第三章 二元合金相图汇总
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03第三章二元合金相图及相变PPT课件
.2
28
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
29
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线变
化， Ⅱ的重量增加。
温度继续下降，将从一次
和共晶 中析出Ⅱ，从 共晶 中析出Ⅱ。其室温 组织为Ⅰ+ (+) + Ⅱ。
亚共晶合金 的结晶过程
39
④ 过共晶合金结晶过程 与亚共晶合金相似, 不同的
是一次相为 , 二次相为Ⅱ 室温组织为Ⅰ+(+ )+Ⅱ。
40
Pb-Sn合金的结晶过程
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。
螺旋状（Zn-Mg3）4
在共晶转变过程中，L、
、 三相共存，三个相
的量在不断变化，但它们 各自成分是固定的。
共晶组织中的相称共晶相.
共晶转变结束时， 和
相的相对重量百分比为：
C(19.2)
E(61.9) D(97.5)
QC ED D 10% 09 9..7 7 5 5 1 6..9 1 2 910% 04.5 4%
x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。 10
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
11
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆 定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温 度下与各自相区距离较远的成分线段之比。
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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
29
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线变
化， Ⅱ的重量增加。
温度继续下降，将从一次
和共晶 中析出Ⅱ，从 共晶 中析出Ⅱ。其室温 组织为Ⅰ+ (+) + Ⅱ。
亚共晶合金 的结晶过程
39
④ 过共晶合金结晶过程 与亚共晶合金相似, 不同的
是一次相为 , 二次相为Ⅱ 室温组织为Ⅰ+(+ )+Ⅱ。
40
Pb-Sn合金的结晶过程
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。
螺旋状（Zn-Mg3）4
在共晶转变过程中，L、
、 三相共存，三个相
的量在不断变化，但它们 各自成分是固定的。
共晶组织中的相称共晶相.
共晶转变结束时， 和
相的相对重量百分比为：
C(19.2)
E(61.9) D(97.5)
QC ED D 10% 09 9..7 7 5 5 1 6..9 1 2 910% 04.5 4%
x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。 10
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
11
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆 定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温 度下与各自相区距离较远的成分线段之比。
第3章二元合金相图及应用PPT课件
31.10.2020
工程材料
99-30
合金I的结晶过程
温度继续下降, 从β中析出二次α。
31.10.2020
工程材料
99-31
合金I的结晶过程
室温组织为 β+二次α 。
组成相和组织组成物的成分和相对重量可根据杠杆定 律来确定。
31.10.2020
工程材料
99-32
相图与性能的关系
具有匀晶相图、共晶相图的合金的机械性能和物理性 能随成分而变化的一般规律见下图
工程材料
99-38
渗碳体（Cem渗en碳tit体e）组织金相图
定义——C与Fe的化合物（Fe3C）。 代表符号： Cm
性能：含碳6.69%，其硬度高，极脆，塑性几乎 为0，熔点为1227℃。
铁碳合金中渗碳体量多会导致材料力学性能变坏。 适量渗碳体若弥散分布在基体上，可提高材料强 度和硬度。
31.10.2020
31.10.2020
工程材料
99-21
合金Ⅳ的结晶过程
31.10.2020
工程材料
99-22
组织和相的关系
31.10.2020
工程材料
99-23
共析相图
31.10.2020
d点成分(共析成分)的合金从 液相经过匀晶反应生成 γ相后, 继续冷却到d 点温度(共析温度) 时, 在此恒温下发生共析反应: γ → (α+β)
分数相对重量。
液相在共晶反应后全部转变为共晶 体(α+β) , 这部分液相的质量分 数就是室温组织中共晶体 (α+β)
的质量分数。 初生 αc冷却不断析出 βII, 到室 温后转变为 αf和 βII。按照杠杆 定律, 可求出 αf、βII占 αf＋ βII的质量分数(注意, 杠杆支点在 c'点), 再乘以初生 αc在合金中的 质量分数, 求得 αf、βII占合金的 质量分数。
