu ≈90%，含Zn≈10%，而弹壳黄铜含Cu≈70%， 含Zn ≈30%
Cu 0 25 50 75 100 Zn
A组元
wZn（%）→ 合金的成分
黄铜合金系线
B组元
第三章 二元合金与相图
关于合金的相关概念
二元合金 由两个组元构成的合金
溶解度有限的固溶体
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
固溶体 固 溶 体 的 性 能
不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使 固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料 的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属 材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化
第一节 固态合金相结构
合金相种类
固溶体
相
金属化合物
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
固溶体
合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶体
置换原子
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
固溶体 晶 体 结 构 特 点
固溶体的晶格结构类型与溶剂金属组元的晶格相同
举例： 铁素体（一种固溶体）其溶剂是Fe，溶质是C，溶剂常温晶格为体 心立方结构，溶质为层状立边形结构，铁素体为体心立方晶格结构
渗碳体的晶格结构
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
金属化合物 结 构 特 点
晶体结构复杂，熔点高、硬度高、脆性大。一般只用作强化相
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
基本知识 相图（合金平衡图/合金状态图）
用图解的方法表示不同温度、压力及成分下的合 金系中各相的平衡关系
平衡状态下——是个理想状态 只有在极缓慢的冷却 速度下才能趋近这个状态
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
合金性能与相图的关系
铸 造 性 能 与 相 图 的 关 系
在恒温下结晶的合金具有最好 的流动性，易生成集中缩孔， 因此铸造合金的成分接近共晶 成分，越容易铸成致密件 所以铸造合金的成分常取共晶 成分和接近共晶成分或选择结 晶温度区间较小的合金
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
合金性能与相图的关系
铸 造 性 能 与 相 图 的 关 系
铸造性能主要表现在流动性、 偏析、缩孔等方面，主要决定 与液相线与固相线之间的温度 间隔 液固相线距离愈小，结晶温 度范围愈小→合金的流动性好 →有利于浇注
液固相线距离大→枝晶偏析 倾向愈大，合金流动性也愈差， 形成分散缩孔的倾向也愈大， 使铸造性能恶化
固溶体 固 溶 体 分 类
间隙固溶体 指溶质原子进入溶剂晶格间隙而形成的固溶体
间隙固溶体一定是无序固溶体
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
固溶体 固 溶 体 分 类
溶解度 在一定温度及压力下，溶质元素在固溶体中的极限浓度
无限固溶体 溶解度在0%～100%间可以任意改变的固溶体
有限固溶体：
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
关于相的相关概念
多相 若合金是由成分和结构不相同的多种晶粒构成，称 合金含有多种相，为多相 显微组织与相之间的关系
显微组织是由相组成，是由于组成相的种类、相对数量、晶 粒形状、大小及分布形态等的不同，而分别具有不同形貌特征的 相的组合物
第三章 二元合金与相图
无序固溶体
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
固溶体 固 溶 体 分 类
置换固溶体 指溶质原子置换溶剂晶格结点上的溶剂原子而形成的固溶体
无序固溶体 溶质原子在溶剂晶格中的呈无规则分布。（多数）
有序固溶体：
溶质原子在溶剂晶格中的呈规则分布。 （为数不多）
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
匀晶相图
晶内偏析: 在一个晶粒内，各处成分的不 均匀现象 因为金属通常以枝晶方式 结晶，先形成的主干和后形成 的支干就会有化学成分之差， 所以也称枝晶偏析
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
匀晶相图
枝晶偏析会降低合金的力学性能 （尤其是塑性和韧性）和工艺性 能 均匀化退火（扩散退火） 把有枝晶偏析的合金放在低于固 相线100～200℃的温度下进行较 长时间的加热，通过原子的相互 扩散而使成分趋于均匀
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
共晶相图
• 共晶相图——当两组元在液态时无限互溶，在固态 时有限互溶，而且发生共晶反应，所构成的合金相 图(或者说以共晶转变为主的相图） • 共晶转变——一定化学成分的合金在一定的温度下 （恒温），同时由液相中结晶出两种不同成分和不 同晶体结构的固相
第三章 二元合金与相图
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
匀晶相图
液相区
匀晶转变——由液相直接结晶成 单相固溶体的结晶转变 L →α
双相区
固相区
液相区 L 双相区 L+α 固相区 α 液相线 aeb 固相线 alb
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
匀晶相图
在不同温度下刚刚 结晶出来的固相的 化学成分是不相同 的，其变化规律是 沿着固相线变化。 与此同时剩余液相 的化学成分也相应 地沿着液相线变化
第二节 二元合金相图
合金性能与相图的关系
压 力 加 工 性 能 与 相 图 的 关 系
固溶体合金具有良好的塑性，因而压力加工性能好，可以进行锻、轧、 拉拔、冲压等 两相机械混合物的合金，其压力加工性能不如单相固溶体 这是因为主要混合物各相的变形能力不同，造成一相阻碍另一相的变 形，使塑性变形阻力增加，因而共晶体的压力加工性最差
第三章 二元合金与相图
第一节 固态合金相结构
固溶体 固 溶 体 的 性 能
固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。 实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显 著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好 的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结 构材料，都是以固溶体为基体的合金