华南理工大学机械工程材料第四章

微小体积的成分高于或低于平均成分的现象。
第三节 匀晶相图
匀晶转变动画
第三节 匀晶相图
——不平衡结晶及组织
∵ V冷却↑，原子扩散速
度小于结晶速度，合金 成分不能完全均匀化， 固相成分偏离相图固相 线，此时发生不平衡结
晶，得到不平衡组织。
固溶体不平衡结晶示意图
第三节 匀晶相图
——不平衡结晶及组织 晶内偏析（或称枝晶偏析） ：一个晶粒内部成分不均匀现象。 偏析程度：与相图形状、原子扩散能力、冷却速度有关
几个重要概念
1、合金
两种或两种以上的金属，或金属与非金属元素组成的 具有金属特性的物质, 如铁碳合金等。 2、组元 组成合金最基本、独立的物质称为组元 ，是组成合金
的元素，但也可以是化合物，有二元、三元等；
实例：黄铜的组元是铜和锌；
碳钢的组元铁和碳，或者是铁和金属化合物Feቤተ መጻሕፍቲ ባይዱC。
几个重要概念
3、相 合金组织中成分、结构和性质相同的部分，有相界面 分开，是合金组织最基本的组成部分。
第一节 合金的相结构
组元间既不溶解，也不反应——机械混合物 如，珠光体：F＋Fe3C
珠光 体
G呈片状
珠光体为基体的灰口铸铁
第一节 合金的相结构
组元间既不溶解，也不反应——机械混合物 如，珠光体：F＋Fe3C
点状和小球状结构珠光体
第一节 合金的相结构
组元之间相互溶解——固溶体
组元之间相互反应——金属化合物
2、t=t1：L→ α(结晶需要过冷) 3、t1<t<t3：L、α共存
1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050
L2 L3 t3
L1
t2 a3
t1 a2
a1
α
L
α
1000
950
4、t=t3：结晶完毕
5、t<t3：α固溶体(合金成分)
Cu
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Ni
间隙固溶体与间隙相的区别：
后者为化合物，具有与组元完全不同的晶体结构，
而前者保持溶剂组元的晶格类型。
第二节 二元相图的建立
相图：合金系中 相组成－合金成分－温度之间关系的图解
900 800 700 600 500 400 300 200 100
表象点
温 度 α
L
L＋α L＋β
α＋β
β
A
10 20
30 40
第一节 第二节
合金的相结构 二元合金相图的建立
第三节
第四节 第五节 第六节
匀晶相图
共晶相图 包晶相图 相成稳定化合物的相图
第七节
合金的性能和相图的关系
第四章 合金的相结构与二元合金相图
主要内容
合金相结构 相律和杠杆定律 常见的二元合金相图——匀晶、共晶、包晶、共析 根据相图分析平衡结晶过程
非平衡结晶及组织
族金属与原子半径很小的非金属元素(如H、N、C、B等)组成。 ● 原子半径比rx/rm<0.59：间隙相 简单结构的间隙化合物，金属原子位于晶格的正常结点上， 非金属原子则位于晶格的间隙位置。化学成分满足简单化学 式(M4X, M2X, MX, MX2)，但成分可在一定范围内变化。 熔点、硬度↑，是高合金工具钢和硬质合金的重要强化相 (WC,TiN）。 ● 原子半径比rx/rm >0.59：复杂结构的间隙化合物（ Fe3C) 间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，但比间隙相要低些， 而且加热时也较易分解，是合金钢中的重要组成相。
第三节 匀晶相图
一、相图分析 线： 液相线、固相线 区： 液相(L)区、固相(α )区、 液固两相共存(L+α )区
液相线 固液相两区(L＋α)
液相区(L)
固相区(α)
固相线
第三节 匀晶相图
二、合金的平衡结晶过程
L
平衡结晶是指在极其缓慢冷却条 件下进行结晶的过程。在此条件 下得到的组织称为平衡组织。 1、t>t1：L
1、液相线和固相线间的水平距离和垂直距离↑，偏析程度↑
2、偏析原子扩散能力↓ 3、 V冷却↑，偏析程度↑ 消除办法：扩散退火 （均匀化退火）
固相线以下100～200℃
偏析程度↑
第四节
共晶相图
两组元液态无限互溶，固态有限溶解，并发生共晶转变的相图称为共晶相图。
