第三章1-2节 二元合金与相图(同济-王国华).
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【冶金精品文档】二元合金与相图
与固溶体晶格相同的组元即结构被保持的组元， 称之为溶剂，一般在合金中含量较多；
溶入溶剂的元素即结构被破坏的其余组元称之 为溶质，一般含量较少。
在合金系统中，人们习惯上常按照某种顺序 (例如按固溶体的浓度，或按固溶体稳定存在的温
度范围等)用希腊字母α、β、γ、ε、δ……来表示不
同类型的固溶体，并称为α固溶体、β固溶体等等。
金属元素与氢、氮、碳、硼等原子半径较小的元 素形成的金属化合物。
形成间隙化合物的尺寸条件是：形成间隙化 合物的非金属原子半径与金属原子半径的比值应 ≤0.59。
应当指出：间隙化合物与间隙固溶体是两个 完全不同的概念，
间隙化合物是一种化合物，它具有与其组元 完全不同的晶体构造；
间隙固溶体却是保持基体组元的晶体构造。
04:16:48 机电工程学院
Engineering Materials
在人类生活及生产中纯金属的使用十分广泛。各种导 电体、装饰品、工艺品、各种器皿等，其应用主要是利用 了这些纯金属所具有的优良的导电性、导热性、化学稳定 性及美丽的金属光泽等性能。
但是几乎各种纯金属的机械性能都比较差，不宜制作 对机械性能要求较高的各种机械零件和工具。另外，纯金 属的种类有限(约为79种)，且提炼困难，价格昂贵，因此 单靠纯金属无法满足人们对金属材料的需求。
Engineering Materials
§3.1 固态合金相结构
合金是如何生产的？
目前在合金的生产中应用得最多的是熔炼法。 将按照一定配比组合在一起的合金组元加热熔化成 均匀一致的合金溶液。然后把合金溶液温度降低， 使其结晶。
合金的结晶同样遵循生核与核长大的结晶基本 规律，所不同的是，由于在合金中组元原子之间相 互发生作用，使得合金结晶后生成的结晶产物是含 有两种或多种元素的小晶体(晶粒)，小晶体相互之间 有界面(晶界)分开。在固态合金中，这些由多种元素 构成的小晶体的化学成分和晶体结构可以是完全均 匀一致的，也可以是不一致的。
溶入溶剂的元素即结构被破坏的其余组元称之 为溶质，一般含量较少。
在合金系统中，人们习惯上常按照某种顺序 (例如按固溶体的浓度，或按固溶体稳定存在的温
度范围等)用希腊字母α、β、γ、ε、δ……来表示不
同类型的固溶体，并称为α固溶体、β固溶体等等。
金属元素与氢、氮、碳、硼等原子半径较小的元 素形成的金属化合物。
形成间隙化合物的尺寸条件是：形成间隙化 合物的非金属原子半径与金属原子半径的比值应 ≤0.59。
应当指出：间隙化合物与间隙固溶体是两个 完全不同的概念，
间隙化合物是一种化合物，它具有与其组元 完全不同的晶体构造；
间隙固溶体却是保持基体组元的晶体构造。
04:16:48 机电工程学院
Engineering Materials
在人类生活及生产中纯金属的使用十分广泛。各种导 电体、装饰品、工艺品、各种器皿等，其应用主要是利用 了这些纯金属所具有的优良的导电性、导热性、化学稳定 性及美丽的金属光泽等性能。
但是几乎各种纯金属的机械性能都比较差，不宜制作 对机械性能要求较高的各种机械零件和工具。另外，纯金 属的种类有限(约为79种)，且提炼困难，价格昂贵，因此 单靠纯金属无法满足人们对金属材料的需求。
Engineering Materials
§3.1 固态合金相结构
合金是如何生产的？
目前在合金的生产中应用得最多的是熔炼法。 将按照一定配比组合在一起的合金组元加热熔化成 均匀一致的合金溶液。然后把合金溶液温度降低， 使其结晶。
合金的结晶同样遵循生核与核长大的结晶基本 规律，所不同的是，由于在合金中组元原子之间相 互发生作用，使得合金结晶后生成的结晶产物是含 有两种或多种元素的小晶体(晶粒)，小晶体相互之间 有界面(晶界)分开。在固态合金中，这些由多种元素 构成的小晶体的化学成分和晶体结构可以是完全均 匀一致的，也可以是不一致的。
03第三章二元合金相图及相变PPT课件
.2
28
温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶 格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相—
相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。
H
29
由 析出的二次 用Ⅱ 表示。 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。
温度继续下降，将从一次
和共晶 中析出Ⅱ，从 共晶 中析出Ⅱ。其室温 组织为Ⅰ+ (+) + Ⅱ。
亚共晶合金 的结晶过程
39
④ 过共晶合金结晶过程 与亚共晶合金相似, 不同的
是一次相为 , 二次相为Ⅱ 室温组织为Ⅰ+(+ )+Ⅱ。
40
Pb-Sn合金的结晶过程
⑶ 组织组成物在相图上的标注 组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。
螺旋状（Zn-Mg3）4
在共晶转变过程中，L、
、 三相共存，三个相
的量在不断变化，但它们 各自成分是固定的。
共晶组织中的相称共晶相.
