合金的结构与相图.
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铁碳合金的结构和其相图
➢ 以0.45%C旳钢为例 ➢ 合金在4点此前经过匀晶—
包晶—匀晶反应全部转变为
。到4点，由 中析出 。
Ⅲ
A
H
B
J
G S
P
+Fe3C
到5点, 成份沿GS线变到S点， 发生共析反应转变为珠光体。 温度继续下降， 中析出Fe3CⅢ，因为与共析Fe3C结合, 且 量少, 忽视不计。
工程技术学院
亚共析钢旳结晶过程
莱氏体
工程技术学院
PSK：共析线
S ⇄FP+ Fe3C
共析转变旳产物是 与
Fe3C旳机械混合物，称 作珠光体，用P表达。
L+δ
δ+
L+
+
L+ Fe3C + Fe3C
F+ Fe3C
珠光体
➢ 珠光体旳组织特点是两
相呈片层相间分布,性能 介于两相之间。 PSK线 又称A1线 。
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⑶ 其他相线 ✓ GS,GP— ⇄ 固溶体
➢⒈ 组元：Fe、 Fe3C ➢⒉ 相
➢⑴ 铁素体：
➢ 碳在-Fe中旳固溶体称
铁素体, 用F 或 表达。 ➢ 碳在δ-Fe中旳固溶体称δ -铁素体，用δ 表达。
铁素体
➢ 都是体心立方间隙固溶体。铁素体旳溶碳能力很低,在
727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。
➢ 铁素体旳组织为多边形晶粒，性能与纯铁相同。
转变线, GS又称A3 线。 ✓ HN,JN—δ⇄ 固溶体转
变线。 ✓ ES—碳在 -Fe中旳固溶
线。又称Ac m线。 ✓ PQ—碳在-Fe中旳固溶
线。
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⒊ 相区
⑴ 五个单相区：
包晶—匀晶反应全部转变为
。到4点，由 中析出 。
Ⅲ
A
H
B
J
G S
P
+Fe3C
到5点, 成份沿GS线变到S点， 发生共析反应转变为珠光体。 温度继续下降， 中析出Fe3CⅢ，因为与共析Fe3C结合, 且 量少, 忽视不计。
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亚共析钢旳结晶过程
莱氏体
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PSK：共析线
S ⇄FP+ Fe3C
共析转变旳产物是 与
Fe3C旳机械混合物，称 作珠光体，用P表达。
L+δ
δ+
L+
+
L+ Fe3C + Fe3C
F+ Fe3C
珠光体
➢ 珠光体旳组织特点是两
相呈片层相间分布,性能 介于两相之间。 PSK线 又称A1线 。
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⑶ 其他相线 ✓ GS,GP— ⇄ 固溶体
➢⒈ 组元：Fe、 Fe3C ➢⒉ 相
➢⑴ 铁素体：
➢ 碳在-Fe中旳固溶体称
铁素体, 用F 或 表达。 ➢ 碳在δ-Fe中旳固溶体称δ -铁素体，用δ 表达。
铁素体
➢ 都是体心立方间隙固溶体。铁素体旳溶碳能力很低,在
727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。
➢ 铁素体旳组织为多边形晶粒，性能与纯铁相同。
转变线, GS又称A3 线。 ✓ HN,JN—δ⇄ 固溶体转
变线。 ✓ ES—碳在 -Fe中旳固溶
线。又称Ac m线。 ✓ PQ—碳在-Fe中旳固溶
线。
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⒊ 相区
⑴ 五个单相区：
合金相图.ppt
1、铜镍合金相图相区分析 液相线tAa2aa1tB：开始结晶的温度线。 固相线tAb2cb1tB ：结晶终止线。 由线包围的区域称为相区
单相区：液相线以上为液体L 固相线以下为固溶体α
双相区：固液相线之间L、α两相 同时共存，以L+α表示
二、匀晶相图 2 、合金的结晶过程 匀晶转变的结晶过程：L→L+α →α
性能: 一般较硬、脆
三、机械混合物
液态金属在平衡凝固时形成的两种固溶体或 固溶体加金属化合物的混合物(机械混合物)
单一固溶体：强度、硬度较低 单一化合物：硬而脆 机械混合物——不是一种单一相
3.2 二元合金相图
概念： 合金相图是用图解的方法表示不同 温度及成分下合金系中各相的平衡 关系，又称平衡图或状态图。
❖ 共晶转变：一个液相在冷却过程中 同时结晶出两个结构不同的固相的转变。 即：L+
❖共晶体：共晶转变所得的两相机械混合物。
