二元合金的相图
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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。
二元合金相图
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。
L
+ L
A
80 100
Ni
W C u (% )
Cu
三、合金的平衡结晶过程
所谓平衡结晶过程是指合金从液态无限缓慢冷却、 原子扩散非常充分，冷却过程中每一时刻都能达 到相平衡条件的一种结晶过程。
1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 0 20 40 60 80 100
相 图
由 相 图 可
即表示在平衡条件下合金组织与成分、温度之间关
系的图形。合金相图又称合金平衡图或合金状态图
了解合金系中不同成分和温度下的相 的种类、相的成分及相的相对含量。
了解 了解合金在加热和冷却过程中的转变 并预测其性能的变化规律。 相
图
进行材料研究，金相分析，制定热、 的 铸、锻、焊等热加工工艺规范的重要依据 作用 和有效工具。
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。
C u20% C u60%C u80% C u Ni C u40%
二元合金相图
（3）过共析钢：室温组织为珠光体和网状二次渗碳体(P+Fe3CⅡ)。随着 合金中含碳量的增加，组织中网状二次渗碳体的量增多。
（4）共晶白口铁：共晶白口铁的室温组织为变态莱氏体(Ld′)。
（5）亚共晶白口铁：室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体 (P+Fe3CⅡ+Ld′)。随着含碳量的增加，组织中变态莱氏体量增多。
五、 Fe-Fe3C相图
PQ线：碳在α -Fe中的溶解度曲线。 碳在 α -Fe 中的溶解度随温度的下降而减小，在 727℃时溶解度 为0.0218%(P点)，到600℃时降为0.008%(Q点)。 因此，铁碳合金从727℃向下冷却时，多余的碳从铁素体中以渗 碳体的形式析出，这种渗碳体称为三次渗碳体。用符号Fe３CⅢ表示。 因其数量极少，常予以忽略。 （3）相图中的相区 单相区：L、F、A、Fe3C。 两相区：L+A、L+Fe3C、F+A、 A+Fe3C、F+Fe3C。 三相区（三相平衡线）：ECF、 PSK。
六、 钢铁材料生产简介
钢铁材料是工程实践中应用最广泛的金属材料，是现代工 业特别是机械制造业的重要支柱。 钢铁材料的生产过程，一般是由钢铁厂先用铁矿石等原料 经过高炉冶炼成生铁. 再用生铁或加入废钢等在炼钢炉内冶炼成钢液，将钢液浇 注成钢锭，最后通过轧制等压力加工方法制成各种钢材。 （1） 炼铁 铁是组成铁碳合金的组元，是钢铁材料的基本组成元素。 自然界中的铁以各种化合物的形式存在，并同其他元素的 化合物混合在一起形成矿石. 炼铁的过程实质上就是将铁从其化合物中还原出来，并同 其他元素相分离的过程。
属化合物，用化学式Fe３C表示。
性能：渗碳体中碳的质量分数为 6.69% ，熔点为 1227℃， 硬度很高(800HBW)，塑性和韧性很低，脆性大。 作用：渗碳体是钢中主要的强 化相，它的数量、形状、大小及分 布状况对钢的性能影响很大。
（4）共晶白口铁：共晶白口铁的室温组织为变态莱氏体(Ld′)。
（5）亚共晶白口铁：室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体 (P+Fe3CⅡ+Ld′)。随着含碳量的增加，组织中变态莱氏体量增多。
五、 Fe-Fe3C相图
PQ线：碳在α -Fe中的溶解度曲线。 碳在 α -Fe 中的溶解度随温度的下降而减小，在 727℃时溶解度 为0.0218%(P点)，到600℃时降为0.008%(Q点)。 因此，铁碳合金从727℃向下冷却时，多余的碳从铁素体中以渗 碳体的形式析出，这种渗碳体称为三次渗碳体。用符号Fe３CⅢ表示。 因其数量极少，常予以忽略。 （3）相图中的相区 单相区：L、F、A、Fe3C。 两相区：L+A、L+Fe3C、F+A、 A+Fe3C、F+Fe3C。 三相区（三相平衡线）：ECF、 PSK。
六、 钢铁材料生产简介
钢铁材料是工程实践中应用最广泛的金属材料，是现代工 业特别是机械制造业的重要支柱。 钢铁材料的生产过程，一般是由钢铁厂先用铁矿石等原料 经过高炉冶炼成生铁. 再用生铁或加入废钢等在炼钢炉内冶炼成钢液，将钢液浇 注成钢锭，最后通过轧制等压力加工方法制成各种钢材。 （1） 炼铁 铁是组成铁碳合金的组元，是钢铁材料的基本组成元素。 自然界中的铁以各种化合物的形式存在，并同其他元素的 化合物混合在一起形成矿石. 炼铁的过程实质上就是将铁从其化合物中还原出来，并同 其他元素相分离的过程。
