合金的结晶和二元相图
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二元相图（匀晶,共晶）（精）
三）固溶体的非平衡凝固
不平衡结晶的过程分析 假定：不平衡结晶时，液相成分借助扩散、对流或搅拌等 作用完全均匀化，固相内却来不及扩散。
三）固溶体的非平衡凝固
① 将各温度下固溶体和液相的平均成分点连接成线，得 到固溶体和液相的平均成分线。
② 不平衡凝固时，液固相在各温度时的相平衡成分仍然 在平衡凝固时的液固相线上，只是其平均成分线偏离 了平衡凝固时的液固相线。
四、杠杆定律
在二元合金相图的两相区内，温度一定时，两相的重量比是一定的。 合金成分为C0，总重量为1, 在T 温度时，由液相和固相组成，液 相的成分为CL，重量为WL，固 相成份为Cα，重量为Wα。
1 = WL +Wa
1 C0 WL CL W C
WL = Ca - C0 Wa C0 - CL
固溶体凝固与纯金属凝固的比较
固溶体的凝固与纯金属的凝固相比有两个显著特点：
⑴ 固溶体合金凝固时结晶出来的固相成分与原液相成分不 同。结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶 (又称选择结晶)；纯金属凝固结晶时结晶出的晶体与母相化 学成分完全一样称为同分结晶。
固溶体的结晶属于异分结晶，在结晶时的溶质原子必然要在 液相和固相之间重新分配。
的相图上有极小点；
在Pb-Tl、Al-Mn等合金的相图上 有极大点。
二）固溶体的平衡凝固
平衡凝固：从液态无限缓慢冷却，在相变过程中充分进行组元间互相 扩散，达到平衡相的均匀成分，这种凝固过程叫平衡凝固。
x合金凝固过程及组织
冷至T1时
开始凝固出α1成分的固相 α1中的含Ni量比x合金高， α1旁的液体中含Ni量降 低，扩散平衡后液体成分 为L1
一、 二元系相图的表示法
二元系物质有成分的变化，在反映它的 状态随成分、温度和压力变化时，必须用一 个坐标轴的三维立体相图。由于二元合金的 凝固是在一个大气压下进行，所以二元系相 图的表示多用一个温度坐标和一个成分坐标 表示，即用一个二维平面表示。
合金的晶体结构与相图
固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。 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。
１﹑二元匀晶相图
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。
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
2.金属化合物
金属化合物主要性能：
（1）具有一定程度的金属性质 （2）具有较高的熔点 （3）硬度较高 （4）脆性高
3.机械混合物
机械混合物：纯金属，固溶体，金属化合物均是组成合金 的基本相，有两相或两相以上组成的多相组织。 性能： 1）﹑介于各组成相性能之间，各组成相晶格类型和 性能不变。 2）﹑和单一固溶体合金相比，强度﹑硬度高，但塑 性﹑可锻性低。
固溶体类型
置 换 固 溶 体 Z
置换原子
Z
间 隙 固 溶 体
间隙原子
Y Y
X X
2.金属化合物
金属化合物：是合金各组元原子按一定整数比形成 的具有金属性质的一种新相。
结构特点：具有原子整数倍的关系，可用分子式表
示：如Fe3C。
溶剂A+溶质B = C bcc 例如： 3Fe 体心 HB δ 80 50% fcc + C 六方 3 0% cph = Fe3C 复杂结构 800 0%
x x1 Qα x 2 x1
这种在一个晶粒内化学成分不均匀的现象，叫晶内偏析。 因为金属通常以枝晶方式结晶，先形成的主干和后形成的支 干就会有化学成分之差，所以也称枝晶偏析。
（２）枝晶偏析： 出现枝晶偏析后，使 合金材料的机械性能﹑ 耐蚀性能和加工工艺性 能变坏。 消除枝晶偏析的措施： 均匀化退火（扩散退火）:把有枝晶偏析的合金放在低于固相 线100～200℃的温度下进行较长时间的加热，通过原子的相互 扩散而使成分趋于均匀。
第四章-二元合金相图
Pb WSn(%) Sn
G
t/s
70% Sn的过共晶合金的结晶过程分析
概括起来，过共晶合金平衡结晶过程为：
t1温度以上： 液态 L70 L
19
t1~ t2温度： 液相中析出 ， t2温度时发生共晶反应： L61.9 t2温度以下： 初 Ⅱ
97.5
室温组织： 初 + Ⅱ + （+）共晶
一、相律
在恒压下，在纯固态或纯液态情况下，出现的相数 小于等于主元数。在液固共存（恒温）条件下出现 的相数小于等于主元数加一。因而，对二元合金， 固态下出现的相数为1或2，液固共存（恒温）条件 下恒温下出现的相数为2或3。
二、二元匀晶相图的分析
匀晶转变：在一定温度范围内由液相结 晶出单相的固溶体的结晶过程。 二元匀晶相图：指两组元在液态和固态 均无限互溶时的二元合金相图。 具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、 Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。
标注在温度— 成分坐标中 无限缓冷下测各 合金的冷却曲线 连接各相变点
确定各合金 的相变温度
确定相
如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu 六组合金。
Cu20% Cu60%Cu80% Cu Ni Cu40%
1600
1500
1400
1400 1300
L
（L+ ）
T
Ni
WCu(%)
Cu
将铸件加热到低于固相线100~200℃的温 度，进行长时间保温，使偏析元素充分进行扩 散，以达到成分均匀化。
