第二章 合金相结构和二元合金相图(新PPT)
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合金相图.ppt
1、铜镍合金相图相区分析 液相线tAa2aa1tB：开始结晶的温度线。 固相线tAb2cb1tB ：结晶终止线。 由线包围的区域称为相区
单相区：液相线以上为液体L 固相线以下为固溶体α
双相区：固液相线之间L、α两相 同时共存，以L+α表示
二、匀晶相图 2 、合金的结晶过程 匀晶转变的结晶过程：L→L+α →α
性能: 一般较硬、脆
三、机械混合物
液态金属在平衡凝固时形成的两种固溶体或 固溶体加金属化合物的混合物(机械混合物)
单一固溶体：强度、硬度较低 单一化合物：硬而脆 机械混合物——不是一种单一相
3.2 二元合金相图
概念： 合金相图是用图解的方法表示不同 温度及成分下合金系中各相的平衡 关系，又称平衡图或状态图。
❖ 共晶转变：一个液相在冷却过程中 同时结晶出两个结构不同的固相的转变。 即：L+
❖共晶体：共晶转变所得的两相机械混合物。
❖共晶相图：具有共晶转变的相图。 如Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、Ag-Cu和Mg-Al等。
1、Pb－Sn合金相图分析
• ⑴ 相：L、、
——Sn在 Pb中的固溶体， ——Pb 在Sn中的固溶体。
AS 727℃
( AE + Fe3C ) Ld ( FP + Fe3C ) P
A T°
G
Fe - FEeCF3线C:共相晶转图变
匀晶相图
L L→L共d(晶A+相F图e3C)
D
G时S不线同（成AL3分+）的A：A开冷始却
A
析出铁素体F的温度线
铁碳合金：铁和碳两种元素组成的合金。 铁碳相图：研究钢铁成分、组织和性能
之间关系的理论基础，制定 热加工工艺的依据。
单相区：液相线以上为液体L 固相线以下为固溶体α
双相区：固液相线之间L、α两相 同时共存，以L+α表示
二、匀晶相图 2 、合金的结晶过程 匀晶转变的结晶过程：L→L+α →α
性能: 一般较硬、脆
三、机械混合物
液态金属在平衡凝固时形成的两种固溶体或 固溶体加金属化合物的混合物(机械混合物)
单一固溶体：强度、硬度较低 单一化合物：硬而脆 机械混合物——不是一种单一相
3.2 二元合金相图
概念： 合金相图是用图解的方法表示不同 温度及成分下合金系中各相的平衡 关系，又称平衡图或状态图。
❖ 共晶转变：一个液相在冷却过程中 同时结晶出两个结构不同的固相的转变。 即：L+
❖共晶体：共晶转变所得的两相机械混合物。
❖共晶相图：具有共晶转变的相图。 如Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、Ag-Cu和Mg-Al等。
1、Pb－Sn合金相图分析
• ⑴ 相：L、、
——Sn在 Pb中的固溶体， ——Pb 在Sn中的固溶体。
AS 727℃
( AE + Fe3C ) Ld ( FP + Fe3C ) P
A T°
G
Fe - FEeCF3线C:共相晶转图变
匀晶相图
L L→L共d(晶A+相F图e3C)
D
G时S不线同（成AL3分+）的A：A开冷始却
A
析出铁素体F的温度线
铁碳合金：铁和碳两种元素组成的合金。 铁碳相图：研究钢铁成分、组织和性能
之间关系的理论基础，制定 热加工工艺的依据。
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
二元合金相图
第二章二元合金相图纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。
合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。
合金相图正是研究这些规律的有效工具。
一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。
其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。
组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。
由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。
二元以上的合金称多元合金。
合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。
合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。
利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。
掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。
在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。
本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。
2.1 合金中的相及相图的建立在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。
液态物质为液相，固态物质为固相。
相与相之间的转变称为相变。
