二元合金的相图

Ni
匀晶转变过程中原子 扩散示意图
不平衡结晶
固溶体不平衡结晶示意图
1 1 1 3 4 5 固相平均成份线 1 2
晶内偏析（枝晶偏析）
枝晶偏析：晶粒内部出现的 成份不均匀现象。 先结晶：含高熔点组元多； 后结晶：含低熔点组元多。 结果：力学性能降低，特别 是塑性降低；抗蚀性能下降。 消除方法：扩散退火或均匀 化退火。使异类原子互相充分 扩散均匀。
4.2.2
相图的建立方法
相图的测定方法：
热分析法、膨胀法、电阻法、磁性法等。 热分析法测Cu-Ni合金相图： 1、配制系列成分的Cu-Ni合金。 2、测出合金的冷却曲线，找出各冷却曲线上的临界点 温度。 3、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。 4、将具有相同意义的点连接成线，标明各区域内所 存在的相
+ Ⅱ
组织组成物
Ⅱ
冷却曲线
t

组织中，由一定的相构成 的，具有一定形态特征的 组成部分。
X2合金结晶过程分析 （共晶合金）
T,C
L
T,C
L
(+ )
183

L+
M
L
E
L
L+
N

L(+ ) 共晶体
(+ )
+
Pb Sn X2
冷却曲线
t
(+ )
铅锡共晶合金的显微组织
TiC
NbC
ZrC
VC
Mo2C 1480
WC
Cr23C6 1650
Fe3C 860
硬度 3200 （HV）
熔点 （℃） 3140
2055
2840
2094
1730
3480
3350
2830
2410
2755
1580
1650
4.2
合金相图的建立
4.2.1 相图概述
合金相图：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。 平衡：合金系中各相成分与相质量比不再 随时间变化的一种状态。 相图→平衡图→状态图。 平衡条件：极缓慢冷却条件。 常压下，横坐标→成分，纵坐标→温度。
a b c
QL 杠杆定律的力学比喻
Qα
QL×ab=Qa×bc
例：求30%Ni合金在1280 ℃时相的相对量
T,C 1500 1400 a1 1300 1200 1100 a 1083 1000 Cu L 解：作成分线和温 度线如图。 1455
c
b1 L+
c1

1280 C
根据杠杆定律推论， Q / QH = a1 b1 /a1c1 =12/48=1/4=25%
杠杆定律
杠杆定律：在两相区内，对 1. 随着温度的降低，两 2. 在两相区内，对应每 应每一确定的温度 一确定的温度，两相的成 相的成分分别沿液相线和 T1，两相 质量的比值是确定的。即 分是确定的。 固相线变化。
T,C L 1500 1 1400 a1 b1 1300 1200 1100 a 1083 2 1000
相：
在金属或合金中，化学成分、晶体结构相同、性 能均一，且有界面与其它部分分开的均匀组成部分。 组织（显微组织） 指在金相显微镜下观察到的材 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。 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。
过共析钢 x400
铜-镍合金匀晶相图分析
液相区 L
1455
L+
纯镍 熔点

固相线 Ni
20 液固两相区
40
60 Ni%
80
100
匀晶合金的平衡结晶过程
T,C 1500 1400 c 1300 1200d 1100 1000 1083 Cu 20 40 60 Ni% 80 L
T,C L
L

