第3章-二元合金相图及应用
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第三章1-2节 二元合金与相图(同济-王国华).
3.1.1 固态合金中的相结构及组织概念
合金：一种元素同另一种或几种其他元素 ，通过熔化或其他方法结合在一起所形成 的具有金属特性的物质。
组元：组成合金独立的最基本的单元。组元可以是元 素或是稳定化合物。 由两个组元组成的合金称为二元合金。
如：铁碳合金、铜镍合金
相：凡化学成分相同（可连续变化 ）、晶体结构相同 并有界面与其他部分分开的均匀组成部分称为相。 合金组元通过溶解 形成一种成分和性 能均匀、且结构与 组元之一相同。
片状珠光体
w(c)=0.77%
球状珠光体
3.组织与性能的关系
金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定。
注意： (1)在某些情况下，金属的组织名称相同，组成相 也相同，但晶粒形状、大小不同，则它们的性能 也不同。
(2)在某些合金中，在显微镜下观察它们的组织， 组成相相同，且形状、大小无明显差异，只是其 成分有所不同，这时表现出来的性能也不相同。
(1) 固溶体的分类
按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为： 置换固溶体和间隙固溶体
按溶解度固溶体可分为：有限固溶体和无限固溶体
溶解度：溶质在固溶体中的极限浓度即为溶质在 固溶体中的溶解度。 若超过这个溶解度有其他相形成，则此种固溶体 为有限固溶体。 若溶质可以任意比例溶入，即溶质的溶解度可达 100，则固溶体为无限固溶体。 按溶质原子在固溶体中分布是否有规律可分为： 无序固溶体和有序固溶体
3.1.2金属材料的组织 1.组织的概念 金相试样的制备： 取样(小块金属材料) →磨光(用金相砂纸) →抛 光(用绒布+抛光剂) →腐蚀→吹干 在显微镜下观察，可以看到金属材料内 部的微观形貌。这种微观形貌2-拨盘 3-底座物镜 4-孔径光阑 5-视场光阑旋钮 6-视场光阑滚花螺丝 7-固定滚花螺钉 8-双筒目镜镜管 9-目镜 10-载物台 ll-物镜 12-物镜转换盘 13-镜架 14-粗调手轮 15-微调手轮
二元合金相图及其应用
作枝晶偏析。 • 不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 • 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 • 枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。 • 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。
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
➢ 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。
➢ 室温下α、Ⅱ的相对重量百分比为：
w
4G FG
➢
由于二次相析出温度较低，一般十分细小。w
F4 FG
Ⅰ合金室温组织为
➢ + Ⅱ 。
A C
F
B ➢ 成分大于 D点合金结晶过程
E
D
与Ⅰ合金相似，室温组织为
+ Ⅱ。
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
二元合金相图及其应用
第三章 二元合金相图及其应用
3.1 合金的相结构 纯金属的局限 合金 3.1.1 基本概念 ➢ 合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经
一定方法合成的具有金属特性的物质。
➢ 组元：组成合金最基本、能够独立存在的物质。可以是元 素，也可以是稳定化合物。（如二元、三元合金〕
• 相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线 叫固相线。
3.2.2 二元匀晶相图 • 两组元在液态和固态下均
无限互溶时所构成的相图
称二元匀晶相图， • 结晶时只结晶出单相固溶
体组织， • 以Cu-Ni合金为例进行分析。
（1）相图分析
• 相图由两条线构成，上 面是液相线，下面是固 相线。
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。
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
➢ 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。
