合金的结构与二元状态图
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合金的结构与二元状态 图
2020/11/7
合金的结构与二元状态图
合金的结构与二元状态图
• §1 合金中的相结构 • §2 二元合金状态图
合金的结构与二元状态图
§1 合金中的相结构
• 一、合金的基本概念及实用意义 • 二、合金中的相结构
❖1．固溶体
▪ 置换固溶体 ▪ 间隙固溶体 ▪ 固溶体的性能
❖2．化合物
• 此外，按照溶解度的大小，置换固溶体，又可分为无限 置换固溶体和有限置换固溶体。
合金的结构与二元状态图
间隙固溶体
• 溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间 隙固溶体，间隙固溶体仍保持着溶剂金属的晶格类型。
• 已有研究表明，当溶质元素的原子直径与溶剂元素的原 子直径之比小于0.59时，易于形成间隙固溶体，而在直 径大小差不多的元素之间易于形成置换固溶体。且溶质 原子在间隙固溶体中只能呈统计分布，形成无序固溶体， 而且当溶剂晶格间隙被溶质原子填充到一定程度后就不 能再继续溶解，多余的溶质原子将以新相出现，因此， 间隙固溶体的溶解总是有限的，间隙固溶体总是有限固 溶体。
化合物处性能出现极大值或极小值。
合金的结构与二元状态图
（2）合金工艺性能与相图的关系
• 合金的工艺性能与相图也有密切的 联系。如铸造性能（包括流动性、缩孔 分布、偏析大小）与相图中液相线和固 相线之间的距离密切相关。相图中液相 线与固相线的距离愈宽，形成枝晶偏析 的倾向越大，同时先结晶出的树枝晶阻 碍未结晶液体的流动，则流动性愈差， 分散缩孔愈多。
而电导率降低，呈透镜形曲线变化，在合金性
能与成分的关系曲线上有一极大值或极小值。
当合金形成两相混合物时，其性能是两相性能
值的算术平均值。随着成分的变化，合金的强
度、硬度、导电率等性能在两组成相的性能间
呈线性变化，对于共晶成分或共析成分的合金，
其性能还与两组成相的致密程度有关，组织愈
细，性能愈好。当合金形成稳定化合物时，在
合金的结构与二元状态图
四、二元状态图的基本类型分析
• 1.二元匀晶相图 • 2.二元共晶相图 • 3.二元包晶相图 • 4.形成稳定化合物的相图 • 5.具有共析转变的相图 • 6.合金的性能与相图的关系
合金的结构与二元状态图
1.二元匀晶相图
1．相图的组成及特征 2．合金平衡结晶过程及组织 3．枝晶偏析及其消除
合金的结构与二元状态图
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固溶体称 为无序固溶体；溶质原子在溶剂晶格结点上按一定秩序 排列的置换固溶体称有序固溶体。显然，只有当溶质原 子和溶剂原子成一定比例时，才有可能形成有序固溶体。
合金的结构与二元状态图
固溶体的性能
• 无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质 原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不 同于原纯金属。
• 当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶 剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体 的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、 硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻 率升高，导电性逐渐下降等。
合金的结构与二元状态图
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 成无素间相互作用而生成的一种新物质，属于化合物， 如中碳都钢有中的F的eFSe、3CM，nS黄等铜等中，的都β是相化（合Cu物Zn。）以及各种钢
• 在这些化合物中，Fe3C和β相均具有相当程度的金属键 及一定的金属性质，是一种金属物质，称为金属化合 物，而FeS、MnS具有离子键，没有金属性质，属于一 般的化合物，因而又称为非金属化合物。在合金中， 金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，而非金 属化合物是合金原料或熔炼过程带来的，数量少且对 合金性能影响很坏，因而一般称为非金属夹杂。
同成分的合金，称为合金系。 • 3．相图 • 用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称
为相图，又称状态图或平衡图。 • 相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得
的，都是接近平衡状态的组织。 合金的结构与二元状态图
二、二元合金状态图的建立
• 目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合 金状态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。
• 金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而 脆。当合金中出现金属间化合物时，通常能提高合金 的强度、硬度和耐磨性。
合金的结构与二元状态图
§2 二元合金状态图
• 一、相图的意义及相关概念 • 二、二元合金状态图的建立 • 三、平衡相组成的分析 • 四、二元状态图的基本类型分析
合金的结构与二元状态图
2.二元共晶相图
1．相图的组成分析 2．典型合金平衡结晶过程分析
合金的结构与二元状态图
二元共晶相图
合金的结构与二元状态图
1．相图的组成分析
• 共晶相图中有三个单相区：液相区L，固 相α和β相区；
• 三个两相区：L+α区，L+β区，α+β区； • 一个三相共存点：C点
