二元合金及其相图

显微组织：
借助于各种不同放大倍数的金相显微镜所观 察到的金属和合金中的晶粒形状、大小及各 组成相的分布形态等形貌，称为显微组织或 金相组织（简称金相）。
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图3-22 由相所构成的不同组织的示意图
固溶体：α、β； 金属化合物：θ、η
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5、杠杆定律的应用
1) 计算（f、g）成分范围内，任 意成分二元合金室温下相组成物 的相对量（重量百分数） 。
置换固溶体的晶格畸变
对间隙固溶体 ： 溶质原子直径越小，溶解度越大。
（3）电负性因素： 电负性因素： 是指元素的原子从其它原子夺取电子而转变为负
离子的能力。
溶质、溶剂的电负性越接近溶解度越大。越有利于形成无
限固溶体。当元素间的电负性的差别大到一定程度后，就难于 形成固溶体，而倾向于形成化合物。
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当溶质含量＞溶解度时，将出现新相
化合物——合金组元间发生相互作用而形成的一种新相。
化合物分类
金属化合物——具有一定程度金属键，
有金属特性
非金属化合物——具有离子键，无金属特性
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二、 金属化合物
金属化合物： 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。
（一）、金属化合物晶体结构特点
图中 I 合金室温下为α、β两相应用
杠杆定律可得：
xg 100%
fg
1 fx 100%
fg
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5、杠杆定律的应用
2）计算亚共晶合金（或过共晶合金） 室温下组织组成物的相对量（重量百分 数）。
该合金室温时的组织组成物为：
α初+ βII +(α+β)
(
)
Lc
d 2 100% dc
次生相（二次相）： 因溶解度减少，由已有的固相中
析出的新相小晶体。
室温下的相：α、β； 室温下的组织：(α＋β)共晶体
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2）、亚共晶和过共晶合金
亚共晶： d、c点之间的合金。（图中II ） 过共晶： e、c点之间的合金。（图中III）
β初 β初
β初
β初
αII
室温下的相 ： α相、β相；
2、 成分——合金中各种元素的含量，称为成分
3、 组元——组成合金的最简单，最基本，能够独立存
在的物质。 (比如纯元素)
4、 合金系——由两个或两个以上组元按不同比例配制
成的一系列不同成份的合金。
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§3-1 固态合金相的种类及特点
对于合金：L冷却→S晶时，各区域间成份、结构
完全一致
→ 相的概念 不完全一致
1、相图分析 液相线：aeb 固相线：acdb cf、dg线：分别是B组元在α固溶体和A 组元在β固溶体中的溶解度曲线。 包晶线：水平线cde； d为包晶点。 包晶转变：在一定温度下，成分一定的 固相与包围它的液相相互作用而转变为 成分一定的新的固相的转变称为包晶转 变（或包晶反应）。
是指溶质原子进入溶剂晶 格间隙 而形成的固溶体。
（原子直径相差很大。）
间隙固溶体只能形成无序固溶体
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（三）、固溶体的溶解度及其影响素
1、 溶解度： 在一定温度及压力下，溶质元素在固溶 体中的最大溶入量与固溶体总量之比。
（1）、无限固溶体：溶解度在0～100%间可以任意 改变的固溶体。
反应式为：Lc tc αd+βe
反应特征：温度固定、三相成分 固 定，在相图中表现为水平线。
共晶转变产物称为共晶组织(体)。 C点为共晶点
（共晶成分、共晶温度）
c 成分的合金称为 共晶合金
dc间成分的合金成为 亚共晶合金，
ce间成分的合金称为 过共晶合金。
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2、典型合金的平衡结晶过程 1）、共晶合金 —— 成分为 c ，见图中的 I 合金。
原子结合力：以离子键、共价键为主
性能：具有很高的硬度和脆性。
2、电子化合物 ：服从电子浓度规律(不遵守原子价规律 ）电子浓度达到某一数值，便形成具有某种晶格结构的化合 物。
电子浓度（Ce):在合金相中，组元所贡献的价电子数目之 和与合金相的原子数目之比值。
例：CuZn 统计结果表明：
C电e=子2浓1/1度4：为β相C，e体心立111方＋＋11晶2格。23
室温下的组织：（α＋β）共晶体、α初、βII , or β初、α II
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3）、边际固溶体合金 < d ， >e的合金
室温下的相 ： α相、β相； 室温下的组织： α 初、 β II