在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。
由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。
组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。
由不同组织构成的材料具有不同的性能。
二元合金
32-10
匀晶相图
§2 二元合金相图
32-11
二、匀晶相图
❖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
§2 二元合金相图
32-12
相图分析
❖ 典型的点: ❖ 典型的线: ❖ 典型的区: ❖ 结晶过程: ❖ 杠杆定律:
§2 二元合金相图
α相
能充分进行而产生 的化学成分不均匀 的现象。
§2 二元合金相图
32-29
五、共析相图
§2 二元合金相图
S1S2+S3
c d＋e
32-30
一、合金形成单 相固溶体
纯金属与 合金的差别
Fig.4-21 固溶体合金 的力学性能、物理 性质与合金成分的 关系
§3 相图与性能的关系
32-31
§3 相图与性能的关系
32-35
①高于300℃ ②刚冷到183℃，共晶转变尚未开始 ③在183℃，共晶转变完毕 ④冷至室温。
有含
10 28
哪
些％
相锡
， 并
， 在
第
求 相
相 应
题
的温
相度
对下
量，
32-36
②刚冷到183℃，共晶转变尚未开始
L+α
QL
28 19 61.9 19
100%
21%
Q
61.9 28 100% 61.9 19
⑴金属模浇注与砂模浇注； ⑵高温浇注与低温浇注； ⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件； ⑷浇注时采用震动与不采用震动； ⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。 2．分析比较纯金属、固溶体、共晶体三者在结晶过程 和显微组织上的异同之处。 3．为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金、要进 行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？
匀晶相图
§2 二元合金相图
32-11
二、匀晶相图
❖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
§2 二元合金相图
32-12
相图分析
❖ 典型的点: ❖ 典型的线: ❖ 典型的区: ❖ 结晶过程: ❖ 杠杆定律:
§2 二元合金相图
α相
能充分进行而产生 的化学成分不均匀 的现象。
§2 二元合金相图
32-29
五、共析相图
§2 二元合金相图
S1S2+S3
c d＋e
32-30
一、合金形成单 相固溶体
纯金属与 合金的差别
Fig.4-21 固溶体合金 的力学性能、物理 性质与合金成分的 关系
§3 相图与性能的关系
32-31
§3 相图与性能的关系
32-35
①高于300℃ ②刚冷到183℃，共晶转变尚未开始 ③在183℃，共晶转变完毕 ④冷至室温。
有含
10 28
哪
些％
相锡
， 并
， 在
第
求 相
相 应
题
的温
相度
对下
量，
32-36
②刚冷到183℃，共晶转变尚未开始
L+α
QL
28 19 61.9 19
100%
21%
Q
61.9 28 100% 61.9 19
⑴金属模浇注与砂模浇注； ⑵高温浇注与低温浇注； ⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件； ⑷浇注时采用震动与不采用震动； ⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。 2．分析比较纯金属、固溶体、共晶体三者在结晶过程 和显微组织上的异同之处。 3．为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金、要进 行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？
合金的结构及相图 ppt课件
• 是由第一族元素、过渡族元素与第二至第 五族元素结合而成
• 此类化合物不遵守原子价规律，而是服从 电子浓度规律，即按照一定的电子浓度组 成一定的晶格结构的化合物
• 电子浓度是化合物中价电子数与原子数之 比
课件
17
• 如CuZn化合物，其原子数为2，Cu的价电 子数为1，Zn 价电子数为2，故其电子浓度 为3/2。
课件
34
课件
35
2) 两平衡相相对量的确定
• 在两相区内，对特定的温度，两相的质量 比是一定值。图12-28(b)中wNi=x%成分的 合金，在T1温度时，两相的质量之比，可 用下式表达：
m l xc m a ax
• 式中：ml为L相的质量；ma为相反质量； xc、ax为线段长度。
课件
36
质量相对量wl、wa可由式下计算：
课件
25
在下面的讨论中将用到以下这些概念：
• 组元：组成合金的最简单、最基本、能独立存在的物质称 为组元。元素是组元。此外，在研究问题范围内既不分解 也不发生任何化学反应的稳定的化合物也是组元。