设A、B组元的熔点分别为1450℃和1080℃，它们 在液态和固态都无限互溶，则这两种组元组成的 二元相图叫作二元 相图；先结晶的固溶体 中含 组元多，后结晶的固溶体中含 组元多，这种成分不均匀现象称为 ， 通过 工艺可以减轻或消除这种现 象。
G
t/s
70% Sn的过共晶合金的结晶过程分析
概括起来，过共晶合金平衡结晶过程为：
t1温度以上： 液态 L70 L
19
t1~ t2温度： 液相中析出 ， t2温度时发生共晶反应： L61.9 t2温度以下： 初 Ⅱ
97.5
室温组织： 初 + Ⅱ + （+）共晶
一、相律
在恒压下，在纯固态或纯液态情况下，出现的相数 小于等于主元数。在液固共存（恒温）条件下出现 的相数小于等于主元数加一。因而，对二元合金， 固态下出现的相数为1或2，液固共存（恒温）条件 下恒温下出现的相数为2或3。
二、二元匀晶相图的分析
匀晶转变：在一定温度范围内由液相结 晶出单相的固溶体的结晶过程。 二元匀晶相图：指两组元在液态和固态 均无限互溶时的二元合金相图。 具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、 Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。
标注在温度— 成分坐标中 无限缓冷下测各 合金的冷却曲线 连接各相变点
确定各合金 的相变温度
确定相
如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu 六组合金。
Cu20% Cu60%Cu80% Cu Ni Cu40%
1600
1500
1400
1400 1300
L
（L+ ）
T
Ni
WCu(%)
Cu
将铸件加热到低于固相线100~200℃的温 度，进行长时间保温，使偏析元素充分进行扩 散，以达到成分均匀化。
设A、B组元的熔点分别为1450℃和1080℃，它们 在液态和固态都无限互溶，则这两种组元组成的 二元相图叫作二元 相图；先结晶的固溶体 中含 组元多，后结晶的固溶体中含 组元多，这种成分不均匀现象称为 ， 通过 工艺可以减轻或消除这种现 象。
二元相图及合金的结晶
潍坊学院教案
有三种类型：
①正常价化合物
组成元素严格按原子价规律结合，成分固定，用分子式表示。
如：Mg2Si、Mg2Sn、Mg3Sb2等。
一般都是金属元素与4、5、6族元素组成，在元素周期表中相距较远，
电负性差较大。
以金属键或离子键结合。
②电子化合物
= 价电子数/ 原子数）组成的具有一定晶根据一定的电子浓度比（C
电
体结构的化合物，不遵守原子价规律，成分可变。
=21/14，β相（b.c.c. 结构）；
C
电
=21/13，γ相（复杂立方结构）；
C
电
=21/12，ε相（h.p.c.结构）。
C
电
③间隙相与间隙化合物
一般是直径较大的过渡族元素（Fe、Cr、Mo、W、V）和原子直径小的
非金属元素（H、C、N、O、B）组成。
间隙相：r x/r M<0.59，具有简单晶体结构，如：WC、Ti、VC等。
间隙化合物：r x/r M>0.59，具有复杂晶体结构，如：Fe3C、Cr23C6、
Cr7C3等
金属间化合物的性能：熔点高，硬且脆，一般作强化相。
二、二元合金相图
1、合金的结晶特点
也是形核与长大，但有自己的特点：
（1）不是恒温下进行的，有一定的结晶温度范围。
（2）结晶过程中不只有一个固相和液相，而是在不同范围内有不同的相，各相成分也变化。
因此，合金的结晶过程要复杂些，单用一条冷却曲线难以说清楚。
为了
研究合金的结晶过程及合金组织的变化规律，需借用一个工具——相图。
第三章 二元合金的相结构与结晶(包晶相图)4(16)-10-2剖析
α
包晶偏析：因包晶转变 不能充分进行而导致的 成分不均匀现象。
四、包晶转变的实际应用
包晶转变特点：
包晶转变的形成相依附在初生相上形成； 包晶转变的不完全性。（不彻底性）
组织设计：如轴承合金需要的软基体上分布硬质点的组织。 首先形成硬质点，包晶反应形成软固溶体包于其外层
晶粒细化。 包晶反应生成细小化合物，异质形核。
包晶反应的推广
包晶反应（Peritectic） L + 包析反应（Peritectoid） + 合晶反应（Syntectic） L1 + L2
第三章 二元合金的相结构与结晶
§3-1 合金中的相 §3-2 合金的相结构 §3-3 二元合金相图的建立 §3-4 匀晶相图及固溶体的结晶 §3-5 共晶相图及其合金的结晶 §3-6 包晶相图及其合金的结晶 §3-7 其它类型的合金相图 §3-8 二元相图的分析及使用
§3-6 包晶相图及其合金的结晶
室温组织组成：β+αⅡ
室温相组成： α+β
三、不平衡结晶及其组织
原因 新生β相依附于α相生核长大， β相将α相包围
液体和α相反应形成β相，须 通过β相层进行扩散
原子在固体中的扩散低于液体， 包晶转变缓慢
冷却速度快．包晶转变被抑制 不能完全进行
剩余的液体在低于包晶转变温 度直接转变为β
保留下来的α，以及形成的β 相成分都不均匀。
(2) 线：
液相线： ACB，固相线:APDB。 固溶线：PE、DF线分别为中的固溶线（溶解度曲线）。
包晶线：水平线PDC
一、相图分析
(3)相区：
三个单相区： L、、； 三个两相区：L+、L+、+； 一个三相区：即水平线PDC； L + + 。
合金相图
2、相图分析 点：D
1772A
1600 1800
线：பைடு நூலகம்
L
L
1400
温 度
1200
C
10.5
1186 42.4
D
P
66.3 L+ 962
1000
B
800
+
液相线APB 固相线ACDB 包晶线CDP L P + C D 固溶度曲线 CE、DF
600
区：
40 60 80
400
画曲线，分阶段，各段画出相转变；
引线标相（组织）名，这样做最简便。
四、二元包晶相图分析
1、基本概念 什么叫包晶转变？
合金在冷却到某一温度时，已结晶出的一定 成分的固相和它周围尚未结晶的一定成分的液相 发生反应结晶出另外一种固相，这就是包晶反应。 即： L