➢ 室温下α、Ⅱ的相对重量百分比为：
w
4G FG
➢
由于二次相析出温度较低，一般十分细小。w
F4 FG
Ⅰ合金室温组织为
➢ + Ⅱ 。
A C
F
B ➢ 成分大于 D点合金结晶过程
E
D
与Ⅰ合金相似，室温组织为
+ Ⅱ。
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
二元合金相图及其应用
第三章 二元合金相图及其应用
3.1 合金的相结构 纯金属的局限 合金 3.1.1 基本概念 ➢ 合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经
一定方法合成的具有金属特性的物质。
➢ 组元：组成合金最基本、能够独立存在的物质。可以是元 素，也可以是稳定化合物。（如二元、三元合金〕
• 相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线 叫固相线。
3.2.2 二元匀晶相图 • 两组元在液态和固态下均
无限互溶时所构成的相图
称二元匀晶相图， • 结晶时只结晶出单相固溶
体组织， • 以Cu-Ni合金为例进行分析。
（1）相图分析
• 相图由两条线构成，上 面是液相线，下面是固 相线。
二元合金相图的绘制与应用
实验 二元合金相图的绘制与应用一、目的要求1、理解步冷曲线，学会用热分析方法测绘Sn-Bi 二元合金相图2、学会铂电阻的测温技术，尝试用金属相图测量装置测量温度的方法3、掌握微电脑控制器的使用方法4、理解产生过冷现象的原因及避免产生过冷现象的方法二、基本原理相图是用几何图形来表示多相平衡体系中有哪些相、各相的成分如何，不同相的相对量是多少，以及它们随浓度、温度、压力等变量变化的关系图。
对蒸气压较小的二组分凝聚体系，常以温度-组成图来描述。
热分析方法与步冷曲线热分析方法是绘制相图常用的基本方法之一。
将两种金属按一定比例配成并把它加热成均匀的液相体系，然后让它在一定的环境中自行冷却，并每隔一定的时间（例如0.5min 或1min ）记录一次温度，以温度T 为纵坐标，以时间t 为横坐标，做出温度-时间（T-t ）曲线，称为步冷曲线。
若体系均匀冷却时，冷却过程不发生相变化，则体系的温度随时间的变化是均匀的，则步冷曲线不出现转折或平台，而是一条直线，冷却速度快。
若冷却过程中发生了相变化，由于相变化过程中伴随有热效应，发生相变热，所以体系温度随时间的变化速度将发生改变，体系的冷却速度减缓，步冷曲线就出现转折或平台。
测定一系列组成不同的样品的步冷曲线，从曲线上找出各相对应体系发生相变的温度，就可以绘制出被测系统的相图。
这就是用热分析法绘制液固相图的概要.如图所示：Bi-Cd 合金冷却曲线曲线1、5是纯物质的步冷曲线。
当系统从高温冷却时，开始没有发生相变化，温度下降比较快，步冷曲线较陡；冷却到A 的熔点时，固体A 开始析出，系统出现两相平衡（固体A 和溶液平衡共存），根据相律，此时f= k-Ø+1=1-2+1=0，系统温度维持不变，步冷曲线出现bc 的水平线段；直到液相完全凝固后，温度又继续下T /℃t降。
曲线2、4是A与B组成的混合物的步冷曲线。
与纯物质的步冷曲线不同。
系统从高温冷却到温度b’时,开始有固体A不断析出，这时体系呈两相，溶液中含A的量随之减少，由于不断放出凝固热，所以温度下降速度变慢，曲线的斜率变小（b’c’段）。
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
第三章二元合金与相图介绍
第一节 固态合金相结构
金属化合物
具有相当程度的金属键并具有一定程度的金属性质的化合物
结
构
金属化合物的晶格结构类型不同于任一组元（可用分子式大致表示）
特
点
举例：
渗碳体是由Fe和C构成的金属化合物， 其晶格类型与Fe和C都不形同，而是形 成一种复杂晶格（如右图）。Fe与C原 子比例固定为3:1，故可以Fe3C来表示
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
共晶相图
• 共晶相图——当两组元在液态时无限互溶，在固态 时有限互溶，而且发生共晶反应，所构成的合金相 图(或者说以共晶转变为主的相图）
• 共晶转变——一定化学成分的合金在一定的温度下 （恒温），同时由液相中结晶出两种不同成分和不 同晶体结构的固相
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
共晶相图
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
共晶相图
固溶体合金 结晶过程
室温下合金I的显微组织：a）相组成：α、β；b）组织组成：α、βII