• 合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系 列不同成分的合金，称为合金系。
• 相图：表示合金系在平衡条件下，合金的状态与成分、温 度之间相互关系的图形。所谓平衡，也称为相平衡。是指 合金在相变过程中，原子能充分扩散，各相的成分相对质 量保持稳定，不随时间改变的状态。在实际的加热或冷却 过程中，控制十分缓慢的加热或冷却速度，就可以认为是 接近了相平衡条件。
课件
33
(3) 杠杆定律
• 当合金处于两相区内任一温度时，L、α相 的成分及两相的相对量可按下述方法确定 ：
1) 两相成分的确定 • 如图1.2-27所示，过温度（t1）作水平线，
• 此类化合物不遵守原子价规律，而是服从 电子浓度规律，即按照一定的电子浓度组 成一定的晶格结构的化合物
• 电子浓度是化合物中价电子数与原子数之 比
课件
17
• 如CuZn化合物，其原子数为2，Cu的价电 子数为1，Zn 价电子数为2，故其电子浓度 为3/2。
课件
34
课件
35
2) 两平衡相相对量的确定
• 在两相区内，对特定的温度，两相的质量 比是一定值。图12-28(b)中wNi=x%成分的 合金，在T1温度时，两相的质量之比，可 用下式表达：
m l xc m a ax
• 式中：ml为L相的质量；ma为相反质量； xc、ax为线段长度。
课件
36
质量相对量wl、wa可由式下计算：
课件
25
在下面的讨论中将用到以下这些概念：
• 组元：组成合金的最简单、最基本、能独立存在的物质称 为组元。元素是组元。此外，在研究问题范围内既不分解 也不发生任何化学反应的稳定的化合物也是组元。
• 合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系 列不同成分的合金，称为合金系。
• 相图：表示合金系在平衡条件下，合金的状态与成分、温 度之间相互关系的图形。所谓平衡，也称为相平衡。是指 合金在相变过程中，原子能充分扩散，各相的成分相对质 量保持稳定，不随时间改变的状态。在实际的加热或冷却 过程中，控制十分缓慢的加热或冷却速度，就可以认为是 接近了相平衡条件。
课件
33
(3) 杠杆定律
• 当合金处于两相区内任一温度时，L、α相 的成分及两相的相对量可按下述方法确定 ：
1) 两相成分的确定 • 如图1.2-27所示，过温度（t1）作水平线，
二元合金结构与相图
相结构与相图
相： 合金中具有一样成分和一样构造〔聚集 状态〕并以界面分开的、均匀的组成局部。 固态金属一般是一个相，而合金那么可 能是几个相。由于形成条件不同，各相可以 不同的数量、形状、大小组合。在显微镜下 观察，可以看到不同的组织。
固态合金的相可分成两类：
固溶体：假设相的晶体构造与某一组成元素 的晶体构造一样，这种固相称为固溶体；
〔1〕置换固溶体
〔2〕间隙固溶体
〔3〕固溶体的溶解度
〔4〕固溶体的性能
相结构与相图
〔1〕置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位
置而形成的固溶体。 形成条件：
溶剂与溶质原子尺 寸相近。
溶质原子 溶剂原子
置换固溶体
相结构与相图
〔2〕间隙固溶体
溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而形 成的固溶体。
形成条件：
L
垂线与相线的交点
做出冷却速度曲线
Ni
时间
相结构与相图
〔1〕单相区中，不管温度怎么变化 单相的成份=合金的成份， 单相的重量=合金的重量。
〔2〕两相区中的两个相随温度变化会 发生两个变化： ①两个相的成分随温度变化分别沿各 自的相线变化〔水平温度线〕 ②两个相的相对重量随温度变化也要 发生变化〔杠杆定律〕
求合金Ⅰ在温度t3下 两个相的相对重量
L
t3
QXQaQQLLXL 1 X0
Q
QL
QL
(
X0 XL
Xa Xa
) 1 0 0%
Q
( XL XL
X0 Xa
) 1 0 0%
A
Xa X0 XL B
QL X0 Xa Q XL X0
相结构与相图
例：求含Ni60%的Cu-Ni合金，冷却至温度
7-二元合金相图PPT模板
示例 现以Cu-Ni二元合金相图为例进行分析。
如左图所示，A点为Cu的 熔点（1 083℃），B点为Ni的 熔点（1 455℃），该相图上面 一条是液相线，下面一条是固 相线，液相线和固相线把相图 分成三个区域，即液相区L、固 相区α及液固两相区L＋α。
Cu-Ni合金相图及结晶过程示意图
示例 现以Cu-Ni二元合金相图为例进行分析。
金属材料与热处理
合金的结晶过程较为复杂，通常运用合金相图来分析合金的结 晶过程。
相图是表示合金系在平衡条件下，在不同温度、成分下各相 关系的图解，又称为平衡图或状态图。
利用相图，可知各种成分的合金在不同温度的组织状态及一定 温度下发生的结晶和相变，了解不同成分的合金在不同温度下的相 组成及相对含量，了解合金在加热和冷却过程中可能发生的转变。
2.铁碳合金中的相
铁素体
碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶 体称为铁素体，用符号F或α表 示。
奥氏体
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶 体称为奥氏体，用符号A或γ表 示。