共晶转变结束时， 和
相的相对重量百分比为：
C(19.2)
E(61.9) D(97.5)
QC ED D 10% 09 9..7 7 5 5 1 6..9 1 2 910% 04.5 4%
x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。 10
因此两相的相对 重量百分比为：
QL
xx 2 x1x2
ob ab
Q
x1x x1x2
ao ab
两相的重量比为：
Q Q Lx x1x 2x (a o)o b或 Q Lx1xQ x2x
11
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆 定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温 度下与各自相区距离较远的成分线段之比。
28
温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶 格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相—
相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。
H
29
由 析出的二次 用Ⅱ 表示。 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。
温度继续下降，将从一次
和共晶 中析出Ⅱ，从 共晶 中析出Ⅱ。其室温 组织为Ⅰ+ (+) + Ⅱ。
亚共晶合金 的结晶过程
39
④ 过共晶合金结晶过程 与亚共晶合金相似, 不同的
是一次相为 , 二次相为Ⅱ 室温组织为Ⅰ+(+ )+Ⅱ。
40
Pb-Sn合金的结晶过程
⑶ 组织组成物在相图上的标注 组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。
螺旋状（Zn-Mg3）4
在共晶转变过程中，L、
、 三相共存，三个相
的量在不断变化，但它们 各自成分是固定的。
共晶组织中的相称共晶相.
共晶转变结束时， 和
相的相对重量百分比为：
C(19.2)
E(61.9) D(97.5)
QC ED D 10% 09 9..7 7 5 5 1 6..9 1 2 910% 04.5 4%
x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。 10
因此两相的相对 重量百分比为：
QL
xx 2 x1x2
ob ab
Q
x1x x1x2
ao ab
两相的重量比为：
Q Q Lx x1x 2x (a o)o b或 Q Lx1xQ x2x
11
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆 定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温 度下与各自相区距离较远的成分线段之比。
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。
第3章 合金相图
共析反应：从一个固 相中析出另外两个 新的固相的反应 （转变）。 这是一种发生在固态 中的反应。
相图与合金性能之间的关系
1.合金的使用性能与相图关系 强度，硬度，塑性，导电性等（固溶体） 2.合金工艺性能与相图关系
Fe-C二元相 图Biblioteka 三元相图二元匀晶相图
匀晶相图：两元素在液 态、固态均能无限互 溶时所构成的相图。 相图被两条线分为三个 相区，液相线以上为 液相区L ，固相线以 下为 固溶体区，两 条线之间为两相共存 的两相区（L+ ）。
二元共晶相图
共晶相图：两元素液态 无限互溶、固态有限互 溶，并有共晶转变构成 的相图。 共晶转变(共晶反应) ： 一定温度下，由液相同 时结晶出两个成分和结 构不相同的新固相(晶 体)的转变。
工程材料
合金相图
黄石理工学院
问题
1.什么是相图，相图作用,相图建立步骤 2.二元相图有哪几种类型 3.固,液相线,某一成分合金固, 液相变化路径 4.杠杆定律及晶内偏析 5.合金性能与相图之间的关系(使用性能,工艺性能)
