第二章二元合金及其相图

二元合金相图的建立 有关相图的基本概念
➢ 相图（状态图）:用来表示合金系中合金在平衡条件下各相的存
在状态与温度、成分之间的解
➢ 平衡相图:相图上表示的组织都是在极其缓慢冷却的条件下所获得
的，都是接近平衡状态的组织，又叫做平衡图。
➢ 组织：在金相显微镜下观察到的具有某种形貌或形态特 征的组成部分。
➢ 相图的建立 （热分析法）
④熔点高、硬而脆
对合金性能的影响
➢ 机械混合物
§3—2 二元合金相图
合金在结晶之后，既可获得单相的固溶体组织，又有可 得到单相的化合物组织，还可得到由固溶体和化合物或 几种固溶体组成的多相组织。并且组元成分、温度还影 响到结晶后所获得的相的性质、数目和相对含量。为了 研究清楚这些问题，我们需要利用相图这一工具。
合金系：由两个或两个以上组元按不同的比例配制成 的一系列不同成分的合金，称为合金系，例如，PbSn系、Fe-Fe3C系；
§3—1固态合金相的种类及特点
合金的相结构
分类
固溶体 或
化合物
➢ 固溶体
固溶体 化合物 机械混合物
概念：在固态下，溶质原子以不同方式进入溶剂金属组元的晶格中 去，这样形成的新相。
化合物。
固溶体的形成对金属性能的影响
固溶强化
原因是：引起晶格畸变
➢ 化合物
概念
分类
金属化合物
非金属化合物
特点（金属化合物）：
①可以用化学式表示，但与普通化合物不同，不一定遵守化合价规律
正常价化合物
电子价化合物 间隙化合物 ②一定程度上具有金属的性质
间隙相 具有复杂结构的间隙化合物
③晶格结构完全不同于任一组元
分为α1，液相的成分为L1（即为合
金的成分C）；
随着温度的降低，L→ α，到达t2温
度，液相的成分沿着液相线变为L2，
固相沿着固相线变为α2；同时，液
相的数量逐渐的降低， α相的数量
逐渐的增加；
温度冷至t3时， 液相全部结晶为α
相， α成分沿固相线变为α3（即合
金的成分C）。
温度继续下降，就为固溶体α的简
间隙固溶体： 溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是添入溶剂原子间的
一些间隙中。当溶质与溶剂原子半径之比小于0.59时，才可能形成间隙固溶 体。
溶质元素在固溶体中的溶解度C：
C=溶质元素的重量（原子数）/固溶体的总重量（ 总原子数）×100%。
当C有一定限度时，这种固溶体叫做有限固溶体。
当C没有一定限度是时（即溶质元素与溶剂元素之间 可以形成任何比例的固溶体），这种固溶体叫做无限 固溶体。只有当溶质元素与溶剂元素之间形成置换固 溶体时，才有可能形成无限固溶体；而形成间隙固溶 体时，只能是有限固溶体。
第二章 二元合金及其相图
什么是合金？
所谓合金是指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。
合金与纯金属相比，优越性极大，因为可以通过配 制各种不同成分的合金，使之达到优良的机械性能， 而且物理化学性能也可以与纯金属相比美，最重要的 是成本还比较低。例如：钢、铸铁等就是铁、碳合金 。
特征：①总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质 ②保有溶剂的晶格结构
③成分可在一定范围内变化，性能随成分的变化而变化
④产生晶格畸变
分类：
按溶质位置
按溶解度
按排列方式
置换固溶体 间隙固溶体
有限固溶体 无限固溶体 有序固溶体 无序固溶体
置换固溶体：溶质原子位于溶剂晶格某些结点位置而形成的固 溶体。
解方程组得
QL
x2 x x2 x1
Q x x1 式中的x2-x、x2-x1、xα -x1x即2 为x相1 图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的
长度。
两相的重量比为：
因此两相的相对重量
百分比为：QL
xx2 x1 x2
ob ab
Q
x1 x x1 x2
ao ab
QL Q
消除方法：扩散退火（均匀化退火）：即将铸件加热到低于固相线100~200℃ 的温度进行长时间的保温，使偏析元素充分的扩散，从而使合金的成分均匀化 。
➢ 共晶相图
特点：当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶， 而且发生共晶反应时，所构成的相图
相图分析 a点：Pb的熔点；b点：Sn的熔点；d点： 共晶点；
单冷却
注意：
①合金在平衡结晶时，结晶出的固相成分沿固相线变 化，液相的成分沿液相线变化；
②液（固）相线表示在无限缓慢冷却的条件下，液、 固两相平衡共存时，液（固）相的化学成分随温度的 变化情况。
杠杆定律
设合金的重量为1，液相重 量为QL，固相重量为Q。
则 QL + Q =1
QL x1 + Q x2 =x
adb线：液相线；acdeb线：固相线； cf线：α固溶体的溶解度曲线；eg线： β 固溶体的溶解度容易形成无限置换固溶体
原子尺寸：置换固溶体，原子半径相差很小时，容易
形成无限固溶体，间隙固溶体，溶质原子
半径越小，溶解度越大。）
电化学性（电负性）：元素的原子从其他原子取得电
子而转变为负离子的能力。负电性越是接
近，其溶解度越大，相差大时，易于形成
xx2 x1 x
(
ob ao
)
或QL
x1 x
Q
xx2
固溶体中合金的偏析 在晶粒内部化学成分不均匀的现
象叫做晶内偏析，也叫枝晶偏析
产生原因：在实际生产中，冷却 速度较快，使合金内部，尤其是 固相内部的原子来不及充分扩散 危害：严重影响机械性能，特别 是使塑性、韧性下降，抗蚀能力 下降；
冷速越大，液固相线间距越大 ，枝晶偏析越严重。
Cu—Ni相图的建立过程： 配置合金 测定冷却曲线 标定临界点 绘制合金相图
结晶开始点的连线叫液相线。
结晶终了点的连线叫固相线。
典型二元合金相图
➢ 匀晶相图
特点:两组元在液态和固态均无限互溶时所组成的相图。 相图分析 合金的结晶过程
液态合金冷至t1温度，开始从液态
L
合金中析出α相，此时结晶出的α成
成分：合金中各种元素的含量
组元: 组成合金最基本、独立的物质叫做组元。它是 组成合金的元素或稳定的化合物；例如：碳钢的组元 是铁和碳，也可以认为是铁和金属化合物（Fe3C）。
相：合金中结构、成分和性能均匀一致并以界面相互 分开的组成部分。例如：纯金属在固态时为一个相（ 固相），在熔点以上为另一个相（液相）。