铁素体仍保持α-Fe的体心立方 晶格。铁素体中碳的溶解度极小， 室温时约为0.000 8%，在727℃时 碳的溶解度最大，仅为0.021 8%。 铁素体的力学性能与工业纯铁相似， 即塑性、韧性较好，强度、硬度较 低。
45钢室温下的显微组织如下图所示。
亚共析钢结晶过程示意图
如左图所示， F呈白色块状，P 呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块 状。所有亚共析钢的室温组织都是F ＋P，只是随碳含量的增加，P越来越 多，F越来越少。
过共析钢
1点以上
1～2点
2～3点
3～4点
过共析钢结晶过程示意图
4点～室温
如上图所示，当温度降到1点时，开始从液相中析出A，降到2点 时液相全部结晶为A。温度降至3点时，开始从A中析出二次渗碳体 （Fe3CⅡ）。温度继续降低，Fe3CⅡ的量不断增多，并呈网状沿奥氏 体晶界分布。剩余A的成分沿ES线变化，冷却至4点时，其中碳的质 量分数达到共析成分，发生共析反应，转变为P。继续冷却，合金组 织不变。
第2章合金的相结构与二元合金相图
缓冷
有序变化：导致合金硬度、脆性增加，塑性、电阻率下降。
固态合金中的相结构
完全无序
第二章
偏聚
部分有序
完全有序
固态合金中的相结构
第二章
（二）溶质元素在固溶体中的溶解度
c
溶质元素的质量 固溶体的总质量
100％
质量分数
c
溶质元素的原子数 固溶体的总原子数
100％
摩尔百分数
固态合金中的相结构
第二章
（三）影响固溶体结构和溶解度的因素
第二章
（2）具有复杂结构的间隙化 合物
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要 组成相，具有复杂斜方晶格。
化合物也可溶入其它元素原
Fe3C的晶格
子，形成以化合物为基的固
溶体。
高温合金中的Cr23C6
（3） 拉弗斯相： 组元间的原子尺寸之差处于间隙化合 物与电子化合物之间。
第二章
3、电子含量因素（原子价因素）: 电子含量：各组成元素的价电子数的总和与原子数的比值。 如溶质的摩尔分数为 x ％ ，则电子含量表示为：
c e a [xv u(100 x)]/100 一定形式的固溶体，能稳定地存在于一定的电子含量范围内。 一价金属溶剂，bcc电子极限含量1.36
fcc电子极限含量1.48
固态合金中的相结构
第二章
4.相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面 分开的物质均匀组成部分，称之为相。
5.组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大 小、方向、形状、分布及相互结合状态。
(a)纯铁单相显微组织
(b)Al+Cu两相显微组织
固态合金中的相结构
第二章
在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分， 可分为固溶体和中间相两大类。
有序变化：导致合金硬度、脆性增加，塑性、电阻率下降。
固态合金中的相结构
完全无序
第二章
偏聚
部分有序
完全有序
固态合金中的相结构
第二章
（二）溶质元素在固溶体中的溶解度
c
溶质元素的质量 固溶体的总质量
100％
质量分数
c
溶质元素的原子数 固溶体的总原子数
100％
摩尔百分数
固态合金中的相结构
第二章
（三）影响固溶体结构和溶解度的因素
第二章
（2）具有复杂结构的间隙化 合物
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要 组成相，具有复杂斜方晶格。
化合物也可溶入其它元素原
Fe3C的晶格
子，形成以化合物为基的固
溶体。
高温合金中的Cr23C6
（3） 拉弗斯相： 组元间的原子尺寸之差处于间隙化合 物与电子化合物之间。
第二章
3、电子含量因素（原子价因素）: 电子含量：各组成元素的价电子数的总和与原子数的比值。 如溶质的摩尔分数为 x ％ ，则电子含量表示为：
c e a [xv u(100 x)]/100 一定形式的固溶体，能稳定地存在于一定的电子含量范围内。 一价金属溶剂，bcc电子极限含量1.36
fcc电子极限含量1.48
固态合金中的相结构
第二章
4.相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面 分开的物质均匀组成部分，称之为相。
5.组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大 小、方向、形状、分布及相互结合状态。
(a)纯铁单相显微组织
(b)Al+Cu两相显微组织
固态合金中的相结构
第二章
在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分， 可分为固溶体和中间相两大类。
二元合金相图 优质课件
第二节 二元共晶相图
根据相律，在二元合金中，固态下最多能同时 出现两种相。这类合金包括二元共晶（或共析） 合金、二元包晶合金。
一、二元共晶相图分析
1、基本概念 共晶反应：合金在冷却到某一温度时，由一定成 分的液相同时结晶出成分不同、结构不同的两个 固相，这就是共晶反应（L）。反应产物 是两个固相的混合物，称为共晶组织或共晶体。
过共晶合金: 成分在E 、N之间的Pb-Sn合金。
T
500
400
A
300
200
M
B
E
N
100
0
G
0
Pb
F
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