二元合金相图的种类
相图：就是表示合金的组织状态与成分、温度 之间的关系图解。也称作平衡图或状态图。 相图是制订熔炼、铸造、热加工工艺的重要依 据。
合金及相图
共晶反应的产物是机械混合物，称作共晶体或共晶
组织。
发生共晶反应的温度称为共晶温度。 代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。
二元包晶相图
包晶相图：两元素液态 无限互溶、固态有限 互溶，并有包晶转变 构成的相图。 包晶反应：液体和一个 固相反应、生成另一 个固相的反应。
具有共析反应的相图
相图与合金性能之间的关系
1.合金的使用性能与相图关系 强度，硬度，塑性，导电性等（固溶体） 2.合金工艺性能与相图关系
Fe-C二元相 图Biblioteka 三元相图二元匀晶相图
匀晶相图：两元素在液 态、固态均能无限互 溶时所构成的相图。 相图被两条线分为三个 相区，液相线以上为 液相区L ，固相线以 下为 固溶体区，两 条线之间为两相共存 的两相区（L+ ）。
二元共晶相图
共晶相图：两元素液态 无限互溶、固态有限互 溶，并有共晶转变构成 的相图。 共晶转变(共晶反应) ： 一定温度下，由液相同 时结晶出两个成分和结 构不相同的新固相(晶 体)的转变。
工程材料
合金相图
黄石理工学院
问题
1.什么是相图，相图作用,相图建立步骤 2.二元相图有哪几种类型 3.固,液相线,某一成分合金固, 液相变化路径 4.杠杆定律及晶内偏析 5.合金性能与相图之间的关系(使用性能,工艺性能)
二元合金相图的种类
相图：就是表示合金的组织状态与成分、温度 之间的关系图解。也称作平衡图或状态图。 相图是制订熔炼、铸造、热加工工艺的重要依 据。
合金及相图
共晶反应的产物是机械混合物，称作共晶体或共晶
组织。
发生共晶反应的温度称为共晶温度。 代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。
二元包晶相图
包晶相图：两元素液态 无限互溶、固态有限 互溶，并有包晶转变 构成的相图。 包晶反应：液体和一个 固相反应、生成另一 个固相的反应。
具有共析反应的相图
第3章二元合金相图及应用PPT课件
31.10.2020
工程材料
99-30
合金I的结晶过程
温度继续下降, 从β中析出二次α。
31.10.2020
工程材料
99-31
合金I的结晶过程
室温组织为 β+二次α 。
组成相和组织组成物的成分和相对重量可根据杠杆定 律来确定。
31.10.2020
工程材料
99-32
相图与性能的关系
具有匀晶相图、共晶相图的合金的机械性能和物理性 能随成分而变化的一般规律见下图
工程材料
99-38
渗碳体（Cem渗en碳tit体e）组织金相图
定义——C与Fe的化合物（Fe3C）。 代表符号： Cm
性能：含碳6.69%，其硬度高，极脆，塑性几乎 为0，熔点为1227℃。
铁碳合金中渗碳体量多会导致材料力学性能变坏。 适量渗碳体若弥散分布在基体上，可提高材料强 度和硬度。
31.10.2020
31.10.2020
工程材料
99-21
合金Ⅳ的结晶过程
31.10.2020
工程材料
99-22
组织和相的关系
31.10.2020
工程材料
99-23
共析相图
31.10.2020
d点成分(共析成分)的合金从 液相经过匀晶反应生成 γ相后, 继续冷却到d 点温度(共析温度) 时, 在此恒温下发生共析反应: γ → (α+β)
分数相对重量。
液相在共晶反应后全部转变为共晶 体(α+β) , 这部分液相的质量分 数就是室温组织中共晶体 (α+β)
的质量分数。 初生 αc冷却不断析出 βII, 到室 温后转变为 αf和 βII。按照杠杆 定律, 可求出 αf、βII占 αf＋ βII的质量分数(注意, 杠杆支点在 c'点), 再乘以初生 αc在合金中的 质量分数, 求得 αf、βII占合金的 质量分数。
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.
