二元合金相图及其应用
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现象称为枝晶偏析
非平衡结晶时，出现偏析
扩散退火 低于固相线100℃左右
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
铁素 体
奥氏 体
渗碳 体
珠光 体
符号 结构
F 固溶体
σb HB δ10(%) ak （Rm） A11.3 (J/cm2) (Mpa)
250 80 50 300
A 固溶体
Fe3C
30
P
机械混合物 750
强化材料的方法之一
固溶强化：通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材 料强度增加的现象称为固溶强化。
纯铜的 σb（Rm） 为220MPa, 40HB, ψ（Z） 为70%。
Cu＋1%镍
390MPa, 70HB, 50%。
所以固溶体的综合机械性能很好, 常常作为结构 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。
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。
3、渗碳体：
Fe C3 ，6.69%，
正交晶格 Cementite 弥散强化－第二相
质点强化
σb（Rm） 30MPa
800 HBW
复杂的斜方晶格
过共晶白口铸铁组织 Fe3CⅠ+Ldˊ
固相线
A
α
Cu X’
k
X’’ Ni
Ni%→
也即：
QL
x '' k x '' x '
Qa
kx' x '' x '
于是：
kx’
Q a kx '
QL
x '' k
QL
与力学中的杠杆定律完全类似
x’’k Qα
二、杠杆定律的适用范围
• 二元平衡相图 • 两相平衡区 注意： 杠杆定律不能用于三相平衡区！
5. 固溶体结晶时成分是变化的 在一个晶粒内化学成分的分布不均。这种
03第三章二元合金相图及其应用
相：在一个物系中，性质完全相同的均匀部分。 合金中，具有相同化学成分，相同结构，并与 其它部分有界面分开的均匀组成部分。
指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、 同一结构并以界面相互隔开的均匀组成部 分。
J N
温度
L
b1
L+α
a1
a2
α+β1
α
β1 d
c
b2
α+β2 e β2
2. 固溶体结晶在一个温度区间内进行, 即为一个变 温结晶过程
自由度：平衡体系中能独立改变、但不影响原有的 平衡的参数数目
N＝C－P＋2 自由度＝组元数－相数＋1
3. 在两相区内, 温度一定时, 两相的成分(即Ni含量) 是确定的
4. 在两相区内, 温度一定时, 两相的重量比是一定 的
杠杆定律证明
间隙固溶体中的点阵畸变
溶质原子的分布形式： 1.溶质原子的分布完全随机，完全无序 2.若同类原子结合力较强，会产生溶质原子 的偏聚 3.若异类原子的结合力较强，则溶质原子趋 于以异类原子为邻的短程有序分布
完全无序
偏聚
短程有序
3、固溶强化：由于溶质原子的溶入，固溶
体的强度硬度提高的现象 4、性能：强硬度低，塑韧性好，易于锻压
符号 结构
F 固溶体
σb HB δ10(%) ak （Rm） A11.3 (J/cm2) (Mpa)
250 80 50 300
A 固溶体
Fe3C
30
P
机械混合物 750
800 约为0 0
180 20～ 30～40 25
铁 素 体
奥氏体
珠光体
珠光体＋二次渗碳体
3.1相图的建立
热分析法 计算自由能 膨胀法 电阻法 X射线法 磁性分析法
800 约为0 0
180 20～ 30～40 25
5 铁碳合金中的固溶体
F 1）铁素体： 碳溶解在体心立方的α-Fe中形成 的固溶体
0.0218% 727℃ ferrite
抗拉强度极限 σb（Rm）
180MPa～
230MPa
规定非比例延伸强度RP0.2 100MPa～170MPa
பைடு நூலகம்
延伸率 δ （A）
30%～50%
断面收缩率 ψ（Z）
70%～80%
f
β1+β2
A
B%→
g
B
具有共析反应的二元合金相图
包晶相图
含有稳定化合物的相图
一、合金中的基本相和基本组织
（一）固溶体 1、定义：合金组元在固态下相互溶解，构成
