第2章二元合金的相图及结晶

2.3 二元匀晶相图 4.2.2. 合金平衡结晶过程分析
以Cu-Ni合金 为例进行分析。
Cu-Ni合金相图
2.3 二元匀晶相图
• ⑴ 合金的结晶过程 • 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ
合金为例说明。
当液态金属自高温
L
冷却到 t1温度时， 开始结晶出成分为
1的固溶体，其Ni

含量高于合金平均
与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但 与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。 故固溶体的综合力学性能较好，多为合金的基体相。
⑵ 金属化合物
合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称 金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可 用分子式表示其组成。
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 1000
a1 a 1083
L b1 L+ c1
解：作成分线和温度线 如图。
c 1455
根据杠杆定律推论，
1280 C
Q / QH = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4
答：所求合金在1280 时相的相对质量为1/4。
成分。
2.3 二元匀晶相图
这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变 或匀晶反应。
• 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。
2.3 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
（补充） Gibbs相律
相律的应用
• 利用相律可以解释金属和合金结晶过程中的很多 现象。
• 如纯金属结晶时存在两个相(固、液共存)P=2，纯 金属c＝1，代入相律表达式得f＝1-2+1=0。这说 明纯金属结晶只能在恒温下进行。
• 相律的作用： • 对于二元合金，在两相平衡条件下P＝2，
c=2,f=1。这说明此时还有一个可变因素。因此二 元合金，一般是在一定温度范围内结晶。
④ 固溶线: 溶解度点的连
A
线称固溶线。相图中
B
的CF、DG线分别为 Sn
在 Pb中和 Pb在 Sn中的
固溶线。
• 固溶体的溶解度随温 度降低而下降。
2.4 二元共晶相图
⑤ 共晶线：水平线CED叫做共晶线。 • 共晶线对应的温度下（183 ℃），E点成分的合金同时结晶出C
点成分的 固溶体和D点成分的 固溶体，形成这两个相的机
2.2二元合金相图的建立
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度
Liquid
Two Phase Solid
Time
Temperature
2.2二元合金相图的建立
热分析法实验原理
二元合金相图的测定 [以Cu-Ni合金(白铜)为例]
平衡组织
枝晶偏析组织
影响 因素
对合金性 能的影响
速度越大
冷却速度
偏析相对越严重
给定成分合金的液相线 与固相线的垂直距离
力学性能
距离越大 偏析相对越严重
耐腐蚀性能 加工性能
可使原子充 分扩散，使 成分均匀
解决方法
将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间 保温来消除枝晶偏析，称为扩散退火
2.3 二元匀晶相图
M4X (Fe4N)、 M2X (Fe2N、 W2C)、 MX (TiC、VC、TiN)等。
间隙相具有金属特征和极高 VC
的
ห้องสมุดไป่ตู้
的硬度及熔点，非常稳定。
结
构
部分碳化物和所有氮化物属
于间隙相。
b. 具有复杂结构的间隙化合物
当r非/r金>0.59时形成复杂结 构间隙化合物。
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。
消除枝晶偏析的办法
生产上常将铸件加热到
固相线以下100-200℃长时
间保温，以使原子充分扩散、
成分均匀，消除枝晶偏析， 这种热处理工艺称作扩散退 火。
大型铝合金铸造板材的扩散 退火
难点： 杠杆定律证明
• 设合金的质量为Q合金 , 其中 Ni质量分数为b%, 在 T1温度时, L相中的 Ni质量分数为a%, α相中 的Ni质量分数为c%。
属元素，如C、N、B等， 而溶剂元素一般是过渡 族元素。
形成间隙固溶体的一 般规律为r质/r剂<0.59。
间隙固溶体都是无序 固溶体和有限固溶体。
③ 固溶体的性能
随溶质含量增加, 固溶体的 强度、硬度增加, 塑性、韧性下 降—固溶强化。
产生固溶强化的原因是溶质 原子使晶格发生畸变及对位错 的钉扎作用。
（补充） Gibbs相律
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 当系统的压力为常数时(恒压下)： ，
f=c-p+1 f：自由度数，能改变系统状态的、独立可变的因素
（包括温度、成分等）的数目。fmin=0。 c：组元数。 p：相数。 由公式可知： fmin=c-pmax+1 故：pmax=c-fmin+1=c-0+1
80%Ni
L
1200
60%Ni 40%Ni
L+α α
1100
20%Ni
Cu
1000
时间
Cu 20
40
60
80
Ni
Ni%
Cu-Ni合金的冷却曲线和相图的绘制
二元合金相图的应用
• 由相图确定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
a 、有序固溶体：溶质原子在固溶体中有规律的分布。 （只能是置换固溶体）
b、无序固溶体：溶质原子在固溶体中无规律的分布。
① 置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶
体。 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布
的称有序固溶体。
黄铜置换固溶体组织
② 间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金
二元合金：由两个组元组成的合金。
所谓相是指金属或合金中凡 单相 合金
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。
显微组织实质上是指在显微 镜下观察到的金属中各相或各 晶粒的形态、数量、大小和分 布的组合。
固态合金中的相分为固溶体
和金属化合物两类。
两相 合金
⑴ 固溶体
固溶体：合金组元通过溶解形成 一种成分和性能均匀的，且结构与组 元之一相同的固相。习惯以、、 表示。