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
共晶相图
共晶合金 结晶过程
合金II的结晶过程：L→L+（α+β）→（α+β）
ห้องสมุดไป่ตู้
第三章 二元合金与相图
二元合金相图与铁碳合金课件
或
图3-8 杠杆定律的应用
16
3.2.2 二元共晶相图
共晶转变——二元合金系中，一定成分的液相，在一定温度下同 时结晶 出两种不相同的固相的转变，称为共晶转变。
二元共晶相图——凡二元合金系中两组元在液态下能完全互溶， 在固态下形成两种不同固相，并发生共晶转变的 的相图属于二元共晶相图。
17
3.2.2 二元共晶相图
11
3.2 二元合金相图的基本类型
3.2.1 匀晶相图及杠杆定律 3.2.2 共晶相图 3.2.3 包晶相图 3.2.4 具有共析反应的相图 3.2.5 含有稳定化合物的相图
12
3.2.1 匀晶相图及杠杆定律
n 凡是二元合金系中两组元在液态下可以任何比例均匀相互溶解，在固态 下能形成无限固溶体时，其相图属于二元匀晶相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr、 Au-Ag等合金系都属于这类相图。 由液相结晶出均一固相的过程就称为 匀 晶 转 变 。 下 面 就 以 Cu- Ni合 金 相 图 为 例 ， 对 匀 晶 相 图 进 行 分 析。
这样就获得了Cu-Ni合金相图，如图3-3b所示。
图中各开始结晶温度连成的相界线tA LtB线称为液相线，各
终了结晶温度连成的相界线tAαtB线称为固相线。
5
3.1.1 二元合金相图的建立
图3-3 用热分析法测定Cu-Ni合金相图
6
3.1.1 二元合金相图的建立
(3) 相律 n 按照热力学条件，这种限制可用吉布斯相律表示，即：
26
3.2.2 二元共晶相图
合金中相组成物和组织组成物的相对量，均可利用杠杆定律来计算。 合金Ⅲ在183℃ (共晶转变结束后) 时由α、β两相组成，其相对量为：
合金Ⅲ在183℃ (共晶转变结束后) 时由初晶αD与共晶体 (αD+βB) 两 种组织组成物组成，其相对量为：
图3-8 杠杆定律的应用
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3.2.2 二元共晶相图
共晶转变——二元合金系中，一定成分的液相，在一定温度下同 时结晶 出两种不相同的固相的转变，称为共晶转变。
二元共晶相图——凡二元合金系中两组元在液态下能完全互溶， 在固态下形成两种不同固相，并发生共晶转变的 的相图属于二元共晶相图。
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3.2.2 二元共晶相图
11
3.2 二元合金相图的基本类型
3.2.1 匀晶相图及杠杆定律 3.2.2 共晶相图 3.2.3 包晶相图 3.2.4 具有共析反应的相图 3.2.5 含有稳定化合物的相图
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3.2.1 匀晶相图及杠杆定律
n 凡是二元合金系中两组元在液态下可以任何比例均匀相互溶解，在固态 下能形成无限固溶体时，其相图属于二元匀晶相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr、 Au-Ag等合金系都属于这类相图。 由液相结晶出均一固相的过程就称为 匀 晶 转 变 。 下 面 就 以 Cu- Ni合 金 相 图 为 例 ， 对 匀 晶 相 图 进 行 分 析。
这样就获得了Cu-Ni合金相图，如图3-3b所示。
图中各开始结晶温度连成的相界线tA LtB线称为液相线，各
终了结晶温度连成的相界线tAαtB线称为固相线。
5
3.1.1 二元合金相图的建立
图3-3 用热分析法测定Cu-Ni合金相图
6
3.1.1 二元合金相图的建立
(3) 相律 n 按照热力学条件，这种限制可用吉布斯相律表示，即：
26
3.2.2 二元共晶相图
合金中相组成物和组织组成物的相对量，均可利用杠杆定律来计算。 合金Ⅲ在183℃ (共晶转变结束后) 时由α、β两相组成，其相对量为：
合金Ⅲ在183℃ (共晶转变结束后) 时由初晶αD与共晶体 (αD+βB) 两 种组织组成物组成，其相对量为：
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。
二元合金与相图课件PPT
2021/3/10
4
1. 固溶体的分类
（1）按溶质原子在溶剂晶格中的位置分固溶体可分为置换 固溶体与间隙固溶体两种。
置换固溶体中溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子