的单一均匀的晶体 2、分类： 置换固溶体 间隙固溶体
H
Cu-Ni
N
Fe-Mn
C
Cu-Au
B
置换固溶体：溶质原子引起的点阵畸 变
溶入同量溶质原子时，△R越大，引起的晶格畸变越大， 畸变能越高，极限溶解度就越小
金属材料内部的微观形貌称做显微组织(简称组织)。 组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种 相组成
组织组成物：指的是构成显微组织的独立部分， 可以是单相，也可一是两相或者多相混合物。
铁碳合金中的组织
组成物：铁素体、
奥氏体、渗碳体、 珠光体和莱氏体。
铁素体 珠光体
铁素 体
奥氏 体
渗碳 体
珠光 体
冲击韧性 ak 硬度
1.6～2×106J/m2 50HBW～80HBW
F－工业纯铁
的组织
A 2）奥氏体： 碳溶解在面心立方的γ-Fe中形
成的固溶体
2.11% 1148℃ austenite
(二）金属化合物
1、由各组元按一定的整数比化合而成的具有 金属特性的物质，或称中间相。
晶格类型和特性完全不同于任一组元 2、性能特点：硬而脆
3.2 匀晶相图
二组元在液态无限互溶，在固态也无限互 溶的合金系－－匀晶系
其相图－匀晶相图 结晶过程－匀晶反应 Cu-Ni相图为典型的匀晶相图 单相区 双相区 Fe-Cr、Au-Ag合金也具有匀晶相图
Cu－Ni相图－匀晶相图－热分析法
铜镍二元合金相图
匀晶结晶特点
1.也包括有生核与长大两个过程, 但固溶体更趋于 呈树枝状长大
（三）机械混合物
由两种或两种以上的相按一定比例混 合而成的组织
1、珠光体：P 由铁素体和渗碳体组成。
平均0.77% pearlite
2、莱氏体：Ld 由奥氏体和渗碳体组成。
4.3% ledebur
黑色 ：渗碳体
黑色A，白色Fe3C
铁碳合金中的相和组织组成物
铁碳合金中的相有：铁素体、奥氏体和渗碳体
杠杆定律是计算合金平衡组织中的组成相 或组织组成物的质量分数的重要工具。
一、杠杆定律的推导
设液相的相对质量为QL，固相α的相对质量为Qα，则：
Qa QL 1
温度，℃
L
Qa x '' QL x ' k
液相线
B
解得：
QL
x,, k x '' x '
Qa
k x' x'' x '
t1
L+α
非平衡结晶时，出现偏析
扩散退火 低于固相线100℃左右
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
铁素 体
奥氏 体
渗碳 体
珠光 体
符号 结构
F 固溶体
σb HB δ10(%) ak （Rm） A11.3 (J/cm2) (Mpa)
250 80 50 300
A 固溶体
Fe3C
30
P
机械混合物 750
强化材料的方法之一
固溶强化：通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材 料强度增加的现象称为固溶强化。
纯铜的 σb（Rm） 为220MPa, 40HB, ψ（Z） 为70%。
Cu＋1%镍
390MPa, 70HB, 50%。
所以固溶体的综合机械性能很好, 常常作为结构 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。
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。
3、渗碳体：
Fe C3 ，6.69%，
正交晶格 Cementite 弥散强化－第二相
质点强化
σb（Rm） 30MPa
800 HBW
复杂的斜方晶格
过共晶白口铸铁组织 Fe3CⅠ+Ldˊ
固相线
A
α
Cu X’
k
X’’ Ni
Ni%→
也即：
QL
x '' k x '' x '
Qa
kx' x '' x '
于是：
kx’
Q a kx '
QL
x '' k
QL
与力学中的杠杆定律完全类似
x’’k Qα
二、杠杆定律的适用范围
• 二元平衡相图 • 两相平衡区 注意： 杠杆定律不能用于三相平衡区！
5. 固溶体结晶时成分是变化的 在一个晶粒内化学成分的分布不均。这种
03第三章二元合金相图及其应用
相：在一个物系中，性质完全相同的均匀部分。 合金中，具有相同化学成分，相同结构，并与 其它部分有界面分开的均匀组成部分。
