第四章 二元合金

出C点成分的 固溶体和D点成分的 固溶体，形成这两个相
的机械混合物：LE ⇄(C + D)
A
在一定温度下，由一定 成分的液相同时结晶出 两个成分和结构都不相 同的新固相的转变称作 共晶转变或共晶反应。
B
•
共晶反应的产物，即两相 的机械混合物称共晶体或
共晶组织。发生共晶反应
的温度称共晶温度。代表 共晶温度和共晶成分的点 称共晶点。
L
1455 a
L+ b
Fra Baidu bibliotek

L
匀晶转变 L
L

Ni

冷却曲线
t
匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点， 而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。
•
匀晶相图结晶过程分析：冷却曲线＋结晶过程
• 相图由两条线构成 ，上面是液相线，
下面是固相线。
• 相图被两条线分为
L
三个相区，液相线
以上为液相区L ，
温度（℃）
L
在的物质。


发生分解、又不发生任何
反应的化合物也可看作组
Cu
成分（wt %Ni）
Ni
元, 如Fe-C合金中的Fe3C。
Cu-Ni合金相图
• 相图表示了在缓冷条件下，不同成分合金的组织随温 度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理
工艺的重要依据。
• 根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
第四章
二元合金
§1 合金的相结构 §2 二元合金相图 §3 相图与性能的关系
问题
• 合金、组元、相 • 固溶体、化合物、机械混合物 • 置换固溶体、间隙固溶体
第一节 合金的相结构
• 什么是合金？
钢和生铁是Fe与C的合金 黄铜是Cu和Zn的合金
合金是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结 或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。 组成合金的基本的独立的物质称为组元。组元可以是金属和非金 属元素，也可以是化合物。
点的连线叫固相线。
典型的结晶相图
1．匀晶相图 2．共晶相图 3．包晶相图 4．共析相图
1．匀晶相图
特点：液态、固态均无限互溶 同类： Cu-Ni、 Cu-Au、Au-Ag 、Fe-Cr等
Cu-Ni合金相图
匀晶合金的结晶过程
T,C T,C 1500 1400 c 1300 1200d 1100 1000 1083 Cu 20 40 60 Ni% 80 100 L
是过渡族元素。

形成间隙固溶体的一
般规律为r质/r剂<0.59。

间隙固溶体都是无序
固溶体。
固溶体的微观不均匀性
完全无序的固溶体是不存在的。 可以认为，在热力学上处于平衡状态的无序固溶体中，溶质 原子的分布在宏观上是均匀的，但在微观上并不均匀。 在一定条件下，它们甚至会呈有规则分布，形成有序固溶体 。

③ 液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B 分别为Pb、Sn的熔点。
• ④ 固溶线: 溶解度 点的连线称固溶线 。相图中的CF、
A
B
DG线分别为 Sn在
Pb中和 Pb在 Sn中
的固溶线。
• 固溶体的溶解度随
温度降低而下降。
• •
⑤ 共晶线：水平线CED叫做共晶线。 在共晶线对应的温度下（183 ℃），E点成分的合金同时结晶
度t 的o点作水平线，其与液
t

固相线交点a、b所对应的成
分x1、x2即分别为液相和固 相的成分。

1 2

② 确定两平衡相的相对重量 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
解方程组得
x2 x QL x 2 x1 x x1 Qα x 2 x1
• 什么是相？ 相—合金中成分相同、晶体结构相 同、具有同一聚集状态的组成部分
显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形 态、数量、大小和分布的组合。
黄铜
单相合 金
Al-Cu两相合金
两相合 金
分类
固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性来分
• 固溶体 • 化合物 • 机械混合物
一、固溶体
Fe3C又称渗碳体，具有复杂的斜方晶格，其中铁原子可以部分的被其他金属原 子置换 ，形成以渗碳体为基的固溶体，如（Fe,Mn）3C、（Fe、Cr）3C，称为 合金渗碳体。
三、机械混合物
两种固溶体或固溶体加金属化合物的混合物
例 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，其性能取决 于两种组成相的性质、形态、大小及分布。
第二节 二元合金相图
金属材料性能由组织决定， 而组织由化学成分和工艺过程决定。
组织（显微组织）
指在金相显微镜下观察到的金属材料内部的微观形貌
组织由相构成，
观察时应分析相的形态、数量、大小和分布方式。
基本概念
相 组 图： 元：
合金系：
相平衡：
• 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。
固 溶 体 化 合 物
Cu-Ni无限固溶体
Cu-Zn有限固溶体
组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体， 才有可能形成无限固溶体。
置换固溶体
置换固溶体导致晶格畸变
溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的
称有序固溶体。
黄铜置换固溶体组织
• ② 间隙固溶体
• 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 • 形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金 属元素，如C、N、B 等，而溶剂元素一般


这种从液相中结晶出单相固溶体的转变称为匀晶转 变或匀晶反应。
• 随温度下降， 固溶体重量增 加，液相重量 减少。同时，
液相成分沿液
相线变化，固
相成分沿固相
线变化。
• 成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时 ，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时 固溶体的成分又变 回到合金成分3上 来。

生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温， 以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热 处理工艺称作扩散退火（均匀化退火）。
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
平衡组织
枝晶偏析组织
2．共晶相图
特点：液态无限互溶、固态有限互溶，且发生共晶反应 同类： Pb -Sn、 Pb - Sb、Ag -Cu、Al-Si等
化合物：
合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同 的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、 硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。

