二元相图

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。

如果合金仅由一个相组成，称为单相合金；如果合金由二个或二个以上的不同相所构成则称为多相合金。

如含30%Zn的铜锌合金的组织由α相单相组成；含38%Zn的铜锌合金的组织由α和β相双相组成。

这两种合金的机械性能大不相同。

合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。

2.1.1 固溶体与复杂结构的间隙化合物2.1.1.1 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称为固溶体。

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组元组成的固溶体也可表示为A（B），其中A为溶剂，B为溶质。

例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示，亦可表示为Cu（Zn）。

图2.1 置换与间隙固溶体示意图⑴固溶体的分类①按溶质原子在溶剂晶格中的位置（如图2.1）分为：⎩⎨⎧--的间隙之中;溶质原子进入溶剂晶格间隙固溶体格某些结点上的原子;溶质原子代换了溶剂晶置换固溶体 ②按溶质原子在溶剂中的溶解度（固溶度）（溶质在固溶体中的极限浓度）分为：⎩⎨⎧--(可达100%);溶质可以任意比例溶入无限固溶体相生成;溶质超过溶解度即有新有限固溶体 ③按溶质原子的分布规律：⎩⎨⎧--溶质原子无规则分布;无序固溶体溶质原子有规则分布;有序固溶体 有序化-在一定条件（如成分、温度等）下，一些合金的无序固溶体可变为有序固溶体。

⑵影响固溶体类型和溶解度的主要因素影响固溶体类型和溶解度的主要因素有组元的原子半径、电化学特性和晶格类型等。

原子半径、电化学特性接近、晶格类型相同的组元，容易形成置换固溶体，并有可能形成无限固溶体。

当组元原子半径相差较大时，容易形成间隙固溶体。

间隙固溶体都是有限固溶体，并且一定是无序的。

无限固溶体和有序固溶体一定是置换固溶体。

⑶固溶体的性能固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。

对于置换固溶体，溶质原子较大时造成正畸变，较小时引起负畸变（见图2.2）。

形成间隙固溶体时，晶格总是产生正畸变。

晶格畸变随溶质原子浓度的增高而增大。

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。

这种随溶质原子浓度的升高而使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。

固溶强化是金属强化的一种重要 图2.2 晶格正、负畸变示意图 形式。

在溶质含量适当时可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。

例如，纯铜的b σ为 220MPa ，硬度为 40HB ，断面收缩率ψ为70％。

当加入 1％镍形成单相固溶体后，强度升高到 390MPa ，硬度升高到70HB ，而断面收缩率仍有50％。

所以固溶体的综合机械性能很好，常常被用作为结构合金的基体相。

固溶体与纯金属相比，物理性能有较大的变化，如电阻率上升，导电率下降，磁矫顽力增大等等。

2.1.1.2 复杂结构的间隙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即为金属化合物，或称中间相。

金属化合物一般熔点较高，硬度高，脆性大。

合金中含有金属化合物时，强度、硬度和耐磨性提高，而塑性和韧性降低。

金属化合物是许多合金的重要强化相。

金属化合物有许多种，其中较常用的是具有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时形成的）。

如钢中的C Fe 3,其中Fe 原子可以部分地被Mn 、Cr 、Mo 、W等金属原子所置换，形成以间隙化合物为基的固溶体，如Fe (、C Cr 3)等。

复杂结构的间隙化合物具有很高的熔点和硬度，在钢中起强化作用，是钢中的主要强化相。

2.1.2 相图概述前面已经简述过，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，是了解合金中各种组织的形成与变化规律的有效工具。

进而可以研究合金的组织与性能的关系。

何为合金系呐？两组元按不同比例可配制成一系列成分的合金，这些合金的集合称为合金系，如铜镍合金系、铁碳合金系等。

我们即将要研究的相图就是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，也称为平衡图或状态图。

所谓平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和相对重量不再变化所达到的一种状态。

此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。

合金在极其缓慢冷却条件下的结晶过程，一般可认为是平衡结晶过程。

在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分。

因此二元合金相图可用温度-成分坐标系的平面图来表示。

我们先来认识一下相图。

图2.3为铜镍二元合金相图，它是一种最简单的基本相图。

横坐标表示合金成分（一般为溶质的质量百分数），左右端点分别表示纯组元（纯金属）Cu 和Ni ，其余的为合金系的每一种合金成分，如C 点的合金成分为含Ni 20％,含Cu 80％。