第3章__二元合金相图
1、相图相区分析 T,C 1500 1400 1300 1200 1100 1000 1083 Cu 固相区 20 40 60 Ni% 80 L 液相区
液相线 纯镍 熔点
1455
L+
纯铜 熔点
Ni 100
固相线
固液两相区
2、合金的结晶过程
L L
平衡结晶
形核和晶粒的长大
能量起伏 结构起伏 成分起伏
图3-17 匀晶相图合金的结晶过程
3、杠杆定律及其应用
设合金成分为ω，合金的总质量 为m，在T温度时，固相成分ωα， 液相成分ωL，对应的质量 m α ， mL mL m m
mLL m m
mL bc m L ab
mL bc m ab m ac m ac m ab
T,C
T,C 1 L L+(+)+
183
L+
M
L
E
L+
N
2L+
+
Pb X3
(+ )+ (+ )+ + Ⅱ Sn
t
标注了组织组成物的相图
M
E
N
三、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。
二、共晶相图
液相线
固相线
T,C
Pb
L+
L
L+
Sn
固溶线
+
Sn%
固溶线
铅-锡合金共晶相图
液相线 纯镍 熔点
1455
L+
纯铜 熔点
Ni 100
固相线
固液两相区
2、合金的结晶过程
L L
平衡结晶
形核和晶粒的长大
能量起伏 结构起伏 成分起伏
图3-17 匀晶相图合金的结晶过程
3、杠杆定律及其应用
设合金成分为ω，合金的总质量 为m，在T温度时，固相成分ωα， 液相成分ωL，对应的质量 m α ， mL mL m m
mLL m m
mL bc m L ab
mL bc m ab m ac m ac m ab
T,C
T,C 1 L L+(+)+
183
L+
M
L
E
L+
N
2L+
+
Pb X3
(+ )+ (+ )+ + Ⅱ Sn
t
标注了组织组成物的相图
M
E
N
三、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。
二、共晶相图
液相线
固相线
T,C
Pb
L+
L
L+
Sn
固溶线
+
Sn%
固溶线
铅-锡合金共晶相图
第三章二元相图和合金的凝固
固溶体的平衡结晶过程： 固相成核
相内浓度梯度 相内扩散
界面浓度不平衡 晶体长大
重新建立平衡 固溶体的平衡结晶过程 原子的扩散过程 液相和固相均匀一致 原子的扩散进行完全 缓慢冷却 冷却速度大 相内成分不均匀 偏离平衡结晶条件（不平衡
结晶）
17
三、固溶体合金的不平衡结晶
条件：液相完全均匀化，而固相内却来不及进行扩散。
C1平衡重新建立→浓度梯度→原子
扩散→进一步长大
C1
→重复进行
溶 质
LC1
浓
k0C1
度
k 0C1
L
（a）
温
度
L
k0C1 T1
C1
k0C2 T2
C2
L+
C0
C0
溶
C0’
质
浓
k0C1
度
பைடு நூலகம்
L
C1
溶 C0’ 质
浓
k0C1
度
L
C1 溶
质
浓 度
k0C1
L
（b）
（c）
（d） 15
温度T2的结晶过程: LC 2 k 0C 2
§3.1 二元相图的建立
一、相图的表示方法 对二元合金来说，通常用横 坐标表示成分，纵坐标表示 温度。 坐标平面上的任一点称为表 象点，表示合金的成分和温度
1
二、相图的建立
通过实验测定：
先配制一系列成分不同的合金，然后测定这些合金的相变临 界点，最后把这些点标在温度—成分坐标图上，把各相同 意义的点连结成线，这些线就在坐标图上划分出一些区域， 即相区，将各相区所存在的相的名称标出，相图的建立工 作即告完成。
25
形成成分过冷临界条件：G mC 0 1 k0
第三章 二元合金的相结构与结晶(包晶相图)4(16)-10-2剖析
α
包晶偏析：因包晶转变 不能充分进行而导致的 成分不均匀现象。
四、包晶转变的实际应用
包晶转变特点：
包晶转变的形成相依附在初生相上形成； 包晶转变的不完全性。（不彻底性）
组织设计：如轴承合金需要的软基体上分布硬质点的组织。 首先形成硬质点，包晶反应形成软固溶体包于其外层
晶粒细化。 包晶反应生成细小化合物，异质形核。
包晶反应的推广
包晶反应（Peritectic） L + 包析反应（Peritectoid） + 合晶反应（Syntectic） L1 + L2
第三章 二元合金的相结构与结晶
§3-1 合金中的相 §3-2 合金的相结构 §3-3 二元合金相图的建立 §3-4 匀晶相图及固溶体的结晶 §3-5 共晶相图及其合金的结晶 §3-6 包晶相图及其合金的结晶 §3-7 其它类型的合金相图 §3-8 二元相图的分析及使用
§3-6 包晶相图及其合金的结晶
室温组织组成：β+αⅡ
室温相组成： α+β
三、不平衡结晶及其组织
原因 新生β相依附于α相生核长大， β相将α相包围
液体和α相反应形成β相，须 通过β相层进行扩散
原子在固体中的扩散低于液体， 包晶转变缓慢
冷却速度快．包晶转变被抑制 不能完全进行
剩余的液体在低于包晶转变温 度直接转变为β
保留下来的α，以及形成的β 相成分都不均匀。
(2) 线：
液相线： ACB，固相线:APDB。 固溶线：PE、DF线分别为中的固溶线（溶解度曲线）。
包晶线：水平线PDC
一、相图分析
(3)相区：
三个单相区： L、、； 三个两相区：L+、L+、+； 一个三相区：即水平线PDC； L + + 。