许多合金系都具有包晶转变，例如Pt-Ag、Sn-Ag、 Cd-Hg、Cu-Zn、Cu-Sn等。Pt-Ag合金相图是一种 比较简单的包晶相图，下面以此为例进行分析。
F
p B% S
G
Pb
Sn
(+)共晶=2N/EN×100%
Ⅱ% =(E2/EN)×(SG/FG) ×100%
初%=(E2/EN)×(FS/FG)×100% 或初% =1-(+)共晶% -Ⅱ%
0E
20
F 100
Pt
Ag%
Ag
单相区L、 、 双相区L 、 L + 、 +
Pt-Ag合金相图
包晶合金的平衡结晶过程
L L
1800
A
T/ ℃
1600
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。
二元合金的相结构与结晶相图建立与匀晶相图2258103
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律，其含义为 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。
9
在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端
点是所求的两个平衡相的成分。
例（如图）
0.53 0.45 Q 100% 61.5% 0.58 0.45 0.58 0.53 QL 100% 38.5% 0.58 0.45
3
4
三、相律及杠杆定律
（一） 相律及其应用
相律：表示平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。 表达式：
F=C-P+2 （压力：不等） F=C-P+1 （压力：常数） C－组元数（component）； P－相数（phase）； F－自由度数（free） 平衡系统的自由度数：平衡系统的独立、可变的因素数。 （在保持合金系的相数不变的条件下，合金系中可改变的、影 响合金状态的内部因素和外部因素的数目） （成分、温度、压力）
如 Cu-Ni，Fe-Cr, Au-Ag Cu-Ni合金相图
15
一、相图分析
两个点——Cu和Ni的熔点
两条线——上面是液相线，
下面是固相线。
L
三个区——液相区L ，
固相区 ，
+
L
固液共存的两相区（L+ ）。
16
二、固溶体合金的平衡结晶过程
平衡结晶——极缓慢的冷却条件下进行的结晶过程
§3-3 二元合金相图的建立
相图 (phase diagram) ：表示在平衡条件下合金的状态与温度、 成分之间关系的图解，又称为平衡图或状态图。（工具）
9
在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端
点是所求的两个平衡相的成分。
例（如图）
0.53 0.45 Q 100% 61.5% 0.58 0.45 0.58 0.53 QL 100% 38.5% 0.58 0.45
3
4
三、相律及杠杆定律
（一） 相律及其应用
相律：表示平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。 表达式：
F=C-P+2 （压力：不等） F=C-P+1 （压力：常数） C－组元数（component）； P－相数（phase）； F－自由度数（free） 平衡系统的自由度数：平衡系统的独立、可变的因素数。 （在保持合金系的相数不变的条件下，合金系中可改变的、影 响合金状态的内部因素和外部因素的数目） （成分、温度、压力）
如 Cu-Ni，Fe-Cr, Au-Ag Cu-Ni合金相图
15
一、相图分析
两个点——Cu和Ni的熔点
两条线——上面是液相线，
下面是固相线。
L
三个区——液相区L ，
固相区 ，
+
L
固液共存的两相区（L+ ）。
16
二、固溶体合金的平衡结晶过程
平衡结晶——极缓慢的冷却条件下进行的结晶过程
§3-3 二元合金相图的建立
相图 (phase diagram) ：表示在平衡条件下合金的状态与温度、 成分之间关系的图解，又称为平衡图或状态图。（工具）
第三章 金属的结晶与二元合金相图
液相区L 双相区L+α 固相区α 液相线 固相线
固相区
匀 晶 相 图 合 金 的 结 晶 过 程 (P33)
☆在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是 不相同的,其变化规律是沿着固相线变化.与此同 时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化.
2,晶内偏析——枝晶偏析 (P33)
晶内偏析: 晶内偏析: 在一个晶粒内,各处 成分的不均匀现象. 因为金属通常以枝晶 方式结晶,先形成的 主干和后形成的支干 就会有化学成分之差, 枝晶偏析. 所以也称枝晶偏析 枝晶偏析
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 3,过冷度(△T):理论结晶温度与实际结 过冷度( 晶温度之差.对于纯金属: △T= T0- Tn 4,金属的结晶都 是在一定的过冷 度下进行的,这 种现象称过冷现 过冷现 象.
第一节 金属结晶的基础知识
(二)共晶相图 1,相图分析 (P35)
7)α固溶体溶解度变化曲线——cf 8) β固溶体溶解度变化曲线——eg 9)三个单相区:L,α,β
10)液相线——adb 11)固相线——acdeb 12)共晶线——cde
(二)共晶相图 1,相图分析 (P35)
13)三个两相区:L+α,L+β,α+β 14)一个三相区:L+α+β,在共晶转变过程中三相同时存在.
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 1,理论结晶温度 0: 又称平衡结晶温度. 理论结晶温度T 理论结晶温度 (冷速极慢)也就是金属的熔点Tm. 2,实际结晶温度 n:在某一实际冷却速度下 实际结晶温度T 实际结晶温度 的结晶温度.
