二元合金的相结构与相图知识分享
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二元合金
32-10
匀晶相图
§2 二元合金相图
32-11
二、匀晶相图
❖匀晶相图
➢特点：液态、固态均无限互溶 ➢同类： Cu-Ni、 Cu-Au、
Au-Ag、Fe-Cr等
§2 二元合金相图
32-12
相图分析
❖ 典型的点: ❖ 典型的线: ❖ 典型的区: ❖ 结晶过程: ❖ 杠杆定律:
§2 二元合金相图
α相
能充分进行而产生 的化学成分不均匀 的现象。
§2 二元合金相图
32-29
五、共析相图
§2 二元合金相图
S1S2+S3
c d＋e
32-30
一、合金形成单 相固溶体
纯金属与 合金的差别
Fig.4-21 固溶体合金 的力学性能、物理 性质与合金成分的 关系
§3 相图与性能的关系
32-31
§3 相图与性能的关系
32-35
①高于300℃ ②刚冷到183℃，共晶转变尚未开始 ③在183℃，共晶转变完毕 ④冷至室温。
有含
10 28
哪
些％
相锡
， 并
， 在
第
求 相
相 应
题
的温
相度
对下
量，
32-36
②刚冷到183℃，共晶转变尚未开始
L+α
QL
28 19 61.9 19
100%
21%
Q
61.9 28 100% 61.9 19
⑴金属模浇注与砂模浇注； ⑵高温浇注与低温浇注； ⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件； ⑷浇注时采用震动与不采用震动； ⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。 2．分析比较纯金属、固溶体、共晶体三者在结晶过程 和显微组织上的异同之处。 3．为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金、要进 行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？
匀晶相图
§2 二元合金相图
32-11
二、匀晶相图
❖匀晶相图
➢特点：液态、固态均无限互溶 ➢同类： Cu-Ni、 Cu-Au、
Au-Ag、Fe-Cr等
§2 二元合金相图
32-12
相图分析
❖ 典型的点: ❖ 典型的线: ❖ 典型的区: ❖ 结晶过程: ❖ 杠杆定律:
§2 二元合金相图
α相
能充分进行而产生 的化学成分不均匀 的现象。
§2 二元合金相图
32-29
五、共析相图
§2 二元合金相图
S1S2+S3
c d＋e
32-30
一、合金形成单 相固溶体
纯金属与 合金的差别
Fig.4-21 固溶体合金 的力学性能、物理 性质与合金成分的 关系
§3 相图与性能的关系
32-31
§3 相图与性能的关系
32-35
①高于300℃ ②刚冷到183℃，共晶转变尚未开始 ③在183℃，共晶转变完毕 ④冷至室温。
有含
10 28
哪
些％
相锡
， 并
， 在
第
求 相
相 应
题
的温
相度
对下
量，
32-36
②刚冷到183℃，共晶转变尚未开始
L+α
QL
28 19 61.9 19
100%
21%
Q
61.9 28 100% 61.9 19
⑴金属模浇注与砂模浇注； ⑵高温浇注与低温浇注； ⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件； ⑷浇注时采用震动与不采用震动； ⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。 2．分析比较纯金属、固溶体、共晶体三者在结晶过程 和显微组织上的异同之处。 3．为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金、要进 行压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金？
二元合金相图资料(1)
第二章二元合金相图纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。
合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。
合金相图正是研究这些规律的有效工具。
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叫做合金。
其中组成合金的独立的、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。
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。
二元以上的合金称多元合金。
合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。
合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。
利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。
掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。
在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。
本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。
2.1 合金中的相及相图的建立在金属或合金中，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。
液态物质为液相，固态物质为固相。
相与相之间的转变称为相变。
在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。
由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。
组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。
由不同组织构成的材料具有不同的性能。
二元合金相图
α+L α
匀晶转变的特点
合金在一定温度范围内结晶；
在合金结晶过程中，先结晶出的固相和剩余液
相的成分都与原来合金的成分不同，它们分别
沿着固相线和液相线变化。
结论：两相区中，相互处于平衡状态的两个
相的成分，分别沿着两相区的两个边界线改变。
杠杆定律
杠杆定律是确定状态图中两相区内两平衡相
的成分和相对重量的重要工具
成的固溶体。
形成条件：溶剂与溶质原子尺寸相近，直径
差别较小，容易形成置换固溶体。
置换固溶体中原子的分布通常是任意的，称
之为无序固溶体。在某些条件下，原子成为 有规则的排列，称为有序固溶体。
固溶体的溶解度
浓度：溶质原子在固溶体中所占的百分比 溶解度：在一定条件下的极限浓度 置换固溶体中，影响溶解度的因素有原子
相图分析（相图三要素）
T,C
Pb
L+
L
L+
Sn
+
Sn%
1 ）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点（是亚共晶、过共晶合金 成分分界点）等。 2）线：液相线、固相线；溶解度曲线；共晶线等。 3）区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。
液相线：AEB
固相线：AMENB 共晶线：MEN
2、间隙固溶体（interstitial solid solution）
溶质原子溶入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体 晶体结构类型
晶格畸变（lattice distortion）
由于溶质原子的介入，原子的排 列规律受到局部的破坏，使晶格 发生扭曲变形。
溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，变形抗力增 大，金属的强度及硬度升高的现象------固溶强化
二元合金的相结构与相图知识分享
T< t4 : α (100%)
相成分判定方法
单相区: 实际座标点
两相区: 液(固)相成分在
温度水平线与液 (固)相线的交点处
液(固)相线的意义:
(1) 表征了各成分 合金的结晶起始 (终止)温度;
(2)表征了各温度 下液固两相达到平 衡时液(固)相的成 分
4 相律（P73～74）
• 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。
二 合金的相结构
（一）固溶体
1、固溶体的分类
置换固溶体
** 按溶质原子在晶格中所占的位置分类
（1）置换固溶体— 溶质原子占据溶剂晶 格结点所形成的固溶体——代位固溶体
90％ Cu-10％Ni合金
（2）间隙固溶体
—— 溶质原子填入溶剂晶格 的空隙位置所形成的固溶体。
例：
间隙固溶体
C 固溶于α－Fe中形成间隙固溶体
σb(MPa) 220
HBS 44
Ψ(%) 70
Cu+19%Ni
390
单相固溶体
70
50
固溶体的应用： （1） 结构材料的基体相； （2）精密电阻、电热材料等
(二)、金属化合物 1 正常价化合物
特点：成分固定不变，可用化学式表示。
如Mg2Si、Mg2Sn、MgS、MnS等。 具有较高的硬度，脆性较大。常作为有色 金属的强化相。
第三章 二元合金的相结构与相图
本章目的： 1 讨论合金中的相概念及其类型； 2 介绍各种类型的基本二元相图； 3 说明相图与合金性能间的对应关系
本章要求： 1 组元、相、组织、组织组成物等基本概念； 2 固溶体和化合物的本质区别和性能特点； 3 掌握分析相图的基本方法； 4 正确运用杠杆定律。
相成分判定方法
单相区: 实际座标点
两相区: 液(固)相成分在
温度水平线与液 (固)相线的交点处
液(固)相线的意义:
(1) 表征了各成分 合金的结晶起始 (终止)温度;
(2)表征了各温度 下液固两相达到平 衡时液(固)相的成 分
4 相律（P73～74）
• 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。
二 合金的相结构
（一）固溶体
1、固溶体的分类
置换固溶体
** 按溶质原子在晶格中所占的位置分类
（1）置换固溶体— 溶质原子占据溶剂晶 格结点所形成的固溶体——代位固溶体