机械工程材料—二元合金相图及相变基础知识
3.3
第3章 二元合金相图及相变基础知识 相图的概念
二、 冷却曲线
在液态合金的冷却过程中，可以用热
分析法测定其温度随时间的变化规律，即 冷却曲线。纯金属的冷却曲线上有一个平 台[图3.2(a)、(f)]，说明结晶是在恒温下进 行的。这是因为纯金属在结晶过程中放出 大量的结晶潜热，补偿了向外散失的热量， 达到了热平衡。与纯金属相比，合金结晶 过程中放出的结晶潜热，一般情况下只能 抵消部分散失的热量，结晶是在一定的温 度范围内进行的[图3.2(b)、(c)、(e)]，在冷 却曲线上表现为两个临界点，一个是结晶 开始温度，另一个是结晶终了温度。
3.7
第3章 二元合金相图及相变基础知识
相图概念
三、杠杆定律
随着合金加热和冷却过程的进行，合金中各个相的成分及其相对量 都在不断变化。用可以定量给出结晶过程中两平衡相相对量的变化和最 后形成组织中两平衡相的相对质量以及组织组成物的相对质量。 1. 确定两平衡相的成分
由图3.3可知，wB=%成分的合金在温度下的平衡相是液相和固相。 求两相的成分时可通过O点作一条代表温度的水平线，此线与液相线和固
(3-2)
mL xL m x m x%
(3-3)
解方程式(3-2)、(3-3)得
mL xα x xxα m xα xL xL xα
mα x xL xL x m xα xL xL xα
所以，液相和固相的相对质量分别为
mL
mL m
100%
xxα xL xα
100%
(3-4)
相线的交点、在横坐标上的投影xL 、xα 则分别代表液、固两平衡相的成
分(含B量分别为xL % xα、% )。
3.8
图3.3 杠杆定律
第3章 二元合金相图及相变基础知识 相图的概念
二、 冷却曲线
在液态合金的冷却过程中，可以用热
分析法测定其温度随时间的变化规律，即 冷却曲线。纯金属的冷却曲线上有一个平 台[图3.2(a)、(f)]，说明结晶是在恒温下进 行的。这是因为纯金属在结晶过程中放出 大量的结晶潜热，补偿了向外散失的热量， 达到了热平衡。与纯金属相比，合金结晶 过程中放出的结晶潜热，一般情况下只能 抵消部分散失的热量，结晶是在一定的温 度范围内进行的[图3.2(b)、(c)、(e)]，在冷 却曲线上表现为两个临界点，一个是结晶 开始温度，另一个是结晶终了温度。
3.7
第3章 二元合金相图及相变基础知识
相图概念
三、杠杆定律
随着合金加热和冷却过程的进行，合金中各个相的成分及其相对量 都在不断变化。用可以定量给出结晶过程中两平衡相相对量的变化和最 后形成组织中两平衡相的相对质量以及组织组成物的相对质量。 1. 确定两平衡相的成分
由图3.3可知，wB=%成分的合金在温度下的平衡相是液相和固相。 求两相的成分时可通过O点作一条代表温度的水平线，此线与液相线和固
(3-2)
mL xL m x m x%
(3-3)
解方程式(3-2)、(3-3)得
mL xα x xxα m xα xL xL xα
mα x xL xL x m xα xL xL xα
所以，液相和固相的相对质量分别为
mL
mL m
100%
xxα xL xα
100%
(3-4)
相线的交点、在横坐标上的投影xL 、xα 则分别代表液、固两平衡相的成
分(含B量分别为xL % xα、% )。
3.8
图3.3 杠杆定律
第三章 二元合金相图
·外界条件 G越小，R越大，成分过冷倾向增大。
25
2．固溶体凝固时的晶体生成
随着成分过冷的增大，固溶体晶体由平面状向胞状，树 枝晶的形态发展。在工业生产中，固溶体合金凝固时总 是形成胞状树枝晶或树枝晶
26
27
28
29
3．成分过冷对铸锭组织的影响
30
§3 共晶相图及其晶合金的凝固和组织
一、相图分析
W
ME 61.9 1.9 100 % 100 % 54.6% MN 97.5 19
36
37
3．亚共晶合金（III合金） 组织: ( ) II
38
含量计算
室温下相组成α=G3/FG=（100-50）/（100-2） = 50/98
β = 3F/FG=（50-2）/（100-2）=48/98 或β = 1- α =48/98
65
合晶
（一）组织形态 1．按组成相的形态和分布特征可分七种
42
共晶组织形态-----按组成相的形态和分布特征分类
43
共晶组织形态-----按组成相的形态和分布特征分类
44
共晶组织形态-----按组成相的形态和分布特征分类
45
共晶组织形态-----按组成相的形态和分布特征分类
46
共晶组织形态-----按组成相的形态和分布特征分类
22
五、成分过冷及其对晶体成长形状铸件组织的影响 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
1 K0 RX C Co 1 exp K0 D （1）
由相图，可得界面前沿 液相线温度曲线TL（x） 假定相图的液相线为直 线，斜率为m，则液相线 随浓度变化的温度:
25
2．固溶体凝固时的晶体生成
随着成分过冷的增大，固溶体晶体由平面状向胞状，树 枝晶的形态发展。在工业生产中，固溶体合金凝固时总 是形成胞状树枝晶或树枝晶