第5章 二元相图与合金凝固(1-4)-二元相图分析
则有： W=WL+Wα WL·CL+Wα·C α =W·C 由上述两式，可得： WL/W α=(C α-C) / (C- CL)
四、二元相图的建立
建立相图的关键是要准确地测出各成 分合金的相变临界点(临界温度)。 临界点的测试方法： 热分析法，硬度法，电阻法， 膨胀法，金相分析， X射线结构分析等。 常用热分析法：由于合金凝固时的结 晶潜热较大，结晶时冷却曲线上的转折比 较明显。
与纯金属相比，固溶 体合金凝固过程有两个特 点： （1）成份起伏。 （2）异类原子互相扩散。
（1）固溶体合金凝固时析出的固相成分与原液相成份不 同，需要成份起伏。（晶粒的形核位置是那些结构起伏、 能量起伏和成分起伏都满足要求的地方） （2）固溶体合金凝固时依赖于异类原子的互相扩散。
Ｌ 温度 成分 质量分数
α
变化趋势 成分 质量分数 变化趋势
t1 t2 t3 t4
l1 l2 l3 l4
100%
2 X0 2 l2 3 X 0 3 l3
α1 α2 α X 0 l3 3 l3
0%
100%
液固两相共存区，随着温度的降低，液相的量不断减少， 固相的量不断增多； 同时液相的成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。
图 可能产生离异共晶示意图
三、包晶相图
１.相图分析
由一个液相与一个固相在恒温下生成另一个 固相的转变称为包晶转变。 两组元在液态无限溶解，在固态有限固溶， 并且发生包晶反应的相图，称为包晶相图。
L
包晶转变
• • • • • •
• • • •
点 A点 B点 C点 D点 P点 E点 线 ACB线为液相线 APDB线为固相线 CDP线是包晶转变线 ,PE线为Ag在Pt中的 固溶度曲线，DF线为 Pt在Ag中的固溶度曲 线 相区 单相区 两相区 三相线
四、二元相图的建立
建立相图的关键是要准确地测出各成 分合金的相变临界点(临界温度)。 临界点的测试方法： 热分析法，硬度法，电阻法， 膨胀法，金相分析， X射线结构分析等。 常用热分析法：由于合金凝固时的结 晶潜热较大，结晶时冷却曲线上的转折比 较明显。
与纯金属相比，固溶 体合金凝固过程有两个特 点： （1）成份起伏。 （2）异类原子互相扩散。
（1）固溶体合金凝固时析出的固相成分与原液相成份不 同，需要成份起伏。（晶粒的形核位置是那些结构起伏、 能量起伏和成分起伏都满足要求的地方） （2）固溶体合金凝固时依赖于异类原子的互相扩散。
Ｌ 温度 成分 质量分数
α
变化趋势 成分 质量分数 变化趋势
t1 t2 t3 t4
l1 l2 l3 l4
100%
2 X0 2 l2 3 X 0 3 l3
α1 α2 α X 0 l3 3 l3
0%
100%
液固两相共存区，随着温度的降低，液相的量不断减少， 固相的量不断增多； 同时液相的成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。
图 可能产生离异共晶示意图
三、包晶相图
１.相图分析
由一个液相与一个固相在恒温下生成另一个 固相的转变称为包晶转变。 两组元在液态无限溶解，在固态有限固溶， 并且发生包晶反应的相图，称为包晶相图。
L
包晶转变
• • • • • •
• • • •
点 A点 B点 C点 D点 P点 E点 线 ACB线为液相线 APDB线为固相线 CDP线是包晶转变线 ,PE线为Ag在Pt中的 固溶度曲线，DF线为 Pt在Ag中的固溶度曲 线 相区 单相区 两相区 三相线
23.二元合金共晶相图及结晶
7
中南大学材料科学与工程学院
材料科学与工程基础 二元合金共晶相图及结晶
x1合金凝固过程
温度3
遇上固溶度线，α析 出βⅡ βⅡ优先从α晶界析出
其次是晶粒内缺陷
961.9 A
αB
T/℃
8.8
3
温度4 由α和βⅡ 组成 α和βⅡ 的体积百分含量
3F
F4
Ag
0.35
α成分变化线
% 4G 100%
FG
Ⅱ%＝
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材料科学与工程基础 二元合金共晶相图及结晶
2.10 共晶相图及共晶系合金的凝固和组织
Eutectic Phase Diagram
• 1 相图分析
• 2 共晶系合金的平衡凝固和组织 • 3 共晶组织及其形成机理
• 4 共晶系合金的非平衡凝固和组织
2020/4/9
柏振海 baizhai@
2020/4/9
柏振海 baizhai@
21
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材料科学与工程基础 二元合金共晶相图及结晶
Pb－Sn亚共晶合金平衡凝固的组织
亚共晶III合金： Pb－50％Sn组织α＋（α＋β）共晶＋βII
2020/4/9
βII
α+β
α
柏振海 baizhai@
层片状(Pb-Cd),×250
棒状
纤维状(Sn-Pb)(横截面),×150 针状(Al-Si),×100
螺旋状(Zn-MgZn2),×500蛛网状(Al-Si),×100 骨骼状(Al-Ge),×500
2020/4/9
柏振海 baizhai@
25
1
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第六章二元合金相图PPT课件
1. 形态：此类共晶形态有：片层状、棒状、短棒状. 如：Pb-Sn、Pb-Cd、Cd-Zn、Sn-Zn、Ag-Cu等
（a）片层状
（b）短棒状
（c）球状
30
（f）菜花状层片 （c）纤维状
立体形态
(d) 六角螺旋状
（a）片层状
（b）短棒状
（c）球状
31
2.共晶组织金相形态形成原因：共晶组织的形态与 两相的本质、两相的相对量、两相凝固时固液界面形 貌及其冷却速度有关。 从热力学分析，共晶组织中两相的形态和分布，应 尽量使其界面积最小，界面能最低。
26
室温组织中组织组成物的相对重量为α初＋（α＋β） : （二次相忽略）
W 6 61 1..9 9 1 59 0100% 27.74% W ( )6 5 1 0 .9 1 1 9 91 0 0 % 7 2 .2 6 %
27
室温组织中相组成物的相对重量为α＋β (近似值):
W 101 00 050100% 50%
b’表示50%Cu合金结晶完成;
bb’线段上的点表示合金正在结晶过程中，处于L和
α两相区;
3.确定合金的相变温度;
4.杠杆定律：
成分为b的合金在温度T1时处于两相共存，两相的重
量比是一定的，wL、wS分别为T1温度时的剩余的液
相及结晶出的固相。
9
（1）利用杠杆定律可确定平衡两相区内平衡两相成分 CL 及Cα
的降低由α→βⅡ （二次相）。 NG线-A组元在β固溶体中的溶解度曲线。随着温度
的降低由β→αⅡ 。（二次相）。 22
二、共晶系典型合金的平衡结晶过程