90％ Cu-10％Ni合金
（2）间隙固溶体
—— 溶质原子填入溶剂晶格 的空隙位置所形成的固溶体。
例：
间隙固溶体
C 固溶于α－Fe中形成间隙固溶体
σb(MPa) 220
HBS 44
Ψ(%) 70
Cu+19%Ni
390
单相固溶体
70
50
固溶体的应用： （1） 结构材料的基体相； （2）精密电阻、电热材料等
(二)、金属化合物 1 正常价化合物
特点：成分固定不变，可用化学式表示。
如Mg2Si、Mg2Sn、MgS、MnS等。 具有较高的硬度，脆性较大。常作为有色 金属的强化相。
第三章 二元合金的相结构与相图
本章目的： 1 讨论合金中的相概念及其类型； 2 介绍各种类型的基本二元相图； 3 说明相图与合金性能间的对应关系
本章要求： 1 组元、相、组织、组织组成物等基本概念； 2 固溶体和化合物的本质区别和性能特点； 3 掌握分析相图的基本方法； 4 正确运用杠杆定律。
二元合金结构与相图
相结构与相图
相： 合金中具有一样成分和一样构造〔聚集 状态〕并以界面分开的、均匀的组成局部。 固态金属一般是一个相，而合金那么可 能是几个相。由于形成条件不同，各相可以 不同的数量、形状、大小组合。在显微镜下 观察，可以看到不同的组织。
固态合金的相可分成两类：
固溶体：假设相的晶体构造与某一组成元素 的晶体构造一样，这种固相称为固溶体；
〔1〕置换固溶体
〔2〕间隙固溶体
〔3〕固溶体的溶解度
〔4〕固溶体的性能
相结构与相图
〔1〕置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位
置而形成的固溶体。 形成条件：
溶剂与溶质原子尺 寸相近。
溶质原子 溶剂原子
置换固溶体
相结构与相图
〔2〕间隙固溶体
溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而形 成的固溶体。
形成条件：
L
垂线与相线的交点
做出冷却速度曲线
Ni
时间
相结构与相图
〔1〕单相区中，不管温度怎么变化 单相的成份=合金的成份， 单相的重量=合金的重量。
〔2〕两相区中的两个相随温度变化会 发生两个变化： ①两个相的成分随温度变化分别沿各 自的相线变化〔水平温度线〕 ②两个相的相对重量随温度变化也要 发生变化〔杠杆定律〕
求合金Ⅰ在温度t3下 两个相的相对重量
L
t3
QXQaQQLLXL 1 X0
Q
QL
QL
(
X0 XL
Xa Xa
) 1 0 0%
Q
( XL XL
X0 Xa
) 1 0 0%
A
Xa X0 XL B
QL X0 Xa Q XL X0
相结构与相图
例：求含Ni60%的Cu-Ni合金，冷却至温度
二元合金与相图.ppt讲解
A B
共晶反应的产物，即两 相的机械混合物称共晶 体或共晶组织。发生共 晶反应的温度称共晶温 度。代表共晶温度和共
晶成分的点称共晶点。
Pb原子 扩散 Sn原子 扩散
Pb-Sn共晶组织 共晶体长大示意图
具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡 成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共 晶点以右的合 金称过共晶合 金。
A
L+பைடு நூலகம்
C D
B
凡具有共晶线
成分的合金液
体冷却到共晶
温度时都将发
生共晶反应。
⑵ 合金的结晶过程 ① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程 在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种 直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。
.2
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,由 析出的二次 用Ⅱ 表示。。
成分大于 D点合金结晶 过程与Ⅰ合金相似，室 温组织为 + Ⅱ 。
C
E
D
F
G
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
晶反应：LE ⇄(C+D) 。
1’
19.2
wt%Sn
析出过程中两相相间形核、互相促进、共 同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、 点球等形状。
C(19.2) E(61.9) D(97.5)
相的相对重量百分比为：
Q Q ED 97.5 61.9 100% 100% 45.4% CD 97.5 19.2 100% Q 54.6%
共晶反应的产物，即两 相的机械混合物称共晶 体或共晶组织。发生共 晶反应的温度称共晶温 度。代表共晶温度和共
晶成分的点称共晶点。
Pb原子 扩散 Sn原子 扩散
Pb-Sn共晶组织 共晶体长大示意图
具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡 成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共 晶点以右的合 金称过共晶合 金。