合金的结构与二元状态图
共晶合金结晶过程示意图
• 以Cu—Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及 步骤：
• （1）配制不同成分的合金试样，如Ⅰ纯铜； Ⅱ75%Cu+25%Ni；Ⅲ50%Cu+50%Ni；合金Ⅳ 25%Cu+75%Ni；Ⅴ：纯Ni。
• （2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界 点；
• （3）将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上； • （4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到
合金的结构与二元状态图
一、合金的基本概念
• 合金
➢通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金 属元素同一种或几种其它元素结合在一起 所形成的具有金属特性的新物质，称为合 金。
• 组元
➢组成合金的最基本的、独立的物质称为 组元
合金的结构与二元状态图
合金中的相结构相关概念
•相
➢在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并 与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均 称之为相
• 一个三相共存点：e点（L、α、β共存）
合金的结构与二元状态图
合金I结晶过程示意图
合金的结构与二元状态图
合金Ⅱ结晶过程示意图
合金的结构与二元状态图
合金Ⅲ结晶过程示意图
合金的结构与二元状态图
4.形成稳定化合物的相图
• 合金系中两组元之间还可能形成稳定的金属化合 物，其组成可用通式AmBn表示，它具有固定的成 分和一定的熔点，可把它看成独立的组元。它的分 析可作为两个简单相图进行。 合金的结构与二元状态图
合金的结构与二元状态图
亚共晶合金结晶过程示意图
合金的结构与二元状态图
合金Ⅳ的结晶过程示意图
合金的结构与二元状态图
3.二元包晶相图
1．相图的组成分析 2．典型合金平衡结晶过程分析
合金的结构与二元状态图
二元包晶相图
合金的结构与二元状态图
1．相图的组成分析
• 在二元包晶相同中，有三个单相区：液 相区L、固相区α和β相区； 三个两相区：L+α、L+β、α+β；
合金的结构与二元状态图
合金的流动性、缩孔性质 与相图之间的关系
合金的结构与二元状态图
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/7
合金的结构与二元状态图
合金的结构与二元状态图
Cu-Ni二元均晶相图
合金的结构与二元状态图
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
合金的结构与二元状态图
Leabharlann Baidu
枝晶偏析及其消除
• 由于实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。 扩散过程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡 的条件下进行的。这使得先结晶出来的固溶体合金含 高熔点组元较多，合金的熔点较高，构成晶体的树枝 状骨架，后结晶出的部分含高熔点组元较少，熔点较 低，填充于枝间。
一、相图的意义及相关概念
• 相图的意义 • 相关概念
➢组元 ➢合金系 ➢相图
合金的结构与二元状态图
相图的相关概念
• 1． 组元：
• 通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的 物质称为组元。但在所研究的范围内既不分解也不发 生看任作何一化组学元反 。应的稳定化合物也可称为组元，如Fe3C
• 2． 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
5.具有共析转变的相图
合金的结构与二元状态图
共析转变
• 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。其反应式可表 达为： 反应产物和的相对重量有一固定的比例：
Cu、Ni合金相图。
合金的结构与二元状态图
用热分析法测定Cu、Ni相图
• a）冷却曲线
b）相图 合金的结构与二元状态图
三、平衡相组成的分析
• 1．平衡相成分的确定 • 2．平衡相相对重量的确定：（杠杆定律）
合金的结构与二元状态图
平衡相成分分析示意图
合金的结构与二元状态图
平衡相相对重量的确定 （杠杆定律）
• 这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析或 称晶内偏析。
• 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。
• 出现枝晶偏析后，可通过扩散退火予以消除。一般采 用将铸件加热到低于固相线100～200℃的温度，进行 长时间保温，使偏析元素进行充分扩散，成分均匀化。
合金的结构与二元状态图
• 由于共析反应是在固态下进行的，其原子扩散 条件很差，晶核成长速度很小，所以共析转变 物的组织是比较细密的两相相间的机械混合物。
合金的结构与二元状态图
5.合金的性能与相图的关系
合金的结构与二元状态图
（1）合金的使用性能与相图的关系
•
由图可见，当合金形成单相固溶体时，随
溶质溶入量的增加，合金的硬度、强度升高，
• 组织
➢在金属和合金中，在显微镜下能观察到的微 观形貌、图象称为组织，它是由单相物质或 多相物质组合成的，具有一定形态特征的聚 合体
合金的结构与二元状态图
二、合金中的相结构
❖固溶体
▪ 置换固溶体 ▪ 间隙固溶体 ▪ 固溶体的性能
❖化合物
合金的结构与二元状态图
两种类型的固溶体
• 置换固溶体
间隙固溶体
