二元合金相图与结晶

一、固溶体
（原子以固溶方式相熔合）
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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)
通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称 为固溶强化 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
3. 固溶体的特点
晶格：与溶剂晶格保持一致 性能：固溶强化 原子熔合方式：物理方式
（二）、金属化合物
金属化合物(中间相): 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 Eg. Fe3C、Cr7C3、Cr23C6
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
假设100克水最多溶解36克食盐
水
食盐
相
0克
100克 100克
20克
20克 40克
固相
液相 液相+固相
二、合金相结构分类
• 平衡：外界条件不变时，体系内各相的成分、 结构和相对量等不发生变化
相律表明：在只受外界温度和压力影响的平衡系统中， 其自由度数等于组元数与相数之差再加上2
在金属及合金的制造和应用过程中，一般都是在 常压下进行的，因此常把压力看成一个常数，相 律的表达式可写成 压力一定时，f=c-p+1
应用 可确定系统中可能存在的最多平衡相数。如单元 系2个，二元系3个。 可以解释纯金属与二元合金的结晶差别。纯金属 结晶恒温进行，二元合金变温进行。
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
特点： 晶格 金属化合物晶格复杂 性能 熔点较高、硬度高、脆性大
三、合金的组织类型 1. 固溶体晶粒组织 固溶体晶胞表示、单相、用α、β、γ表示 2. 金属化合物晶粒组织 金属化合物的晶胞、单相组织、用分子式表示 3. 机械混合物晶粒组织 纯金属、固溶体晶胞或金属化合物各自的混合物， 及它们之间的混合物；多相组织、（ α+β）表示
(5) 固溶体结晶时成分变化 慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀 快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀
枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分分布不均匀
Cu-Ni合金 枝晶偏析示意图
晶内偏析危害： 对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺 性能都不利，降低力学性能、工艺性能。 晶内偏析的消除： (扩散退火)将铸件加热到低于固相线以下 100-200 ℃左右，进行长时间的保温，使偏析 原子互相充分扩散均匀，获得成分均匀的固溶 体
●单相区 L相：液相, Cu和Ni 形成的液溶体; α相：Cu和Ni组成 的无限固溶体。 ●双相区: L + α 相区。
以Cu-Ni相图为例进行分析
Cu-Ni相图
2.匀晶结晶过程
3. 匀晶结晶特点 (1) 形核与长大 与纯金属一样, 固溶体结晶也包括形核、 长大两个过程。固溶体更趋向树枝状长大。 (2) 变温结晶 固溶体结晶在一个温度区间内进行, 变温结晶。
第2章 二元合金相图及结晶
内容提要：
介绍合金中的相、二元合金相图的建立方法
重点阐明匀晶相图、共晶相图的特征、平衡结
晶、组织与力学 性能的影响
2.1 合金的结构与组织
一．基本概念
合金 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
组元：组成合金的独立的、最基本的单元 金属、非金属元素或稳定化合物
● 合金系：指研究的对象。如：Fe-C系，Pb-Sn系等
●
状态：指合金在一定条件下有哪几相组成
二、热分析法建立相图
(a)冷却曲线
(b) 相图
三、相律
由于相平衡条件的约束，处于平衡状态的合金中可能存的 相数，将受到组元数及外界条件的限制，这种限制可从相 平衡的热力学条件推处，这就是相律， 相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相 数和自由度数之间的关系 f=C–P+2 其中f——系统的自由度数，即指独立可变的因素，包括各 组成相的成分、数量及温度、压力等。 C——组元数，P——相数。
(3) 两相的成分确定 在两相区内, 温度一定时, 两相的成分(即L相 中Ni的质量分数和α相中Ni的质量分数)确定。
(4) 两相的质量比一定 在两相区，温度一定时, 两相的质量符合 杠杆定律。 在T1温度时：
QL: L 相的质量 液相的质量分数 : ; Qα:α相的质量; α相的质量分数 a1b1、b1c1 为线段长度。 :
四、杠杆定律
合金总质量为1，液相相对质量为QL，固相相对质量为QS
Q L QS 1
QLx QS x K
Q L Kx Q S xK
注 意
杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点 , 支点为合金的成分点。
杠杆定律只适用于相图中的两相区；
杠杆定律只能在平衡状态下使用。
2.3 二元合金的结晶
1. 固溶体的分类 （1）溶质原子在溶剂晶格中的位置
置换固溶体
间隙固溶体
（2）溶质原子在溶剂中的溶解度
在一定温度和压力条件下，溶质在固溶体中的极 限浓度即为溶质在固溶体中的溶解度
●有限固溶体 超过溶解度有其它相形成 ●无限固溶体 溶质可以任意比例溶入，即 溶质溶解度可达100%
2. 固溶体的性能
一、发生匀晶反应的合金的结晶
1. 基本概念 （1）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变 匀晶反应： L→α固溶体 （2）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。 Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag合金具有匀晶相图。
aa1c 线为液相线,
该线以上合金处于液相; ac1c 线为固相线, 该线以下合金处于固相。