特别注意：虽然只有在共晶点（共晶温度、共晶成分）才发生
共晶反应，但是在de水平线所包含成分范围内的所有成分合金在 从液态向固态转变过程中在共晶温度，都要发生共晶转变。这时其 液态合金的成分已沿着液相线转变为共晶成分了。
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）
（二）、金属化合物的特性
晶体结构复杂，熔点高、硬度高、脆性大。一般只用 作强化相
（三）、金属化合物的种类及其特征
常见三种类型：正常价化合物、电子化合物、间隙化合物
）
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1、正常价化合物：符合一般原子价规律、成分固定可用 化学分子式表达。 通常由强金属性的元素与非金属或类金属 元素（如 IV、V、VI族）形成。 如：Mg2Si、Mg2SnMg2Pb
二元合金及其相图
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纯金属—— 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)
但： 力学性能差（σb↓）、品种有限 （约80种）、提纯成本高
合金材料——HB、σb↑，数量上万种，生产成本低，
∴广为开发利用。
几个基本概念： 1、 合金——金属元素+几种其它元素、具有金属性
三、 固溶体同化合物晶体结构的区别
固溶体的晶格结构类型与溶剂组元的晶格相同。 化合物的晶格结构类型与任一组元的晶格不同。
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§3-2 二元合金相图
L合金结晶 S合金 单相，双相，多相 相图：是表示合金系中合金在平衡条件下各相的存在状态 与温度、成分间关系的图解。又称状态图或平衡图。
相平衡： 在合金系中，参与结晶或相转变过程中的各相 之间相对重量和相的浓度不再改变时所达到的一种平衡。
形成条件：只能是置换式固溶体在溶质与溶剂原子尺 寸差别较小且晶格类型相同时产生。
（2）有限固溶体： 溶解度有限的固溶体。
置换式固溶体，可以形成无限固溶体。
间隙式固溶体，只能形成有限固溶体而不能形成无限
固溶体。
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主要原因： 因为间隙固溶体中溶质 间隙固溶体中的晶格畸变 原子,都比溶剂晶格间隙尺寸大，所以 随着溶质原子溶入量的增加，固溶体 晶格将产生严重的正畸变，溶质原子 溶入一定数量以后便不可能继续溶入 ，所以造成有限的溶解度，并且溶解 度也不可能很大 。
QL+Qα=1
(1)
QLX1+QαX2= X (2)
解方程组得：
Qα
=
—X—－—X—1 X2 － X1
QL
=1
－
Qα
=
—X—2－—X— X2 － X1
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②、应用条件（在二元相图中）
A、只能在两相区对“相”
B、必须是两相处于平衡状态
4、枝晶偏析
先后结晶的树枝状晶体内成分不 均匀的现象。
是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。 （原子直径相近时形成）
根据溶质原子分布位置可分为： 无序固溶体和有序固溶体
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（1）、 无序固溶体：
溶质原子在溶剂晶格中的呈 无规律分布。（多数）
（2）、 有序固溶体：
溶质原子在溶剂晶格中的呈 有规分律布。 （为数不多）
2、间隙固溶体
所以，相图上相及组织，都是在十分缓慢冷却条件下获 得的。
一、 二元合金的结晶分析及相图的建立
最常采用的热分析法， 以Cu-Ni 合金为例说明
测定二元相图的步骤如下：
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Hale Waihona Puke 1、配制合金系，熔化； 2、测冷却曲线确定临界点 3.画温度-成分坐标标定临界点 4.具有相同意义的点连线
Ni % Cu%
Ce=21/13 为γ 相，复杂立方晶格。
Ce=21/12 为ε 相，密排六方晶格。
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（三）间隙化合物 （主导因素为原子尺寸）
由过渡族金属元素与原子半径较小的碳、氮、硼等非 金属元素所形成。
根据原子直径比和结构特点，分为两类：
间隙化合物
间隙相 ：d非/d金<0.59 具有复杂结构的间隙化合物：d非/d金>0.59
2、平衡结晶过程分析
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3、二元相图的杠杆定律
化简为计线算段某比一：成分的合金处于
Q两 中①相两、平个xx杠21衡相xx1杆时 的定在 相aa律bc某 对的温含推Q度量L导下。：，xx1合xx22金
cb ab
设之Qα合比。金为则总可QQQ重L得;L固为方相1程；与组xx液1x合：x2相金与总ac合重bc之金比总为重