形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取 决于两者的晶格类型、原子直径及它们在周期表中的位置。
2021/3/10
5
间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。
电子化合物主要以金属键结合, 具有明显的金属特性, 可 以导电。它们的熔点和硬度较高，塑性较差，在许多有色金属 中为重要的强化相。
2021/3/10
11
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。
提高的现象称为固溶强化。
固溶体引起的晶格畸变
2021/3/10
8
固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当
时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降
低。例如：纯铜的σb为220 MPa, 硬度为40 HB, 断面收缩率 ψ为70%。当加入1%的镍形成单相固溶体后, 强度升高到390
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。
二元合金相图及相变基础知识
3.3
第3章 二元合金相图及相变基础知识
相图的概念
二、 冷却曲线
在液态合金的冷却过程中，可以用热
分析法测定其温度随时间的变化规律，即 冷却曲线。纯金属的冷却曲线上有一个平 台[图3.2(a)、(f)]，说明结晶是在恒温下进 行的。这是因为纯金属在结晶过程中放出 大量的结晶潜热，补偿了向外散失的热量， 达到了热平衡。与纯金属相比，合金结晶 过程中放出的结晶潜热，一般情况下只能 抵消部分散失的热量，结晶是在一定的温 度范围内进行的[图3.2(b)、(c)、(e)]，在冷 却曲线上表现为两个临界点，一个是结晶 开始温度，另一个是结晶终了温度。
以图3.2Pb-Sn合金相图为例，ED线表示Sn在固溶体中的溶解度极限，又 称固溶线，随着温度的降低，Sn在固溶体中的溶解度不断地减少，过剩的Sn 则以固溶体的形式析出，为了区别直接从液相中结晶出的固溶体(称为初生 相)，这种从固溶体中析出的固溶体称为二次相或次生相(用Ⅱ表示)；同 理FG线表示Pb在固溶体中溶解度极 限，随着温度的降低，Pb在固溶体中
2. 两组元液态下完全互溶固态下部分互溶 多数合金尽管在液态下能无限互溶，固态下一个组元在另一组元中却存在
一定的溶解度，它们可以构成共晶相图或包晶相图。 如果当合金组元的含量超出固溶体的溶解度时，合金从液态冷却到某一温
度会同时结晶出两种不同的固相，形成机械混合物，即能发生共晶转变，这类 合金系的相图就称为共晶相图。具有共晶相图的合金系有Pb-Sn、Al-Cu、AlSi等。
LC αP
β 1186℃ D
D点是包晶点。包晶转变终了时，成分为D点的合金组织中原来的L、 相全部转变成相。但成分在PD之间的合金还有相过剩，DC之间的合金 则有L相剩余。
3. 两组元液态完全互溶固态互不溶解 有些合金组元在液态下能够完全互溶，但在固态下彼此互不溶解，这
第3章 二元合金相图及相变基础知识
相图的概念
二、 冷却曲线
在液态合金的冷却过程中，可以用热
分析法测定其温度随时间的变化规律，即 冷却曲线。纯金属的冷却曲线上有一个平 台[图3.2(a)、(f)]，说明结晶是在恒温下进 行的。这是因为纯金属在结晶过程中放出 大量的结晶潜热，补偿了向外散失的热量， 达到了热平衡。与纯金属相比，合金结晶 过程中放出的结晶潜热，一般情况下只能 抵消部分散失的热量，结晶是在一定的温 度范围内进行的[图3.2(b)、(c)、(e)]，在冷 却曲线上表现为两个临界点，一个是结晶 开始温度，另一个是结晶终了温度。
以图3.2Pb-Sn合金相图为例，ED线表示Sn在固溶体中的溶解度极限，又 称固溶线，随着温度的降低，Sn在固溶体中的溶解度不断地减少，过剩的Sn 则以固溶体的形式析出，为了区别直接从液相中结晶出的固溶体(称为初生 相)，这种从固溶体中析出的固溶体称为二次相或次生相(用Ⅱ表示)；同 理FG线表示Pb在固溶体中溶解度极 限，随着温度的降低，Pb在固溶体中
2. 两组元液态下完全互溶固态下部分互溶 多数合金尽管在液态下能无限互溶，固态下一个组元在另一组元中却存在
一定的溶解度，它们可以构成共晶相图或包晶相图。 如果当合金组元的含量超出固溶体的溶解度时，合金从液态冷却到某一温
度会同时结晶出两种不同的固相，形成机械混合物，即能发生共晶转变，这类 合金系的相图就称为共晶相图。具有共晶相图的合金系有Pb-Sn、Al-Cu、AlSi等。
LC αP
β 1186℃ D