❖共晶相图：具有共晶转变的相图。 如Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、Ag-Cu和Mg-Al等。
1、Pb－Sn合金相图分析
• ⑴ 相：L、、
——Sn在 Pb中的固溶体， ——Pb 在Sn中的固溶体。
AS 727℃
( AE + Fe3C ) Ld ( FP + Fe3C ) P
A T°
G
Fe - FEeCF3线C:共相晶转图变
匀晶相图
L L→L共d(晶A+相F图e3C)
D
G时S不线同（成AL3分+）的A：A开冷始却
A
析出铁素体F的温度线
铁碳合金：铁和碳两种元素组成的合金。 铁碳相图：研究钢铁成分、组织和性能
之间关系的理论基础，制定 热加工工艺的依据。
单相区：液相线以上为液体L 固相线以下为固溶体α
双相区：固液相线之间L、α两相 同时共存，以L+α表示
二、匀晶相图 2 、合金的结晶过程 匀晶转变的结晶过程：L→L+α →α
性能: 一般较硬、脆
三、机械混合物
液态金属在平衡凝固时形成的两种固溶体或 固溶体加金属化合物的混合物(机械混合物)
单一固溶体：强度、硬度较低 单一化合物：硬而脆 机械混合物——不是一种单一相
3.2 二元合金相图
概念： 合金相图是用图解的方法表示不同 温度及成分下合金系中各相的平衡 关系，又称平衡图或状态图。
❖ 共晶转变：一个液相在冷却过程中 同时结晶出两个结构不同的固相的转变。 即：L+
❖共晶体：共晶转变所得的两相机械混合物。
❖共晶相图：具有共晶转变的相图。 如Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、Ag-Cu和Mg-Al等。
1、Pb－Sn合金相图分析
• ⑴ 相：L、、
——Sn在 Pb中的固溶体， ——Pb 在Sn中的固溶体。
AS 727℃
( AE + Fe3C ) Ld ( FP + Fe3C ) P
A T°
G
Fe - FEeCF3线C:共相晶转图变
匀晶相图
L L→L共d(晶A+相F图e3C)
D
G时S不线同（成AL3分+）的A：A开冷始却
A
析出铁素体F的温度线
铁碳合金：铁和碳两种元素组成的合金。 铁碳相图：研究钢铁成分、组织和性能
之间关系的理论基础，制定 热加工工艺的依据。
第三章合金的结构与相图
硬性和耐磨性，是高合金钢和 结
硬质合金中的重要组成相。
构
如：W2C, VC, TiC, MoC, TiN, VN 等。
35
② 间隙化合物
当（d非 /d过）>0.59时，形成
的间隙化合物一般具有复杂的 晶格结构。 如：Fe3C, dC/dFe =0.61, 正交 晶格 特点： 熔点、硬度更高
作用： 在钢中也起强化相作用。
27
1. 根据溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同， 可将固溶体分为（ ）和（ ）。 2. 相是指合金中（ ）与（ ）均匀一致的组成部分。 3. 固溶体与金属间化合物在晶体结构和力学性能 方有何不同?
28
特点与变化
晶粒的大小与形状无 明显的变化； 位错密度变化不大； 电阻明显降低； 强度硬度略有降低，
可能形成无限固溶体；
对于间隙固溶体，则只能形成有限固溶体。
18
3 按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分
➢ 无序固溶体：溶质原子呈无序分布的固溶体； ➢ 有序固溶体：溶质原子呈有序分布的固溶体； ➢间隙固溶体都 是无序固溶体。
19
（三）、影响固溶体结构形式和溶解度的因素
1. 原子大小
溶剂与溶质的原子直径差别：
铁原子 碳原子
通常固溶体不能用一个化学式表示
12
（一）. 溶质元素在固溶体中的溶解度
固溶体的浓度： 溶质原子溶于固溶体中的量，称为固溶体的浓度。
质量百分比： C=（溶质元素的质量/固溶体的质量）100% 原子百分比： C=（溶质元素的原子数/固溶体的总原子数）100%
固溶体的溶解度： 在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度称 为溶质元素在固溶体中的溶解度。
31
1、金属间化合物的种类
硬质合金中的重要组成相。
构
如：W2C, VC, TiC, MoC, TiN, VN 等。
35
② 间隙化合物
当（d非 /d过）>0.59时，形成
的间隙化合物一般具有复杂的 晶格结构。 如：Fe3C, dC/dFe =0.61, 正交 晶格 特点： 熔点、硬度更高
作用： 在钢中也起强化相作用。
27
1. 根据溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同， 可将固溶体分为（ ）和（ ）。 2. 相是指合金中（ ）与（ ）均匀一致的组成部分。 3. 固溶体与金属间化合物在晶体结构和力学性能 方有何不同?