26
27
28
29
3．成分过冷对铸锭组织的影响
30
§3 共晶相图及其晶合金的凝固和组织
一、相图分析
W
ME 61.9 1.9 100 % 100 % 54.6% MN 97.5 19
36
37
3．亚共晶合金（III合金） 组织: ( ) II
38
含量计算
室温下相组成α=G3/FG=（100-50）/（100-2） = 50/98
β = 3F/FG=（50-2）/（100-2）=48/98 或β = 1- α =48/98
65
合晶
（一）组织形态 1．按组成相的形态和分布特征可分七种
42
共晶组织形态-----按组成相的形态和分布特征分类
43
共晶组织形态-----按组成相的形态和分布特征分类
44
共晶组织形态-----按组成相的形态和分布特征分类
45
共晶组织形态-----按组成相的形态和分布特征分类
46
共晶组织形态-----按组成相的形态和分布特征分类
22
五、成分过冷及其对晶体成长形状铸件组织的影响 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
1 K0 RX C Co 1 exp K0 D （1）
由相图，可得界面前沿 液相线温度曲线TL（x） 假定相图的液相线为直 线，斜率为m，则液相线 随浓度变化的温度:
第三章二元合金的相结构与相图
（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，如90％Cu-10％Ni合金。
置换固溶体
（2）间隙固溶体 溶质原子不是占据溶剂结点位置， 而是填入溶剂晶格的间隙中。
例： C 固溶于α－Fe中形成间隙固溶体
┗ 铁素体 C 固溶于γ－Fe中形成间隙固溶体
┗ 奥氏体
间隙固溶体
一、二元相图的表示方法
在常压下，相图是 温度—成分坐标系； 横坐标—成分； 纵坐标—温度； 表象点的M坐标值。
组元
成 分 线
组元
二、二元合金相图的建立
1、试验方法：热分析法；金相法； 膨胀法；电阻法等。 2、理论计算。
目前大部分相图都是通过实验得到的， 最常用的方法是热分析法。
热分析法建立二元合金相图的步骤： 配制合金。 将合金熔化，冷却并测出冷却曲线。 从冷却曲线上找出相变临界点。 绘制相图。
（1）原子尺寸
组元间原子半径越相近，固溶度越大。 原因：溶质原子引起溶剂晶格畸变，产生畸变 能。原子半径相差越大，晶格畸变能越高，晶 格越不稳定，当畸变能高到一定程度，溶质原 子将不再溶入固溶体，只能形成新的相。
溶剂与溶质原子的尺寸差别可用Δr 衡量： Δr =(r溶剂 - r溶质)/ r溶剂
Δr越大，固溶度越小。
二元合金的结晶 L L+S S
热分析法得到的冷却曲线
相图的建立
温 度
温 度
时间 A 90 70 50 30 B
温
度
L
a c
L
+
S d
S
acb : 液相线
adb : 固相线
L : 液相区
S : 固相区 b
L+S:液、固两 B 相共存区
第3章 二元合金相图
of Chapter 3
二、共晶相图
液相线 固相线
T,°C °
α
Pb
L+ α
L
L+ β
β
Sn
α固溶线
α+β
Sn%
β固溶线
铅-锡合金共晶相图
共晶转变分析
T,°C °
α
Pb
L+ α
M
L
E
L+ β
Nβ
共晶反应线 表示从M点到 点到N点 表示从 点到 点 范围的合金， 范围的合金，在 该温度上都要发 生不同程度上的 共晶反应。 共晶反应。 共晶点 表示E点成分的合 表示 点成分的合 Sn 金冷却到此温度 上发生完全的共 晶转变。 晶转变。
L+ α
M
L
E
L+ β
Nβ
L→(α+ β) 共晶体 α
α+β
Pb X2 Sn
(α+ β) α (α+ β) α 冷却曲线 t
X3合金结晶过程分析
T,°C °
T,°C L 1
183
α
L+ α
M
L
E
L+ β
Nβ
2L+ α
L+(α+β)+α α β α
α+β
Pb X3
(α+ β)+ α α (α+ β)+ α + β Ⅱ α Sn
t
标注了组织组成物的相图
M
E
N
1. 合金的使用性能与相图的关系
三、相图与性能的关系
固溶体中溶质浓度↑ → 强度、硬度↑ 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。 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。
第3章 合金的结构与二元状态图
在非平衡结晶条件下，由于冷却速度较快产生过冷，当液 态合金过冷到两条液相线的延长线所包围的区域时，就可 获得完全的共晶组织。此时合金液中α相和β相都是过饱 和的，所以结晶出α 和β的共晶组织。
伪共晶区随着冷速的增加而加大。 若当合金中两组元熔点相近时，伪共晶区呈对称分布， 两组元熔点相差很大时，伪共晶区将偏向高熔点组元一侧。
两组元在液态下无限互溶，固态下也无限互溶的合金相图。
二元合金系有：Cu-Ni，Au-Ag，Cr-Mo等
特点：结晶时发生匀晶转变，从液相结晶出单相的固溶体。