D点是包晶点。包晶转变终了时，成分为D点的合金组织中原来的L、 相全部转变成相。但成分在PD之间的合金还有相过剩，DC之间的合金 则有L相剩余。
3. 两组元液态完全互溶固态互不溶解 有些合金组元在液态下能够完全互溶，但在固态下彼此互不溶解，这
第三章、二元相图与铁碳合金
第三章、二元相图与铁碳合金相图
第一节、二元合金相图 （一）二元合金相图的建立 （二）基本相图 第二节、铁碳合金相图 （一）铁碳合金的基本组织 （二）铁碳合金相图
复习：
一、匀晶相图
二、共晶相图新课： 第二Fra bibliotek、铁碳合金相图
回答问题： 一、最常见的合金是什么合金？ 答案：钢铁（铁碳合金）。 二、举例，生活中我们用到哪些铁碳合 金制品？ 三、大家都看过古装电视电影，铁匠打 铁需要哪些工具？
思考：
常温下，铁碳合金所含的组织有哪些？ 只有在一定温度下存在的组织有哪些？
作业：P56，第二题。
第一节、二元合金相图 （一）二元合金相图的建立 （二）基本相图 第二节、铁碳合金相图 （一）铁碳合金的基本组织 （二）铁碳合金相图
复习：
一、匀晶相图
二、共晶相图新课： 第二Fra bibliotek、铁碳合金相图
回答问题： 一、最常见的合金是什么合金？ 答案：钢铁（铁碳合金）。 二、举例，生活中我们用到哪些铁碳合 金制品？ 三、大家都看过古装电视电影，铁匠打 铁需要哪些工具？
思考：
常温下，铁碳合金所含的组织有哪些？ 只有在一定温度下存在的组织有哪些？
作业：P56，第二题。
机械工程材料教学课件第3章二元合金及相图
晶格畸变几率越大，变形程度也就越大，固溶强化作用也就 越显著，在固溶强化时合金的塑性和韧性也都得到了提升。
3.1 合金及其种类
固溶体的特点：
（1）固溶体的晶格类型与溶剂元素相同，但晶格常数发生了 改变。
（2）固溶体中溶质原子越多，固溶体的溶解度越大，晶格畸 变越严重，因此固溶强化的效果也就越显著。
分和晶格结构完全不同的新固相的转变过程。 相图如图3-2所示。
3.5 合金的性能与相图的关系
3.5.1 机械性能与相图的关系
如果合金的组织为两相机械混合物， 那么其性能与合金成分呈正（或反）比例 关系，并且数值为两相性能的算术平均值
总 Q Q
HB总 HB HB HB HB
如果合金的组织为固溶体，那么随着 溶质元素含量的增加，发生固溶强化现象， 合金的强度和硬度也增大。如果是无限互 溶的合金，那么当溶质含量为50%左右时， 合金的强度和硬度最高。
（3）溶质原子溶于溶剂原子后固溶体的成分可能会有所改变， 但其变化范围不大，也就是说溶入的原子数可多可少。 3.1.2金属化合物
金属化合物：合金组元之间发生相互作用而形成的一种新的 固相物质。
金属化合物可以分为以下几种：
（1）正常价化合物 （2）电子价化合物 （3）间隙化合物
3.1 合金及其种类
金属化合物的特点：
3.3常见相图
常见的相图有匀晶相图和共晶相图2种。 3.3.1 匀晶相图
匀晶相图：组成二元合金的组元在固态和液态时均能无限互 溶的合金的相图。
相图和结晶过程分别如图3-5（a）和（b）所示。
3.3常见相图
3.3.2 共晶相图 共晶反应：一定温度下，一定成分的液相同时结晶出两个成
分和结构都不相同的新固相的转变过程。 相图和结晶过程分别如图3-7和3-8所示。
3.1 合金及其种类
固溶体的特点：
（1）固溶体的晶格类型与溶剂元素相同，但晶格常数发生了 改变。
（2）固溶体中溶质原子越多，固溶体的溶解度越大，晶格畸 变越严重，因此固溶强化的效果也就越显著。
分和晶格结构完全不同的新固相的转变过程。 相图如图3-2所示。
3.5 合金的性能与相图的关系
3.5.1 机械性能与相图的关系
如果合金的组织为两相机械混合物， 那么其性能与合金成分呈正（或反）比例 关系，并且数值为两相性能的算术平均值
总 Q Q
HB总 HB HB HB HB
如果合金的组织为固溶体，那么随着 溶质元素含量的增加，发生固溶强化现象， 合金的强度和硬度也增大。如果是无限互 溶的合金，那么当溶质含量为50%左右时， 合金的强度和硬度最高。
（3）溶质原子溶于溶剂原子后固溶体的成分可能会有所改变， 但其变化范围不大，也就是说溶入的原子数可多可少。 3.1.2金属化合物
金属化合物：合金组元之间发生相互作用而形成的一种新的 固相物质。
金属化合物可以分为以下几种：
（1）正常价化合物 （2）电子价化合物 （3）间隙化合物
3.1 合金及其种类
金属化合物的特点：
3.3常见相图
常见的相图有匀晶相图和共晶相图2种。 3.3.1 匀晶相图
匀晶相图：组成二元合金的组元在固态和液态时均能无限互 溶的合金的相图。
相图和结晶过程分别如图3-5（a）和（b）所示。
3.3常见相图
3.3.2 共晶相图 共晶反应：一定温度下，一定成分的液相同时结晶出两个成
分和结构都不相同的新固相的转变过程。 相图和结晶过程分别如图3-7和3-8所示。