A
L+பைடு நூலகம்
C D
B
凡具有共晶线
成分的合金液
体冷却到共晶
温度时都将发
生共晶反应。
⑵ 合金的结晶过程 ① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程 在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种 直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。
.2
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,由 析出的二次 用Ⅱ 表示。。
成分大于 D点合金结晶 过程与Ⅰ合金相似，室 温组织为 + Ⅱ 。
C
E
D
F
G
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
晶反应：LE ⇄(C+D) 。
1’
19.2
wt%Sn
析出过程中两相相间形核、互相促进、共 同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、 点球等形状。
C(19.2) E(61.9) D(97.5)
相的相对重量百分比为：
Q Q ED 97.5 61.9 100% 100% 45.4% CD 97.5 19.2 100% Q 54.6%
二元合金相图(很好很强大)
(ab)、 x1x(ao)的长度。
因此两相的相对重量百分比为：
QL
xx2 x1x2
ob ab
Q
x1x x1x2
ao ab
两相的重量比为：
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。
在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的 端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。
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。
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。
Ⅰ和Ⅰ, Ⅱ和 Ⅱ,共晶体 (+)都是组
织组成物。 相与相之间的
差别主要在 结构和成分 上。
组织组成物之间的差别主要在形态上。如Ⅰ 、 Ⅱ和 共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形
Fe-Fe3C相图
⑷ 三相区的确定：二 元相图中的水平线 是三相区，其三个 相由与该三相区点 接触的三个单相区 的相组成。
常见三相等温水平线上的反应
反应名称 图形特征 共晶反应 包晶反应 共析反应
反应式
说明
L⇄ +
恒温下由一个液相同时 结晶出两个成分结构不 同的新固相。
恒温下由一个液相包着
L + ⇄ 一个固相生成另一个新
铁碳合金相图
共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠 光体），也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体)。
与共晶反应不同 的是，共析反应 的母相是固相， 而不是液相。
另外，由于固态 转变过冷度大， 因而共析组织比 共晶组织细。
2.2二元合金相图
三、共晶相图：
二元共晶相图：两组元在液态时无限互溶，固态时 有限互溶，并发生共晶反应所构成的相图称为二元 共晶相图。
共晶反应：是指冷却时由液相同时结晶出两个固相 的复合混合物的反应。
共晶体：共晶反应的产物是共晶体。
共晶组织：共晶体的显微组织是共晶组织。
1、相图分析
（1）共晶点 C点－－ α相＋β相 （2）共晶线 ECF线－－ LC恒→温αE+ ΒF
第五节 二元合金相图
相图：表示在平衡状态下，合金系的相与温度、成分之间关
系的图形。（又称状态图，平衡图）
注：
1、平衡状态是指在十分缓慢加热或冷却条件下，参与加热时 相的转变或冷却时结晶过程中的各相之间的成分及相对量，均 相对稳定所达到的一种平衡。 2、 物系为合金系的情况下，其压力通常视为定值，因此坐标 为温度和成分。
t/s
Ag%
P57图3-20 包晶合金的平衡结晶过程
概括起来，包晶合金平衡结晶过程为：
包晶温度以上： 液态 L42.4 液相线到包晶温度之间： 液态L 包晶温度（1186℃）：包晶转变 L66.3 10.5 42.4 包晶温度以下： Ⅱ 室温组织： + Ⅱ
➢包晶偏析——即包晶转变不能充分进行而产生的化学成分不 均匀现象。
冷却过程中不会发生共晶反应。如图合金Ⅳ冷却至1
点时结晶出α1 相,经过2点时全部转变为α1 相,经 过3点时,开始析出βⅡ相,即
L→1 L+α1→2 α1 →3 α1＋ βⅡ
同理，F点右侧的合金在冷却过程中也会有β1 相和αⅡ相生成 。最终组织为 β1＋αⅡ 。
§2-4 二元包晶相图
一、二元包晶相图分析
二、匀晶相图
两组元在液态和固态均能无限互溶时，结晶时发生匀晶转变（即从 液相中结晶出成分均匀一致的固溶体)所构成的相图称为二元合金相 图。