28
特点与变化
晶粒的大小与形状无 明显的变化； 位错密度变化不大； 电阻明显降低； 强度硬度略有降低，
可能形成无限固溶体；
对于间隙固溶体，则只能形成有限固溶体。
18
3 按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分
➢ 无序固溶体：溶质原子呈无序分布的固溶体； ➢ 有序固溶体：溶质原子呈有序分布的固溶体； ➢间隙固溶体都 是无序固溶体。
19
（三）、影响固溶体结构形式和溶解度的因素
1. 原子大小
溶剂与溶质的原子直径差别：
铁原子 碳原子
通常固溶体不能用一个化学式表示
12
（一）. 溶质元素在固溶体中的溶解度
固溶体的浓度： 溶质原子溶于固溶体中的量，称为固溶体的浓度。
质量百分比： C=（溶质元素的质量/固溶体的质量）100% 原子百分比： C=（溶质元素的原子数/固溶体的总原子数）100%
固溶体的溶解度： 在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度称 为溶质元素在固溶体中的溶解度。
31
1、金属间化合物的种类
合金的结构及相图 ppt课件
• 是由第一族元素、过渡族元素与第二至第 五族元素结合而成
• 此类化合物不遵守原子价规律，而是服从 电子浓度规律，即按照一定的电子浓度组 成一定的晶格结构的化合物
• 电子浓度是化合物中价电子数与原子数之 比
课件
17
• 如CuZn化合物，其原子数为2，Cu的价电 子数为1，Zn 价电子数为2，故其电子浓度 为3/2。
课件
34
课件
35
2) 两平衡相相对量的确定
• 在两相区内，对特定的温度，两相的质量 比是一定值。图12-28(b)中wNi=x%成分的 合金，在T1温度时，两相的质量之比，可 用下式表达：
m l xc m a ax
• 式中：ml为L相的质量；ma为相反质量； xc、ax为线段长度。
课件
36
质量相对量wl、wa可由式下计算：
课件
25
在下面的讨论中将用到以下这些概念：
• 组元：组成合金的最简单、最基本、能独立存在的物质称 为组元。元素是组元。此外，在研究问题范围内既不分解 也不发生任何化学反应的稳定的化合物也是组元。
• 合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系 列不同成分的合金，称为合金系。
• 相图：表示合金系在平衡条件下，合金的状态与成分、温 度之间相互关系的图形。所谓平衡，也称为相平衡。是指 合金在相变过程中，原子能充分扩散，各相的成分相对质 量保持稳定，不随时间改变的状态。在实际的加热或冷却 过程中，控制十分缓慢的加热或冷却速度，就可以认为是 接近了相平衡条件。
课件
33
(3) 杠杆定律
• 当合金处于两相区内任一温度时，L、α相 的成分及两相的相对量可按下述方法确定 ：
1) 两相成分的确定 • 如图1.2-27所示，过温度（t1）作水平线，
• 此类化合物不遵守原子价规律，而是服从 电子浓度规律，即按照一定的电子浓度组 成一定的晶格结构的化合物
• 电子浓度是化合物中价电子数与原子数之 比
课件
17
• 如CuZn化合物，其原子数为2，Cu的价电 子数为1，Zn 价电子数为2，故其电子浓度 为3/2。
课件
34
课件
35
2) 两平衡相相对量的确定
• 在两相区内，对特定的温度，两相的质量 比是一定值。图12-28(b)中wNi=x%成分的 合金，在T1温度时，两相的质量之比，可 用下式表达：
m l xc m a ax
• 式中：ml为L相的质量；ma为相反质量； xc、ax为线段长度。
课件
36
质量相对量wl、wa可由式下计算：
课件
25
在下面的讨论中将用到以下这些概念：
• 组元：组成合金的最简单、最基本、能独立存在的物质称 为组元。元素是组元。此外，在研究问题范围内既不分解 也不发生任何化学反应的稳定的化合物也是组元。
• 合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系 列不同成分的合金，称为合金系。
• 相图：表示合金系在平衡条件下，合金的状态与成分、温 度之间相互关系的图形。所谓平衡，也称为相平衡。是指 合金在相变过程中，原子能充分扩散，各相的成分相对质 量保持稳定，不随时间改变的状态。在实际的加热或冷却 过程中，控制十分缓慢的加热或冷却速度，就可以认为是 接近了相平衡条件。
课件
33
(3) 杠杆定律
• 当合金处于两相区内任一温度时，L、α相 的成分及两相的相对量可按下述方法确定 ：
1) 两相成分的确定 • 如图1.2-27所示，过温度（t1）作水平线，
合金的晶体结构与相图
固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。 随温度下降， 固溶体重量增加， 液相重量减少。同 时，液相成分沿液 相线变化，固相成
分沿固相线变化。
１﹑二元匀晶相图
成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最
后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时 固溶体的成分又变回
到合金成分3上来。
液固相线不仅 是相区分界线, 也是 结晶时两相的成分变 化线；匀晶转变是变