合金分类: 共晶合金-E点成分合金； 亚共晶合金- M～E间合金； 过共晶合金- E ～ N间合金； 端部固溶体合金-M、N以外
（a）片层状
（b）短棒状
（c）球状
30
（f）菜花状层片 （c）纤维状
立体形态
(d) 六角螺旋状
（a）片层状
（b）短棒状
（c）球状
31
2.共晶组织金相形态形成原因：共晶组织的形态与 两相的本质、两相的相对量、两相凝固时固液界面形 貌及其冷却速度有关。 从热力学分析，共晶组织中两相的形态和分布，应 尽量使其界面积最小，界面能最低。
26
室温组织中组织组成物的相对重量为α初＋（α＋β） : （二次相忽略）
W 6 61 1..9 9 1 59 0100% 27.74% W ( )6 5 1 0 .9 1 1 9 91 0 0 % 7 2 .2 6 %
27
室温组织中相组成物的相对重量为α＋β (近似值):
W 101 00 050100% 50%
b’表示50%Cu合金结晶完成;
bb’线段上的点表示合金正在结晶过程中，处于L和
α两相区;
3.确定合金的相变温度;
4.杠杆定律：
成分为b的合金在温度T1时处于两相共存，两相的重
量比是一定的，wL、wS分别为T1温度时的剩余的液
相及结晶出的固相。
9
（1）利用杠杆定律可确定平衡两相区内平衡两相成分 CL 及Cα
的降低由α→βⅡ （二次相）。 NG线-A组元在β固溶体中的溶解度曲线。随着温度
的降低由β→αⅡ 。（二次相）。 22
二、共晶系典型合金的平衡结晶过程
合金分类: 共晶合金-E点成分合金； 亚共晶合金- M～E间合金； 过共晶合金- E ～ N间合金； 端部固溶体合金-M、N以外
二元合金相图与结晶
2. 合金II(共晶合金)的结晶过程
合金的室温组织：共晶体(α+β) 组织组成物：(α+β) 组成相：α和β相
共晶合金组织的形态
3. 合金Ⅲ(亚共晶合金)的结晶过程 位于共晶点左边, 成分在cd之间的合金
合金室温组织：初生α+二次β+(α+β) 组织组成物：α、二次β、(α+β) 组成相：α、β 组成相的质量分数为：
一、固溶体
（原子以固溶方式相熔合）
合金相结构分类
二、金属化合物
(原子化合物的方式相熔合）
（一）、固溶体
固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能 均匀的、且结构与组元之一相同的固相
溶 剂 与固溶体晶格相同的组元
溶 质 其他另一组元（含量较少）
固溶体表示方法：
1. α、β、γ 2. A、B组元构成的固溶体表示为A(B)， A、B—溶剂、溶质 Eg. 铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体的表示方法 ① 一般用α表示 ② 亦可表示为Cu(Zn)
2.2 二元合金相图的建立
合金结晶及其特点
结晶在一个温度区间而不是一个温度进行 如纯铁在1538℃结晶，而含碳0.6％的Fe-C合金在 1500℃开始结晶，1430℃才结束。 结晶过程有成分的变化。如含0.6％碳的Fe-C合金， 先结晶的固相含碳量低，后结晶固相含碳量高。
一．基本概念
●
相图：平衡的条件下（无限缓慢冷却），合金的 状态与温度、 成分间的关系的图解
二元合金、
黄铜 （Cu-Zn 碳钢 Fe-C
三元合金、
硬铝 Al-Cu-Mg
多元合金
武德合金 Pb-Sn-Bi-Cd ）
固态合金中的相： 合金中成分、结构及性能相同的均匀组成部分就叫做相
2.二元合金的相图及结晶分析
2.二元合金的相图及结晶
合金中的相 二元合金相图的建立 匀晶相图 共晶相图 包晶相图 组元间形成稳定化合物的相图 由二元相图判断合金的性能
2.1 合金中的相
一. 基本概念 1.合金（alloy)
由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元素， 也可以是非金属元素）组成的有金属特征的金属材料。
（金属元素+其他几种元素、具有金属特征）
温度为500℃。
二、相图的测定(热分析法建立相图）
1.配制不同成分的Cu-Ni合金
2.合金熔化后缓慢冷却，分别测出每种合金的冷却 曲线。 3.确定各条冷却曲线上的转折点温度，并依次将温 度数值引入温度-成分坐标系。 4.连接意义相同的点，得到Cu-Ni合金相图。
液相线
℃
1455
L
aK
b
1300
3.确定某成分合金某一温度下两平衡相的成分和相对质量。 两平衡相成分的确定：过K点作水平线，与相区分界线交于a、
b点 ，a 、b点的成分坐标值即为含Ni50%的合金1300℃时 液固相的平衡成分。
相对质量确定：运用杠杆定律
a
K
b
WL
Wa
WL， ——液相的质量，质量分数 Wa ， ——固相的质量，质量分数
100
C
D
A 10 20 30 40 50 60 70 80 90 wB(%)
二元相图的坐标
横坐标左右端分别表示纯组元 A、B，其余的每一点均表示一 种合金成分。
如D点的合金成分为含B60%。 坐标平面上的任意一点称表象 点，表象点的坐标值分别表示 某个合金的成分和温度。
如E点表示合金成分 B wB=40%,wA=60%,
一、概念 1.相图（phase diagram) 表示合金系在平衡条件下，不同压力、温度、成 分时的各相关系的图解。又称平衡图或状态图。 2.相图表示法 在坐标系中，纵坐标表示温度，横坐标表示合 金成分（不加说明，指质量百分数）。
合金中的相 二元合金相图的建立 匀晶相图 共晶相图 包晶相图 组元间形成稳定化合物的相图 由二元相图判断合金的性能
2.1 合金中的相
一. 基本概念 1.合金（alloy)
由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元素， 也可以是非金属元素）组成的有金属特征的金属材料。
（金属元素+其他几种元素、具有金属特征）
温度为500℃。
二、相图的测定(热分析法建立相图）
1.配制不同成分的Cu-Ni合金
2.合金熔化后缓慢冷却，分别测出每种合金的冷却 曲线。 3.确定各条冷却曲线上的转折点温度，并依次将温 度数值引入温度-成分坐标系。 4.连接意义相同的点，得到Cu-Ni合金相图。
液相线
℃
1455
L
aK
b
1300
3.确定某成分合金某一温度下两平衡相的成分和相对质量。 两平衡相成分的确定：过K点作水平线，与相区分界线交于a、
b点 ，a 、b点的成分坐标值即为含Ni50%的合金1300℃时 液固相的平衡成分。
相对质量确定：运用杠杆定律
a
K
b
WL
Wa
WL， ——液相的质量，质量分数 Wa ， ——固相的质量，质量分数
100
C
D
A 10 20 30 40 50 60 70 80 90 wB(%)
二元相图的坐标
横坐标左右端分别表示纯组元 A、B，其余的每一点均表示一 种合金成分。
如D点的合金成分为含B60%。 坐标平面上的任意一点称表象 点，表象点的坐标值分别表示 某个合金的成分和温度。