Sn
WSn(%)
400
T
327.5
A L
300
L+
200 M
19 183
L
T/℃
Ⅱ
t1 61.9
t2
E
t1 t2
t2'
L
L
+ +
1400
（L+ ）
1300
1200
1200
1100
1000
1000
900
800
t
800 0
20
40
60
80
100
W (%)
Cu-Ni合金相图的建立
Cu
（二）二元匀晶相图分析
两线：液相线、固相线 1、相图分析 三区：液相、液相+固相、固相
1500
L
1400
1300
1200
二元合金的相结构与相图 ppt课件
如：GaAs半导体材料的性能远远超过硅半导体； Nb3Sn具有高的超导转变温度； NiAl、Ni3Al是超音速飞机喷气发动机的候选材料； NiTi、CuZn记忆合金材料。
ppt课件
24
1 正常价化合物——服从原子价规律
特点：成分固定不变，可用化学式表示，由金属元素与周期 表中ⅣA、ⅤA、ⅥA族元素组成，电负性相差较大，结合键以 离子键、共价键或金属键为主。
这时的相称为这种条件下的平衡相。
如纯铁，在常压下： 1538℃以上—— L相为平衡相。 在1538℃时 —— L相和δ相两相平衡
ppt课件
31
一、二元相图的表示方法
1、合金存在状态的确定： ℃
由于合金熔炼、加工均在常 800
压下进行，所以合金状态由 700
600
成分和温度确定。
500
2、二元合金用直角坐标系 400 表示：横坐标表示合金成分，300
6.726Ẵ
(2) 间隙化合物(B只能形成~)
结 构 复 杂 —— 如 钢 中 的 Fe3C、
Mn3C、Cr23C6、Fe3W3C等。
b
性能：很高的熔点和硬度，但不
如间隙相，加热易分解。
用途：钢中的重要强化相。
ppt课件
c
a
5.077Ẵ
铁原子 碳原子
Fe3C的晶格结构
27
固溶体
小结
有限固溶体
间隙固溶体
重点：间隙固溶体，置换固溶体，相律与杠杆定律，固溶体
合金的平衡结晶过程，共晶相图和包晶相图典型合金的平衡结
晶及其组织。
学时数：p8p学t课件时
2
§1 合金中的相
合金:
两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或 烧结，或用其它方法结合而成的具有金属特性的物质。
二元合金相图与铁碳合金相图PPT课件
二元合金相图 —— 共晶相图
概念： 两组元在液态时无限互溶，固态时有限溶解，结晶时发生共晶转变，形
成两相机械混合物的相图，即共晶相图；
一定成分的液相，在一定温度下，同时结晶出成分不同的两种固相的转 变 ，即共晶转变；
例 Pb-Sn、Pb-Sb、Cu-Ag等合金系具有二元共晶相图；
以Pb-Sn合金为例，来分析具有二元共晶相图的二元合金系的结晶 过程与产物。
Cu-Ni合金相图的解读：
第一个点A、第二个点B分别为Cu、Ni的熔点； 各结晶开始温度连线为液相线，该线以上为液相区，L ；
各结晶终止温度连线为固相线，该线以下为固相区，α； 固、液相线之间的区域固液相并存，即双相区，L +α；
双相区说明Cu-Ni合金的结晶是在一个温度范围内进行的，这一点与纯金 属的结晶有所区别。
铁碳相图的研究范围： 有实用价值部分，即C＜6.69%的Fe-Fe3C相图，
故所研究的铁碳合金基本组元是Fe与Fe3C，属二 元合金。
19
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铁碳合金相图 —— 基本相及组织
由于铁与碳相互作用的不同，铁碳合金在固态下的基本相分为固溶体与金属化合 物两类：
属金属化合物的基本相： 渗碳体 属于固溶体的基本相，包括两种：
3
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二元合金相图 —— 相图的建立
Cu-Ni合金相图的建立步骤：
成分（％）
合金配编制号不同成分的Cu-Ni合金，见表；
Cu
Ni
结晶温度（ ℃ ）
开始
结束
Ⅰ作出每种合金的10冷0却曲线，并找0出其相变温度10，8即3 各曲线上1开0始83和终
Ⅱ止结晶温度即临8界0 点，见表；20
1170
15
概念： 两组元在液态时无限互溶，固态时有限溶解，结晶时发生共晶转变，形
成两相机械混合物的相图，即共晶相图；
一定成分的液相，在一定温度下，同时结晶出成分不同的两种固相的转 变 ，即共晶转变；
例 Pb-Sn、Pb-Sb、Cu-Ag等合金系具有二元共晶相图；
以Pb-Sn合金为例，来分析具有二元共晶相图的二元合金系的结晶 过程与产物。
Cu-Ni合金相图的解读：
第一个点A、第二个点B分别为Cu、Ni的熔点； 各结晶开始温度连线为液相线，该线以上为液相区，L ；
各结晶终止温度连线为固相线，该线以下为固相区，α； 固、液相线之间的区域固液相并存，即双相区，L +α；
双相区说明Cu-Ni合金的结晶是在一个温度范围内进行的，这一点与纯金 属的结晶有所区别。
铁碳相图的研究范围： 有实用价值部分，即C＜6.69%的Fe-Fe3C相图，
故所研究的铁碳合金基本组元是Fe与Fe3C，属二 元合金。
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铁碳合金相图 —— 基本相及组织
由于铁与碳相互作用的不同，铁碳合金在固态下的基本相分为固溶体与金属化合 物两类：