1455 a
L+ b
Cu 20
QL/Q=b1c1/a1b1
L+ c1 1455 c 杠杆定律推论：在两 相区内，对应温度T1时 两相在合金b中的相对 T1 质量各为 T2 QL/QH=b1c1/a1c1
b
40
60 Ni%
80
100
Q/QH=a1b1/a1c1 =1- QL/QH Ni
注意：杠杆定律适用于平衡结晶时的两相区。
稳定化合物：指具有一定的熔点，在熔点以下，保持
Mg-Si相图
Mg-Mg2Si和Mg2Si-Si两个共晶相图并列而成。
47
稳定化合物可以溶解其他组元，构成以化合物 为基的固溶体，相图中部的垂线将变为一个相区。
Cd-Sb 相图 48
4.7 合金的性能与相图的关系
4.7.1 合金的使用性能与相图的关系
Pt-Ag合金相图
包晶转变： LC
42
+ P D
典型合金的平衡结晶过程 I合金 组织 β+αII 1186℃ 时，液相与 α相的相对质量：
PD 42.4 10.5 WL 57.1% PC 66.3 10.5
W 1 WL 42.9%
合金I的平衡结晶过程 43
共晶组织中两相的相对含量为：
W EN 97.5 61.9 100% 100% 45.4% MN 97.5 19
ME 61.9 19 W 100% 100% 54.6% MN 97.5 19
Pb-Sn合金相图
X3合金结晶过程分析 （亚共晶合金）
亚共析钢 x400
合金中有两类基本相 —— 固溶体 和 化合物
4.1.1 固溶体
固溶体：合金组元通过溶解形成成分和性能 均匀的、结构上与组元之一相同的固相。 如，Fe(C)固溶体。Fe－溶剂，C－溶质
固溶体的分类
按溶质原子在晶格中的位置： 置换固溶体： 间隙固溶体： 按溶质原子在固溶体中的溶解度（固溶度）： 有限固溶体：溶质含量超过其固溶度，则有其它相 形成。 无限固溶体：溶质可以任意比例溶入溶剂中，即固 溶度可达100%。只能是置换固溶体。 按溶质原子在固溶体中的分布状态： 无序固溶体：溶质在晶格中随机分布。 有序固溶体：溶质原子和溶剂原子各占据晶体结构 一定位置而规则排列。
{
间隙相 r非/r金0.59，简单结构，如：WC、TiC、VC 复杂结构的间隙化合物 r非/r金0.59，如：Fe3C、 Cr23C6 间隙化合物的性能： 熔点高、硬度高，脆性大。
纯金属与碳化物的硬度及熔点
纯金属 硬度 （HV） 碳化物 Ti 230 Nb 300 Zr 300 V 140 Mo 350 W 400 Cr 220 α- Fe 80
液固相线距离愈小， 结晶温度范围愈小，则流 动性好，不易形成分散缩 孔，铸造性能好。 共晶成分的合金铸造 性能最好。
锻造、轧制性能：
单相固溶体合金， 变形抗力小，变形均匀， 不易开裂，锻造、轧制性 能最好。
固溶体类型
置 换 固 溶 体 Z
间 隙 固 溶 体
Z
置换原子
间隙原子
Y Y X X
形成无限固溶体时两组元连续置换示意图
固溶体中溶质原子分布示意图 （a)完全无序；(b)偏聚；(c）部分有序；(d)完全有序
8
固溶体的性能
形成固溶体后溶剂晶体结构的变化： 造成局部晶格畸变。 形成固溶体后性能的变化： 强度、硬度随溶质原子浓度升高而明显增加，塑、 固溶强化 韧性稍有下降的现象。
39
500×
过共晶合金（VI合金）组织
β + α II +(α+β)
α II β
(α+β)
WSn70%的Pb-Sn合金的显微组织
40
500×
标注了组织组成物的Pb-Sn相图
A B
M
E
N
F
G
4.5
相图分析
包晶相图
液相线：ACB 固相线：APDB 固溶线：PE、DF 包晶线：PDC 单相区 ：L,α,β 两相区：L+α，L+β， α +β 三相区：PDC
正常晶格
大原子置换引起的 晶格畸变
Cu-Ni固溶体的力学性能与成分的关系
晶格畸变
小原子置换引起的 晶格畸变
间隙原子引起的 晶格畸变
4.1.2 金属化合物
金属间化合物：合金组元形成的晶格类型与任一组元都不 相同的新相。 化合物类型 正常价化合物 —— 按化合价规律形成，可用确定的分子式 表示其成分。组元电负性相差较大具有离子键，电负性相近具有 金属键。如：Mg2Si 。 电子化合物 —— 按电子浓度规律形成，不遵守化合价规律， 虽可用化学式表示，但成分在一定范围内变化，金属键结合。 如：Cu3Al 。 电子浓度：化合物中价电子数与原子数的比值。 间隙化合物 —— 过渡金属+小半径非金属元素
4.4 共晶相图
铅-锡合金共晶相图分析
T,C 液相线
固相线

