第三章 合金的结构与相图

6 固溶体合金的结晶特点
与纯金属相比, 固溶体结晶特Fra bibliotek： (1) 异分结晶
结晶出的晶体与母相化学成分不同，这种 结晶称为~或选择结晶。
(2) 结晶需要在一定的温度范围内进行
结论：
（1）匀晶转变式：L→α； （2）单相区相成分与合金原始成分一致， 即坐
标点成分；两相区成分：液相成分在液相线 上，固相成分在固相线上； （3）与纯金属不同，合金的结晶过程是在一定 温度范围内进行的，不同温度下两平衡相的 成分不相同，量也不同，两相的相对量可依 据杠杆定律计算得出。
k 成分合金结晶过程分析
T>t1: L (100%) T= t1: L→α(开始) 注： L(100%)+α(0%) T= t2: L→α 注： L+α T= t4: L→α(结束) 注：L(0%)+α(100%) T< t4 : α (100%)
相成分判定方法
单相区: 实际座标点
两相区: 液(固)相成分在
——过渡族元素和原子半经较小的氢、氮、 碳、硼组成。
r非 / r金< 0.59时，形成简单结构的化合 物——间隙相。
r非 / r金> 0.59时，形成复杂晶体结构的化 合物——间隙化合物。
(1) 间隙相
性能：极高的熔点和硬度。 如：VC; TiC; W2C
用途：硬质合金和高硬度工 模具的重要组织组成。
(α+β)共晶
G βⅠ+αⅡ
β先共晶+αⅡ +(α+β)共晶
例题：计算Pb-30%Sn合金冷却到室温时的 相构成与组织构成，共晶体中各相所占的比 例以及βⅡ的百分含量。
如小原子的碳(0.077nm)、氮(0.071nm)、另氧、 氢、硼等非金属原子。 特点：a. 同样会引起点阵畸变；
b. 溶解度与原子大小和溶剂的晶格类型有关； F.C.C 中> B.C.C 中；
c. 间隙固溶体只能是有限固溶体。
3 固溶体的结构特点
(1) 保持着溶剂的晶格类型； (2) 晶格发生畸变
A C
E
DB
F
G
E : 共晶点(包含共晶的成分与温度) 共晶转变式：LE → αC+ βD
——实际转变过程复杂
A
Ⅰ
C
E
B D
αC
L
LE + βD
αC→αF+βG
βD→βG+αF
F
G
αF +
注意：
(1) 共晶转变产物(α+β) 多相邻间隔协 同长大，称为共晶体或共晶组织；
(2)共晶体中随后析出的二次相多依附 于原共晶体生长，故往往观察不到。
二 合金的相结构
（一）固溶体 1、固溶体的分类
置换固溶体
** 按溶质原子在晶格中所占的位置分类 （1）置换固溶体— 溶质原子占据溶剂晶格结 点所形成的固溶体——代位固溶体
90％ Cu-10％Ni合金
（2）间隙固溶体
—— 溶质原子填入溶剂晶格的 空隙位置所形成的固溶体。
间隙固溶体
例： C 固溶于α－Fe中形成间隙固溶体 ┗ 铁素体
温度水平线与液 (固)相线的交点 处
液(固)相线的意义
(1) 表征了各成 分合金的结晶 起始(终止)温度;
(2)表征了各温 度下液固两相达 到平衡时液(固) 相的成分
4 相律（P73～74）
相律表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元 数和相数之间的关系。
数学表达式：f = c - p +2
的方法减轻或消除——又称均匀化退火
二 二元共晶相图
1 定义：两组元在液态无限互溶，在固态时相 互有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的 二元系相图称为二元共晶相图。
Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi 等合金系相图 都是二元共晶相图。
共晶转变式： L （液）→α（固）+ β（固）
2 相图分析
系系 统统 自组 由元 度数
平 恒压条件下：
衡
相 f = c - p +1
数
*** 二元合金系最多存在三相平衡 *** 二元合金系相邻相区的相数相差1
5 杠杆定律
用于确定二元相图中两相区各相的相对含量
証明: 设液相质量为 WL ， 固相的质量为Wα， 则合金的总质量为 WL+ Wα
有: WLCL+ WαCα=(WL+ Wα) C Wα(Cα-C)= WL(C- CL)
βG ββ
αα
(2) 成分Ⅱ(亚共晶成分)结晶过程
A
Ⅱ
成分Ⅱ L
C
E
B
α+ L
D
αC + LE
αC+ (αC+βD)
F
G αF+βG+(αF+βG)