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合金的结构与二元状态图
合金的结构与二元状态图
• §1 合金中的相结构 • §2 二元合金状态图
合金的结构与二元状态图
§1 合金中的相结构
• 一、合金的基本概念及实用意义 • 二、合金中的相结构
❖1．固溶体
▪ 置换固溶体 ▪ 间隙固溶体 ▪ 固溶体的性能
❖2．化合物
• 此外，按照溶解度的大小，置换固溶体，又可分为无限 置换固溶体和有限置换固溶体。
合金的结构与二元状态图
间隙固溶体
• 溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间 隙固溶体，间隙固溶体仍保持着溶剂金属的晶格类型。
• 已有研究表明，当溶质元素的原子直径与溶剂元素的原 子直径之比小于0.59时，易于形成间隙固溶体，而在直 径大小差不多的元素之间易于形成置换固溶体。且溶质 原子在间隙固溶体中只能呈统计分布，形成无序固溶体， 而且当溶剂晶格间隙被溶质原子填充到一定程度后就不 能再继续溶解，多余的溶质原子将以新相出现，因此， 间隙固溶体的溶解总是有限的，间隙固溶体总是有限固 溶体。
化合物处性能出现极大值或极小值。
合金的结构与二元状态图
（2）合金工艺性能与相图的关系
• 合金的工艺性能与相图也有密切的 联系。如铸造性能（包括流动性、缩孔 分布、偏析大小）与相图中液相线和固 相线之间的距离密切相关。相图中液相 线与固相线的距离愈宽，形成枝晶偏析 的倾向越大，同时先结晶出的树枝晶阻 碍未结晶液体的流动，则流动性愈差， 分散缩孔愈多。
而电导率降低，呈透镜形曲线变化，在合金性
能与成分的关系曲线上有一极大值或极小值。
当合金形成两相混合物时，其性能是两相性能
值的算术平均值。随着成分的变化，合金的强
度、硬度、导电率等性能在两组成相的性能间
呈线性变化，对于共晶成分或共析成分的合金，
其性能还与两组成相的致密程度有关，组织愈
细，性能愈好。当合金形成稳定化合物时，在
合金的结构与二元状态图
四、二元状态图的基本类型分析
• 1.二元匀晶相图 • 2.二元共晶相图 • 3.二元包晶相图 • 4.形成稳定化合物的相图 • 5.具有共析转变的相图 • 6.合金的性能与相图的关系
合金的结构与二元状态图
1.二元匀晶相图
1．相图的组成及特征 2．合金平衡结晶过程及组织 3．枝晶偏析及其消除
合金的结构与二元状态图
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固溶体称 为无序固溶体；溶质原子在溶剂晶格结点上按一定秩序 排列的置换固溶体称有序固溶体。显然，只有当溶质原 子和溶剂原子成一定比例时，才有可能形成有序固溶体。
合金的结构与二元状态图
固溶体的性能
• 无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质 原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不 同于原纯金属。
• 当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶 剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体 的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、 硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻 率升高，导电性逐渐下降等。
合金的结构与二元状态图
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 成无素间相互作用而生成的一种新物质，属于化合物， 如中碳都钢有中的F的eFSe、3CM，nS黄等铜等中，的都β是相化（合Cu物Zn。）以及各种钢
• 在这些化合物中，Fe3C和β相均具有相当程度的金属键 及一定的金属性质，是一种金属物质，称为金属化合 物，而FeS、MnS具有离子键，没有金属性质，属于一 般的化合物，因而又称为非金属化合物。在合金中， 金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，而非金 属化合物是合金原料或熔炼过程带来的，数量少且对 合金性能影响很坏，因而一般称为非金属夹杂。
同成分的合金，称为合金系。 • 3．相图 • 用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称
为相图，又称状态图或平衡图。 • 相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得
的，都是接近平衡状态的组织。 合金的结构与二元状态图
二、二元合金状态图的建立
• 目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合 金状态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。
• 金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而 脆。当合金中出现金属间化合物时，通常能提高合金 的强度、硬度和耐磨性。
合金的结构与二元状态图
§2 二元合金状态图
• 一、相图的意义及相关概念 • 二、二元合金状态图的建立 • 三、平衡相组成的分析 • 四、二元状态图的基本类型分析
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2.二元共晶相图
1．相图的组成分析 2．典型合金平衡结晶过程分析
合金的结构与二元状态图
二元共晶相图
合金的结构与二元状态图
1．相图的组成分析
• 共晶相图中有三个单相区：液相区L，固 相α和β相区；