第3章合金相图和合金的凝固
rb wL 100% ab
w
ar 100% ab
动画3-3 杠杆定律证明
3.3 匀晶相图及固溶体的结晶 匀晶相图：两组元在液态无限互溶、固态也无限互溶的二元合 金相图。 匀晶转变:从液相结晶出单相固溶体的结晶过程。
主要二元合金系：Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Cd-Mg、Fe-Ni、 Mo-W等。
2）温度t3 温度到t3时，最后一滴液体结晶成固体，固溶体的成分完全与合 金成分一致，成为均匀（C0）的单相固溶体组织时。
固溶体结晶过程概述：
固溶体晶核的形成(或原晶体的长大)，产生相内(液相或固相)的 浓度梯度，从而引起相内的扩散过程，这就破坏了相界面处的 平衡(造成不平衡)，因此，晶体必须长大，才能使相界面处重新
不是3，与合金的成分C0不同， 因此，仍有一部分液体尚未结 晶，一直要到t4温度才能结晶 完毕。
晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀的现象 枝晶偏析：固溶体树枝状晶体枝干和枝间化学成分不同的现象
影响晶内偏析的因素： 1）分配系数k0 当k01时，k0值越小，则偏析越大； 当k01时，k0越大，偏析也越大。 2）溶质原子的扩散能力 结晶的温度较高，溶质原子扩散能力又大，则偏析程度较小；反之，则 偏析程度较大。 3）冷却速度 冷却速度越大，晶内偏析程度越严重。 削除晶内偏析的方法： 扩散退火或均勺化退火
两相。
对二元系来说，组元数c＝2，当f＝0时，P=2－0＋1＝3，说明 二元系中同时共存的平衡相数最多为3个。
(2)利用相律可以解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别。 纯金属结晶时存在液、固两相，其自由度为零，说明纯金属 在结晶时只能在恒温下进行。 二元合金结晶时，在两相平衡条件下，其自由度f＝2－2＋1， 说明此时还有一个可变因素(温度)，因此，二元合金将在一定
最新第三章二元合金与相图介绍教学讲义ppt课件
与
相 图 的
这是因为主要混合物各相的变形能力不同，造成一相阻碍另一相的变 形，使塑性变形阻力增加，因而共晶体的压力加工性最差
关
系
第三章 二元合金与相图
作业
P59-60： 1、2、4、5
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
共晶相图
共晶合金 结晶过程
室温下合金Ⅱ的显微组织：a）相组成：α、β；b）组织组成：（α+β）
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
共晶相图
亚共晶合金 结晶过程
合金III的结晶过程：L→L+α→α+（α+β） →α+（α+β）+βII
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
共晶相图
亚共晶合金 结晶过程
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
基本知识 二元合金基本相图
匀晶相图 共晶相图 包晶相图 共析相图 稳定化合物相图
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
匀晶相图
两组元在液态时无 限互溶，在固态时 也无限互溶，且形 成单相固溶体，所 构成的相图
I：纯铜；II：75%Cu+25%Ni III：50%Cu+50%Ni
液固相线距离愈小，结晶温 度范围愈小→合金的流动性好
关 →有利于浇注
三、二元合金相图和合金的凝固
2018/3/29
金属学与热处理
14
二、固溶体的平衡结晶过程
2018/3/29
金属学与热处理
15
在1点温度以上, 合金为液相L。 缓慢冷却至1～2温度之间时, 合金发生匀晶反应: L→α , 从液相中逐 在1~2点之间任意温度都可以用杠杆定理确定液相L和固相α 的相对
渐结晶出α 固溶体。
含量和成分。
2018/3/29
金属学与热处理
5
2018/3/29
金属学与热处理
6
三、相律及杠杆定理
1.相律及其应用
f c p 2
f —自由度数 c—系统的组元数 p—平衡条件下系统的相数 当系统的压力为常数时
f c p 1
2018/3/29 金属学与热处理 7
自由度是指在保持合金系中相的数目不变的条件下，合 金系中可以独立改变的影响合金状态的内部和外部因素 的数目。 影响合金状态的因素有合金的成分、温度和压力，当压 力不变时，则合金的状态由成分和温度两个因素确定。 纯金属的自由度最多只有一个； 二元系合金的自由度最多为2个； 三元系合金的自由度最多为3个。
的成份是不同的，它应按固相 线变化。如果冷却速度较快，
固体中原子难以通过扩散满足
相图中的平衡成份，则就产生 了不平衡凝固过程。此时，通 常先结晶的固溶体内部含高熔 点组元，而后结晶的外部则富 含低熔点组元。 这种在晶粒内部出现的成份
下图是在金相显微镜下观察 到的Cu-Ni合金不平衡凝固的 铸态组织，Ni熔点高，先结晶 出的枝干富含Ni，耐浸蚀，呈 白亮色枝间后结晶含Cu多，易 受浸蚀，呈黑色。 扩散退火的方法可消除晶内 偏析。
成全部共晶组织的成分和 温度范围称为伪共晶区。
第三章 二元合金相图和合金的凝固