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。
第3章 二元相图(匀晶,共晶)
1400
1400 1300
L
（L+ ）
T
1200
T 1200
1100
1000
1000 900
0 20 40 40 60 80 80 100 100
800
800
t
WCu(%)
Cu-Ni合金相图的建立
二、热分析法ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ绘二元相图
液相线 液相区
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 1000
匀晶相图的其它类型
有些合金的匀晶相图还有极点： 在Au-Cu、Fe-Co、Ti-Zr等合金 的相图上有极小点；
在Pb-Tl、Al-Mn等合金的相图上 有极大点。
二）固溶体的平衡凝固
平衡凝固：从液态无限缓慢冷却，在相变过程中充分进行组元间互相 扩散，达到平衡相的均匀成分，这种凝固过程叫平衡凝固。
三、杠杆定律
与力学中的杠杆定律相似，因而亦被称为杠杆定律
三、杠杆定律
运用：确定两平衡相的成分（浓度）；确定两平衡相的相对量。 注意：只适用于两相区，并且只能在平衡状态下使用； 三点（支点和端点）要选准。
H
Ag-Cu共晶相图及合金的凝固
五、二元相图的几何规律
① 相图中所有的线条都代表发生相转变的温度和平衡相的 成分，所以相界线是相平衡的体现， 平衡相的成分必须 沿着相界线随温度而变化。 ② 两个单相区之间必定有一个由该两相组成的两相区分 开，而不能以一条线接界(即两个单相区只能交于一点而 不能交于一条线)。两个两相区必须以单相区或三相水平 线分开。即:在二元相图中，相邻相区的相数差为1，这 个规则为相区接触法则。
四、杠杆定律
合金成分为C0，总重量为1, 在T 温度时，由液相和固相组成，液 相的成分为CL，重量为WL，固 相成份为Cα，重量为Wα。
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第3章-二元合金相图及应用
相图分析
温 度
a
L
L +
SS
A
ab : 液相线 ab : 固相线 L : 液相区 b S : 固相区 L+S:液固共存区
B
匀晶相图结晶过程分析：冷却曲线＋结晶过程
匀晶结晶特点
α固溶体从液相中结晶出来的过程中, 也包括有生核与长
大两个过程。
结晶在一个温度区间内进行, 即为一个变温结晶过程。
在两相区内, 温度一定时, 两相的成分(即Ni含量)是确定的。 确定相成分的方法：过指定温度T1作水平线, 分别交液相线 和固相线于 a1点 c1点, 则 a1点 c1点在成分轴上的投影点 即相应为 L相和 α 相的成分。随着温度的下降, 液相成分 沿液相线变化, 固相成分沿固相线变化。
两相区内, 温度一定时, 两相的重量比是一定的。（应用 杠杆定律计算）
合金的室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组 成物；其组成相仍为 α和 β 相。
共晶合金组织的形态
合金Ⅲ的结晶过程
合金Ⅲ是亚共晶合金, 合金冷却到1点温度后, 由 匀晶反应生成 α固溶体, 叫初生 α固溶体。
从1点到2点温度的冷却过程中，按照杠杆定律， 初生 α的成分沿 ac线变化，液相成分沿 ad 线 变化；初生 α逐渐增多，液相逐渐减少。
杠杆定律只适用于相图中的两相区, 并且只能在平衡 状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成 分点, 而支点为合金的成分点。
杠杆定律的证明和力学比喻
枝晶偏析
1）定义：由于冷却速度快，造成晶体中 晶粒内化学成分不均匀的现象。
2）枝静偏析危害：影响合金力学性能、耐蚀 性能和加工工艺性能
3）消除办法：再结晶退火
固态下组元间不溶解的共晶相图
形成稳定化合物的相图
包晶相图
两组元在液体时无限互溶，在固态时形成有限固 溶体，并发生包晶反应的合金系构成的相图。
Pt-Ag合金相图
包晶相图
相图分析
Pt-Ag合金相图中存在三种相: Pt与Ag形成的液溶体L相; Ag溶于Pt中的有限固溶体α相; Pt溶于Ag中的有限固溶体β相。
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
二元共晶相图
定义：两个组元在液态无限互溶，但固态只 能有限互溶或不能互溶，并发生共晶反应的 合金系所构成的相图为二元共晶相图。
如：Pb-Sb、Pb-Sn、Cu-Ag等
相图分析：点、线、区
1 A
32 L
L+α
温 度
α
C
E
α+β
4
L+β
F
Pb
Sn%
1）点 B 2）线
