第三章 二元合金及其相图

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
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。
X－X1 解方程组得： Qα = ———— X2 － X1
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。 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。
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。
§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 → 相的概念
完全一致
不完全一致
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。
（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
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。
（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
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
对于臵换固溶体，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。
对臵换固溶体 ：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。 （3）电负性因素：
在一定温度及压力下，溶质元素在固 1、 溶解度： 溶体中的极限浓度。 （1）、无限固溶体： 溶解度在0～100%间可以任意 改变的固溶体。
形成条件： 只能是臵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。 臵换式固溶体，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。
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：
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 % 0 20 50 80 100
Cu%
100
50%Ni 温度 ℃ 1500
80
xg 100% fg
fx 1 100% fg
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)
d2 ( ) Lc 100% dc
αd Lc
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）。 tc αd+βe 反应式为：Lc
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
（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
2、平衡结晶过程分析
3、二元相图的杠杆定律 化简为线段比： 计算某一成分的合金处于 两相平衡时在某温度下，合金 xx2 cb x1 x ac QL Q 中两个相的相对含量。 x x ab x x ab 1 2 2 1 ①、杠杆定律的推导： 设合金总重为 ；液相与合金总 QL 1xx cb 2 重之比为 Q ; 固相与合金总重之 Q L x1 x ac 比为Qα。则可得方程组： QL+Qα=1 QLX1+QαX2= X (1) (2) X2－X QL =1 － Qα = ———— X2 － X1
臵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。 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。
（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。 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。 金属化合物——具有一定程度金属键，
50
20
B
0
80%Ni 100%Ni
1453℃
L
20%Ni 温 度 ℃
1325℃
1400 1300
1410℃ 1370℃
100%Cu
1180℃
1083℃ 1130℃
1245℃
1200
1100
L+
α α
温 度 ℃
A
Cu 10 时间 30 50 70 90 Ni 时间
Ni (%)
二、二元合金相图的基本类型
纯铁
45号钢
合金的概念
由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经 熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特 性的物质称为合金。 三层含义：1。合金组成 2。制备方法 3。金属特性 碳钢和铸铁：Fe、C组成的合金 组元：组成合金最基本独立的物质（元素） 二元合金：二个组元。 三元合金：三个组元。
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 2、 成分——合金中各种元素的含量，称为成分
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）。
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
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） 。 图中 I 合金室温下为α、β两相应 用杠杆定律可得：
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。 ＋12 3 例：CuZn 电子浓度： Ce 11 1＋1 2 统计结果表明： Ce=21/14 为β相，体心立方晶格。 Ce=21/13 为γ 相，复杂立方晶格。 Ce=21/12 为ε 相，密排六方晶格。
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。
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。
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
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； 室温下的组织：（α＋β）共晶体、 α β初 、 α βII II
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。
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。
一、 固溶体（Solid solution)
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臵的不同， 固 溶体可分为两类：即臵换固溶体和间隙固溶体。 1 、臵换固溶体 是指溶质原子臵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臵可分为： 无序固溶体和有序固溶体
（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）
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、பைடு நூலகம்I族）形成。 如：Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb 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。
化合物的晶格结构类型与任一组元的晶格不同。
§3-2 二元合金相图
结晶 L合金
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。 所以，相图上相及组织，都是在十分缓慢冷却条件 下获得的。
（1）、 无序固溶体：
溶质原子在溶剂晶格中的呈无规律 分布(随机的，统计性 分布。（多数）
（2）、 有序固溶体：
溶质原子在溶剂晶格中的呈有规律 分布。 （为数不多）
2、间隙固溶体
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
（三）、固溶体的溶解度及其影响素
因为间隙固溶体中溶质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
第三章 二元合金及其相图
问题的提出：纯金属强度低
纯铁抗拉强度： 200MPa 纯铝抗拉强度：〈100MPa 提高途径：合金化 45钢抗拉强度：610MPa
2c d 1 Lc 100% 初 II dc
fh 2c fh II d 100% 100% fg dc fg
主要原因： 因为间隙固溶体中溶质 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 。 2、溶解度影响因素
间隙固溶体中的晶格畸变
（1）晶体结构因素：组元间晶格类型相同，溶解度 较大。
化合物分类
有金属特性 非金属化合物——具有离子键，无金属特性
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
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