第三章二元合金相图和合金的凝固一．名词解释相图、相律、匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、包析转变、异晶转变、平衡结晶、不平衡结晶、异分结晶、平衡分配系数、晶内偏析、显微偏析、区域偏析、区域提纯、成份过冷、胞状组织、共晶组织、亚共晶组织、过共晶组织、伪共晶、离异共晶、二．填空题1.相图可用于表征合金体系中合金状态与和之间的关系。
2.最基本的二元合金相图有、、。
3.根据相律，对于给定的金属或合金体系，可独立改变的影响合金状态的内部因素和外部因素的数目，称为，对于纯金属该数值最多为，而对于二元合金该数值最多为。
4.典型的二元合金匀晶相图，如Cu-Ni二元合金相图，包含、两条相线，、、三个相区。
5.同纯金属结晶过程类似，固溶体合金的结晶包括和两个基本过程。
6.勻晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为________ 。
7.共晶反应的特征为_____________，其反应式可描述为___________ _。
8.共析反应的特征为_____________，其反应式可描述为_____________。
9.金属或合金在极缓慢冷却条件下进行的结晶过程称为。
纯金属结晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为；而固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相成分，称为。
10.固溶体合金经不平衡结晶所产生的两类成分偏析为、。
11.固溶体合金产生晶内偏析的程度受到溶质原子扩散能力的影响，若结晶温度较高，溶质原子的扩散能力小，则偏析程度。
如磷在钢中的扩散能力较硅小，所以磷在钢中的晶内偏析程度较，而硅的偏析较。
12.固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，结晶树枝主轴含有较多的________组元。
严重的晶内偏析降低合金的，为消除枝晶偏析，工业生产中广泛采用的方法。
13.根据区域偏析原理，人们开发了，除广泛用于提纯金属、金属化合物外，还应用于半导体材料及有机物的提纯。
通常，熔化区的长度，液体的成分，提纯效果越好。
第三章 金属的结晶与二元合金相图
液相区L 双相区L+α 固相区α 液相线 固相线
固相区
匀 晶 相 图 合 金 的 结 晶 过 程 (P33)
☆在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是 不相同的,其变化规律是沿着固相线变化.与此同 时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化.
2,晶内偏析——枝晶偏析 (P33)
晶内偏析: 晶内偏析: 在一个晶粒内,各处 成分的不均匀现象. 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, 枝晶偏析. 所以也称枝晶偏析 枝晶偏析
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 3,过冷度(△T):理论结晶温度与实际结 过冷度( 晶温度之差.对于纯金属: △T= T0- Tn 4,金属的结晶都 是在一定的过冷 度下进行的,这 种现象称过冷现 过冷现 象.
第一节 金属结晶的基础知识
(二)共晶相图 1,相图分析 (P35)
7)α固溶体溶解度变化曲线——cf 8) β固溶体溶解度变化曲线——eg 9)三个单相区:L,α,β
10)液相线——adb 11)固相线——acdeb 12)共晶线——cde
(二)共晶相图 1,相图分析 (P35)
13)三个两相区:L+α,L+β,α+β 14)一个三相区:L+α+β,在共晶转变过程中三相同时存在.
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 1,理论结晶温度 0: 又称平衡结晶温度. 理论结晶温度T 理论结晶温度 (冷速极慢)也就是金属的熔点Tm. 2,实际结晶温度 n:在某一实际冷却速度下 实际结晶温度T 实际结晶温度 的结晶温度.
Chapter-3-二元相图及其合金解析
合金相 ：指合金中结构相同，成分和性能均一，并有
界面与其他部分分开的均匀组成部分(phase)
金属或合金均由相构成——单相合金、多相合金 ——用α、β、γ、δ、η、θ等表示
合金中，形成条件不同，可能形成不同的相，相的数量、 形态及分布状态不同，形成不同的组织的相：α-Fe 钢中的相：铁素体(α)＋渗碳体(Fe3C)
§ 3-3 二元合金相图的建立
给定的合金系究竟以什么状态(相)存在，包 含哪些相，这由内、外因条件决定，外因是温度 和压力，内因则是化学成分 ——用相图来表示它们之间的关系
几个概念： 相图: 表示合金系中的状态(相)与温度，成分
之间关系的图解。又称状态图或平衡图 相变：相与相之间的转变
合金相图可作为合金熔炼、铸造、锻造及热处理的重要依据。
电负性因素
电负性：元素的原子获得电子的相对倾向。
两元素的电负性相差越大，化学亲合力越 强，易生成金属化合物。
两元素间的电负性相差越小，越易形固溶 体，所形成的固溶体的固溶度也越大。
电子浓度因素
在尺寸有利的情况下，溶质原子的价越高，固溶度越 小。
电子浓度定义为合金中价电子数目与原子数目的比值。 固溶度受电子浓度控制，存在一临界值。