相图分析：
液相线
液相区 相 图 分 析
T C 1500 1400 1300 1200 1100 1083 1000 纯铜 熔点 Cu L 1455 L+ 纯镍 熔点
与纯金属相比： 性、韧性高。
与化合物相比：硬度低得多，塑
固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强 度和硬度升高的现象。 原因：溶质原子溶入后，引起溶剂金属的晶格产生畸变，进 而使位错移动时所受到的阻力增大。
置换固溶体的晶格畸变
间隙固溶体的晶格畸变
2. 金属间化合物
金属间化合物：在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解 度时，将析出新相，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， 称为化合物
第三章 合金的相结构 与二元状态图
§1 合金中的相结构
一、合金的基本概念
合金 :通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一 种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新 物质，称为合金。 组元 :组成合金的最基本的、独立的物质称为组元 。 相：在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部 分有界面分开的均匀组成部分，均称之为相 组织 ：在金属和合金中，在显微镜下能观察到的微观形貌、 图象称为组织，它是由单相物质或多相物质组合成的，具 有一定形态特征的聚合体 。
二元合金相图
合金平衡图 ： 表示某一合金系中不同成分的合金， 在各种 合金平衡图：表示某一合金系中不同成分的合金， 不同温度条件下相的平衡关系（即用来表示合金的成分、 不同温度条件下相的平衡关系（即用来表示合金的成分、 温度与组织之间关系）的图形。 温度与组织之间关系）的图形。又称相图或状态图 一、二元合金平衡图的建立
一、固溶体 固溶体是溶质原子溶入溶剂的晶格中所形成的一种均匀固 相。 固溶体的主要特征是：晶格仍保持溶剂组元的晶格 固溶体的主要特征是 的主要特征是： 1、置换固溶体 、 溶质原子置换了溶剂晶格中的一些溶剂原子而形成的固溶 体 2、间隙固溶体 、 溶质原子嵌入溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体 形成固溶体后，由于在溶剂晶格中溶入了溶质元素，必然 形成固溶体后，由于在溶剂晶格中溶入了溶质元素， 造成溶剂晶格的畸变。 造成溶剂晶格和固态均无限互溶所构成的合金平衡图 三、二元共晶平衡图 两组元在液态时无限互溶， 两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互熔且有共晶 转变产生的平衡图
第二节 二元合金平衡图基础
合金平衡图 ： 表示某一合金系中不同成分的合金， 在各种 合金平衡图：表示某一合金系中不同成分的合金， 不同温度条件下相的平衡关系（即用来表示合金的成分、 不同温度条件下相的平衡关系（即用来表示合金的成分、 温度与组织之间关系）的图形。 温度与组织之间关系）的图形。又称相图或状态图 一、二元合金平衡图的建立
晶格略变对金属性能有重大的影响，它将使合金 晶格略变对金属性能有重大的影响， 的强度、硬度和电阻升高。 的强度、硬度和电阻升高。 固溶强化：溶质元素溶入固溶体而使金属的强 固溶强化： 度、硬度升高的现象。是提高金属材料力学性能 硬度升高的现象。 的重要途径之一。 的重要途径之一。
二、金属化合物
第三章 二元合金相图
一、固溶体 固溶体是溶质原子溶入溶剂的晶格中所形成的一种均匀固 相。 固溶体的主要特征是：晶格仍保持溶剂组元的晶格 固溶体的主要特征是 的主要特征是： 1、置换固溶体 、 溶质原子置换了溶剂晶格中的一些溶剂原子而形成的固溶 体 2、间隙固溶体 、 溶质原子嵌入溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体 形成固溶体后，由于在溶剂晶格中溶入了溶质元素，必然 形成固溶体后，由于在溶剂晶格中溶入了溶质元素， 造成溶剂晶格的畸变。 造成溶剂晶格和固态均无限互溶所构成的合金平衡图 三、二元共晶平衡图 两组元在液态时无限互溶， 两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互熔且有共晶 转变产生的平衡图
第二节 二元合金平衡图基础
合金平衡图 ： 表示某一合金系中不同成分的合金， 在各种 合金平衡图：表示某一合金系中不同成分的合金， 不同温度条件下相的平衡关系（即用来表示合金的成分、 不同温度条件下相的平衡关系（即用来表示合金的成分、 温度与组织之间关系）的图形。 温度与组织之间关系）的图形。又称相图或状态图 一、二元合金平衡图的建立