共晶转变：恒温下，一定成分的液相同时结晶出成分一定的 两个固相的转变，又称共晶反应。 t LE (M N ) （共晶体）
显微组织：用放大100~2000倍的光学显微镜所观察到的组织；
电镜组织（精细组织）：用放大几千倍到几十万倍的电子显 微镜观察到的组织。
几个重要概念
5、组织
组成相性质
组织性质
合金性质
结构：指原子集合体中各原子的具体组合方式。 原子结构、晶体结构、相结构
第一节 合金的相结构
为什么在固态合金中就可能出现不同的相结构？ 从金属的凝固过程考虑…… 均匀的液体（液相）
↓凝固
固态合金 各组元的晶体结构、原子结构不同、各组元相互作用不同 ——不同的相结构
第一节 合金的相结构
根据组元之间的相互作用，固态合金中的基本相结构可分为：
置换固溶体
固溶体
基本相结构
间隙固溶体
正常价化合物
金属化合物 电子化合物
间隙相 间隙相化合物 复杂结构间隙化合物
第一节 合金的相结构
一、固溶体——组元间相互溶解，溶质原子溶入固态溶剂。 特点：保持溶剂晶格类型
以成分为支点，远离该相的线段代表该相。整个线段为总重量。 如ab代表总重量，ra和rb分别代表α 相和L相的重量。
第三节 匀晶相图
两组元液态、固态都无限互溶的二元合金系所形成的相图
具有这类相图的二元合金系，主要有Cu-Ni，Ag-Au， Cr-Mo，Cd-Mg，Fe-Ni，Mo-W等。 匀晶转变：结晶时从液相结晶出固溶体，固态下呈单 相固溶体的结晶过程。 几乎所有的二元相图都包含有匀晶转变部分。
50 60
70
80
90
B
合金成分
图中的E点表示在500℃ 下， A%=40%，B%=60%
第二节
1、配制合金
相图的建立
热分析法测定相图（用室温的冷却曲线，得到各临界点）
2、测出结晶开始和终了温度——相变点
3、标出临界点，分别连接凝固开始点和终了点 4、标出相区
液相区(L)
两相区 (L＋α )
固相区(α )
1. 固溶体的分类：(1) 按溶质原子在晶格中的位置
臵换固溶体 、间隙固溶体
间隙固溶体
置换固溶体
第一节 合金的相结构
1.固溶体的分类： (2) 按固溶度 (3) 按相对分布
有限固溶体、无限固溶体 有序固溶体、无序固溶体
无序分布
偏聚分布
短程有序分布
有序固溶体本质上就是无序固溶体与金属化合物的过渡相！
第三节 匀晶相图
二、合金的平衡结晶过程 固溶体合金结晶时所结晶出的固 相成分与液相的成分不同（液相 成分沿液相线变化，固相成分沿 固相线变化），这种结晶出的晶 体与母相化学成分不同的结晶称 为异分结晶，或称为选择结晶。 而纯金属结晶时，所结晶出的晶 体与母相的化学成分完全一样， 称之为同分结晶。
1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050
第一节 合金的相结构
2.固溶体的性能——固溶强化 溶入溶质原子形成固溶体而使金属强度、硬度升高的现象。 溶质原子%↑，σb、HB↑,ψ、αk↓ 固溶强化效果：间隙固溶体＞置换固溶体。
产生原因：1、晶格畸变，位错运动受阻 2、位错钉扎 三种强化方式：细晶强化、形变强化、固溶强化
物理性能方面：随着溶质原子浓度的增加，固溶体的电阻 率升高，因此工业上应用的精密电阻和电热材料等，都广 泛应用固溶体合金。
第一节 合金的相结构
二、金属化合物 影响金属化合物形成及结构的主要因素有电负性、电子 浓度、原子尺寸等。每一种影响因素都对应着一类化合物。 2、电子化合物：按照电子浓度的比值形成化合物，不遵守原 子价规律 ，而是按照一定电子浓度的比值形成的化合物，电
子浓度不同，所形成的化合物的晶格类型也不同。受电子浓 度因素控制
L2 L3 t3
L1
t2 a3
t1 a2
a1
1000
950
Cu
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Ni
第三节 匀晶相图
二、合金的平衡结晶过程 ● 形核和长大的过程。 ● 两相区中两相成分分别沿两边界改变。
固溶体形核的条件：
结构起伏：近程有序原子集团在液相中不断变化。 能量起伏：指体系中每个微小体积所实际具有的能量， 会偏离体系平均能量水平而瞬时涨落的现象。 成分起伏：由于原子热运动和扩散，每一瞬间液体中某些
第一节 合金的相结构