属金属化合物的基本相： 渗碳体 属于固溶体的基本相，包括两种：
3
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二元合金相图 —— 相图的建立
Cu-Ni合金相图的建立步骤：
成分（％）
合金配编制号不同成分的Cu-Ni合金，见表；
Cu
Ni
结晶温度（ ℃ ）
开始
结束
Ⅰ作出每种合金的10冷0却曲线，并找0出其相变温度10，8即3 各曲线上1开0始83和终
Ⅱ止结晶温度即临8界0 点，见表；20
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第二章 合金相结构和二元合金相图(新PPT).
第二章 合金的相结构与二元合金相图
2.2 二元合金相图
三．匀晶相图
3．杠杆定律极其应用
当合金在某一温度处于相图中的两相区时，从相图中不仅可知两 平衡相的成分，还可应用“杠杆定律”求出两个平衡相的重量比。现 以图6铜镍合金中含x%Ni的合金为例，来说明杠杆定律极其应用。
第二章 合金的相结构与二元合金相图
固溶体性能的变化：
① 置换固溶体 → 晶格畸变； ② 间隙固溶体 → 晶格畸变
③ 晶格畸变 → 强度、硬度上升，塑性、韧性下降→ 固溶强化。
第二章
合金的相结构与二元合金相图
2.1 合金的相结构
固溶体性能的变化
图2
固溶体中大、小溶质原子所引起晶格畸变示意图
第二章
合金的相结构与二元合金相图
2.1 合金的相结构
（3）间隙化合物
r非金属 r金属
0.59
简单间隙化合物
r非金属 r金属
0.59
复杂间隙化合物
第二章 合金的相结构与二元合金相图
2.2 二元合金相图
一．概述 二．二元合金相图的制作 三．匀晶相图 四．共晶相图 五．包晶相图 六．其它二元相图
第二章 合金的相结构与二元合金相图
2.2 二元合金相图
平衡结晶是合金在极缓慢的冷却过程中，原子能够充分扩散，随 时达到相平衡的结晶过程。 当合金从高温缓慢地冷却到与液相线相交的t1温度并稍过冷时， 开始从液相L1中结晶出成分为的α1 固溶体。固相成分沿着固相 线变化，液相成分沿着液相线变化。当然随着结晶的进行，液相 量逐渐减少，固相量逐渐增加。在t2到t3温度间，结晶继续进行， 液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化，并在温度 t3 时结晶完毕，得到成分为 3（含60%Ni）的单相固溶体，由一颗 颗的晶粒组成。
第二章合金的结构和相图
例. 碳钢中的铁素体和奥氏体就是碳原子 溶入了α – Fe（溶解度为0.0218％)和γ – Fe（溶解度为2.11%)中形成两种间隙固溶 体。
3）固溶强化
• 由于溶质原子的溶入，导致溶剂晶格 发生畸变，增加位错运动阻力，使合金的 塑性变形抗力增加，强度、硬度提高的现 象称为固溶强化。 • 它是金属材料强化的重要途径。
四、 铁碳合金
（一）纯铁的冷却曲线
1600 1538℃ 温 1500 度 1394℃ δ - Fe 1400 1300 1200 A4 γ - Fe 1100 1000 912℃ 900 A3 770℃ 800 700 α - Fe A2 具 600 有 500 磁 A3 A2 时间 为纯铁的临界点
2、金属化合物（看书）
金属化合物是合金组元之间相互发生作用而 形成具有金属特性的一种新相。金属化合物的晶格 类型不同于组成它的任一组元，具有复杂的晶格类 型。根据形成条件及晶体结构可以分成三种： 1）正常价化合物：化学式符合化合价，象Mg2Si 2）电子化合物： 不符合化合价规律而是按照一定
的电子浓度组成。象 β 电子化合 物CuZn的含锌量为36.8～56.5％。 3）间隙化合物： 同样不符合化合价规则。主要决 定于二组元的原子半 径。象过渡元 素（Fe，Cr 等）和 非金属元素
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。
（3）（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)。
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☞ 分类：按溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，可 分为置换固溶体和间隙固溶体。
第二章 合金的相结构与二元合金相图 2.1 合金的相结构
图1 固溶体两种类型示意图
第二章 合金的相结构与二元合金相图 二．合金的相结构
1、固溶体 （1）置换固溶体
“Cu-Ni合金”: Cu的面心立方晶格结点上的原子， 可以部分或全部被溶质原子Ni置换掉。 ► 按溶质组元的固溶度可分为无限固溶体和有限固溶体； ☞ 有限固溶体（当溶质组元浓度＞固溶度后，可形成另
溶，则冷却时将产生匀晶反应的合金系，构成匀晶相图。 1．合金的平衡结晶过程示意图
L→α
第二章 合金的相结构与二元合金相图
三．匀晶相图 2．合金的平衡结晶过程
☞ 平衡结晶是合金在极缓慢的冷却过程中，原子能够充分扩 散，随时达到相平衡的结晶过程。
☞ 当合金从高温缓慢地冷却到与液相线相交的t1温度并稍过 冷时，开始从液相L1中结晶出成分为的α1 固溶体。固相成
第二章 合金的相结构与二元合金相图
2.1 合金的相结构
（2）电子化合物 • 这类化合物的组成不遵守原子价规律，而是按一定的电子浓度组成。 • 如电子浓度=2/3时，铜锌可形成体心立方的CuZn中间相；当电子浓度