2.金属化合物
金属化合物主要性能：
（1）具有一定程度的金属性质 （2）具有较高的熔点 （3）硬度较高 （4）脆性高
3.机械混合物
机械混合物：纯金属，固溶体，金属化合物均是组成合金 的基本相，有两相或两相以上组成的多相组织。 性能： 1）﹑介于各组成相性能之间，各组成相晶格类型和 性能不变。 2）﹑和单一固溶体合金相比，强度﹑硬度高，但塑 性﹑可锻性低。
固溶体类型
置 换 固 溶 体 Z
置换原子
Z
间 隙 固 溶 体
间隙原子
Y Y
X X
2.金属化合物
金属化合物：是合金各组元原子按一定整数比形成 的具有金属性质的一种新相。
结构特点：具有原子整数倍的关系，可用分子式表
示：如Fe3C。
溶剂A+溶质B = C bcc 例如： 3Fe 体心 HB δ 80 50% fcc + C 六方 3 0% cph = Fe3C 复杂结构 800 0%
x x1 Qα x 2 x1
这种在一个晶粒内化学成分不均匀的现象，叫晶内偏析。 因为金属通常以枝晶方式结晶，先形成的主干和后形成的支 干就会有化学成分之差，所以也称枝晶偏析。
（２）枝晶偏析： 出现枝晶偏析后，使 合金材料的机械性能﹑ 耐蚀性能和加工工艺性 能变坏。 消除枝晶偏析的措施： 均匀化退火（扩散退火）:把有枝晶偏析的合金放在低于固相 线100～200℃的温度下进行较长时间的加热，通过原子的相互 扩散而使成分趋于均匀。
3.1-3.3 合金的结构及平衡相图
二元合金相图
热分析法
以热分析法为例说明如何测绘Cu-Ni相图，其步骤如下： 1. 按质量分数先配制一系列具有代表性成分不同的Cu-Ni合金。 2. 测出上述所配合金及纯Cu、纯Ni的冷却曲线。 3. 求出各冷却曲线上的临界点。 (曲线的转折点) ( ) 4. 将各临界点投到对应的合金成分-温度坐标中，每个临界点 在二元相图中对应一个点。 5. 连接各相同意义的临界点(开始点或终了点)，并做出相应的 曲线。 6.用相分析法测出相图中各相区所含的相，将他们的名称填入 相应的相区内，就得到了Cu-Ni合金的二元相图。
Pb-Sn共晶相图 共晶相图 α固溶体合金（含Sn量小于19％的Pb-Sn合金）
二元合金相图
Pb-Sn共晶相图 共晶相图
共晶合金
二元合金相图
Pb-Sn共晶相图 共晶相图
共晶组织的形成
球形共晶的形核与长大
二元合金相图
Pb-Sn共晶相图 共晶相图
共晶合金
二元合金相图
二元合金相图
Pb-Sn共晶相图 共晶相图
当溶质与溶剂原子半径的比值 rb/ra＜0.59时，形成间隙固溶体。 溶质原子填充到溶剂晶格的间隙中形成间隙固溶体，如图所示。 形成间隙固溶体的溶质原子通常都是一些原子半径小的非金属元 素，如氢(0.046nm), 氧(0.061nm), 氮(0.071nm), 碳(0.077nm), 硼 (0.097nm), 溶剂则大多数是过渡族元素。 溶剂原子 溶质原子
二元合金相图
Pb-Sn共晶相图 共晶相图
• 区： 三个单相区：L、α、β 三个两相区：L+α、L+β、α+β
• α固溶体合金（含Sn量小于19％的Pb-Sn合金） • 共晶合金（含Sn量为61.9％的Pb-Sn合金） • 亚共晶合金（含Sn量为大于19％小于61.9％的Pb-Sn 合金）
第二章 合金的结构及相图
3.金属化合物 3.金属化合物
合金组元形成晶格类型与任一组元的晶格类型都不相同
按化合价规律形成， 正常价化合物 —— 按化合价规律形成，如，Mg2Si 。 按电子浓度规律形成， 电子化合物 —— 按电子浓度规律形成，如，Cu3Al 。 间隙化合物 —— 过渡金属+小半径非金属元素 过渡金属+
{ 复杂结构的间隙化合物
杠杆定律：在两相区内，对 杠杆定律：在两相区内， 随着温度的降低， 2. 在两相区内， 1. 在两相区内， ， 随着温度的降低 应每一确定的温度T1 对应 T1， 应每一确定的温度T1，两相 每一确定的温度， 两相的成分分别沿液 每一确定的温度， 质量的比值是确定的。 两 质量的比值是确定的。即
相线和固相线变化。 相的成分是确定的。 相线和固相线变化 相的成分是确定的。 QL/Qα=b1c1/a1b1
18 20
30 40
66 60 Ni%
80
100
答：所求合金在 1280 °时α相的 Ni 相对质量为1/4。
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
2．共晶相图
液相线 铅-锡合金共晶相图
T,°C °
固相线
α
Pb
L+ α
L
L+ β
β
Sn
α固溶线 β固溶线
α+β
Sn%
共晶转变分析
T,°C °
α
Pb
L+ α
c
L
d
L+ β
e
β
共晶反应线 表示从c点到 点到e点 表示从 点到 点 范围的合金， 范围的合金，在 该温度上都要发 生不同程度上的 共晶反应。 共晶反应。 共晶点 表示d点成分的合 表示 点成分的合 Sn 金冷却到此温度 上发生完全的共 晶转变。 晶转变。
第2章合金的相结构与二元合金相图
缓冷
有序变化：导致合金硬度、脆性增加，塑性、电阻率下降。
固态合金中的相结构
完全无序
第二章
偏聚
部分有序
完全有序
固态合金中的相结构
第二章
（二）溶质元素在固溶体中的溶解度
c
溶质元素的质量 固溶体的总质量
100％
质量分数
c
溶质元素的原子数 固溶体的总原子数
100％
摩尔百分数