晶格略变对金属性能有重大的影响，它将使合金 晶格略变对金属性能有重大的影响， 的强度、硬度和电阻升高。 的强度、硬度和电阻升高。 固溶强化：溶质元素溶入固溶体而使金属的强 固溶强化： 度、硬度升高的现象。是提高金属材料力学性能 硬度升高的现象。 的重要途径之一。 的重要途径之一。
二、金属化合物
第三章 二元合金相图
二元合金与相图
（二）二元共晶相图（eutectic phase diagram） 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，所构成的相图称为二元共晶相图。 一定成分的液相在恒温下同时结晶出两种成分和结构都不 相同的新的固相的过程称为共晶反应。 Pb-Sn合金相图中有三种 相：Pb与Sn形成的液溶体L 相,Sn溶于Pb中的有限固溶体 α 相,Pb溶于Sn中的有限固溶 体β 相。 相图中有三个单相区:L、 α 、β 三个双相区：L+α 、 L+β 、α +β 一条L+α +β 的三相共存 线(水平线cde )。
运用杠杆定律时要注意, 它只适用于相图中的两相 区, 并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点 为给定温度时两相的成分点, 而支点为合金的成分 点。
枝晶偏析
由于固溶体结晶时成分变化，缓慢冷却时原子的扩散能充
分进行, 形成的是成分均匀的固溶体。如果冷却较快, 原子扩 散不能充分进行, 则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝
2、合金的结晶过程 （以b点成分的合金( Ni含量为b%)为例分析结晶过程。） 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 液相中逐渐结晶出 α 固 溶体。2点温度以下, 合 金全部结晶为 α 固溶体, 其它成分合金的结晶过程 也完全类似。
3. 间隙化合物 由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原 子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。尺寸较 大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属 原子则有规则地嵌入晶格的间隙之中。根据结构特点，间隙化 合物分间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。 （1）间隙相 当非金属原子半径与金属原子半径之比 小于0.59时，形成具有简单晶格的 间隙化合物，称为间隙相。间隙相 具有金属特性，有极高的熔点和硬 度, 非常稳定。它们的合理存在， 可有效地提高钢的强度、热强性、 红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬 质合金中的重要组成相。
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3.1.1 固态合金中的相结构及组织概念
合金：一种元素同另一种或几种其他元素 ，通过熔化或其他方法结合在一起所形成 的具有金属特性的物质。
组元：组成合金独立的最基本的单元。组元可以是元 素或是稳定化合物。 由两个组元组成的合金称为二元合金。
如：铁碳合金、铜镍合金
相：凡化学成分相同（可连续变化 ）、晶体结构相同 并有界面与其他部分分开的均匀组成部分称为相。 合金组元通过溶解 形成一种成分和性 能均匀、且结构与 组元之一相同。
片状珠光体
w(c)=0.77%
球状珠光体
3.组织与性能的关系
金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定。
注意： (1)在某些情况下，金属的组织名称相同，组成相 也相同，但晶粒形状、大小不同，则它们的性能 也不同。
(2)在某些合金中，在显微镜下观察它们的组织， 组成相相同，且形状、大小无明显差异，只是其 成分有所不同，这时表现出来的性能也不相同。
(1) 固溶体的分类
按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为： 置换固溶体和间隙固溶体
按溶解度固溶体可分为：有限固溶体和无限固溶体
溶解度：溶质在固溶体中的极限浓度即为溶质在 固溶体中的溶解度。 若超过这个溶解度有其他相形成，则此种固溶体 为有限固溶体。 若溶质可以任意比例溶入，即溶质的溶解度可达 100，则固溶体为无限固溶体。 按溶质原子在固溶体中分布是否有规律可分为： 无序固溶体和有序固溶体
3.1.2金属材料的组织 1.组织的概念 金相试样的制备： 取样(小块金属材料) →磨光(用金相砂纸) →抛 光(用绒布+抛光剂) →腐蚀→吹干 在显微镜下观察，可以看到金属材料内 部的微观形貌。这种微观形貌2-拨盘 3-底座物镜 4-孔径光阑 5-视场光阑旋钮 6-视场光阑滚花螺丝 7-固定滚花螺钉 8-双筒目镜镜管 9-目镜 10-载物台 ll-物镜 12-物镜转换盘 13-镜架 14-粗调手轮 15-微调手轮