β 3）区
合金Ⅳ的结晶过程
组织和相的关系
共析相图
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)
由一种固相转变成完全不同 的两种相互关联的固相, 此两 相混合物称为共析体。
共析相图中各种成分合金的 结晶过程的分析与共晶相图相 似, 但因共析反应是在固态下 进行的, 所以共析产物比共晶 产物要细密得多。
合金Ⅲ的结晶过程
合金的室温组织为初生 α+ βII + (α+β)
合金的组成相为 α 和 β , 它们的相对重量为：
成分在 cd之间的所有亚共晶合金的结晶过程与
合金Ⅲ相同，仅组织组成物和组成相的相对重量 不同，成分越靠近共晶点，合金中共晶体的含量 越多。
亚共晶合金组织组成物的质量分数
得到合金III在室温下的三种 组织组成物的质量分数为 ：
当刚冷却到2点温度时，合金由c点成分的初生 α 相和d 点成分的液相组成。然后液相进行共 晶反应, 但初生 α相不变化。经一定时间到2‘点 共晶反应结束时，合金转变为 α+ (α+β)
。从共晶温度继续往下冷却, 初生 α中不断析出 βII , 成分由 c点降至 f点；共晶体形态、成分和 总量保持不变。
e点为包晶点, e点成分的合金冷却到 e点所对应的温度 (包晶温度)时发生包晶反应Le+cd 。 发生包晶反 应时三相共存, 它们的成分确定, 反应在恒温下平衡地 进行。水平线ced 为包晶反应线。
cf为Ag在Pt 中的溶解度线, eg为Pt在Ag 中的溶解度 线。
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
D
4）特征反应式
L α+β
G
Sn
结晶过程分析
合金I结晶过程
其组成相是f点成分的α相和g点成分的β相。运用 杠杆定律, 两相的相对重量为：
合金室温组织由α和β组成,α和βII即为组织组 成物。
合金II的结晶过程
由于析出的 二次β 和 二次α 都相应地同 β 和 α相连在一起，共晶体的形态和成分不发生变化。
固溶体结晶时成分是变化的,如果冷却较快,造成枝晶偏析
杠杆定律
温
度
L
a
TL
Tn TS
S
Qs
QL
A dc e
杠杆定理 QS + QL = 1 dQS + eQL = 1× c QL=(dc／de) 100% QS=(ce／de) 100% b
B
杠杆定律是计算合金平衡组织中的组成相或组织组成 物的质量分数的重要工具。应当熟练掌握和运用。
固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关, 溶质的 溶入量越多, 晶格畸变越大, 则合金的强度、硬 度越高, 电阻越大。当溶质原子含量大约为50% 时, 晶格畸变最大, 而上述性能达到极大值, 所 以性能与成分的关系曲线具有透镜状。
两相组织合金的机械性能和物理性能与成分呈直 线关系变化。
对组织较敏感的某些性能如强度等, 与组成相或 组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组 成物越细密, 强度越高(见图中虚线)。当形成化 合物时， 则在性能一成分曲线上于化合物成分 处出现极大值或极小值。
组织组成物：初生 α、 βII和共 晶体 (α+β) 。
先求合金在刚冷到2点温度而尚未 发生共晶反应时 α 和 L相的质量
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。
相图分析
温 度
a
L
L +
SS
A
ab : 液相线 ab : 固相线 L : 液相区 b S : 固相区 L+S:液固共存区
B
匀晶相图结晶过程分析：冷却曲线＋结晶过程
匀晶结晶特点
α固溶体从液相中结晶出来的过程中, 也包括有生核与长
大两个过程。
结晶在一个温度区间内进行, 即为一个变温结晶过程。
在两相区内, 温度一定时, 两相的成分(即Ni含量)是确定的。 确定相成分的方法：过指定温度T1作水平线, 分别交液相线 和固相线于 a1点 c1点, 则 a1点 c1点在成分轴上的投影点 即相应为 L相和 α 相的成分。随着温度的下降, 液相成分 沿液相线变化, 固相成分沿固相线变化。
两相区内, 温度一定时, 两相的重量比是一定的。（应用 杠杆定律计算）
合金的室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组 成物；其组成相仍为 α和 β 相。
共晶合金组织的形态
合金Ⅲ的结晶过程
合金Ⅲ是亚共晶合金, 合金冷却到1点温度后, 由 匀晶反应生成 α固溶体, 叫初生 α固溶体。
从1点到2点温度的冷却过程中，按照杠杆定律， 初生 α的成分沿 ac线变化，液相成分沿 ad 线 变化；初生 α逐渐增多，液相逐渐减少。