固态合金中的相结构
第二章
（三）影响固溶体结构和溶解度的因素
第二章
（2）具有复杂结构的间隙化 合物
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要 组成相，具有复杂斜方晶格。
化合物也可溶入其它元素原
Fe3C的晶格
子，形成以化合物为基的固
溶体。
高温合金中的Cr23C6
（3） 拉弗斯相： 组元间的原子尺寸之差处于间隙化合 物与电子化合物之间。
第二章
3、电子含量因素（原子价因素）: 电子含量：各组成元素的价电子数的总和与原子数的比值。 如溶质的摩尔分数为 x ％ ，则电子含量表示为：
c e a [xv u(100 x)]/100 一定形式的固溶体，能稳定地存在于一定的电子含量范围内。 一价金属溶剂，bcc电子极限含量1.36
fcc电子极限含量1.48
固态合金中的相结构
第二章
4.相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面 分开的物质均匀组成部分，称之为相。
5.组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大 小、方向、形状、分布及相互结合状态。
(a)纯铁单相显微组织
(b)Al+Cu两相显微组织
固态合金中的相结构
第二章
在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分， 可分为固溶体和中间相两大类。
有序变化：导致合金硬度、脆性增加，塑性、电阻率下降。
固态合金中的相结构
完全无序
第二章
偏聚
部分有序
完全有序
固态合金中的相结构
第二章
（二）溶质元素在固溶体中的溶解度
c
溶质元素的质量 固溶体的总质量
100％
质量分数
c
溶质元素的原子数 固溶体的总原子数
100％
摩尔百分数
固态合金中的相结构
第二章
（三）影响固溶体结构和溶解度的因素
第二章
（2）具有复杂结构的间隙化 合物
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要 组成相，具有复杂斜方晶格。
化合物也可溶入其它元素原
Fe3C的晶格
子，形成以化合物为基的固
溶体。
高温合金中的Cr23C6
（3） 拉弗斯相： 组元间的原子尺寸之差处于间隙化合 物与电子化合物之间。
第二章
3、电子含量因素（原子价因素）: 电子含量：各组成元素的价电子数的总和与原子数的比值。 如溶质的摩尔分数为 x ％ ，则电子含量表示为：
c e a [xv u(100 x)]/100 一定形式的固溶体，能稳定地存在于一定的电子含量范围内。 一价金属溶剂，bcc电子极限含量1.36
fcc电子极限含量1.48
固态合金中的相结构
第二章
4.相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面 分开的物质均匀组成部分，称之为相。
5.组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大 小、方向、形状、分布及相互结合状态。
(a)纯铁单相显微组织
(b)Al+Cu两相显微组织
固态合金中的相结构
第二章
在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分， 可分为固溶体和中间相两大类。
合金的结构和相图
3.共析相图： 一定成分的固相，在一定温度下，同时 析出两种化学成分和晶格结构完全不同的新固相，这个 转变过程称为共析反应。
1.匀晶相图
（1）匀晶相图分析
匀晶相图分析
图中只有两条曲线，其中Al1B称为液相线，是各 种成分的合金在冷却时开始结晶或加热时熔化终 止的温度；Aα4B称为固相线，是各种成分的合金 在加热时开始熔化或冷却时结晶终止的温度。显 然，在液相线以上为液相单相区，以L表示；在固 相线以下为固相单相区，各种成分的合金均呈α固 溶体，以α表示；在液相线与固相线之间是液相与 α固溶体两相共存区，以α+L表示。A点是Cu的熔 点，B点是Ni的熔点。
共析相图
第三节 合金性能与相图的关系
合金的使用性能决定于合金的成分和组织， 而合金的结晶特点又影响了其工艺性能。由 于相图是表示合金的结晶特点及成分、温度 及组织之间的关系的，因此，相图和合金性 能之间存在着一定的联系。掌握这些规律， 对选用和配制合金是必要的。
一、合金力学性能与相图的关系
二、合金铸造性能与相图的关系
成分
SB
100%B
温 度
L + SA
共晶相图
L
L
+
Y℃ SB
SA+SB
SA+(SA+SB)
SB +(SA+SB)
100%A
X% 成分
100%B
共晶相图
温
LX Y℃ SA+SB
度
SA L
L
L
L
SA +
L
+
SA
SA
L
Y℃ SB
SA+(SA+SB)
SB +(SA+SB)
1.匀晶相图
（1）匀晶相图分析
匀晶相图分析
图中只有两条曲线，其中Al1B称为液相线，是各 种成分的合金在冷却时开始结晶或加热时熔化终 止的温度；Aα4B称为固相线，是各种成分的合金 在加热时开始熔化或冷却时结晶终止的温度。显 然，在液相线以上为液相单相区，以L表示；在固 相线以下为固相单相区，各种成分的合金均呈α固 溶体，以α表示；在液相线与固相线之间是液相与 α固溶体两相共存区，以α+L表示。A点是Cu的熔 点，B点是Ni的熔点。