=21/13时，则形成复杂立方结构的Cu5Zn8中间相。 （3）间隙化合物 • 这类化合物是由过渡族金属与原子半径较小的非金属元素，如C、N、
第二章
合金的相结构与二元合金相图
第二章 合金的相结构与二元合金相图
主要内容
2.1 合金的相结构 2.2 二元合金相图 2.3 二元图 2.1 合金的相结构
一．概述 ☞ 纯金属：导电性、导热性好。但强度并不高，应用受限制。 ☞ 合金：是两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素制 成的具有金属特性的物质。 ☞ 组元：组成合金的最基本的独立的物质。 由两个组元组成的合金称为二元合金。 由三个组元组成的合金称为三元合金或多元合金。 ☞ 相：是金属或合金中具有同一结构，同一原子聚集状态和 性质均匀的连续组成体，不同“相”之间存在界面，称为相 界面。
O、B等形成的金属化合物。 • 可按原子半径比值分类
r非金属 0.59 r金属
简单间隙化合物
r非金属 0.59 r金属
复杂间隙化合物
第二章 合金的相结构与二元合金相图
2.2 二元合金相图 一．概述 • 定义：相图是表示合金系中所有合
金，在非常缓慢冷却（或加热）条 件下，在各个温度下存在的相或其 组织的图解。
☆作用：通过相图知道各种成分的合金在任一温度下存在的 相及相成分。加热或冷却过程中的相变及相变温度、室温下 合金的平衡组织及性能，为制定热处理规范提供依据。
第二章 合金的相结构与二元合金相图 二．二元合金相图的制作 1、以Cu-Ni二元合金系为例，用热分析法来绘制相图。
L
L+α
α
第二章 合金的相结构与二元合金相图
一新相）； ☞ 无限固溶体（完全溶解100%溶质组元，但不改变溶剂
的晶格类型）。
1、固溶体
第二章 合金的相结构与二元合金相图
（2）间隙固溶体 溶剂组元的晶格类型保持不变。溶质原子溶入到溶剂晶
格的间隙中，这种固溶体称为间隙固溶体。
☞ 形成间隙固溶体的条件：晶格间隙一般小于0.1nm，只有半 径较小的原子才可溶入间隙，如氢（0.046nm）、氧 （0.060nm）、碳（0.077nm）和硼（0.097nm）等。
分沿着固相线变化，液相成分沿着液相线变化。当然随着结
晶的进行，液相量逐渐减少，固相量逐渐增加。在t2到t3温
度间，结晶继续进行，液相成分沿液相线变化，固相成分沿
固相线变化，并在温度 t3 时结晶完毕，得到成分为 3（含
60%Ni）的单相固溶体，由一颗颗的晶粒组成。
第二章 合金的相结构与二元合金相图
第二章 合金的相结构与二元合金相图
2.1 合金的相结构
2、金属化合物（中间相） • 定义：A、B两组元组成合金时，由于溶解度的不同，
除形成有限固溶体外，还有可能形成与A、B组元晶格 类型不同的新相，这种新相就称为金属化合物。 • 分类：金属化合物根据形成条件，可分为下列三种类 型，即正常价化合物、电子化合物、间隙化合物。 （1）正常化合物 • 这类化合物按正常的原子价规律组成，具有一定的化 学成分，可用化学分子式来表示其组成，例如： Mg2Si 、Mg2Sn等。其特点是硬度高，脆性大。
三．匀晶相图 3．杠杆定律极其应用 当合金在某一温度处于相图中的两相区时，从相图中不
仅可知两平衡相的成分，还可应用“杠杆定律”求出两个平 衡相的重量比。现以图6铜镍合金中含x%Ni的合金为例，来 说明杠杆定律极其应用。
第二章 合金的相结构与二元合金相图
3．杠杆定律极其应用
在平衡温度时，合金的两个平衡相为：液相的成分以a点表示，即含 y%Ni, 固溶体的成分以c点表示，即含z%Ni。设液、固两相的重量分别为 WL 和Wa ，合金的总重量为W。则
溶质与溶剂原子半径比小于0.59
☞ 固溶体性能的变化：
① 置换固溶体 → 晶格畸变； ② 间隙固溶体 → 晶格畸变 ③ 晶格畸变 → 强度、硬度上升，塑性、韧性下降→ 固溶强化。
第二章 合金的相结构与二元合金相图 2.1 合金的相结构
☆ 固溶体性能的变化
图2 固溶体中大、小溶质原子所引起晶格畸变示意图
2.2 二元合金相图
2、二元合金相图特征点、线的意义 • tA—铜的熔点 • tB—镍的熔点 • tAatB—液相线 • tAbtB—固相线 • tAatB线上为一液相区 L • tAbtB线下为一固相区 α • 两线之间为液固相区 L+α
第二章 合金的相结构与二元合金相图
三．匀晶相图 ★ 定义：若两组元在液态时无限互溶，在固态时也无限互
第二章 合金的相结构与二元合金相图
2.1 合金的相结构
二．合金的相结构 合金的相结构是指相的原子排列规律。它比金属
晶体结构复杂，但可归为两类： ①固溶体 ②金属化合物。
1、固溶体：固溶体与溶液一样，有溶剂与溶质之分。 含量少的叫溶质，含量多的叫溶剂。
☞ 特点：溶剂组元保持它的晶格类型不变，所以固溶体 的晶格类型就是溶剂组元的晶格类型。
第二章 合金的相结构与二元合金相图 2.1 合金的相结构
图1 固溶体两种类型示意图
第二章 合金的相结构与二元合金相图 二．合金的相结构
1、固溶体 （1）置换固溶体
“Cu-Ni合金”: Cu的面心立方晶格结点上的原子， 可以部分或全部被溶质原子Ni置换掉。 ► 按溶质组元的固溶度可分为无限固溶体和有限固溶体； ☞ 有限固溶体（当溶质组元浓度＞固溶度后，可形成另
溶，则冷却时将产生匀晶反应的合金系，构成匀晶相图。 1．合金的平衡结晶过程示意图