坐标平面上的任一点（称为表象点）表示一定成分的合金在一定温度时的稳定相状态。

例如，A 点表示，含30％Ni 的铜镍合金在1200℃时处于液相（L ）+α固相的两相状态；B 点表示，含60％Ni 的铜镍合金在1000℃时处于单一α固相状态。

2.1.3 相图的建立过程合金发生相变时，必然伴随有物理、化学性能的变化，因此测定合金系中各种成分合金的相变的温度，可以确定不同相存在的温度和成分界限，从而建立相图。

图2.3 Cu-Ni 合金相图常用的方法有热分析法、膨胀法、射线分析法等。

下面以铜镍合金系为例，简单介绍用热分析法建立相图的过程。

⑴配制系列成分的铜镍合金。

例如：合金Ⅰ：100％Cu ；合金Ⅱ：75％Cu +25％Ni ；合金Ⅲ：50％Cu +50％Ni ；合 金Ⅳ：25％Cu +75％Ni ；合金Ⅴ：100％Ni 。

⑵合金熔化后缓慢冷却，测出每种合金的冷却曲线，找出各冷却曲线上的临界点（转折点或平台）的温度。

如图2.4。

⑶画出温度—成分坐标系，在各合金成分垂线上标出临界点温度。

⑷将具有相同意义的点连接成线，标明各区域内所存在的相， 即得到Cu -Ni 图2.4 Cu-Ni 合金冷却曲线及相图建立合金相图。

（图2.4）。

铜镍合金相图比较简单，实际上多数合金的相图很复杂。

但是，任何复杂的相图都是由一些简单的基本相图组成的。

下面介绍几个基本的二元相图。

2.1.4 二元合金的杠杆定律由相律可知，二元合金两相平衡时，两平衡相的成分与温度有关，温度一定则两平衡相的成分均为确定值。

确定方法是：过该温度时的合金表象点作水平线，分别与相区两侧分界 线相交，两个交点的成分坐标即为相应的两平衡相成分。

例如图2.5中，过b 点的水平线与相区分界线交于a 、c 点，a 、c 点的成分坐标值即为含Ni b ％的合金1T 时液、固相的平衡成分。

含Ni b ％的合金在1T 温度处于两相平衡共存状态时，两平衡相的相对质量也是确定的。

见图2.5，表象点b 所示合金含Ni b ％，1T 时液相L （含Ni a ％）和α固相（含Ni c ％）两相平衡共存。

设该合金质量为 Q ，液相、固相质量为L Q 、αQ ，显然，由质量平衡：合金中Ni的质量等于液、固相中Ni 质量之和，即： 图2.5 杠杆定律的证明及力学比喻 %%%c Q a Q b Q L ⋅+⋅=⋅α；合金总质量等于液、固相质量之和，即：αQ Q Q L +=；二式联立得：=⋅+%)(b Q Q L α%%c Q a Q L ⋅+⋅α；化简整理后得：abbc b a c b Q Q L =--=%%%%α或bc Q ab Q L ⋅=⋅α 因该式与力学的杠杆定律（如图2.5）相同，所以我们把bc Q ab Q L ⋅=⋅α称为二元合金的杠杆定律。

杠杆两端为两相成分点L Q 、αQ ，支点为该合金成分点b ％。

利用该式，还可以推导出合金中液、固相的相对质量的计算公式，如下：设液、固相的相对质量分别为L w 、αw ，即L w QQ L =、αw Q Q α=；将ab bc Q Q L =α两端加1得11+=+ab bc Q Q L α，即ab ac ab ab bc Q Q Q Q Q L =+==+ααα。

则αw =acab ；用1减去该式两端得： 1-αw =ac ab -1即L w =acbc ac ab ac =- 必须指出，杠杆定律只适用于相图中的两相区，即只能在两相平衡状态下使用。

2.2 匀晶相图两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应的合金系，称为匀晶系并构成匀晶相图。

例如Ni Cu -、Cr Fe -、Ag Au -合金相图等。

现以Ni Cu -合金相图为例，对匀晶相图及其合金的结晶过程进行分析。

2.2.1 相图分析Ni Cu -相图（见图2.3）为典型的匀晶相图。

图中acb 线为液相线，该线以上合金处于液相；adb 线为固相线，该线以下合金处于固相。