属化合物，用化学式Fe３C表示。
性能：渗碳体中碳的质量分数为 6.69% ，熔点为 1227℃， 硬度很高(800HBW)，塑性和韧性很低，脆性大。 作用：渗碳体是钢中主要的强 化相，它的数量、形状、大小及分 布状况对钢的性能影响很大。
二元合金相图ppt课件
共晶 ]
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28
2、共晶合金室温平衡组织特征
共晶组织的基本特征是 两相均匀并交替分布， 根据合金组元的不同，共晶组织的形态各异， 有层片状、棒状、球状、针状、螺旋状等。
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29
（Pb-Sn）共晶组织（层片状）
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30
（Al-Si）共晶组织（针状）
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共晶合金结精选晶版课过件p程pt 分析
+ +
t/s
27
概括起来，共晶合金平衡结晶过程为： 共晶温度以上： 液态L61.9 共晶温度： 共晶转变 L61.919 97.5
共晶温度以下： 二次结晶 Ⅱ ， Ⅱ
室温组织： （+）共晶 [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：（+）
V1×10%+V2×30精%选=版2课0件%p×pt (V1+V2)
11
这种方法可推广到固相和固液混合相
如图：成分为C的Ni-Cu合金，缓冷到t℃时,根据相图分 析：（Ⅰ）此状态下存在哪几相？（Ⅱ）各相的成分如 何？（Ⅲ）各相的数量（绝对数量与相对数量）？
（Ⅰ）由相图可知，C点
1500
存在L+α两相区
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。
精选版课件ppt
6
（一）二元合金相图的建立 （以Cu-Ni二元合金为例）
1、建立相图的思路：
二元共晶相图：两组元在液态下无限互溶，冷却 时发生共晶转变的二元精选合版课金件p相pt 图叫二元共晶相图。21
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
第19页/共59页
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
第3页/共59页
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：
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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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二元合金相图
2 ,2 dG ,dG
dG=dG +dG
dG =2 dn dG =2 dn 2 且-dn =dn 2 (守恒) 2 2 dG=2 dn +2 dn 2 =(2 -2 )dn 2 2
组元2从α相自动地转移到β相和条件是
严重枝晶偏析会使铸件力学性能降低，枝晶
空隙位置有夹杂(低熔点)，抗蚀能力下降。 可利用扩散退火，在低于固相线100~200℃ 长期保温来消除枝晶偏析。
有些匀晶合金系相图具有极大或极
小点---在恒温下凝固。极大点，极 小点合金凝固时，液固相成分相同， 减少了一个确定合金状态的变量。 该合金相律公式修改为f=c-p
b/M B h= a/M A b / M B
1.4. 相图的物理意义
a.已知合金成分，根据相图找出不同温度下
合金所处的状态和相变点。 b.温度一定，合金所处的状态以及合金随成 分发生的相转变。 二元相图通常用纵坐标表示温度，横坐标表 示成分
第二节 二元相图
2.1. 二元相图的建立
形态(千姿百态) ： 片层状，棒状(条状或纤维状)， 球状(短棒状)，针片状，细螺状(实际上是层片状 共晶体的一种变态) ★影响因素：形貌受多种因素影响，其中两个组成 相的本质是主要因素 ★凝固时，液固相界面微观粗糙的相是金属相，界 面光滑的相是非金属相。
金属—金属型共晶体 (粗糙—粗糙型)组织