第二章 二元合金的相结构与相图
第二章二元合金的相结构与相图由于纯金属的机械性能比较低，很难满足机械制造业对材料性能的要求，尤其是一些特殊性能如高强度、耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等的要求，加上它冶炼困难，价格昂贵，所以在工业生产中广泛使用的金属材料主要是合金。
合金的性能比纯金属的优异，主要是因为合金的结构与组织与纯金属不同，而合金的组织是合金结晶后得到的，合金相图就是反映合金结晶过程的重要资料，也是制订各种热加工工艺的重要理论依据，所以本章着重介绍合金的结构与相图。
§2.1 合金的相结构相指具有相同结构，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，合金在室温时只有一个相组成的合金称为单相合金，由两个相组成的合金称为两相合金。
由多个相组成的合金称为多相合金。
组织指用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像，一般用肉眼观察到的称为宏观组织，用显微镜放大后观察到的组织称为微观组织。
材料的组织是由相组成的，当组成相的数量、大小、形态和分布不同时，其组织也就不同。
从而导致其性能不同，因此可以通过改变合金的组织来改变合金的性能。
合金系由给定的若干组元按不同的比例配制成的一系列不同成分的合金，为一个合金系统，简称为合金系。
如由A、B两个组元配制成的称为A-B二元系，同样由三个组元或多个组元配制成的称为三元系合金或多元系合金，本章主要介绍二元系合金的有关知识。
由于组成合金的各组元的结构和性质不同，因此它们在组成合金时，它们之间的相互作用也就不同，所以它们之间可以形成许多不同的相。
但按这些相的结构特点，可以将它们分为两大类：即固溶体和金属间化合物。
固溶体的主要特点是：其晶体结构与溶剂组元的相同；而金属间化合物的主要特点是其晶体结构与两组元的结构均不相同，而是一种新的晶体结构。
一. 固溶体1. 固溶体由两种或两种以上组元在固态下相互溶解，而形成得具有溶剂晶格结构的单一的、均匀的物质。
1) 溶剂：固溶体中含量较多的并保留原有晶格结构的组元称为溶剂。
二元合金的相结构ppt
材料计算
利用材料计算模拟方法，预测二元合金的相结构、性能及各向 异性等。
相图计算
通过计算二元合金的相图，确定各相的比例和分布，以优化合 金的性能。
微观结构设计
通过控制二元合金的微观结构，包括晶粒尺寸、晶界比例和分 布等，实现其整体性能的优化。
06
研究方法和展望
研究方法概述
实验方法
包括金相显微镜、X射线衍射、扫描电子显微镜等。
04
相结构分析
相结构的定义和分类
相结构的定义
相结构是指物质中原子或离子的排列方式，是决定物质物理 和化学性质的重要因素。
相结构的分类
根据原子或离子的排列特点，相结构可分为晶体结构和非晶 态结构两大类。
相结构分析的基本方法
物理方法
通过研究物质的物理性质，如X射线衍射、中子散射等，推算出原子或离子 的排列方式。
化学性能
二元合金的化学性能，如耐腐蚀 性、抗氧化性等，与相结构有关 。
相结构对性能的影响
相比例
二元合金中各相的比例对其整体性能有重要影响 。
相界面
相界面是合金中最为活泼的区域之一，对合金的 性能产生重要影响。
晶体结构
合金中各相的晶体结构不同，导致其力学、物理 和化学性能各异。
二元合金相结构优化和设计
研究方向
研究新型二元合金的相结构及其性能，探 索更有效的合金设计和优化方法。
挑战
二元合金相结构研究仍然面临诸多挑战， 如缺乏完整的理论体系、实验和计算方法 的限制等，需要进一步发展和完善现有.
文献综述应总结目前二元合金相结构 研究的发展趋势和未来需要深入研究 的问题。
02
二元合金的简介
二元合金的定义
由两种金属或非金属元素组成的具有混合相 态的合金
利用材料计算模拟方法，预测二元合金的相结构、性能及各向 异性等。
相图计算
通过计算二元合金的相图，确定各相的比例和分布，以优化合 金的性能。
微观结构设计
通过控制二元合金的微观结构，包括晶粒尺寸、晶界比例和分 布等，实现其整体性能的优化。
06
研究方法和展望
研究方法概述
实验方法
包括金相显微镜、X射线衍射、扫描电子显微镜等。
04
相结构分析
相结构的定义和分类
相结构的定义
相结构是指物质中原子或离子的排列方式，是决定物质物理 和化学性质的重要因素。
相结构的分类
根据原子或离子的排列特点，相结构可分为晶体结构和非晶 态结构两大类。
相结构分析的基本方法
物理方法
通过研究物质的物理性质，如X射线衍射、中子散射等，推算出原子或离子 的排列方式。
化学性能
二元合金的化学性能，如耐腐蚀 性、抗氧化性等，与相结构有关 。
相结构对性能的影响
相比例
二元合金中各相的比例对其整体性能有重要影响 。
相界面
相界面是合金中最为活泼的区域之一，对合金的 性能产生重要影响。
晶体结构
合金中各相的晶体结构不同，导致其力学、物理 和化学性能各异。
二元合金相结构优化和设计
研究方向
研究新型二元合金的相结构及其性能，探 索更有效的合金设计和优化方法。
挑战
二元合金相结构研究仍然面临诸多挑战， 如缺乏完整的理论体系、实验和计算方法 的限制等，需要进一步发展和完善现有.