共析相图
第三节 合金性能与相图的关系
合金的使用性能决定于合金的成分和组织， 而合金的结晶特点又影响了其工艺性能。由 于相图是表示合金的结晶特点及成分、温度 及组织之间的关系的，因此，相图和合金性 能之间存在着一定的联系。掌握这些规律， 对选用和配制合金是必要的。
一、合金力学性能与相图的关系
二、合金铸造性能与相图的关系
成分
SB
100%B
温 度
L + SA
共晶相图
L
L
+
Y℃ SB
SA+SB
SA+(SA+SB)
SB +(SA+SB)
100%A
X% 成分
100%B
共晶相图
温
LX Y℃ SA+SB
度
SA L
L
L
L
SA +
L
+
SA
SA
L
Y℃ SB
SA+(SA+SB)
SB +(SA+SB)
合金的结构与相图(材料第三章)
x x1 x2 x1
式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、
x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。
23
因此两相的相对 重量百分比为：
QL
xx 2 x1x2
ob ab
Q
x1x x1x2
ao ab
两相的重量比为：
Q Q Lx x1x 2x (a o)o b或 Q Lx1xQ x2x
化， Ⅱ的重量增加。
F4
室温下Ⅱ的相对重量百分比为：QⅡ
F
1 G
0% 0
由于二次
相析出温
度较低，
一般十分
细小。
Q
Q Ⅱ
36
Ⅰ合金室温组织
为 + Ⅱ 。
A C
F
B 成分大于 D点合金结晶
E
D
过程与Ⅰ合金相似，室
温组织为 + Ⅱ 。
G 37
② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共
第三章 合金的结构与相图
第一节 固态合金中的相结构 第二节 二元合金相图的建立 第三节 匀晶相图 *第四节 二元共晶相图 *第五节 二元包晶相图 *第六节 形成稳定化合物的二元合金相图 *第七节 具有共析反应的二元合晶相图 第八节 合金的性能与相图之间的关系
1
第一节 固态合金中的相结构
合金是指由两种或两种以上 元素组成的具有金属特性的 物质。
固态合金中的相分为固溶体
和金属化合物两类。
两相 合金
3
一、 固溶体 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固
相称固溶体。习惯以、、表示。
与合金晶体结构相同的元素称溶 剂。其它元素称溶质。
第二章合金的结构和相图
例. 碳钢中的铁素体和奥氏体就是碳原子 溶入了α – Fe（溶解度为0.0218％)和γ – Fe（溶解度为2.11%)中形成两种间隙固溶 体。
3）固溶强化
• 由于溶质原子的溶入，导致溶剂晶格 发生畸变，增加位错运动阻力，使合金的 塑性变形抗力增加，强度、硬度提高的现 象称为固溶强化。 • 它是金属材料强化的重要途径。
四、 铁碳合金
（一）纯铁的冷却曲线
1600 1538℃ 温 1500 度 1394℃ δ - Fe 1400 1300 1200 A4 γ - Fe 1100 1000 912℃ 900 A3 770℃ 800 700 α - Fe A2 具 600 有 500 磁 A3 A2 时间 为纯铁的临界点
2、金属化合物（看书）
金属化合物是合金组元之间相互发生作用而 形成具有金属特性的一种新相。金属化合物的晶格 类型不同于组成它的任一组元，具有复杂的晶格类 型。根据形成条件及晶体结构可以分成三种： 1）正常价化合物：化学式符合化合价，象Mg2Si 2）电子化合物： 不符合化合价规律而是按照一定
的电子浓度组成。象 β 电子化合 物CuZn的含锌量为36.8～56.5％。 3）间隙化合物： 同样不符合化合价规则。主要决 定于二组元的原子半 径。象过渡元 素（Fe，Cr 等）和 非金属元素
的。
当合金冷却到t3时，最后 一滴L3成分的液体也转变为 固溶体，此时固溶体的成分 又变回到合金成分3上来。
（3）（枝晶偏析）
合金的结晶只有在缓慢冷 却条件下才能得到成分均匀的 固溶体。 但实际冷速较快，结晶时固 相中的原子来不及扩散，使先 结晶出的枝晶轴含有较多的高 熔点元素（如Cu-Ni合金中的 Ni）, 后结晶的枝晶间含有较 多的低熔点元素(如Cu-Ni合金 中的Cu)。
[工学]第3章 合金的结构与相图
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即得到Cu、Ni合金相图。
用热分析法测定Cu、Ni相图
a）冷却曲线
b）相图
§3匀晶相图
一、相图分析
二、合金的结晶过程
三、二元相图的杠杆定律
四、固溶体合金中的偏析
两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶的二元合
金系所形成的相图，称为匀晶相图。
匀晶转变：结晶时从液相中结晶出单相固溶体，这种 结晶过程称为匀晶转变。
两种化学成分和晶格结构完全不同
的新固相的转变过程，称为共析过 程。
共析转变属于固态相变的一种类型。和共晶反
应一样是由一个相分解为两个相的三相平衡等温
转变。共析转变的特点是：由特定成分的单相固
态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具