片层状或棒状、带状、纤维状 金属—金属和金属---金属间化合物共晶
★形核与长大：
两组成相是不会同时形核，首先形核的叶领先相，
然后两相交替生长，互相创造条件。 而且α片与α片，β片与β片常以搭桥方式互相联 系形成整体。
第四章二元合金相图PPT课件
又因为：Q合金=QL+Qa 所以（QL+Qa ）% × b%=QL% × a%+Qa % × c%
由杠杆定律可算出在T1时液相和固相在合金中的质量 分数：
运用杠杆定律时要注意: 只适用于相图中两相区并且只能在平衡状态下使用。 杠杆定律的应用：
1、确定某一温度下两平衡相的成分 2、确定某一温度下两平衡相的相对量
（a）冷却曲线 （b）Cu-Ni相图
三、相律
相律是分析和使用相图的重要理论依据，它表示 在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平 衡相数之间的关系式。在衡压条件下，其数学 表达式为: f=c-p+1 式中 f－自由度数 c－组元数 p－平衡相数
第二节 二元合金相图的基本类型
一、匀晶相图及固溶体的结晶 Isomorphous Phase Diagrams
共晶合金组织的形态
( 机械混合物，两相交 替分布其中黑色片层为 α 相，白色基体为β 相）
（3）合金III的平衡结晶过程
（ 亚共晶合金）结晶过程分三个阶段，即匀晶反应+共晶反应 +二次结晶反应。
L
L+a初 L+a初+（ ac+βd)
a初+（ ac+βd)
（ a初+βII）+（ a+β）
合金的室温 和β。
其结晶过程与合金iii相似只是匀晶产物为初晶二次结晶产物为4合金的平衡结晶过程进化心理学综合了进化生物学的各种理论和当代心理学的研究法则主张用进化论的视野来看待和研究人格问题为人格心理学核心概念的建构提供了一个系统的框架
工程材料与热加工基础
The Fundamentals of Engineering Materials & Heat
由杠杆定律可算出在T1时液相和固相在合金中的质量 分数：
运用杠杆定律时要注意: 只适用于相图中两相区并且只能在平衡状态下使用。 杠杆定律的应用：
1、确定某一温度下两平衡相的成分 2、确定某一温度下两平衡相的相对量
（a）冷却曲线 （b）Cu-Ni相图
三、相律
相律是分析和使用相图的重要理论依据，它表示 在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平 衡相数之间的关系式。在衡压条件下，其数学 表达式为: f=c-p+1 式中 f－自由度数 c－组元数 p－平衡相数
第二节 二元合金相图的基本类型
一、匀晶相图及固溶体的结晶 Isomorphous Phase Diagrams
共晶合金组织的形态
( 机械混合物，两相交 替分布其中黑色片层为 α 相，白色基体为β 相）
（3）合金III的平衡结晶过程
（ 亚共晶合金）结晶过程分三个阶段，即匀晶反应+共晶反应 +二次结晶反应。
L
L+a初 L+a初+（ ac+βd)
a初+（ ac+βd)
（ a初+βII）+（ a+β）
合金的室温 和β。
其结晶过程与合金iii相似只是匀晶产物为初晶二次结晶产物为4合金的平衡结晶过程进化心理学综合了进化生物学的各种理论和当代心理学的研究法则主张用进化论的视野来看待和研究人格问题为人格心理学核心概念的建构提供了一个系统的框架
工程材料与热加工基础
The Fundamentals of Engineering Materials & Heat
二元合金相图分析实例
“二元合金相图的基本类型和分析”部分结束！ 请转入：
“铁碳合金相图及应用”
2．Cu-Ni合金的平衡结晶过程如b)图所示。 3．杠杆定理 不同条件下相的成分及其相对量可用杠杆定理求得。 1）确定两平衡相的成分 如图（a）所示，水平线与液相线L的交点 2）确定两平衡相的相对量
x1பைடு நூலகம்即为相的成分。
方法是：
① 设试验合金重量为1，液、固相重量分别为QL、QS ，则 QL+QS =1；
3．共析转变 由图分析可知： ① 从固相中同时析出两种不同新相的反应称为共析反应。 ② 共析反应的产物为共析物。 ③ 由于共析反应在固态进行，所以共析组织比共晶组织要细 得多。
六、二元相图的分析与应用
1．二元相图的分析步骤
1）若有稳定化合物，则将其看作一独立组元，把相图分成 几个部分分析。 2）相区接触法则： 二元相图中，相邻相区中的相数只相差一个（点接触 除外）。分析时首先熟悉单相区中的相，再根据相区接触 法则辨别其它相区。