杠杆定律只适用于相图中的两相区, 并且只能在平衡 状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成 分点, 而支点为合金的成分点。
杠杆定律的证明和力学比喻
枝晶偏析
1）定义：由于冷却速度快，造成晶体中 晶粒内化学成分不均匀的现象。
2）枝静偏析危害：影响合金力学性能、耐蚀 性能和加工工艺性能
3）消除办法：再结晶退火
固态下组元间不溶解的共晶相图
形成稳定化合物的相图
包晶相图
两组元在液体时无限互溶，在固态时形成有限固 溶体，并发生包晶反应的合金系构成的相图。
Pt-Ag合金相图
包晶相图
相图分析
Pt-Ag合金相图中存在三种相: Pt与Ag形成的液溶体L相; Ag溶于Pt中的有限固溶体α相; Pt溶于Ag中的有限固溶体β相。
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
二元共晶相图
定义：两个组元在液态无限互溶，但固态只 能有限互溶或不能互溶，并发生共晶反应的 合金系所构成的相图为二元共晶相图。
如：Pb-Sb、Pb-Sn、Cu-Ag等
相图分析：点、线、区
1 A
32 L
L+α
温 度
α
C
E
α+β
4
L+β
F
Pb
Sn%
1）点 B 2）线
β 3）区
合金Ⅳ的结晶过程
组织和相的关系
共析相图
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)
由一种固相转变成完全不同 的两种相互关联的固相, 此两 相混合物称为共析体。
共析相图中各种成分合金的 结晶过程的分析与共晶相图相 似, 但因共析反应是在固态下 进行的, 所以共析产物比共晶 产物要细密得多。
合金Ⅲ的结晶过程
合金的室温组织为初生 α+ βII + (α+β)
合金的组成相为 α 和 β , 它们的相对重量为：
成分在 cd之间的所有亚共晶合金的结晶过程与
合金Ⅲ相同，仅组织组成物和组成相的相对重量 不同，成分越靠近共晶点，合金中共晶体的含量 越多。
亚共晶合金组织组成物的质量分数
得到合金III在室温下的三种 组织组成物的质量分数为 ：
当刚冷却到2点温度时，合金由c点成分的初生 α 相和d 点成分的液相组成。然后液相进行共 晶反应, 但初生 α相不变化。经一定时间到2‘点 共晶反应结束时，合金转变为 α+ (α+β)
。从共晶温度继续往下冷却, 初生 α中不断析出 βII , 成分由 c点降至 f点；共晶体形态、成分和 总量保持不变。
e点为包晶点, e点成分的合金冷却到 e点所对应的温度 (包晶温度)时发生包晶反应Le+cd 。 发生包晶反 应时三相共存, 它们的成分确定, 反应在恒温下平衡地 进行。水平线ced 为包晶反应线。
cf为Ag在Pt 中的溶解度线, eg为Pt在Ag 中的溶解度 线。
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
D
4）特征反应式
L α+β
G
Sn
结晶过程分析
合金I结晶过程
其组成相是f点成分的α相和g点成分的β相。运用 杠杆定律, 两相的相对重量为：
合金室温组织由α和β组成,α和βII即为组织组 成物。
合金II的结晶过程
由于析出的 二次β 和 二次α 都相应地同 β 和 α相连在一起，共晶体的形态和成分不发生变化。
固溶体结晶时成分是变化的,如果冷却较快,造成枝晶偏析
杠杆定律
温
度
L
a
TL
Tn TS
S
Qs
QL
A dc e
杠杆定理 QS + QL = 1 dQS + eQL = 1× c QL=(dc／de) 100% QS=(ce／de) 100% b
B
杠杆定律是计算合金平衡组织中的组成相或组织组成 物的质量分数的重要工具。应当熟练掌握和运用。
固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关, 溶质的 溶入量越多, 晶格畸变越大, 则合金的强度、硬 度越高, 电阻越大。当溶质原子含量大约为50% 时, 晶格畸变最大, 而上述性能达到极大值, 所 以性能与成分的关系曲线具有透镜状。
两相组织合金的机械性能和物理性能与成分呈直 线关系变化。
对组织较敏感的某些性能如强度等, 与组成相或 组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组 成物越细密, 强度越高(见图中虚线)。当形成化 合物时， 则在性能一成分曲线上于化合物成分 处出现极大值或极小值。
组织组成物：初生 α、 βII和共 晶体 (α+β) 。
先求合金在刚冷到2点温度而尚未 发生共晶反应时 α 和 L相的质量
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。