当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度 和耐磨性，但降低塑性。
正常价化合物
电子化合物 间隙化合物
铁碳合金中的Fe3C
合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相
表示某一合金系中不同成分的合金，在各种不同温度 条件下的相的平衡关系（即用来表示合金的成分、温
度与组织之间关系）的图形。又称状态图或平衡图。
• 合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制 的一系列不同成分的合金。

组元是指组成合金的最简 单、最基本、能够独立存 多数情况下组元是指组成 合金的元素。但对于既不
这时溶质原子存在于溶质点阵中的固定位置上，而且每个晶 胞中的溶质和溶剂原子之比也是一定的。有序固溶体的点 阵结构有时也称超结构。
固溶体的性质
由于溶质原子的溶入导致固溶体的点阵常数改变，产生固溶 强化及力学性能、物理和化学性能产生了不同程度的变化。 a．点阵常数改变 形成固溶体时，虽然仍保持着溶剂的晶体 结构，但由于溶质与溶剂的原子大小不同，总会引起点阵畸 变并导致点阵常数发生变化。对置换固溶体而言，当原子半 径rB>rA时，溶质原子周围点阵膨胀，平均点阵常数增大；当 rB<rA时，溶质原子周围点阵收缩，平均点阵常数减小。对间 隙固溶体而言，点阵常数随溶质原子的溶入总是增大的，这 种影响往往比置换固溶体大得多。
T/C

Pb
L+
L
L+
以
Pb-Sn

相图为例进行 分析。
+
Sn%
Sn
• ⑴ 相图分析
• ① 相：相图中有L、、 三种相, 是溶质Sn在 Pb中的固溶体， 是溶 质Pb在Sn中的固溶体。 • ② 相区：相图中有三个 单相区： L、、；三
A B
个两相区： L+、L+
、+ ；一个三相区： 即水平线CED。
液相线 +
L
固相线
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+ ）。
Cu

成分（wt%Ni）
Ni
• ⑴ 合金的结晶过程 • 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合 金为例说明。

当液态金属自高 温冷却到 t1温度
L
时，开始结晶出
成分为1的固溶
体，其Ni含量高
于合金平均成分
1、固溶体 溶质原子溶入溶剂的晶格中所形成的一种均匀固相。 习惯以、、表示。 2、固溶体的主要特征是：晶格仍保持溶剂组元的晶格。 3、按溶质原子在溶剂点阵中所处的位置，可将固溶体分 为：置换固溶体和间隙固溶体
Cu-Ni置换固溶体
Fe-C间隙固溶体
置换固溶体 当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据 溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部 分溶剂原子，这种固溶体就称为置换固溶体。 金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但溶解 度视不同元素而异，有些能无限溶解，有的只能有限溶 解。
共晶反应要点
• • • • 共晶转变在恒温下进行。 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。 T/C

液固相线不仅是相
区分界线,也是结晶
时两相的成分变化
线；匀晶转变是变
温转变。
• • •
⑵ 杠杆定律 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，
还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。
现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：
•① 确定两平衡相的成分： 设合金成分为x，过x做成分
垂线。在成分垂线相当于温
K
QL
QS
例（如图） 求含53％Ni在 1300度时的两相 含量
0.53 0.45 Q 100% 61.5% 0.58 0.45 QL 0.58 0.53 100% 38.5% 0.58 0.45
⑶
枝晶偏析
•
合金的结晶只有在缓慢冷却条件 下才能得到成分均匀的固溶体。 但实际冷速较快，结晶时固相中
Pb原子 扩散
Sn原子 扩散

Pb-Sn共晶组织
共晶体长大示意图
• 具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡 成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共 晶点以右的合 金称过共晶合 金。
A
L+
C D
B
★凡具有共晶线
成分的合金液
体冷却到共晶
温度时都将发
生共晶反应。
三元相图
Fe-C二元相图
一、二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。
※配制一系列成分不同的Cu-Ni合金； ※测定上述合金的冷却曲线 ※找出各合金的临界点 ※以温度为纵坐标、以成分为横坐标的图中，将各临界点 连接起来即得到Cu-Ni合金相图
• 相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了
•
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。 • • 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所 求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。 杠杆定律只适用于两相区。
K x x’
QL
QS
杠杆定律 三个点（一个支点、两个交点） 支点：成分垂线与某一温度的交点 交点：温度线与相区的交点 x x/

式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、
x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。
• 因此两相的相对重量百分比为：
xx 2 ob QL x1 x 2 ab x1 x ao Q x1 x 2 ab
两相的重量比为：
QL xx 2 ob ( ) 或QL x1 x Q xx 2 Q x1 x ao
b．产生固溶强化 和纯金属相比，随溶质含量增加, 固溶 体的强度、硬度增加, 塑性、韧性下降—固溶强化。 c．物理和化学性能的变化 固溶体合金随着固溶度的增 加，点阵畸变增大，一般固溶体的电阻率升高，同时降 低电阻温度系数。
产生固溶强化的原因是 溶质原子使晶格发生 畸变及对位错的钉扎
作用。
二、化合物
的原子来不及扩散，使先结晶出
的枝晶轴含有较多的高熔点元素 （如Cu-Ni合金中的Ni）, 后结晶
的枝晶间含有较多的低熔点元素(
如Cu-Ni合金中的Cu)。
不平衡结晶
晶内偏析 枝晶偏析
Cu-Ni合金的 铸态组织示意图
• • • •
枝晶偏析 不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 枝晶偏析会影响合金的力学性能，塑性韧性降低。