如E点表示合金成分 B wB=40%,wA=60%,
一、概念 1.相图（phase diagram) 表示合金系在平衡条件下，不同压力、温度、成 分时的各相关系的图解。又称平衡图或状态图。 2.相图表示法 在坐标系中，纵坐标表示温度，横坐标表示合 金成分（不加说明，指质量百分数）。
第2章-二元合金的相图及结晶
2021/4/9
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二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，
找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。 2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。 3. 将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的
数字和字母。
相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点 的连线叫固相线。
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。
2021/4/9
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(2) 杠杆定律
处于两相区的合金，不仅由相图可知道（温度一定）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
Cu-Ni置换固溶体
Fe-C间隙固溶体
3
固溶体的分类： a、置换固溶体：溶质原子取代溶剂原子的位置，
但整个结构仍然是溶剂的晶体结构。 b、间隙固溶体：溶质原子位于溶剂原子的间隙
位置中。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。
a、有限固溶体：在一定的条件下，溶质在固溶体中存在一 极限浓度，如超过此浓度则有其它相形成。
b、无限固溶体：溶质可以任意比例溶入到溶剂中，最高可 达100%。 （只能是置换固溶体）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。
a 、有序固溶体：溶质原子在固溶体中有规律的分布。 （只能是置换固溶体）
属元素，如C、N、B等， 而溶剂元素一般是过渡 族元素。
23.二元合金共晶相图及结晶
2020/4/9
柏振海 baizhai@
剩余熔体变化到共晶点E 共晶形貌随后保持不变
11
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材料科学与工程基础 二元合金共晶相图及结晶
过共晶x2合金（ hypoeutectic alloy ） 凝固过程
参照亚共晶 合金X3即可
树枝状初晶β，黑色 次晶αⅡ ，白色
树枝状初晶α，白色 次晶βⅡ ，黑色
α
β
T
β
α
Ag
X3 W Cu%
Cu
先析出初晶α（ Primary crystal ）
层片状共晶（α+β），黑白色
初晶α析出量随温度下降越来越多
析出初晶后的液相成分沿着液相线变化 析出的初晶α成分沿着固相线变化
初晶α成分沿固溶度线变化，从初晶α中析出次晶βⅡ
共晶成分的熔体在共晶温度析出共晶体（α+β）
1
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材料科学与工程基础
共晶相图
二元合金共晶相图及结晶
两组元在固态部分 溶解，形成有限 固溶体α和β，具 有共晶转变
Ag-Cu、 Pb-Sn、 Al-Si、 Al-Sn、 Cd-Sn、
Au-Pt……
Ag-Cu共晶相图
2020/4/9
柏振海 baizhai@
α
β
T
β
α
Ag
W Cu% X2 Cu
先析出初晶β
层片状共晶（α+β），黑白色
初晶β析出量随温度下降越来越多
析出初晶后的液相成分沿着液相线变化 析出的初晶β成分沿着固相线变化
初晶β成分沿固溶度线变化，从初晶β中析出次晶αⅡ 共晶成分的熔体在共晶温度析出共晶体（α+β）
二元合金的相结构与结晶(相图建立与匀晶相图)
11
二元合金相图的一般几何规律
相律： 相律：F=3-P（ F=C-P+1 ；C=2） （ ）
1、P=1，F=2 ——位于相图中的单相区（Single Phase Region） 、 位于相图中的单相区 ， 位于相图中的单相区（ ） 任意一点的成分和温度都可以独立变化而不影响系统的状态。 任意一点的成分和温度都可以独立变化而不影响系统的状态。 可以是任意形状。 恒压下，最大F=2，成分、温度均可变） 可以是任意形状。 （恒压下，最大 ，成分、温度均可变） 2、 P=2，F=1 ——位于相图中的两相区（Two Phase Region） 位于相图中的两相区 、 ， 位于相图中的两相区（ ） 只有一个独立变量，温度一定成分一定，反之亦然。 只有一个独立变量，温度一定成分一定，反之亦然。 一对代表两平衡相的成分和温度的共轭曲线组成。 一对代表两平衡相的成分和温度的共轭曲线组成。 3、 P=3，F=0 ——位于相图中的三相区（Three Phase Region） 位于相图中的三相区 、 ， 位于相图中的三相区（ ） 没有独立变量，温度与每一相的成分均不能变。 没有独立变量，温度与每一相的成分均不能变。 形状是一条等温线。端点和中间点分别表示三个相的成分。 形状是一条等温线。端点和中间点分别表示三个相的成分。 有两种基本形式：共晶型（ ）、包晶型 有两种基本形式：共晶型（Eutectic-type）、包晶型（Peritectic-type） ）、包晶型（ ） 没有意义。 4、 P>3，F<0 ——没有意义。 、 ， 没有意义
CL C Cα
液相C 重量为w 液相 L重量为wL 重量为w 固相Cα重量为wα
wL
wα
WL + Wα = 1
C = WL C L + Wα Cα
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。
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工程材料及应用
第 3 章 合金的结晶和二元相图
工程材料及应用 第 3章 合金的结晶和二元相图
1 合金的相结构 2 二元合金相图和合金的结晶 3 铁碳合金相图 4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 5 钢中杂质元素对钢性能的影响 6 铁碳合金相图的应用
第 1 节 合金的相结构
3.1 合金的相结构 由于合金中含有两种或两种以上的合金元素，所以结晶形成的晶 粒中也含有两种或两种以上的元素，其原子之间必然发生相互作 用。下面先介绍几个基本概念。
