第七章二元合金相图

过共晶平衡组织(70% Sn 的Pb-Sn合金)
Ⅱ
初生
共晶()
四、相组成物和组织组成物的质量分数计算
500
T
400
L
327.5
A
300
200

L+
M
183
100
19 + Ⅱ +Ⅱ +(+）
0 10 20 30 40 50
E 61.9
L+
231.9
N
97.5
B
+ Ⅱ
1、固溶体的分类
⑴、按溶质原子在晶格中的位置： 间隙固溶体、置换固溶体
间隙固溶体
置换固溶体
通常，当溶剂与溶质原子尺寸相近，直径差别较小，容 易形成置换固溶体；当直径差别大于15%时，就很难形 成置换固溶体了。
⑵、按固溶度：
有限固溶体、无限固溶体
固溶度：溶质原子溶入固溶体中的数量称为固溶体 的浓度，在一定条件下的极限浓度叫做溶解度或固溶度。
如果固溶体的溶解度有一定的限度，这叫做有限固溶体。
当置换固溶体的溶质原子与溶剂原子直径差别很小，且 晶体结构相同，在周期表中的位置又靠得较近，则它们 就可能以任何成分比例形成固溶体，这种固溶体叫做无 限固溶体。
⑶、按相对分布：
有序固溶体、无序固溶体
无 序 分 布 偏 聚 分 布
短程有序分布
2、固溶体的性能 固溶强化：
具有一定的金属特性； 性能特点：三高(高熔点、高硬度、高脆性)
1、正常价化合物
具有严格的化合比，可用分子式表示。受电 负性因素控制。
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 。 受电子浓度因素控制
3、间隙化合物
过渡族金属与原子半径很小的非金属元素组成， 如H、N、C、B等。 受原子尺寸因素控制。
500
T
400
L
231.9 B L+ N 97.5

A 327.5
300
200

M 19
L+
183
E 61.9
100
+
0 10 20 30 40 50 60 70 80
F Pb
0
90
100
G
WSn(%)
Sn
Pb—Sn相图
一、相图分析
7点：共晶点(E) 共晶转变：L61.919 97.5 7线：液相线AEB 固相线AMENB 溶解度线MF,NG 共晶转变线MEN 7个区：L、、 L+、 L+、 +、L+ +
溶入溶质原子形成固溶体而使金属强度、硬度 溶质原子% —— σb、HB ，而ψ、αk 。 产生原因：1)、晶格畸变，位错运动受阻； 2)、位错钉扎。 固溶强化效果：间隙固溶体>置换固溶体 三种强化：细晶强化、形变强化、固溶强化
二、金属化合物
晶格类型与性能均不同于任一组元；
一般可用分子式表示；
二、平衡结晶过程 1、t>t1: L
2、t=t1: L α
L
L
3、t3<t<t1: L , α共存 4、t=t3: 结晶完成 5、t<t3:α固溶体


三、非平衡结晶及其组织
V冷却 ，原子扩散速度<结晶速度
富Ni
富Cu
Cu-Ni合金晶内偏析的组织
晶内偏析：晶粒内部成分不均匀；
偏析程度：与相图形状、原子扩散能力、 冷却速度有关。
不同的相结构
基 固溶体 置换固溶体 本 相 正常价化合物 结 构 金属化 电子化合物 合物 间隙相 间隙化合物 复杂结构间隙化合物
间隙固溶体
Hale Waihona Puke Baidu
一、固溶体
——组元相互溶解，溶质原子溶入固态溶剂 特点：保持溶剂晶格类型。
组成合金的元素互相溶解，形成一种与某一元素 的晶体结构相同，并包含有其它元素的合金固相， 称为固溶体。其中，与合金晶体结构相同的元素 称为溶剂，其它元素称为溶质。
Sn
初F%=(初F+βⅡ)%×SG/FG×100% =(2E/ME)×(SG/FG)×100%
相的质量百分数：
%=PG/FG×100% % =FP/FG×100%
五、不平衡结晶及组织
伪共晶： 在共晶点附近的 非共晶成分的的合金 得到的全部共晶组织
离异共晶：两相分离的共晶。
合金Ⅰ： 平衡条件下得到。
初=28%
初 M
T
初 F+ Ⅱ
50%
(初F+Ⅱ)%=2E/ME×100%
L
二次杠杆 F S G