二、金属化合物 影响金属化合物形成及结构的主要因素有电负性、电子 浓度、原子尺寸等。每一种影响因素都对应着一类化合物。 1、正常价化合物： 具有严格的化合比，符合原子价规律，成 分固定，可用化学式表示。受电负性因素控制 正常价化合物通常是由金属元素与周期表中第ⅣA、ⅤA、 ⅥA族元素组成。如Mg2Si、Mg2Sn、MnS，其中Mg2Si是铝合 金中常见的强化相，MnS是钢材中常见的夹杂物。 这类化合物一般具有较高的硬度，脆性较大。
相图分析工具
——相律的实际应用
1、确定系统最多有几相共存： f = 0， pmax= c+1 纯金属：pmax= 2； 二元合金：pmax= 3 2、说明纯金属与合金结晶时的某些差别 纯金属结晶时，f=1-2+1= 0，恒温进行 二元合金结晶时，f=2-2+1=1（温度），在一定温度范围
进行。
相图分析工具
说明：合金的组织可以由一种或多种相组成，相与相之间
由界面（即相界）隔开，越过界面，结构与性质都会发生 突变。
实例：铁碳合金在固态下有铁素体、奥氏体和渗碳体等基
本相。
几个重要概念
4、合金系 由给定组元配制的一系列成分不同的合金，组成一个 合金系统。
几个重要概念
5、组织
金属内部的情景，包括晶粒大小、形状、种类以及各晶粒 之间的相对数量和分布。 低倍组织（宏观组织）：用放大几十倍的放大镜或用肉眼所 观察到的组织；
——杠杆定律
确定两个平衡相的相对重量——仅适用于两相区
1.确定两平衡相的成分：CL 、Cα； 2.确定两平衡相的相对重量
I a r b
动画
B
t
A
a
r
b
wL rb wL ra w rb w ra
WL
Wα
Cu
Ni CL B Cα 杠杆定律的证明
杠杆定律的力学比喻
ar w 100 % ab rb wL 100 % ab
一个三相区 (L+α +β ,水平线MEN)
共晶相图分析
第四节 共晶相图
二、典型合金的平衡结晶过程
1、WSn19%的合金
1以上
1 ～2
2 ～3
3以下
所有成分位于M~F之间的合金的平衡结晶过程类似， 它们的最终显微组织都是+βⅡ。 和βⅡ的相对量可通过杠杆定律求出。
第四节 共晶相图
二、典型合金的平衡结晶过程
E
共晶组织：共晶转变后形成的两个固相的混合物。
共晶反应
第四节
一、相图分析
点： E--共晶点 线：液相线AEB 固相线AMENB
共晶相图
L+α双相区
L单相区
L+β双相区
溶解度曲线MF、NG 共晶线MEN 区：三个单相区 (L、α 、β )
三个双相区 (L+α 、α +β 、L+β ) α 单 相 区 α+β双相区 L+α+β三相共存区(MEN水平线) β单相区
相图分析工具
——相律 相律：在平衡条件下，系统自由度f、组元数c 和相数p之间 的数学表达式： f=c–p+2 或 f = c – p + 1 (常压) 自由度：
保持合金系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（合金的成分、温度和压力等）的数目。 当压力不变时，合金系的最大自由度数： 纯 金 属：fmax=1（成分固定不变0，温度可以独立改变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）
第一节 合金的相结构
二、金属化合物 合金组元间按一定比例发生相互作用而形成的一种新相， 又称中间相，如Fe3C、CuAl2等。 ● 晶格类型与性能均不同于任一组元。 ● 一般可用分子式表示，有些成分可在一定范围内变动。 ● 具有一定的金属性质，又称金属化合物。 金属化合物的性能特点：三高 (高熔点、高硬度、高脆性) 当合金中存在金属化合物时，将使合金的强度、硬度及耐 磨性提高，但会使塑性降低。所以，金属化合物是结构材料 及工具材料的重要组成相。
2、共晶合金(WSn= 61.9%)
电子化合物由第ⅠB族或过渡元素与第ⅡB、ⅢA、ⅣA族 金属元素形成的金属化合物。 电子化合物虽然可用化学分子式表示，但其成分可以在 一定范围内变化，因此把它看作是以化合物为基的固溶体。 电子化合物具有很高的熔点和硬度，但脆性很大。
第一节 合金的相结构
二、金属化合物 3、间隙化合物：受组元的原子尺寸因素控制，通常是由过渡