有一定晶体结构的固相。
由于共析反应是在固态下进行的，其原子扩散条
二、金属间化合物
若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相
是组成元素间相互作用而生成的一种新物质，属
于化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的β相
（CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等，
都是化合物。
金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶
格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。钢
中渗碳体（Fe3C）是由铁原子和碳原子所组成的
一、固溶体
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称为固溶体。
固溶体中的晶格畸变示意图 a)间隙固溶体 b)置换固溶体 （一）固溶体的结构与分类 1、置换固溶体 2、间隙固溶体
1、置换固溶体
溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而
组成的固溶体称置换固溶体。
溶质原子在溶剂晶格结点上呈无序分布的置换
用热分析法测定Cu、Ni相图
a）冷却曲线
b）相图
§3匀晶相图
一、相图分析
二、合金的结晶过程
三、二元相图的杠杆定律
四、固溶体合金中的偏析
两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶的二元合
金系所形成的相图，称为匀晶相图。
匀晶转变：结晶时从液相中结晶出单相固溶体，这种 结晶过程称为匀晶转变。
两种化学成分和晶格结构完全不同
的新固相的转变过程，称为共析过 程。
共析转变属于固态相变的一种类型。和共晶反
应一样是由一个相分解为两个相的三相平衡等温
转变。共析转变的特点是：由特定成分的单相固
态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具
有一定晶体结构的固相。
由于共析反应是在固态下进行的，其原子扩散条
二、金属间化合物
若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相
是组成元素间相互作用而生成的一种新物质，属
于化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的β相
（CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等，
都是化合物。
金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶
格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。钢
中渗碳体（Fe3C）是由铁原子和碳原子所组成的
一、固溶体
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称为固溶体。
固溶体中的晶格畸变示意图 a)间隙固溶体 b)置换固溶体 （一）固溶体的结构与分类 1、置换固溶体 2、间隙固溶体
1、置换固溶体
溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而
组成的固溶体称置换固溶体。
溶质原子在溶剂晶格结点上呈无序分布的置换
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金属材料重要的强化方式之一，固溶体具有良好的 综合机械性能（强硬度、塑韧性的综合），一般作 为合金的基体相。
正常晶格
原子引起 的畸变
金属化合物：溶质原子与金属溶剂原子相互反应
形成的合金相称为金属化合物。
性能特点
化合物性能：熔点高、硬度高，脆性大。
结构判断
反应
金属化合物C形成新结构与A、B组元结构无关。
R溶质 R溶剂
0.59
置换固溶体
间隙固溶体
按固态溶解度分：
有限固溶体：间隙固溶体只能是有限固溶体 无限固溶体：无限固溶体只能是置换固溶体
形成无限固溶体的必备条件：
置换固溶体 组元点阵相同 原子尺寸相差不大 负电性相同
固溶体的性能
固溶强化：
溶质溶于溶剂中使固溶体的强度、硬度随溶质原子浓 度升高而明显增加，塑性、韧性稍有下降的现象。
不同的相构成不同的组织！ 相同的相，但当组成相的数量、大小、 形态和分布不同时，其组织也不同！
合金中的基本相：
固溶体 —— 溶质原子溶于溶剂晶格中，保 持溶剂晶格的合金相。 化合物——合金组元形成晶格类型与任一 组元都不相同的新相。
固溶体：溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相
称为固溶体。 “固体溶液”
mL/m=b1c1/a1b1 相线和固相线变化。 相的成分是确定的。
1455
c1
相区内，对应温度T1 T1 时两相在合金b中的相 T2 对质量各为
c 杠杆定律推论：在两
mL =b1c1/a1c1
20
b 40
Ni