M
L+
19
+ Ⅱ +(+）
F
Pb
E L+ N 2 61.9 97.5
初F% ×FS= Ⅱ% ×SG
Ⅱ% =1-(+)共晶%- 初F%
s
P
B%
G
T
室温组织：初+Ⅱ+(+)共晶
50%
L
一次杠杆 M

L+ M
19
+ Ⅱ +(+）
F
Pb
E L+ N 2 61.9 97.5
2 EL 共晶
初%× M2 = L61.9%×2E
G
Sn
P
B%
(+)共晶%= L61.9%=M2/ME×100% =(50-19)/(61.9-19) ×100%=72%
合金成分 相组成
温度,压力
相图
相图：描述系统的状态（相组成）、温度、压力及合 金成分之间关系的图解。
一、相图的表示方法
一、热分析法测定相图
冷却曲线
相图
二、相律
f=c-p+2 或 f=c-p+1 (常压)
合金系的最大自由度数：
纯金属：fmax=1(成分固定不变0，温度1)
二元合金：fmax=2(成分独立变量1，温度1)
四、杠杆定律 1、确定两平衡相的成分：CL、Cα
杠 杆 定 律 的 证 明
2、确定两平衡相的相对重量
WL rb W ar
rb WL 100% ab
ar W 100% ab
杠杆定律的力学比喻
7.2 相图热力学的基本要点
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
结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。 -----是合金组织最基本组成部分。
5、组织—是由不同相组成的具有一定成分、分布形态
和性能的机械混合物。 用肉眼或借助不同放大倍数的显微镜所观察到的金属材 料内部情景，包括晶粒大小、形状、种类及晶粒的相对 数量和分布。
复习 合金的相结构
晶体结构、原子结构、组元相互作用不同
合金Ⅱ： 不平衡条件系得到。
易产生离异共晶的区域
7.3.3 包晶相图及其合金 凝固
包晶转变 ——已结晶的固相与剩余液相反应形成另一个固相 的恒温转变。如Fe-C、Cu-Zn、 Ag-Sn、 Ag-Sn、Ag-Pt等。
包晶相图 ——具有包晶转变的相图。
一、相图分析
1772A
1600 1800
点：D
三元合金：fmax=3(成分独立变量2，温度1)
三、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、说明纯金属结晶与合金结晶时的某些差别 纯金属结晶：f=1-2+1=0——恒温进行 二元合金结晶：f=2-2+1=1——一定温度范围
重要概念：
1、组元—组成合金最基本、独立的物质。 组元可以是组成合金的元素，可以是化合物。 2、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。有 二元、三元等。
3、合金系—由给定组元配置成的一系列成 分不同的合金，组成一个合金系统。
4、相—指合金组织中具有同一聚集状态、同一晶体
0
+ Ⅱ +(+)
60 70 80 90
F Pb
100
G
WSn(%)
Sn
标明组织组成物的Pb-Sn合金相图
组织组成物在相图上的标注
L L+α α α+βⅡ+(α+β) α+βⅡ (α+β) L+β β+αⅡ+(α+β) β+αⅡ β
温度，℃ Pb
Sn,%
Sn
相组成物标注相图
组织质量分数计算
Pb
F 10
G
20 30 40 50 60 70 80 90 100
WSn(%)
Sn
400
T 327.5 A
L
L
Ⅱ
L
T/ ℃
t1