a、b ：纯组元A、B的熔点。
液相线：acb
固相线：adceb 固溶线：df、eg 两种固溶体：α、β 三个单相区： L、α、β 三个两相区：（L+ α) 、
（L+ β)、(α+β） 一个三相区：L+ α+β
三相线平衡水平线：dce
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共晶反应：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶 出成分一定且不相同的两个固相的转变，称为共晶转变 （或共晶反应）。
0
20
100 80
温度 ℃
50%Ni 1500
20%Ni
温 度 ℃
100%Cu
1180℃
1400
1325℃
1300
1245℃
1200
1083℃ 1130℃
1100
A
50 80 100
50 20 0
80%Ni
100%Ni
1453℃
L
B
1410℃
α
L+
α
1370℃
温 度 ℃
时间
Cu 10 30 50 70 90 Ni Ni (%)
d
1 Lc
2c dc
100%
初
II
II
d
fh 100% fg
2c dc
fh 100% fg
共晶 温度
初 1 II
αd
Lc
αd α＋β
α初 βII
α＋β
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（三）二元包晶相图：二组元在液态下无限互溶，在固 态下生成有限固溶体，并发生包晶转变的相图称为包晶 相图。
一、 固溶体
定义： 在固态下，溶质原子以不同方式进入固态金属溶
剂组元的晶格中，这样所形成的新相称为固溶体。
（一）、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。
（二）、固溶体分类及特性
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：即
置换固和溶体 间隙。固溶体
1 、置换式固溶体
时间
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二、二元合金相图的基本类型
（一）匀晶相图：两组元在液态、固态均无限互溶的 二元合金系所形成的相图。
（如 Cu-Ni Cu-Au Au-Ag Fe-Ni等）
1、相图分析
a、b：纯组元A、B的熔点
液相线：acb 固相线：adb 两个单相区：L、α 一个两相区：L +α
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2、溶解度影响因素
（1）晶体结构因素： 组元间晶格类型相同，溶解度 较大。
对于置换固溶体，组元间晶格类型相同是形成无限 固溶体的必要条件。晶格类型不同，溶解度有限。
（2）原子大小因素： 由于组元间原子大小不同，所以 溶质溶入将导致溶剂的晶格畸变。
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对置换固溶体 ： 原子尺寸 差别越小溶解度越大。当差 别小到一定程度，就可能产 生无限固溶体。若差别较大 ，则只能形成有限固溶体。
可以采用扩散退火或均匀化 退火工艺予以消除。
即加热到固相线－100～200℃ ，长时间保温，使偏析充分扩散 ，达到成份均匀。
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（二） 二元共晶相图： 二组元在液态无限互溶，在固 态仅有限互溶并能发生共晶转变的二元相图。 （如：Pb-Sn Pb-Sb Al-Si Ag-Cu等）
1、相图分析
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3、具有共晶相图的Pb-Sn二元合金的典型平衡组织
共晶合金
亚共晶合金
过共晶合金
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4、关于相和组织的概念
相： 在金属或合金中凡是具有相同成分、相同结构并与其
他部分有界面分开的，均匀的组成部分，称之为相。
组织： 金属和合金的组织是由相组成的，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。
（四）、 固溶强化
通过向溶剂金属中溶入溶质元素形成固溶体，而使 固溶体合金强度、硬度升高的现象， 固溶强化。
1、产生固溶强化的原因：
溶质溶入—→晶格畸变—→位错运动阻力增加—→金属塑性 变形困难（抗力↑）—→高强度、硬度（能量↑—→其他性能↓ ）。
2、固溶强化效果： 间隙式固溶体的晶格畸变大—→固溶强化效果明显。
相：在金属或合金中凡是具有相同成分、相同结构并与其他 部分有界面分开的，均匀的组成部分，称之为相。
但注意：多晶体可以是单相
相可分为两大类：即“固溶体”和“金属化合物”
组织：由相组成的，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。
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