Pb
L+
L
L+

Sn
固溶线 固溶线
+
Sn%
共晶转变分析
T,C
共晶反应线
表示从M点到N点 范围的合金，在该温 度上都要发生不同程 度的共晶反应。

Pb
L+
M
L
E
L+
N

共晶点
表示E点成分的合 Sn 金冷却到此温度上发 生完全的共晶转变。
18 20
30
66 40 60 Ni%
答：所求合金在 1280 ℃时相的相 Ni 对质量为1/4(25%)。
80
100
4.3
匀晶相图
匀晶系：两组元在液态和固态都无限互溶的合金系。 匀晶相图：匀晶系合金的相图。 匀晶转变：从液相中结晶出单相固溶体的转变。
液相线
T,C 1500 1400 1300 1200 1100 1083 1000 纯铜 熔点 Cu 固相区
II合金 组织： α+β+αII+βII III合金 组织：β+αII
合金Ⅱ的平 衡结晶过程
44
合金Ⅲ的平 衡结晶过程
4.6 其他相图
4.6.1
共析转变：
共析相图
T,C
( + ) 共析体 L L+


A
+
c
+ d
e
+

B
4.6.2 形成化合物的二元相图
自己固有的结构而不发生分解，当温度达到熔点时，化合物 发生熔解，熔解时所生成的熔体与化合物成分完全一致。
合金Ⅰ：纯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：纯Ni
4.2.3

二元合金相图的使用
由相图确定某成分合金某温度时存在的相； 由相图确定给定合金的相变温度； 由相图确定某成分合金在某一温度下两平衡相的 成分和相对质量。 成分确定方法：过该温度作水平线，与相区两侧分 界线的交点的横坐标。 相对质量确定方法：杠杆定律。

匀晶转变 L
L

Ni 100
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、固相线划定的温度区间内进行结晶。
与纯金属相比，固溶体合金凝固过程有两个特点： (1)固溶体合金凝固时析 出的固相成分与原液相 成份不同，需成份起伏。 α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

T,C

3 F 4 X1
L+
M
c
L
E
L+
L
L+
e
N


+
G Sn
+Ⅱ
冷却曲线 t Ⅱ
Pb
{
含锡量为10％的Pb-Sn合金平衡结晶过程
L

X1合金结晶特点
1.没有共晶反应过程， 而是经过匀晶反应形成 单相固相。
L

T,C L L+

2.要经过脱溶反应， 室温 组织组成物为 + Ⅱ
+ LE M
+ N
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
183

L+
M
L
E
L+
N

+
Pb Sn
X1合金结晶过程分析
T,C 1 2 183 L
匀晶相图——单相固 溶体：
性能与成分呈曲线关 系。溶质浓度↑ → 强度、 硬度↑ 共晶相图——两相混 合物： 性能与成分呈直线关 系。组织越细密，强度越 高，十分细密时偏离直线 ，出现峰值。 化合物： 对应化合物的曲线上 出现奇异点。
4.7.2 合金的工艺性能与相图的关系
铸造性能：
第4章 合金的结构与结晶
4.1 合金中的相 4.2 合金相图的建立 4.3 匀晶相图 4.4 共晶相图 4.5 包晶相图 4.6 其他相图 4.7合金的性能与相图的关系
4.1
合金中的相
合金：一种金属元素与另一种或几种其它 元素，通过熔炼或其它方法结合在一起所形成 的具有金属特性的物质。
组元：组成合金独立的、最基本的单元。 例如：元素、稳定化合物。如，Fe-C合金 中，Fe、C均为组元。 二元合金：由两个组元组成的合金。
T,C
百度文库
T,C L
1
L L+(+ )+
L+
183
L+
M
E
+
L+ N
2
(+ )+
(+ )+ + Ⅱ
Sn
Pb
X3
t
亚共晶合金的平衡结晶过程
(+ )+ + Ⅱ
β II
α
α+β
WSn50%的Pb-Sn合金的显微组织
(+ )+ + Ⅱ