3）找出与三相共存水平线点接触的三个单相区，确定三相平衡 转变的性质和反应式。 4）在两相平衡区，可应用杠杆定律求出各相的相对量。 2．相图的应用 ① 相图反映了合金的成分与组成相之间的关系，而组成相的本质 及其相对含量与合金力学性能、物理化学性能密切相关。 ② 相图反映了合金的结晶特性。 ③ 在某种程度上可根据相图来判断合金力学性能、物理化学性能 及合金的铸造性能。如图所示。 ④ 相图也是制定热处理和热变形工艺的重要依据。
② 设液、固相含Ni浓度分别为x1、x2，x为试验合金中的平均 含Ni量(%)，则
QL x1 Qs x2 x
可得:
QL x2 x x2 x1
；
x x1 Qs x2 x1
二元合金相图(很好很强大)
种直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。
.2
精品课件
温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶格 不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相— 相。
由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。
H
精品课件
由 析出的二次 用Ⅱ 表示。
随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线
fefe3c相图恒温下由一个固相同时恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同析出两个成分结构不同共析反应共析反应恒温下由一个液相包着恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新一个固相生成另一个新包晶反应包晶反应恒温下由一个液相同时恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不结晶出两个成分结构不共晶反应共晶反应说明说明反应式反应式图形特征图形特征反应名称反应名称常见三相等温水平线上的反应作出典型合金冷却曲线示意图二元合金冷却曲线的特征是
精品课件
⑶ 组织组成物在相图上的标注
组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。
Ⅰ和Ⅰ, Ⅱ 和Ⅱ,共晶 体(+)都
是组织组成 物。
相与相之间的
差别主要在
结构和成分
上。
精品课件
组织组成物之间的差别主要在形态上。如Ⅰ 、 Ⅱ和 共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形
态不同，分属不同的组织组成物。
于温度t 的o点作水平线，
其与液固相线交点a、b所 t
对应的成分x1、x2即分别
为液相和固相的成分。
精品课件
1
2
② 确定两平衡相的相对重量
设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。
则 QL + Q =1
QL x1 +
Q x2 =x
.2
精品课件
温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶格 不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相— 相。
由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。
H
精品课件
由 析出的二次 用Ⅱ 表示。
随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线
fefe3c相图恒温下由一个固相同时恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同析出两个成分结构不同共析反应共析反应恒温下由一个液相包着恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新一个固相生成另一个新包晶反应包晶反应恒温下由一个液相同时恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不结晶出两个成分结构不共晶反应共晶反应说明说明反应式反应式图形特征图形特征反应名称反应名称常见三相等温水平线上的反应作出典型合金冷却曲线示意图二元合金冷却曲线的特征是
精品课件
⑶ 组织组成物在相图上的标注
组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。
Ⅰ和Ⅰ, Ⅱ 和Ⅱ,共晶 体(+)都
是组织组成 物。
相与相之间的
差别主要在
结构和成分
上。
精品课件