文献综述应总结目前二元合金相结构 研究的发展趋势和未来需要深入研究 的问题。
02
二元合金的简介
二元合金的定义
由两种金属或非金属元素组成的具有混合相 态的合金
金属学第四章 二元合金相图
热分析法 利用合金在转变时伴有热学性能变化的特性，通
过测量系统温度的变化来得到临界温度，从而建立起
相图。
热分析法建立二元合金相图的步骤
• 将给定两组元配制成一系列不同成分的合金； • 将它们分别熔化后在缓慢冷却的条件下，分别测出它 们的冷却曲线； • 找出各冷却曲线上的相变临界点（曲线上的转折点） ； • 将各临界点注在温度——成分坐标中相应的合金成分 线上； • 连接具有相同意义的各临界点，并作出相应的曲线； • 用相分析法测出相图中各相区（由上述曲线所围成的 区间）所含的相，将它们的名称填入相应的相区内， 即得到一张完整的相图。
c
L+ L+
+
f
Ag%
g
Ag
+ Ⅱ
t
4.3.4. 共析相图
共析转变：
T,C
( + ) 共析体 L L+
A
+
c
+ d
e
+
B
4.4 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。
T,C
固相线
Pb
L+
L
L+
Sn
固溶线 固溶线
+
Sn%
共晶转变分析
T,C
Pb
L+
c
L
d
L+
e
共晶反应线 表示从c点到e点 范围的合金，在 该温度上都要发 生不同程度上的 共晶反应。
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例：纯铁、钢中的相 纯铁：α-Fe； 钢：铁素体(α)＋渗碳体(Fe3C)；
α相
α相 Fe3C 相
纯铁
0.45%C 钢
一、相的分类
相结构，实指合金的晶体结构 （一）固溶体
合金组元通过溶解形成一种成分和 性能均匀的、且晶格类型与组元之一相 同的固相称之为固溶体。 （二）金属化合物
定义：合金组元相互作用形成的晶 格类型和特性完全不同于任一组元的新 相称之为金属化合物。
二 合金的相结构
（一）固溶体
1、固溶体的分类
置换固溶体
** 按溶质原子在晶格中所占的位置分类
（1）置换固溶体— 溶质原子占据溶剂晶 格结点所形成的固溶体——代位固溶体
90％ Cu-10％Ni合金
（2）间隙固溶体
—— 溶质原子填入溶剂晶格 的空隙位置所形成的固溶体。
例：
间隙固溶体
C 固溶于α－Fe中形成间隙固溶体
a. Fe－Al (<25%atm)合金 ——无序相：α相
b. Fe－Al (25%~35%atm)合金 ——有序相：Fe3Al
c. Fe－Al(35%～50％atm)合金 ——有序相：FeAl
成分固定，温度变化时： Fe3Al： < 550℃：完全有序 550℃ ～ 950℃：部分有序 > 950℃：完全无序固溶体
子而变为负离子的能力。 ┗ 可衡量元素间的化学亲和力，即形成化
合物的倾向性 ——取决于两元素在周期表中的位置，相距
越远，负电性相差越大，越易形成化合物。
dAl=2.85; dS=2.08； dFe=2.54 Δr/r分别为：0.12、0.18
—— 元素间负电性相差越小，越易形成 固溶体，而且固溶体的固溶度也较大。
**固溶强化的特点： (1) 溶质与溶剂原子相差越大，溶质原子
浓度越高，所引起的晶格畸变越大，固溶强 化效果越大；
(2) 间隙原子的强化效果比置换原子的大。 因为间隙原子引起的点阵畸变大。 （3）综合机械性能好。适当控制溶质含量， 不仅可以显著提高材料强硬度，而且材料的 塑韧性不会明显降低。
（2）有序固溶体 ——溶质原子按一定的规 律分布在溶剂晶格中。
CuAu中Cu原子：简单四方晶系亚点阵 Cu3Au中Cu原子：体心四方晶系亚点阵
• 有序固溶体特点： —— 溶质原子可形成自己的亚点阵 —— 一定条件下固溶体可在有序和
无序间相互转化：
温度、成分