金属化合物也是合金的重 要组成相。
弥散强化：金属化合物 硬而脆，当其以极小的粒子 均匀分布在固溶体基体上时， 使合金的强度、硬度增加， 而塑性、韧性降低不多的现 象。
故金属化合物多为合金
的强化相（也称第二相）。
铁碳合金中的Fe3C
a. 间隙相：r非/r金0.59时形 成的具有简单晶格结构的间隙
化合物。如
－杠杆定律
2.3 二元匀晶相图
两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的 相图称为匀晶相图。
Liquid
Two Phase
Solid
X
% Y added
Y
2.3 二元匀晶相图
Temperature (C)
Equilibrium Phase Diagram - Mg0-Fe0
3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000
Cu
Ni
18 30
20
40
66 60 80
100
Ni%
2.4 二元共晶相图
当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限 互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相 图。
2.4 二元共晶相图
以 Pb-Sn 相图 为例进行分析。
Pb
成分（wt% Sn ）
Sn
Pb-Sn合金相图
2.4 二元共晶相图
相图分析
A ① 相：相图中有L、、三种
相, 是溶质Sn在 Pb中的固
B
溶体， 是溶质Pb在Sn中的
固溶体。
② 相区：相图中有三个单相区：
L、、；三个两相区： L+、 L+、+ ；一个三相区：即 水平线CED。
2.4 二元共晶相图
③ 液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn 的熔点。
合金中含Ni的总质量=L相中含Ni的质量 +α相中含Ni的质量
因为
所以 化简后得
c-b为线段 bc的长度; b-a为线段 ab的长度。 故得：
或
这个式子与力学中的杠杆定律相似, 因而亦被称作杠 杆定律。由杠杆定律不难算出合金中液相和固相在合金中 所占的质量分数（即相对质量）分别为：
例：求30%Ni合金在1280 时相的相对量
2.3 二元匀晶相图
• 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)。
2.3 二元匀晶相图
Cu-30%Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
与合金晶体结构相同的元素称溶 剂。其它元素称溶质。
固溶体是合金的重要组成相，实际 合金多是单相固溶体合金或以固溶体 为基的合金。
固溶体的溶解度：溶质原子在固溶 体中的极限浓度。
Cu-Ni置换固溶体 Fe-C间隙固溶体
固溶体的分类： a、置换固溶体：溶质原子取代溶剂原子的位置，
但整个结构仍然是溶剂的晶体结构。 b、间隙固溶体：溶质原子位于溶剂原子的间隙
化合物也可溶入其它元素原 子，形成以化合物为基的固溶 体。
Fe3C的晶格
高温合金中的Cr23C6
2.2二元合金相图的建立
合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析. 相图（平衡图、状态图）：平衡条件下，合金的相
状态与温度、成份间关系的图形。是制订熔炼、铸造、 热加工及热处理工艺的重要依据。
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。 合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的 一系列不同成分的合金。
2.1合金中的相
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。
组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。 组成合金的元素相互作用可形成不同的相。
与纯金属比，合金的力学性能高得多且种类多。 组元：组成合金独立的、最基本的单元。
合金的组成元素 组元包括
稳定化合物：固定的熔点和成分，不易分解。
2.1合金中的相
2.2二元合金相图的建立 2.3 二元匀晶相图 2.4 二元共晶相图 2.5 二元包晶相图 2.6 形成稳定化合物的二元相图 2.7 由相图判断合金性能
学习要求和难点
学习重点：
1. 匀晶体相图特点、结晶过程。 2. 杠杆定律及其应用。 3. 运用相图分析合金的性能。
学习难点：
杠杆定律及其应用。
2.3 二元匀晶相图 相图分析
液相线 L
B熔点
A熔点
L+α
α 固相线
与纯金属的结
晶过程不同，固 溶体合金的结晶 是在一定的温度 范围内完成的。
A
B%
B
• 相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。
• 相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ ）。
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 是变温转变。
2.3 二元匀晶相图 非平衡结晶—枝晶偏析
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
2.3 二元匀晶相图
• 在一个枝晶范围内或 一个晶粒范围内成分 不均匀的现象称作枝 晶偏析。
Cu-Ni合金枝晶偏析显微组织
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。 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。
2.2二元合金相图的建立
温度/ ℃ 温度/ ℃
1500
Ni
1400
1300
位置中。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的 非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族 元素。
a、有限固溶体：在一定的条件下，溶质在固溶体中存在一 极限浓度，如超过此浓度则有其它相形成。
b、无限固溶体：溶质可以任意比例溶入到溶剂中，最高可 达100%。 （只能是置换固溶体）组成元素原子半径、 电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可 能形成无限固溶体。
0
20
40
60
80
100
Wt% FeO
2.3 二元匀晶相图
Temperature (C)
Equilibrium Phase Diagram - Nb-W
3400 3300 3200 3100 3000 2900 2800 2700 2600 2500 2400
0
20
40
60
80
100
Weight % W