算方法。
难点：
1 相与组织的差别；间隙相与间隙化合物的区别； 2 相组成及组织组成相对量的计算； 3 形成金属化合物的相图
§3-1 合金中的相
合金: 一种金属元素与另一种或几种其它元素，经熔炼或 其它方法结合而成的具有金属特性的物质。如黄铜是铜 锌合金，钢、铸铁是铁碳合金。 组 元 ：组成合金最基本的、独立存在的物质
一、固溶体
与固溶体的晶格相同的组成元素称为溶剂，在固溶体中一般 都占有较大的含量；其它组成元素称为溶质。
界面与其他部分分开的均匀组成部分(phase)
金属或合金均由相构成——单相合金、多相合金 ——用α、β、γ、δ、η、θ等表示
合金中，形成条件不同，可能形成不同的相，相的数量、 形态及分布状态不同，形成不同的组织的相：α-Fe 钢中的相：铁素体(α)＋渗碳体(Fe3C)
§ 3-3 二元合金相图的建立
给定的合金系究竟以什么状态(相)存在，包 含哪些相，这由内、外因条件决定，外因是温度 和压力，内因则是化学成分 ——用相图来表示它们之间的关系
几个概念： 相图: 表示合金系中的状态(相)与温度，成分
之间关系的图解。又称状态图或平衡图 相变：相与相之间的转变
合金相图可作为合金熔炼、铸造、锻造及热处理的重要依据。
电负性因素
电负性：元素的原子获得电子的相对倾向。
两元素的电负性相差越大，化学亲合力越 强，易生成金属化合物。
两元素间的电负性相差越小，越易形固溶 体，所形成的固溶体的固溶度也越大。
电子浓度因素
在尺寸有利的情况下，溶质原子的价越高，固溶度越 小。
电子浓度定义为合金中价电子数目与原子数目的比值。 固溶度受电子浓度控制，存在一临界值。
算方法。
难点：
1 相与组织的差别；间隙相与间隙化合物的区别； 2 相组成及组织组成相对量的计算； 3 形成金属化合物的相图
§3-1 合金中的相
合金: 一种金属元素与另一种或几种其它元素，经熔炼或 其它方法结合而成的具有金属特性的物质。如黄铜是铜 锌合金，钢、铸铁是铁碳合金。 组 元 ：组成合金最基本的、独立存在的物质
一、固溶体
与固溶体的晶格相同的组成元素称为溶剂，在固溶体中一般 都占有较大的含量；其它组成元素称为溶质。
二元合金相图
21
四 平衡结晶分析及其组织1源自金的结晶过程固溶体合金的结晶过程 22
结晶过程
1.当温度到达1点或稍下时，由L→α固溶体随着温度 的降低α％ ↑ ，L％↓。并呈树枝状形态……
2.当温度到达2点时液相完全消失，得到100％α。
液相的成分1→α1→α2→…以致消失。 固相成分由c1→c2→2→… α(ob成分) 最后得到成分均匀的ob成分等轴状的α固溶体。
16
第二节 匀晶相图
一．相图的基本概念
● 相图：研究合金在平衡的条件下（无限缓慢冷却，比如 0.5~1.50C/min） ，合金的状态与温度、 成分间的关系的图解称 为相图或平衡图。
● 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， 称为合金在该条 件下的状态。 如纯铁在1538℃以上的状态为液相;在1538℃时为液相和固 相两相共存; 1538℃以下为固相.
匀晶转变：在一定温度范围内，不断由液相中凝固出 固溶体，液相、固相成分都不断随温度的下降而沿液 相线和固相线变化的过程，叫做匀晶转变。
23
五 匀晶结晶的特点
1）树枝状长大：a固溶体在从液相中结晶出来的过程中， 包括有生核和长大两个过程，但固溶体更趋于呈树枝状 长大。
2）变温结晶过程：在一个温度区间进行。
14
B.复杂结构的间隙化合物
当非金属原子半径（rB）与金属原子半径（rA）之比rB /rA大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。
（1）形成条件：两类元素的负电性相差较大且满足rB /rA > 0.59
（2）特性
(a) 复杂结构如：Fe3C 、Cr7C3 Cr23C6 (b) 高熔点、高硬度，但比间隙相的略低，在钢中也起强化作用； 塑性为零，加热容易分解 © 常形成Cr、Mn、Co、Fe的碳化物或它们的合金碳化物，常见 的类型有：M3C、M7C3、M23C6、M6C。
二元合金与相图
第三章 二元合金相图 概述
纯金属具有良好的导电导热性，但机械性能差，而且提炼 困难，价格昂贵，故工业上广泛应用的是合金材料。 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。 例如:钢（铁和碳的合金） 黄铜（铜和锌的合金） 组元 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。 二元合金 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。 合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多； 某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理、化学性 能。因此合金的应用比纯金属广泛得多。
第一节 固态合金相结构
合金的生产用的最多的是熔炼法。由于合金中含有2种或2 种以上元素的原子，在熔炼的过程中，原子之间必然相互发生 作用，因而使得合金结晶后生成的结晶产物是含有2种或多种 元素的小晶体。
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。