例：Fe-Al合金 室温下, 成分变化时：
度较小。 原因：固溶体中的电子浓度存在极限
值。不同晶体结构的极限电子浓度不同： F.C.C：1.36 B.C.C: 1.48
3 间隙固溶体
当溶质与溶剂的原子半径之比小于 0.59时，可能形成间隙固溶体。
如小原子的碳(0.077nm)、氮 (0.071nm)、另氧、氢、硼等非金属原子。 特点：a. 同样会引起点阵畸变；
变，产生畸变能，晶格畸变能越高，晶格越 不稳定，当畸变能高到一定程度，溶质原子 将不再能溶入固溶体，只能形成其它新相。
溶剂与溶质原子的尺寸差别可用Δr/r 衡量：
Δr/r =(r溶剂 - r溶质)/ r溶剂
（2）负电性 S原子、Al原子与Fe原子大小相差接近，
但Al在Fe中溶解度大——负电性因素 负电性: 指元素的原子自其它原子夺取电
Fe3Al——金属间化合物新材料
2 置换固溶体及影响因素 金属元素之间一般都能形成置换
固溶体，但固溶度往往相差很大。 如Cu: Ni无限互溶， Zn最大溶解度为39%， Pb几乎不溶解于铜。 —— 受元素间原子尺寸、化学
亲和力、结构类型等影响。
（1）原子尺寸因素 组元间原子半径越相近，固溶度越大。 原因：溶质原子引起溶剂晶格的点阵畸
b. 溶解度与原子大小和溶剂的晶 格类型有关： F.C.C 中> B.C.C 中；
c. 间隙固溶体只能是有限固溶体。
4 固溶体的结构特点 (1) 保持着溶剂的晶格类型； (2) 晶格发生畸变
(3) 偏聚与（短程）有序 (4) 有序固溶体（长程有序化）
当固溶体发生偏聚或有序化时， 强度和硬度增加，而塑性和韧性降低。
（3）晶体结构因素 晶体结构相同，溶解度较大。 无限固溶体——溶质的晶体结构与溶剂
的晶体结构一定相同( 如Cu-Ni合金等) 例Fe合金：
Ni、Co、Cr、V与Fe原子尺寸差别<8%, Ni、Co与Fe形成面心立方晶格无限固溶体 Cr、V与Fe形成体心立方晶格无限固溶体
（4）电子浓度因素——原子价因素 电子浓度: 价电子数目与原子数目之比 现象：溶质元素的原子价越高，溶解
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。
Pb-Sn合金, 钢（Fe-C）, 锡青铜(Cu-Sn(<14%)）
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
5 固溶体的性能 （1）固溶体强硬度高于组成它的纯金属， 塑韧性低于组成它的纯金属; （2）物理性能方面，随着溶质原子的↑，固 溶体的电阻率↑，电阻温度系数↓，导பைடு நூலகம்性↓。
固溶体中随着溶质原子的加入，强度、硬度 升高，塑性、韧性降低的现象
┗ 固溶强化 ——金属材料的主要强化手段或途径之一 例如：南京长江大桥采用廉价的16Mn，其 中含1.2%~1.6%Mn，抗拉强度较相同碳含量 的普通碳素钢提高60％；
┗ 铁素体
C 固溶于γ－Fe中形成间隙固溶体
┗ 奥氏体
** 按固溶度分类 （1）有限固溶体——溶质原子在固溶体中 的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再 溶解，这个限度称为固溶度。
（2）无限固溶体——溶质原子能以任意比 例溶入溶剂，固溶度可达到100%。
按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分类
（1）无序固溶体 ——溶质原子随机地分布 于溶剂晶格中。
第三章 二元合金的相结构与相图
本章目的： 1 讨论合金中的相概念及其类型； 2 介绍各种类型的基本二元相图； 3 说明相图与合金性能间的对应关系
本章要求： 1 组元、相、组织、组织组成物等基本概念； 2 固溶体和化合物的本质区别和性能特点； 3 掌握分析相图的基本方法； 4 正确运用杠杆定律。
§1 合金的相结构