1. 特点
✓ 晶体结构不同于任一组元金属 ✓ 性能不同于任一组元金属 ✓ 一般具有较高的熔点、硬度，较大的脆性
2. 分类
✓ 正常价化合物 ✓ 电子化合物 ✓ 间隙相和间隙化合物
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
3.2.1 二元合金相图的建立
相图：表示合金的状态、温度及成分关系的图解。
建立相图的意义：合金的结晶过程 遵循结晶的基本规律，由于合金成分中 包含有两个以上的组元，结晶过程中， 不同温度范围内存有不同数量的相，且 各相成分有时也可变化，引入合金相图 这一工具有助于研究合金状态、成分随 温度变化规律。
wL xL%w x%x%
wL oaw ocoxwL w w ocox wL oxoa
w xcwL ax wL xc
w ax
rc
xL xS
s
杠杆定理的实质：溶质无论在液相与α相中如何分配， 溶质在此二元系中的质量总数不变，又因为在一定 温度下，两相成分是固定的，所以，Ni在二元系中 所占总质量比相当于Ni分别在液相与α相中所占质 量百分比的加权平均数，而液相与α相质量则是加权 系数。
第 1 合物：两组元形成合金时，当超过固溶体的溶解极限时， 形成的一种晶体结构不同于任一组元的新相（两组元间发生相互作 用），这种新相除了离子键和共价键外，金属键也参与作用，因而 具有一定的金属属性，称为金属间化合物，又由于其在二元相图的 位置总是位于中间，也称中间相。
相 区：单相区 ：L、α、β；两相区：L+α、L+β、α+β；三相区：L+α+β 共晶转变式：
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
典型共晶合金的平衡结晶及组织
共晶合金
亚共晶合金
过共晶合金
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
共晶合金的平衡结晶过程
含锡量≤19%的合金（合金Ⅰ） 结晶过程：匀晶反应＋二次析出（脱溶）
组元：是合金的合金元素，也可以是稳定的化合物。
相：是合金中化学成分、晶体结构皆相同，并以界面相互分 开的各均匀组成部分。
组织：是指用肉眼或显微镜所能观察到的微观形貌，包含合 金的不同形状、不同数量和分布不一的各组成部分，又称显 微组织。
第 1 节 合金的相结构
3.1.1 固溶体
固溶体：是指合金的组元之间以不同的比例通过相互互溶解而 形成的一种成分和性能均匀的固相。它的结构与组成该相合金 的某一组元相同。
1. 固溶体的分类： ✓ 按溶质原子所占据的位置
置换固溶体：溶质原子一般为半径相差不大的原子 间隙固溶体：溶质原子半径小的非金属原子
（H、O、N、C、B） ✓ 按溶质原子与溶剂原子的相对分布
无序固溶体 有序固溶体
第 1 节 合金的相结构
3.1 合金的相结构
2. 固溶体的性质
（1）点阵常数改变 （2）产生固溶强化 （3）物理和化学性能的变化
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
3.2.2 匀晶相图及其合金的结晶
定义：两组元在液态和固态均能无限互溶所形成的相图，称为匀晶相图。
液态、固态均能无限互溶形成单一的均匀固溶体合金的二元合金系称为匀晶系。由 液相结晶出单相固溶体的过程成为匀晶转变。
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
匀晶结晶的特点
1）固溶体结晶在一个温度区间内完成； 2）α固溶体结晶过程与纯金属结晶相似，也存在形核与核长大的基本规律； 3）在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的； 4）在两相区内，某一温度下平衡的两相的相对质量比是一定的 。
两相的质量比可表达为：
wL w
bc ab
两相区
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
3.2.3 共晶相图
定义：两组元在液态时完全互溶，在固态有限互溶，发生共晶转变的二元系相图称 为二元共晶相图。
共晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相，同时结晶出成分一定的两个固相的 转变过程。
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
共晶相图分析
液相线: AEB 固相线: AMENB 固溶体溶解度线：MF,NG 共晶线：MEN水平线； 共晶点：E点
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
2. 二元相图的使用 （1）由相图可以确定某一成分合金在某一温度时存在的相 （2）由相图可以确定给定合金的相变温度
（3）由相图可以确定某成分合金在某一温度下两平衡相的成分及 其相对含量。
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
3. 杠杆定律
如右图所示：Ni在合金中所占质量 百分比为x%; 随着冷却，当温度到达T1时，液相 中所含Ni质量为xL%，α相中所含 Ni质量为xs%。 假设：在温度为T1时，在此二元系 中，液相质量为wL，α相质量为wα， 则有：
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
1. 二元合金相图的测定
（1）配置一系列不同成分的Cu-Ni合金若干组，配置的合金组数 越多，测得的相图也越精确。
（2）测得各组合金的冷却曲线，根据各冷却曲线的转折点确定合 金相变的临界点。
（3）建立温度-成分坐标系，分别作出各组合金的成分垂线，将 临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线。 （4）将各成分垂线上具有相同意义的点相连，并标明各区域内所 存在的相，即测得Cu-Ni二元合金相图。
1点以上：L
1点-2点之间： L→α
2点-3点之间：α
3点-4点之间： α →βⅡ
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
含锡量≤19%的合金（合金Ⅰ）
二次结晶：由固溶体中析出另一个固相的过程称为脱溶过程，即过饱和固溶体的分解过 程，也称之为二次结晶。 二次相：析出的相称为次生相或二次相，次生的相以βⅡ表示，以区别于从液体中直接结 晶出来的β固溶体（初晶β ）。次生相不易长大，一般都比较细小。
第 3 章 合金的结晶和二元相图
工程材料及应用 第 3章 合金的结晶和二元相图