亚共晶成分： C~E
βⅡ
亚共晶转变式： L → αc + (αC +βD)
先共晶相
共晶体(组织)
(3) 成分Ⅲ(过共晶成分)结晶过程
Ⅲ
A
成分Ⅲ L
C
WL ＝ Cα－C ＝ rb Wα C－CL ar
a rb
若将合金成分C的 r 点 看做支点，将WL、Wα看 做作用于a 和 b 的力，则 相当于力学中的杠杆定 律——形象的比喻。
Wα= ( ar / ab )W0
WL = ( rb / ab )W0 ——杠杆定律只适用于 二元相图的两相区
a rb
在常压下， 直角坐标系； 合金成分； 温度； 相状态。
组 元
成 分 线
组 元
B点相状态: α单相
A点相状态: L +α两相
L L +α α
Cu-Ni二元合金相图
二、二元相图的建立
热分析法； 金相法； 膨胀法； 电阻法等。
热分析法
§3 典型相图分析
一、匀晶相图 1 定义：两组元在液态和固态均无限互溶的
其它形状共晶相图
4 合金的组织构成
成分在F~G之间 的合金均由 α+β相构 成；但不同合金中两 相的形成过程与形貌 各不相同。
A
C
E
DB
F
G
亚共晶合金： α
+
(α先共晶和α共晶)
β (βⅡ和β共晶)
共晶合金与过共晶合金呢？
各成分合金的组织构成
A C
B
E
D
αⅠ
F
αⅠ+βⅡ
α先共晶+βⅡ
+(α+β)共晶
(2) 间隙化合物
如钢中的 Fe3C、 Cr23C6、Fe3W3C等。 性能：很高的熔点和硬 度，但不如间隙相 用途：钢中的重要强化 相。
小结
间隙固溶体
固溶体
置换固溶体
有限固溶体
无序固溶体 有限固溶体 无限固溶体 无序固溶体 有序固溶体
金属 化合物
正常价化合物
电子化合物 间隙化合物
间隙相
间隙式金属 化合物
5 枝晶偏析
现象：枝晶内部化学成分不均匀 ——枝晶偏析
什么是枝晶偏析
实际结晶中：冷却过程非无限缓慢，扩 散不完全→ 枝晶内部中心区域与边部区 域化学成分不均匀——称之为枝晶偏析
影响晶内偏析的因素
（1）分配系数k0
k0 = kα / kL 一定温度下液固两 平衡相中的溶质浓度之 比值。
k0 <1
第三章 二元合金的相结构与相图
本章目的： 1 讨论合金中的相概念及其类型； 2 介绍各种类型的基本二元相图； 3 说明相图与合金性能间的对应关系
本章要求
1 组元、相、组织、组织组成物等基本概念； 2 固溶体和化合物的本质区别和性能特点； 3 掌握分析相图的基本方法； 4 正确运用杠杆定律。
§1 合金的相结构
**固溶强化的特点
(1) 溶质与溶剂原子相差越大，溶质原子 浓度越高，所引起的晶格畸变越大，固溶强 化效果越大；
(2) 间隙原子的强化效果比置换原子的大。 因为间隙原子引起的点阵畸变大。 （3）综合机械性能好。适当控制溶质含量， 不仅可以显著提高材料强硬度，而且材料的 塑韧性不会明显降低。
固溶体的应用
二元合金相图。 如Cu―Ni、Ag―Au、Cr―Mo等合金系
2 相图分析 3 合金结晶过程 4 相律 5 二元相图的杠杆定律
液相线
匀晶转变式： L→α
固相线 α
Cu―Ni二元相图
冷却曲线
点：A-纯Cu理论熔点; B-纯Ni理论熔点
线：AB-液相线;
AB-固相线；
区间：两个单相区：L 相、α相
一个两相区：L+α相区
合金系统在一定的外界条件下(温度、压力)， 经历任意长时间后，合金中各相的成分都是均匀、 不变的，且各相的相对重量也不变，则各相处于 平衡状态，称之为相平衡；
这时的相称为这种条件下的平衡相。
如纯铁，在常压下： 1538℃以上—— L为平衡相。 在1538℃时 —— L和δ相两相平衡状态
一、二元相图的表示方法
合金: 一种金属元素与另一种或几种其它元素，
经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性 的物质。
Pb-Sn合金, 钢（Fe-C）, 锡青铜(Cu-Sn(<14%)）
什么是组元？、什么是合金系？
组元——组成合金最基本的、能独立存在的物质。 Fe-C合金：Fe(组元一)-Fe3C(组元二)
合金系——由给定的组元以不同的比例配制成的一系列 成分不同的合金系统。
C 固溶于γ－Fe中形成间隙固溶体 ┗ 奥氏体
** 按固溶度分类
（1）有限固溶体——溶质原子在固溶体中的 浓度有一定的限度，超过这个限度就不再溶解， 这个限度称为固溶度。 （2）无限固溶体——溶质原子能以任意比例 溶入溶剂，固溶度可达到100%。