指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、 同一结构并以界面相互隔开的均匀组成部 分。
J N
温度
L
b1
L+α
a1
a2
α+β1
α
β1 d
c
b2
α+β2 e β2
2. 固溶体结晶在一个温度区间内进行, 即为一个变 温结晶过程
自由度：平衡体系中能独立改变、但不影响原有的 平衡的参数数目
N＝C－P＋2 自由度＝组元数－相数＋1
3. 在两相区内, 温度一定时, 两相的成分(即Ni含量) 是确定的
4. 在两相区内, 温度一定时, 两相的重量比是一定 的
杠杆定律证明
间隙固溶体中的点阵畸变
溶质原子的分布形式： 1.溶质原子的分布完全随机，完全无序 2.若同类原子结合力较强，会产生溶质原子 的偏聚 3.若异类原子的结合力较强，则溶质原子趋 于以异类原子为邻的短程有序分布
完全无序
偏聚
短程有序
3、固溶强化：由于溶质原子的溶入，固溶
体的强度硬度提高的现象 4、性能：强硬度低，塑韧性好，易于锻压
符号 结构
F 固溶体
σb HB δ10(%) ak （Rm） A11.3 (J/cm2) (Mpa)
250 80 50 300
A 固溶体
Fe3C
30
P
机械混合物 750
800 约为0 0
180 20～ 30～40 25
铁 素 体
奥氏体
珠光体
珠光体＋二次渗碳体
3.1相图的建立
热分析法 计算自由能 膨胀法 电阻法 X射线法 磁性分析法
800 约为0 0
180 20～ 30～40 25
5 铁碳合金中的固溶体
F 1）铁素体： 碳溶解在体心立方的α-Fe中形成 的固溶体
0.0218% 727℃ ferrite
抗拉强度极限 σb（Rm）
180MPa～
230MPa
规定非比例延伸强度RP0.2 100MPa～170MPa
பைடு நூலகம்
延伸率 δ （A）
30%～50%
断面收缩率 ψ（Z）
70%～80%
f
β1+β2
A
B%→
g
B
具有共析反应的二元合金相图
包晶相图
含有稳定化合物的相图
一、合金中的基本相和基本组织
（一）固溶体 1、定义：合金组元在固态下相互溶解，构成
的单一均匀的晶体 2、分类： 置换固溶体 间隙固溶体
H
Cu-Ni
N
Fe-Mn
C
Cu-Au
B
置换固溶体：溶质原子引起的点阵畸 变
溶入同量溶质原子时，△R越大，引起的晶格畸变越大， 畸变能越高，极限溶解度就越小
金属材料内部的微观形貌称做显微组织(简称组织)。 组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种 相组成
组织组成物：指的是构成显微组织的独立部分， 可以是单相，也可一是两相或者多相混合物。
铁碳合金中的组织
组成物：铁素体、
奥氏体、渗碳体、 珠光体和莱氏体。
铁素体 珠光体
铁素 体
奥氏 体
渗碳 体
珠光 体
冲击韧性 ak 硬度
1.6～2×106J/m2 50HBW～80HBW
F－工业纯铁
的组织
A 2）奥氏体： 碳溶解在面心立方的γ-Fe中形
成的固溶体
2.11% 1148℃ austenite
(二）金属化合物
1、由各组元按一定的整数比化合而成的具有 金属特性的物质，或称中间相。
晶格类型和特性完全不同于任一组元 2、性能特点：硬而脆
3.2 匀晶相图
二组元在液态无限互溶，在固态也无限互 溶的合金系－－匀晶系
其相图－匀晶相图 结晶过程－匀晶反应 Cu-Ni相图为典型的匀晶相图 单相区 双相区 Fe-Cr、Au-Ag合金也具有匀晶相图
Cu－Ni相图－匀晶相图－热分析法
铜镍二元合金相图
匀晶结晶特点
1.也包括有生核与长大两个过程, 但固溶体更趋于 呈树枝状长大
（三）机械混合物
由两种或两种以上的相按一定比例混 合而成的组织
1、珠光体：P 由铁素体和渗碳体组成。
平均0.77% pearlite
2、莱氏体：Ld 由奥氏体和渗碳体组成。
4.3% ledebur
黑色 ：渗碳体
黑色A，白色Fe3C
铁碳合金中的相和组织组成物
铁碳合金中的相有：铁素体、奥氏体和渗碳体
杠杆定律是计算合金平衡组织中的组成相 或组织组成物的质量分数的重要工具。
一、杠杆定律的推导
设液相的相对质量为QL，固相α的相对质量为Qα，则：
Qa QL 1
温度，℃
L
Qa x '' QL x ' k
液相线
B
解得：
QL
x,, k x '' x '
Qa
k x' x'' x '
t1
L+α