1 合金的相结构 2 二元合金相图和合金的结晶 3 铁碳合金相图 4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 5 钢中杂质元素对钢性能的影响 6 铁碳合金相图的应用
第 1 节 合金的相结构
3.1 合金的相结构 由于合金中含有两种或两种以上的合金元素，所以结晶形成的晶 粒中也含有两种或两种以上的元素，其原子之间必然发生相互作 用。下面先介绍几个基本概念。
1. 特点
✓ 晶体结构不同于任一组元金属 ✓ 性能不同于任一组元金属 ✓ 一般具有较高的熔点、硬度，较大的脆性
2. 分类
✓ 正常价化合物 ✓ 电子化合物 ✓ 间隙相和间隙化合物
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
3.2.1 二元合金相图的建立
相图：表示合金的状态、温度及成分关系的图解。
建立相图的意义：合金的结晶过程 遵循结晶的基本规律，由于合金成分中 包含有两个以上的组元，结晶过程中， 不同温度范围内存有不同数量的相，且 各相成分有时也可变化，引入合金相图 这一工具有助于研究合金状态、成分随 温度变化规律。
wL xL%w x%x%
wL oaw ocoxwL w w ocox wL oxoa
w xcwL ax wL xc
w ax
rc
xL xS
s
杠杆定理的实质：溶质无论在液相与α相中如何分配， 溶质在此二元系中的质量总数不变，又因为在一定 温度下，两相成分是固定的，所以，Ni在二元系中 所占总质量比相当于Ni分别在液相与α相中所占质 量百分比的加权平均数，而液相与α相质量则是加权 系数。
第 1 合物：两组元形成合金时，当超过固溶体的溶解极限时， 形成的一种晶体结构不同于任一组元的新相（两组元间发生相互作 用），这种新相除了离子键和共价键外，金属键也参与作用，因而 具有一定的金属属性，称为金属间化合物，又由于其在二元相图的 位置总是位于中间，也称中间相。
相 区：单相区 ：L、α、β；两相区：L+α、L+β、α+β；三相区：L+α+β 共晶转变式：
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
典型共晶合金的平衡结晶及组织
共晶合金
亚共晶合金
过共晶合金
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
共晶合金的平衡结晶过程
含锡量≤19%的合金（合金Ⅰ） 结晶过程：匀晶反应＋二次析出（脱溶）
组元：是合金的合金元素，也可以是稳定的化合物。
相：是合金中化学成分、晶体结构皆相同，并以界面相互分 开的各均匀组成部分。
组织：是指用肉眼或显微镜所能观察到的微观形貌，包含合 金的不同形状、不同数量和分布不一的各组成部分，又称显 微组织。
第 1 节 合金的相结构
3.1.1 固溶体
固溶体：是指合金的组元之间以不同的比例通过相互互溶解而 形成的一种成分和性能均匀的固相。它的结构与组成该相合金 的某一组元相同。
1. 固溶体的分类： ✓ 按溶质原子所占据的位置
置换固溶体：溶质原子一般为半径相差不大的原子 间隙固溶体：溶质原子半径小的非金属原子
（H、O、N、C、B） ✓ 按溶质原子与溶剂原子的相对分布
无序固溶体 有序固溶体
第 1 节 合金的相结构
3.1 合金的相结构
2. 固溶体的性质
（1）点阵常数改变 （2）产生固溶强化 （3）物理和化学性能的变化
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
3.2.2 匀晶相图及其合金的结晶
定义：两组元在液态和固态均能无限互溶所形成的相图，称为匀晶相图。
液态、固态均能无限互溶形成单一的均匀固溶体合金的二元合金系称为匀晶系。由 液相结晶出单相固溶体的过程成为匀晶转变。
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
匀晶结晶的特点
1）固溶体结晶在一个温度区间内完成； 2）α固溶体结晶过程与纯金属结晶相似，也存在形核与核长大的基本规律； 3）在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的； 4）在两相区内，某一温度下平衡的两相的相对质量比是一定的 。
两相的质量比可表达为：
wL w
bc ab
两相区
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
3.2.3 共晶相图
定义：两组元在液态时完全互溶，在固态有限互溶，发生共晶转变的二元系相图称 为二元共晶相图。
共晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相，同时结晶出成分一定的两个固相的 转变过程。
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
共晶相图分析
液相线: AEB 固相线: AMENB 固溶体溶解度线：MF,NG 共晶线：MEN水平线； 共晶点：E点
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
2. 二元相图的使用 （1）由相图可以确定某一成分合金在某一温度时存在的相 （2）由相图可以确定给定合金的相变温度
（3）由相图可以确定某成分合金在某一温度下两平衡相的成分及 其相对含量。
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
3. 杠杆定律
如右图所示：Ni在合金中所占质量 百分比为x%; 随着冷却，当温度到达T1时，液相 中所含Ni质量为xL%，α相中所含 Ni质量为xs%。 假设：在温度为T1时，在此二元系 中，液相质量为wL，α相质量为wα， 则有：
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
1. 二元合金相图的测定
（1）配置一系列不同成分的Cu-Ni合金若干组，配置的合金组数 越多，测得的相图也越精确。
（2）测得各组合金的冷却曲线，根据各冷却曲线的转折点确定合 金相变的临界点。
（3）建立温度-成分坐标系，分别作出各组合金的成分垂线，将 临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线。 （4）将各成分垂线上具有相同意义的点相连，并标明各区域内所 存在的相，即测得Cu-Ni二元合金相图。
1点以上：L
1点-2点之间： L→α
2点-3点之间：α
3点-4点之间： α →βⅡ
第 2 节 二元合金相图和合金的结晶
含锡量≤19%的合金（合金Ⅰ）
二次结晶：由固溶体中析出另一个固相的过程称为脱溶过程，即过饱和固溶体的分解过 程，也称之为二次结晶。 二次相：析出的相称为次生相或二次相，次生的相以βⅡ表示，以区别于从液体中直接结 晶出来的β固溶体（初晶β ）。次生相不易长大，一般都比较细小。