• 三个两相区：L+α区，L+β区，α+β区； • 一个三相共存点：C点
合金的结构与二元状态图
共晶合金结晶过程示意图
• 以Cu—Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及 步骤：
• （1）配制不同成分的合金试样，如Ⅰ纯铜； Ⅱ75%Cu+25%Ni；Ⅲ50%Cu+50%Ni；合金Ⅳ 25%Cu+75%Ni；Ⅴ：纯Ni。
• （2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界 点；
• （3）将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上； • （4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到
合金的结构与二元状态图
一、合金的基本概念
• 合金
➢通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金 属元素同一种或几种其它元素结合在一起 所形成的具有金属特性的新物质，称为合 金。
• 组元
➢组成合金的最基本的、独立的物质称为 组元
合金的结构与二元状态图
合金中的相结构相关概念
•相
➢在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并 与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均 称之为相
• 一个三相共存点：e点（L、α、β共存）
合金的结构与二元状态图
合金I结晶过程示意图
合金的结构与二元状态图
合金Ⅱ结晶过程示意图
合金的结构与二元状态图
合金Ⅲ结晶过程示意图
合金的结构与二元状态图
4.形成稳定化合物的相图
• 合金系中两组元之间还可能形成稳定的金属化合 物，其组成可用通式AmBn表示，它具有固定的成 分和一定的熔点，可把它看成独立的组元。它的分 析可作为两个简单相图进行。 合金的结构与二元状态图
合金的结构与二元状态图
亚共晶合金结晶过程示意图
合金的结构与二元状态图
合金Ⅳ的结晶过程示意图
合金的结构与二元状态图
3.二元包晶相图
1．相图的组成分析 2．典型合金平衡结晶过程分析
合金的结构与二元状态图
二元包晶相图
合金的结构与二元状态图
1．相图的组成分析
• 在二元包晶相同中，有三个单相区：液 相区L、固相区α和β相区； 三个两相区：L+α、L+β、α+β；
合金的结构与二元状态图
合金的流动性、缩孔性质 与相图之间的关系
合金的结构与二元状态图
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/7
合金的结构与二元状态图
合金的结构与二元状态图
Cu-Ni二元均晶相图
合金的结构与二元状态图
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
合金的结构与二元状态图
Leabharlann Baidu
枝晶偏析及其消除
• 由于实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。 扩散过程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡 的条件下进行的。这使得先结晶出来的固溶体合金含 高熔点组元较多，合金的熔点较高，构成晶体的树枝 状骨架，后结晶出的部分含高熔点组元较少，熔点较 低，填充于枝间。
一、相图的意义及相关概念
• 相图的意义 • 相关概念
➢组元 ➢合金系 ➢相图
合金的结构与二元状态图
相图的相关概念
• 1． 组元：
• 通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的 物质称为组元。但在所研究的范围内既不分解也不发 生看任作何一化组学元反 。应的稳定化合物也可称为组元，如Fe3C
• 2． 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
5.具有共析转变的相图
合金的结构与二元状态图
共析转变
• 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。其反应式可表 达为： 反应产物和的相对重量有一固定的比例：
Cu、Ni合金相图。
合金的结构与二元状态图
用热分析法测定Cu、Ni相图
• a）冷却曲线
b）相图 合金的结构与二元状态图
三、平衡相组成的分析
• 1．平衡相成分的确定 • 2．平衡相相对重量的确定：（杠杆定律）
合金的结构与二元状态图
平衡相成分分析示意图
合金的结构与二元状态图
平衡相相对重量的确定 （杠杆定律）
• 这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析或 称晶内偏析。
• 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。
• 出现枝晶偏析后，可通过扩散退火予以消除。一般采 用将铸件加热到低于固相线100～200℃的温度，进行 长时间保温，使偏析元素进行充分扩散，成分均匀化。
合金的结构与二元状态图
• 由于共析反应是在固态下进行的，其原子扩散 条件很差，晶核成长速度很小，所以共析转变 物的组织是比较细密的两相相间的机械混合物。
合金的结构与二元状态图
5.合金的性能与相图的关系
合金的结构与二元状态图
（1）合金的使用性能与相图的关系
•
由图可见，当合金形成单相固溶体时，随
溶质溶入量的增加，合金的硬度、强度升高，
• 组织
➢在金属和合金中，在显微镜下能观察到的微 观形貌、图象称为组织，它是由单相物质或 多相物质组合成的，具有一定形态特征的聚 合体
合金的结构与二元状态图
二、合金中的相结构
❖固溶体
▪ 置换固溶体 ▪ 间隙固溶体 ▪ 固溶体的性能
❖化合物
合金的结构与二元状态图
两种类型的固溶体
• 置换固溶体
间隙固溶体