例如：单一的液相；单一的固相； 液相、固相两相共存（冰水混合物）； 问题： 水、油混装在一个瓶子里，是几个相？ 将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？ 若合金是由成分和结构都相同的同一种晶粒构成，称合金 含有一种相，为单相。 若合金是由成分和结构互不相同的几种晶粒构成，称合金 含有多种相，为多相。
3. 间隙化合物 由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原 子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。尺寸较 大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属 原子则有规则地嵌入晶格的间隙之中。根据结构特点，间隙化 合物分间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。 （1）间隙相 当非金属原子半径与金属原子半径之比 小于0.59时，形成具有简单晶格的 间隙化合物，称为间隙相。间隙相 具有金属特性，有极高的熔点和硬 度, 非常稳定。它们的合理存在， 可有效地提高钢的强度、热强性、 红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬 质合金中的重要组成相。
纯金属具有良好的导电导热性，但机械性能差，而且提炼 困难，价格昂贵，故工业上广泛应用的是合金材料。 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。 例如:钢（铁和碳的合金） 黄铜（铜和锌的合金） 组元 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。 二元合金 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。 合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多； 某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理、化学性 能。因此合金的应用比纯金属广泛得多。
第一节 固态合金相结构
合金的生产用的最多的是熔炼法。由于合金中含有2种或2 种以上元素的原子，在熔炼的过程中，原子之间必然相互发生 作用，因而使得合金结晶后生成的结晶产物是含有2种或多种 元素的小晶体。
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。
例如：单一的液相；单一的固相； 液相、固相两相共存（冰水混合物）； 问题： 水、油混装在一个瓶子里，是几个相？ 将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？ 若合金是由成分和结构都相同的同一种晶粒构成，称合金 含有一种相，为单相。 若合金是由成分和结构互不相同的几种晶粒构成，称合金 含有多种相，为多相。
3. 间隙化合物 由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原 子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。尺寸较 大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属 原子则有规则地嵌入晶格的间隙之中。根据结构特点，间隙化 合物分间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。 （1）间隙相 当非金属原子半径与金属原子半径之比 小于0.59时，形成具有简单晶格的 间隙化合物，称为间隙相。间隙相 具有金属特性，有极高的熔点和硬 度, 非常稳定。它们的合理存在， 可有效地提高钢的强度、热强性、 红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬 质合金中的重要组成相。
第三章二元合金相图
3.3.2 二元共晶相图
合金Ⅰ的平衡结晶过程示意图
成分位于EG之间的合金，其结晶过程与FD间 的合金类似，室温组织为：β+αⅡ。
3.3.2 二元共晶相图
（2）合金Ⅱ（共晶合金）的平衡结晶过程 液态合金冷却到1点（共晶温度），在恒温下 发生共晶转变，LB →（αD+βE），生成共晶 体。共晶转变完成后，随着温度下降，αD和 βE固溶度逐渐减小，从α中析出βⅡ，从β 中析出αⅡ，但析出的αⅡ和βⅡ量不多，而 且和从液相中析出的α、β混在一起，在显 微镜下难以分辨，一般不予考虑，因此室温 组织为：（α+β）共晶组织。
3.3.1 二元匀晶相图
扩散退火 枝晶偏析会降低合金的力学性能和工艺 性能，生产上常采用扩散退火来消除其影响 ，即把钢加热到高温（低于固相线100℃左 右），进行长时间保温，使原子充分扩散， 从而获得成分均匀的固溶体。
3.3.2 二元共晶相图
二元共晶相图 二元合金系中的两组元在液态时无限互 溶，在固态时有限互溶，并发生共晶转变的 相图，称为二元共晶相图。 具有这类相图的二元合金系主要有Pb-Sn 、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si等。下面以Pb-Sn相 图为例，分析共晶相图。