(2) 固溶体的性质 什么是固溶强化?造成固溶强化的原因是什么? ①固溶强化就是通过形成固溶体使金属强度 和硬度提高的现象。 ②造成固溶强化的原因是固溶体随着溶质原 子的溶入而晶格发生畸变,晶格畸变增大位错运动 的阻力 , 使金属的滑移变形变得更加困难 , 从而提 高合金的强度和硬度。
2.金属化合物 正常价化合物 金属化合物 电子化合物 间隙化合物
例：求CuZn的电子浓度？ 在元素周期表中Cu排29，Zn排30 则价电子数：1(Cu)+2(Zn)=3 原子数：1(Cu)+1(Zn)=2 电子浓度=3/2 问Cu5Zn8 电子浓度为多少？
(3)间隙化合物 由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等 原子半径较小的非金属元素形成的化合物为 间隙化合物。
2.组织的决定因素 组织的决定因素：化学成分和工艺过程 化学成分不 同显微组织 不同。
(a) w(c)=0.01%铁素体 (b) w(c)=0.45%铁素体+珠光体
(c) w(c)=0.77%珠光体
(d) w(c)=1.2%珠光体 +二次渗碳体
化学成分相同，热处理工艺不 同，显微组织形态不同。
w(c)=0.77%
3.1.3 金属材料的工艺性能
工艺性能：指制造工艺过程中材料适应加工的性能。
使用性能：指金属材料在使用情况下所表现出来的性能。 1.2.1金属材料的工艺性能
零
件
1.铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称 为铸造性能。 2.锻造性能 金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称为 锻造性能。 3.焊接性能 金属材料对焊接加工的适应性称为焊接性能。 4.切削加工性能 切削加工一般用切削后的表面质量和刀具寿 命来表示。 5.热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性，即 钢接受淬火的能力。
3.2 二元合金的结晶与相图
合金的结晶通常运用合金相图来分析（合金 的结晶过程）。 什么是相图？ (phase diagram) 表明合金系中各种合 金相的平衡条件和相与相 之间关系的一种简明示图 （温度-成分-（表）相） A B
第3章 二元合金与相图
主要内容：
1.合金、相图等相关概念，以及合金的类型； 2. 三种基本相图、及其平衡结晶过程分析，形
成合金的显微组织及杠杆定律； 3. 合金的结晶过程
第三章 二元合金与相图
思考
1. 纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差， 如何改善？ 2. 合金的结晶过程是否与纯金属的结晶过程 相同？ 3. 相同成分不同含量的合金的结晶过程是否相 同？怎样表示？
①间隙相：当非金属原子半径与金属原子 半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间 隙化合物称为间隙相。例：VC
②复杂结构的间隙化合物：当非金属原 子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成 具有复杂结构晶格的间隙化合物。例： Fe3C
间隙固溶体和间隙相有什么不同？ 间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙 之中的固溶体叫间隙固溶体。其结构与组元之一 相同。 间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径之 比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物称 为间隙相。其结构和特性完全不同于任一组元。
复杂结构的间隙化合物 间隙相
金属化合物特点： 熔点较高、硬度高、脆性大。
Fe3C
(1)正常价化合物 严格遵守化合价化合规律的化合物称正常 价化合物。如：Mg2Si
(2)电子化合物 不遵守化合价规律但符合一定电子浓度的化合物 称电子化合物。 电子浓度是指化合物中价电子数与原子数之比。
价电子指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子
液相
相
固相
固溶体
金属化合物
合金组元相互作 用形成的晶格类 型和特性完全不 同于任一组元的 新相。
相：
组元：
1. 固溶体
固溶体：溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相 称为固溶体。 “固体溶液” 与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合 金中含量较多，另一组元为溶质，含量较少。 固溶体用α、β、γ等符号表示，A、B组元组 成的固溶体用A(B),其中A为溶剂，B为溶质； 固溶体的晶体结构特点 *均一的、保持熔剂金属的晶体结构 *晶格常数发生一定变化