300
L+ 61.9
200

M
19
183 +
t2
E
t1
t2
t2'
+ （ + ) 共
L
+
100
+ Ⅱ
0 F 0 10 Pb

30 40 50 60 70 80
珠光体片层结构
组元之间相互溶解——固溶体：
铁素体(F)，奥氏体(A)
组元之间相互反应——金属化合物：
渗碳体(Fe3C) 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。
7.1 相图的表示和测定方法
Expression and measurement of phase diagrams
第七章 二元系相图和合 金的凝固与制备原理
Binary equilibrium phase diagrams and principles of solidification and preparation of alloys
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； • 非平衡结晶及其组织。
① 间隙相：原子半径比rX/rM<0.59 结构简单，满足分子式(M4X、M2X、MX、 MX2)，是高合金工具钢和硬质合金的重要 强化相 (WC,TiN） 。 ② 复杂结构的间隙化合物：rX/rM>0.59 如：Fe3C
三、机械混合物
组元间既不溶解，也不反应——机械混合物
珠光体中，F+ Fe3C
灰铁
层片状
（Al-CuAl2，定向凝固）
棒状或条状 （Sb-MnSb，横截面）
针状（ZL102未变质）
螺旋状（Zn-Mg）
铝硅针状共晶组织
铅铋树枝状共晶组织
Cu-Cu3P放射状共晶组织
铝钍螺旋状共晶组织
三、亚共晶和过共晶平衡结晶过程 及室温平衡组织
500
T
400
A
300 200
M
E
N
B
100
0 0
1400
L

C
10.5 1186
L
D
P
66.3
温 度
1200
42.4
1000
L+

800
600
+
0E 20 40 60 80
线： 液相线APB 固相线ACDB 包晶线CDP 962 B L P + C D 固溶度曲线 CE、DF
F 100
400
Pt
400
T
A
327.5
T/℃
L
L Ⅰ +
t1 E t1'
300
L+
200

M
19
183
61.9

+
100
+
+
0 0 Pb
F
L
t/s
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
WSn(%)
共晶合金结晶过程分析
二、共晶平衡结晶过程及室温平衡组织：
液态L61.9 共晶温度以上：
WSn(%)
初+ Ⅱ
Ⅱ t/s
20
90 100
50% Sn的亚共晶合金的结晶过程分析
亚共晶合金平衡结晶过程为：
t1温度以上： 液态 L50 t1~ t2温度：液相中析出 ，L t2温度时发生共晶反应：L61.9 19 97.5 t2温度以下：初 Ⅱ 室温组织：初 + Ⅱ + （+）共晶
亚共晶组织(50% Sn 的Pb-Sn合金)
共晶()
初生 Ⅱ
400
T
T/℃
L
L

+
t1
A L M L+ + B E t1 L+ t2 N （ + Ⅱ ） G
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
300

t2
200
100
L +

t2'
+ Ⅱ
F 0
0
Pb
WSn(%)
Sn
t/s
70% Sn的过共晶合金的结晶过程分析
过共晶合金平衡结晶过程为：
液态 L70 t1温度以上： 液相中析出 ，L t1~ t2温度： t2温度时发生共晶反应： L61.9 19 97.5 t2温度以下： 初 Ⅱ
室温组织： 初 + Ⅱ + （+）共晶
共晶温度：共晶转变 L61.919 97.5 共晶温度以下： 二次结晶 Ⅱ （+）共晶 室温组织： 由于 Ⅱ和Ⅱ常与共晶和相连， 显微镜下很难分辨，室温组织为： （+）共晶
，
Ⅱ
α
β
（Pb-Sn）共晶组织（层片状）
常见合金的共晶组织
短棒状或颗粒（Cu-CuO）
1. 液相线与固相线的水平距离和垂直距离 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
7.3.2 共晶相图及其合 金凝固
共晶转变 ——一个液相在冷却时同时结晶出两个结构不同、 成分固定的固相的转变称为共晶转变。如 Pb-Sn 、 Al-Si 、 AlMg、 Cu-Ag、Mg-Si等。 共晶相图 ——具有共晶转变的相图。 共晶产物 ——共晶转变产物（两相混合物） （1）比纯组元熔点低，简化了熔化和铸造的操作。 （2）共晶合金比纯金属的流动性好，不易产生枝晶。 （3）恒温转变，偏聚不会缩孔。 （4）获得多种形态的显微组织。