组织组成物之间的差别主要在形态上。如Ⅰ 、 Ⅱ和 共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形
态不同，分属不同的组织组成物。
于温度t 的o点作水平线，
其与液固相线交点a、b所 t
对应的成分x1、x2即分别
为液相和固相的成分。
精品课件
1
2
② 确定两平衡相的相对重量
设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。
则 QL + Q =1
QL x1 +
Q x2 =x
第4章第2节二元合金相图PPT课件
第2节 二元相图及应用
重点：应用相图说明合金的 组织和性能。 难点：、合金的结晶过程。 学时：2 学时。
❖ 合金相图：
①是用图解的方法表示不同 成分、温度下合金中相的 平衡关系，即成分-温度相三者关系。
②由于相图是在极其缓慢 的冷却条件（退火）下测 定的,又称为平衡相图。
❖ 相图主要作用：
①根据相图可以了解不同成 分合金在温度变化时的相 变及组织形成规律。
3）特征线（5条）
aeb — 为液相线； amenb — 为固相线；
mf和ng — 代表两固溶体ɑ 和 β溶解度曲线；
men —— 一段水平线又称共 晶反应线，成分在该范围 内的合金都将发生共晶反 应。
4）特征区（7个区）
❖ 3个单相区： L、ɑ 和β； ❖ 3个双相区：（L+ ɑ ）、（
L+β）和（ ɑ +β）； ❖ 1个三相区：（L+ ɑ +β）
③但两相十分细密时，合金 的强度、硬度将偏离直线 关系而出现峰值。
2、合金成分与合金铸造性能 之间关系
❖ 固溶体合金:
当相线与液相线距离 越大，越容易产生偏析和 分散缩孔。
❖ 共晶合金:
具有最好的流动性， 并在结晶时易形成集中缩 孔。
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
ɑ +（ ɑ +β）+βⅡ
❖ 其中ɑ 、（ ɑ +β）、βⅡ
均称为合金的组织组成物 ，是合金显微组织的独立 部分。
三、共析相图
1、特点 ❖ 上部分为匀晶相图， ❖ 下部分类似共晶相图。
匀
晶
相
γ
图
γ
共析合金
重点：应用相图说明合金的 组织和性能。 难点：、合金的结晶过程。 学时：2 学时。
❖ 合金相图：
①是用图解的方法表示不同 成分、温度下合金中相的 平衡关系，即成分-温度相三者关系。
②由于相图是在极其缓慢 的冷却条件（退火）下测 定的,又称为平衡相图。
❖ 相图主要作用：
①根据相图可以了解不同成 分合金在温度变化时的相 变及组织形成规律。
3）特征线（5条）
aeb — 为液相线； amenb — 为固相线；
mf和ng — 代表两固溶体ɑ 和 β溶解度曲线；
men —— 一段水平线又称共 晶反应线，成分在该范围 内的合金都将发生共晶反 应。
4）特征区（7个区）
❖ 3个单相区： L、ɑ 和β； ❖ 3个双相区：（L+ ɑ ）、（
L+β）和（ ɑ +β）； ❖ 1个三相区：（L+ ɑ +β）
③但两相十分细密时，合金 的强度、硬度将偏离直线 关系而出现峰值。
2、合金成分与合金铸造性能 之间关系
❖ 固溶体合金:
当相线与液相线距离 越大，越容易产生偏析和 分散缩孔。
❖ 共晶合金:
具有最好的流动性， 并在结晶时易形成集中缩 孔。
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
ɑ +（ ɑ +β）+βⅡ
❖ 其中ɑ 、（ ɑ +β）、βⅡ
均称为合金的组织组成物 ，是合金显微组织的独立 部分。
三、共析相图
1、特点 ❖ 上部分为匀晶相图， ❖ 下部分类似共晶相图。
匀
晶
相
γ
图
γ
共析合金
第二节二元合金相图
Sn
固溶线
固溶线
+
1）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点（是 Sn% 亚共晶、过共晶合金成分分界点）等。 2）线：液相线、固相线；溶解度曲线；共晶线等。 3）区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。
2.共晶转变分析
T,C
L+
M
L
E
L+
N
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 生不同程度上的 共晶反应。
两点：纯组元的熔点 两线：L, S相线 三区：L, α, L+α。
1455
纯镍 熔点 固相线 Ni 100
液固两相区
铜-镍合金匀晶相图
2、合金的结晶过程
形核和晶粒的长大
能量起伏 、结构起伏、成分起伏
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license.