60 Ni%
80
100
m =a1b1/a1c1 =1- mL
共晶相图
共晶相图：液相两组元无限互溶，固相两组元有 限溶解的合金系，当溶质超出固溶体溶解极限时， 冷却过程中发生共晶转变，这类合金构成的相图 称为共晶相图。
4 将各个成分垂线上具有相同意义的点连接成线，再加上标
注。
相图的建立
建立Cu-Ni相图
液相线
温 度
温 度
固相线
时间
成分
二元状态图的基本类型
二元匀晶相图
二元共晶相图
二元包晶相图 二元合金相图
形成稳定化合物的相图
具有共析转变的相图
其他二元合金相图
重点固态均能无限互 溶时所构成的相图称为匀晶相图。
金属化合物
合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相
正常价化合物 —— 按化合价规律形成，如，Mg2Si。 电子化合物 —— 按电子浓度规律形成，如，Cu3Al。 间隙化合物 —— 过渡金属+小半径非金属元素 间隙相 如，WC、TiC、VC 复杂结构的间隙化合物 如，Fe3C、Cr23C6
弥散均匀分布在基体上
液相
固液两相
固相 X Y
% Y 增加
匀晶相图分析（Cu-Ni合金为例）
液相线 T,C 1500 1400 1300 1200 1100 1083 1000 纯铜 熔点 Cu 固相区 20 40 60 Ni% 80 液相区 L
1455
L+
纯镍 熔点
100
固相线
Ni
液固两相区
匀晶相图结晶过程分析
相图的坐标系（成分—温度）
组元A
温 度 表象点
组元B
成分 合金中A、B含量的变化线
相律
Gibbs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。 f=c-p+2 其中系统的自由度数是指在保持合金系的相 的数目不变的情况下，合金系中可以独立改变的、 影响合金状态的内部及外部因素的数目。 当系统的压力为常数时， f=c-p+1
杠杆定律
二元合金相图的两相区内温 度一定时，两相的重量比是 一定的
杠杆定律的力学比喻
杠杆定律 杠杆定律：在两相区内，对
T,C L 1500 1 1400 a1 b 1300 1 L+ 1200 1100a 1083 2 1000 Cu
2. 1. 随着温度的降低， 在两相区内，对应 应每一确定的温度 T1，两相 质量的比值是确定的。即 两相的成分分别沿液 每一确定的温度，两
弥散强化
相图
平衡是指在一定条件下合金系中参与 相变过程的各相的成分和质量分数不 再变化所达到一种状态。合金在极其 缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般 可以认为是平衡的结晶过程。
相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件
和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图 或状态图，是合金体系中材料的状态与温度、成分 间关系的简明图解。
晶体结构特点
均一的、保持溶剂金属的晶体结构 晶格常数发生一定变化
结构判断
溶解
若A为溶剂且结构为bcc，则固溶体C的结构为bcc， 跟B组元无关。
固溶体的分类
按溶质原子所占据的位置
置换固溶体：溶质原子一般为半径相差不大的原子 间隙固溶体：溶质原子半径小的非金属原子 （H、O、N、C、B）
合金的相结构
思考
1. 纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差， 如何改善？ 2. 合金的结构是否与纯金属的结构相同？
合金的相结构
基本概念
固溶体
金属化合物
合金：由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元
素，也可以是非金属元素）组成的有金属特征的金属 材料。
思考
金属与非金属组成的是不是一定就是合金？
二元合金相图的建立
建立相图最常用方法是热分析法。它是通过测量相变时的热
效应（即相变时放出热量或吸收热量）来确定相变时的临界温度
。
相图的建立
二元合金相图的绘制步骤
1 配制不同成分的二元合金； 2 作出每个合金的冷却曲线； 3 建立T-x坐标系，把每个合金冷却曲线上的临界点分别标 在各个合金的成分垂线上。
Fe + C
Fe(C)合金（钢） Fe3C (化合物）
组元：
组成合金独立的最基本单元。组元可以是元 素或是稳定化合物。
相：
具有相同结构，相同成分和性能（也可以是 连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成 部分，如液相、固相是两个不同的相。 类比 鸡蛋 蛋白、蛋黄
组织：
用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像的统 称（宏观组织、微观组织）。组织是影响材料性 能的重要因素。 相是组织的基本组成部分
Cu-Ni合金结晶过程示意图
匀晶相图不平衡结晶
匀晶相图不平衡结晶
成分偏析
冷速过快（非平衡状态）→先结晶与后结晶的 晶粒成分不同（枝干与枝晶）→扩散不均匀→ 枝晶偏析
对策：扩散退火
相图的使用
由相图某成分合金在某温度时的相 由相图确定给定合金的相变温度 由相图某成分合金在某温度时的两个 平衡相的成分和相对质量－杠杆定律