3.2.3 杠杆定律
2.平衡相相对含量的确定 在两相平衡区内，温度一定时，两相的 质量比是一定的。 两相的相对含量可用（3-1）式来表达：
式中: QL —液相的质量； Qα — 固相的质量； bc、ab—线段长，用成分坐标上的 数值来度量。
3.2.3 杠杆定律
（3-1）式可写成QL· ab= Qα· bc，形式上与力 学中的杠杆定律相似，因此称为杠杆定律， 杠杆的支点为合金的成分点，杠杆的两个端 点为给定温度时两相的成分点。 液相和固相在合金中所占的质量分数： 运用杠杆定律时要注意， 它只适合于相图中的两相 区，并且只能在平衡状态 下使用。
第三章 二元合金相图及应用
性能:
加工性能
机械性能
第六节 铁碳合金相图
钢中的渗碳体
铸铁中的石墨
第六节 铁碳合金相图Fra bibliotek灰铸铁(珠光体+片状石墨 )
球墨铸铁（铸态）珠光体+铁素体+球状石墨 400X
第六节 铁碳合金相图
可锻铸铁 400X （铁素体+团絮状石墨）
蠕墨铸铁 (铁素体+蠕虫状石墨)400X
第六节 铁碳合金相图
四、珠光体（P）
共析相图
A
E
( A+Fe3C ) Ld Ld+Fe3CⅠ A+Ld+Fe3CⅡ 727℃
P+Ld′ +Fe3CⅡ Ld′ Ld′ +Fe3CⅠ ( P+Fe3C )
K
0.0218%C 0.77%C Fe
2.11%C
4.3%C
6.69%C Fe3C
第六节 铁碳合金相图
Fe-Fe3C相图分析
点：A、G、Q、D)； E、 P； C、 S 线：ACD、AECF； ECF、PSK； ES、PQ； AE、GS； 区：单相区 两相区 三相区
所谓稳定化合物是指具有一定的熔点， 在熔点温度以下能够保持自己固有结构而 不发生分解的化合物，如：Mg2Si
含稳定化合物的相图
第四节 其他相图
温度
L+Mg L+ Mg2Si 638.8℃ 1087℃
L
L+ Mg2Si L+Si 946.7℃
1414℃
Mg+ Mg2Si
Mg Mg2Si
Mg-Si 合金相图
Mg2Si+ Si Si
第五节 相图与性能的关系
第三章3 金属的结晶与相图之二元相图匀晶
(1)细晶区(2)柱状晶区(3)等轴晶区铸锭结构示意图 (1)细晶区(2)柱状晶区(3)等轴晶区铸锭结构示意图 细晶区(2)柱状晶区(3)
杠杆定律示意图
4.匀晶系合金的非平衡结晶及晶内偏析 匀晶系合金的非平衡结晶及晶内偏析
固溶体结晶时，只有在极缓慢冷却、原子扩散充分的条件下， 固溶体结晶时，只有在极缓慢冷却、原子扩散充分的条件下， 固相的成分才能沿着固相线均匀地变化， 固相的成分才能沿着固相线均匀地变化，最终获得与原合金 成分相同的均匀α固溶体。 成分相同的均匀α固溶体。 实际生产中冷却速度都较快，固态下原子扩散又很困难， 实际生产中冷却速度都较快，固态下原子扩散又很困难，致 使固溶体内的原子来不及充分扩散， 使固溶体内的原子来不及充分扩散，先结晶出的固溶体含高 熔点组元（ 中的Ｎ 较多， 熔点组元（Ｃu-Ｎi中的Ｎi）较多，后结晶出的固溶体含低 熔点组元（ 较多。 熔点组元 （ Ｃ u ） 较多 。 这种在一个晶粒内化学成分不均匀 的现象称为晶内偏析。 的现象称为晶内偏析。 偏析会降低合金的力学性能和工艺性能, 生产中采用均匀化 偏析会降低合金的力学性能和工艺性能 退火或扩散退火消除。 退火或扩散退火消除。
三、二元合金相图
相平衡: 在一定条件下, 相平衡: 在一定条件下,合金系中参与相变的各相成 分和相对重量不变所达成的一种状态。 分和相对重量不变所达成的一种状态 。 此时合金系 的状态稳定,不随时间而改变。相平衡是动态平衡。 的状态稳定,不随时间而改变。相平衡是动态平衡。 合金极缓慢冷却结晶过程可认为是平衡结晶过程。 合金极缓慢冷却结晶过程可认为是平衡结晶过程。 合金相图: 合金相图 : 是表明在平衡状态下合金系中各合金的 组成相与温度、 成分之间关系的图解， 组成相与温度 、 成分之间关系的图解 ， 又称合金平 衡图或合金状态图。 衡图或合金状态图。 通过相图可以了解合金系中各成分合金在不同温度 的组成相， 及各相的成分和相对量， 的组成相 ， 及各相的成分和相对量 ， 还可了解合金 在缓慢加热或冷却过程中的相变规律。 在缓慢加热或冷却过程中的相变规律。
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TL
TA
mCo1
1 K0 K0
exp
RX D
（2） （3）
而界面温度： Ti (TL ) x0 TA mCo / K0 （4）
若自液-固界面开始的温度梯度为G，则距界面X处液体实 际温度为
T=Ti+Gx
（5）
将（4）式代入（5）式：T=TA-mCo/K0+Gx （6）
当液体实际温度T<TL （7），产生成分过冷，成分过 冷是由于界面前沿液相中成分差别与实际温度分布两 个因素共同决定的。
在稳态凝固过程中，固溶体溶质分布方程为：
CS
K eC0
1
X L
Ke 1
其中Ke为有效分配系数，
Ke
(CS )i (CL ) B
K0
K0 (1 K 0 )e R / D
常数
式中 R：凝固速度 δ：边界层厚度 D：扩散系数
19
Ke
(CS )i (CL ) B
K0
K0 (1 K 0 )e R / D
1 4
5
10