(2)X1合金结晶过程分析（ 2％< Wsn<19％L）
T,C
T,C
1 2 183 L
3
L+
M
L
E
L+
L
L+
N
+ Ⅱ
Sn
+
g
Ⅱ
Pb
{
f 4
X1
冷却曲线 t
(3)X2合金结晶过程分析
（共晶合金）
L
T,C
T,C L
(+ )
L
183
固溶线
固溶线
+
1）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点（是 Sn% 亚共晶、过共晶合金成分分界点）等。 2）线：液相线、固相线；溶解度曲线；共晶线等。 3）区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。
2.共晶转变分析
T,C
L+
M
L
E
L+
N
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 生不同程度上的 共晶反应。
两点：纯组元的熔点 两线：L, S相线 三区：L, α, L+α。
1455
纯镍 熔点 固相线 Ni 100
液固两相区
铜-镍合金匀晶相图
2、合金的结晶过程
形核和晶粒的长大
能量起伏 、结构起伏、成分起伏
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning ™ is a trademark used herein under license.
(2)X1合金结晶过程分析（ 2％< Wsn<19％L）
T,C
T,C
1 2 183 L
3
L+
M
L
E
L+
L
L+
N
+ Ⅱ
Sn
+
g
Ⅱ
Pb
{
f 4
X1
冷却曲线 t
(3)X2合金结晶过程分析
（共晶合金）
L
T,C
T,C L
(+ )
L
183
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。
金属学第四章 二元合金相图
热分析法 利用合金在转变时伴有热学性能变化的特性，通
过测量系统温度的变化来得到临界温度，从而建立起
相图。
热分析法建立二元合金相图的步骤
• 将给定两组元配制成一系列不同成分的合金； • 将它们分别熔化后在缓慢冷却的条件下，分别测出它 们的冷却曲线； • 找出各冷却曲线上的相变临界点（曲线上的转折点） ； • 将各临界点注在温度——成分坐标中相应的合金成分 线上； • 连接具有相同意义的各临界点，并作出相应的曲线； • 用相分析法测出相图中各相区（由上述曲线所围成的 区间）所含的相，将它们的名称填入相应的相区内， 即得到一张完整的相图。
c
L+ L+
+
f
Ag%
g
Ag
+ Ⅱ
t
4.3.4. 共析相图
共析转变：
T,C
( + ) 共析体 L L+
A
+
c
+ d
e
+
B
4.4 相图与性能的关系
1. 合金的使用性能与相图的关系
● 固溶体中溶质浓度↑ → 强度、硬度↑ ● 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。
T,C
固相线
Pb
L+
L
L+
Sn
固溶线 固溶线
+
Sn%
共晶转变分析
T,C
Pb
L+
c
L
d
L+
e
共晶反应线 表示从c点到e点 范围的合金，在 该温度上都要发 生不同程度上的 共晶反应。
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+ 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
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。
T,C
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
L
T,C
3 F 4 X1
L+
M
c
LEL+ 来自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
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。
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。
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。
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
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：
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
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。
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
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。
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。
+ 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
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
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。
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）
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。