L→α
第二章 合金的相结构与二元合金相图
三．匀晶相图 2．合金的平衡结晶过程
☞ 平衡结晶是合金在极缓慢的冷却过程中，原子能够充分扩 散，随时达到相平衡的结晶过程。
☞ 当合金从高温缓慢地冷却到与液相线相交的t1温度并稍过 冷时，开始从液相L1中结晶出成分为的α1 固溶体。固相成
第二章 合金的相结构与二元合金相图
2.1 合金的相结构
（2）电子化合物 • 这类化合物的组成不遵守原子价规律，而是按一定的电子浓度组成。 • 如电子浓度=2/3时，铜锌可形成体心立方的CuZn中间相；当电子浓度
=21/13时，则形成复杂立方结构的Cu5Zn8中间相。 （3）间隙化合物 • 这类化合物是由过渡族金属与原子半径较小的非金属元素，如C、N、
第二章
合金的相结构与二元合金相图
第二章 合金的相结构与二元合金相图
主要内容
2.1 合金的相结构 2.2 二元合金相图 2.3 二元图 2.1 合金的相结构
一．概述 ☞ 纯金属：导电性、导热性好。但强度并不高，应用受限制。 ☞ 合金：是两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素制 成的具有金属特性的物质。 ☞ 组元：组成合金的最基本的独立的物质。 由两个组元组成的合金称为二元合金。 由三个组元组成的合金称为三元合金或多元合金。 ☞ 相：是金属或合金中具有同一结构，同一原子聚集状态和 性质均匀的连续组成体，不同“相”之间存在界面，称为相 界面。
O、B等形成的金属化合物。 • 可按原子半径比值分类
r非金属 0.59 r金属
简单间隙化合物
r非金属 0.59 r金属
复杂间隙化合物
第二章 合金的相结构与二元合金相图
2.2 二元合金相图 一．概述 • 定义：相图是表示合金系中所有合
金，在非常缓慢冷却（或加热）条 件下，在各个温度下存在的相或其 组织的图解。
☆作用：通过相图知道各种成分的合金在任一温度下存在的 相及相成分。加热或冷却过程中的相变及相变温度、室温下 合金的平衡组织及性能，为制定热处理规范提供依据。
第二章 合金的相结构与二元合金相图 二．二元合金相图的制作 1、以Cu-Ni二元合金系为例，用热分析法来绘制相图。
L
L+α
α
第二章 合金的相结构与二元合金相图
一新相）； ☞ 无限固溶体（完全溶解100%溶质组元，但不改变溶剂
的晶格类型）。
1、固溶体
第二章 合金的相结构与二元合金相图
（2）间隙固溶体 溶剂组元的晶格类型保持不变。溶质原子溶入到溶剂晶
格的间隙中，这种固溶体称为间隙固溶体。
☞ 形成间隙固溶体的条件：晶格间隙一般小于0.1nm，只有半 径较小的原子才可溶入间隙，如氢（0.046nm）、氧 （0.060nm）、碳（0.077nm）和硼（0.097nm）等。
分沿着固相线变化，液相成分沿着液相线变化。当然随着结
晶的进行，液相量逐渐减少，固相量逐渐增加。在t2到t3温
度间，结晶继续进行，液相成分沿液相线变化，固相成分沿
固相线变化，并在温度 t3 时结晶完毕，得到成分为 3（含
60%Ni）的单相固溶体，由一颗颗的晶粒组成。
第二章 合金的相结构与二元合金相图
第二章 合金的相结构与二元合金相图
2.1 合金的相结构
2、金属化合物（中间相） • 定义：A、B两组元组成合金时，由于溶解度的不同，
除形成有限固溶体外，还有可能形成与A、B组元晶格 类型不同的新相，这种新相就称为金属化合物。 • 分类：金属化合物根据形成条件，可分为下列三种类 型，即正常价化合物、电子化合物、间隙化合物。 （1）正常化合物 • 这类化合物按正常的原子价规律组成，具有一定的化 学成分，可用化学分子式来表示其组成，例如： Mg2Si 、Mg2Sn等。其特点是硬度高，脆性大。
三．匀晶相图 3．杠杆定律极其应用 当合金在某一温度处于相图中的两相区时，从相图中不
仅可知两平衡相的成分，还可应用“杠杆定律”求出两个平 衡相的重量比。现以图6铜镍合金中含x%Ni的合金为例，来 说明杠杆定律极其应用。
第二章 合金的相结构与二元合金相图
3．杠杆定律极其应用
在平衡温度时，合金的两个平衡相为：液相的成分以a点表示，即含 y%Ni, 固溶体的成分以c点表示，即含z%Ni。设液、固两相的重量分别为 WL 和Wa ，合金的总重量为W。则
溶质与溶剂原子半径比小于0.59
☞ 固溶体性能的变化：
① 置换固溶体 → 晶格畸变； ② 间隙固溶体 → 晶格畸变 ③ 晶格畸变 → 强度、硬度上升，塑性、韧性下降→ 固溶强化。
第二章 合金的相结构与二元合金相图 2.1 合金的相结构
☆ 固溶体性能的变化
图2 固溶体中大、小溶质原子所引起晶格畸变示意图
2.2 二元合金相图
2、二元合金相图特征点、线的意义 • tA—铜的熔点 • tB—镍的熔点 • tAatB—液相线 • tAbtB—固相线 • tAatB线上为一液相区 L • tAbtB线下为一固相区 α • 两线之间为液固相区 L+α
第二章 合金的相结构与二元合金相图
三．匀晶相图 ★ 定义：若两组元在液态时无限互溶，在固态时也无限互
第二章 合金的相结构与二元合金相图
2.1 合金的相结构
二．合金的相结构 合金的相结构是指相的原子排列规律。它比金属
晶体结构复杂，但可归为两类： ①固溶体 ②金属化合物。
1、固溶体：固溶体与溶液一样，有溶剂与溶质之分。 含量少的叫溶质，含量多的叫溶剂。
☞ 特点：溶剂组元保持它的晶格类型不变，所以固溶体 的晶格类型就是溶剂组元的晶格类型。