1．晶内偏析（枝晶偏析） ·定义：晶粒内部出现的成份不均匀现象。 ·通过扩散退火或均匀化退火，使异类原子互相
充分扩散均匀，可消除晶内偏析。
11
晶内偏析（枝晶偏析）
2．影响晶内偏析的因素 a、·冷却速度 b、 元素的扩散能力 c、 相图上液相线与固相 d、线之间的水平距离
12
四、固溶体合金凝固过程中的溶质分布
1．成分过冷
①成分过冷的产生 设一个K0<1的合金Co在 圆棒形锭模中自左向右 作定向凝固，假定溶质 仅依靠扩散而混合
C
Co1
1 K0 K0
exp
RX D
（1）
由相图，可得界面前沿 液相线温度曲线TL（x） 假定相图的液相线为直 线，斜率为m，则液相线 随浓度变化的温度:
23
TL=TA-mCL （m为斜率的绝对值） （1）式代入（2）式：
14
1.液体中溶质完全混合的情况
15
·圆棒从左端至右端的宏观范围内的成分不均匀现象，称 为宏观偏析。
·圆棒离左端距离X处的溶质浓度 : CS(x)=K0C0(1-X/L)K0-1
·剩余液相的平均浓度: CL(x)=C0(1-X/L)K0-1 其中 L：合金棒长度
C0：合金的原始浓度
16
2．液体中仅借扩散而混合的情况
8
与纯金属相比，固溶体合金凝固过程有两个特点：
·1、固溶体合金凝固时析
出的固相成分与原液相 成份不同，需成份起伏。
α晶粒的形核位置是那 些结构起伏、能量起伏 和成分起伏都满足要求 的地方。
·2、固溶体合金凝固时依
赖于异类原子的互相扩散。
9
三、固溶体合金的非平衡凝固和组织
固相平均成份线
1
1 2
31
·平衡分配系数：一定温度下，固/液两平衡相中溶质 浓度之比值 K0=Cs / CL
CS、CL：固、液相的平衡浓度
13
正常凝固过程 在讨论金属合金的实际凝固问题时,一般不考虑固相内
部的原子扩散，即把凝固过程中先后析出的固相成份看作没 有变化，而仅讨论液相中的溶质原子混合均匀程度问题。以 下讨论的均为正常凝固过程。Ke=1CS NhomakorabeaC0
1
X L
11
C0
CL
C0 1
1 K0 K0
exp
RX D
17
3．液体中溶质部分混合的情况 ① 固液边界层的溶质聚集对凝固圆棒成分的影响。
18
② 初始过渡区的建立
当从固体界面输出溶质的速度等于溶质从界面层扩散 出去的速度时，则达到稳定状态，从凝固开始至建立 稳定的边界层这一段长度称为“初始过渡区”，达到 稳定状态后的凝固过程，称为稳态凝固过程。
·。将（3）、（6）式代入（7）式，得到成分过冷的条件：
3
二、相律
吉布斯相律：f=c-p+2 C：系统的组元数 P：共存的平衡相数 f：自由度的数目，指给定合金系在平衡相数不变的前 提下，可独立改变（如温度、压力、浓度等）的数目。
对于不含气相的凝聚系统，可视为恒压条件，相律表 述为：
f=C－P+1
4
三、二元相图的表示和杠杆定律
合金成分为C，总重量为W。在T温度时，由液相和固相组成, 液
·合金相图：用图的形式表明一个合金系 的成份、温度和相态之间的关系。
2
一、二元合金中存在的相
1．相
·相是一个物系中，结构相同，成分和性能均一， 并以界面相互分开的组成部分。
·相与相之间的转变称为相变。
·如果系统中各相经历很长时间而不互相转化，则 是处于平衡状态。
2．平衡相类型
·液溶体
·固溶体
·金属间化合物
第三章 二元合金相图及合金的凝固
§1 有关相图的基本知识 §2 匀晶相图及固溶体合金的凝固和组织 §3 共晶相图及其晶合金的凝固和组织 §4 包晶相图及其合金的凝固和组织 §5 其它类型的二元合金相图 §6 Fe-C相图及铁碳合金 §7 相图的热力学知识
1
§1 有关相图的基本知识
·合金：由两种以上的金属和非金属熔合 （或烧结）在一起而具有金属特性的物 质。
常数
式中 R：凝固速度 δ：边界层厚度 D：扩散系数
A 当凝固速度非常缓慢时， Rδ/D 0 ，Ke K0 即为液体中溶质完全混合的情况。
B．当凝固速度非常大时，e - Rδ/D
0 ， Ke=1，为液体
中溶质仅有通过扩散而混合的情况。
C．当凝固速度介于上面二者之间，
K0＜Ke＜ 1，
液体中溶质部分混合的情况。
注意：杠杆定律适用于平衡结晶时的两相区。
6
§2 匀晶相图及固溶体合金的凝固和组织
一、相图分析 两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶的系
统称为匀晶系。
7
二、固溶体合金的平衡凝固及组织
平衡凝固：指合金从液态很缓慢地冷却，使合金在相 变过程中有充分时间进行组元间的互相扩散，每个 阶段都能达到平衡，达到平衡相的均匀成份。
相的成分为CL ，重量为WL，固相成份为C α ，重量为Wα。
则
W=WL+Wα
（1）
WL·CL+Wα·C α =W·C
（2）
由（1）、（2）可得：WL/W α=(C α-C) / (C- CL)
故 WL/W α=rb / ar
上式还可换写成：WL/W =rb / ab
杠杆定 律的证 明
·
5
杠杆定律： WL/W α=rb / ar
Ke方程式图解
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： 圆棒离左端距离X处的溶质浓度 液体中溶质完全混合
CS(x)=K0C0(1-X/L)K0-1 ，液体中仅借扩散而混合，CS
C0
1
X L
11
C0
液体中溶质部分混合 C S
K eC0
1
X L
Ke 1
21
4．区域熔炼
22
五、成分过冷及其对晶体成长形状铸件组织的影响