2.二元合金的相图及结晶分析

分类
正常价化合物——按化合价规律形成，如，Mg2Sn 电子化合物——按电子浓度规律形成，如，Cu9Al4 。 间隙相或间隙化合物——过渡金属+小半径非金属元素
间隙相 ： r非/r金0.59，如，WC、TiC、VC 复杂结构的间隙化合物 ：r非/r金0.59,如，Fe3C、Cr23C6
2.2 二元合金相图的建立
2.二元合金的相图及结晶
合金中的相 二元合金相图的建立 匀晶相图 共晶相图 包晶相图 组元间形成稳定化合物的相图 由二元相图判断合金的性能
2.1 合金中的相
一. 基本概念 1.合金（alloy)
由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元素， 也可以是非金属元素）组成的有金属特征的金属材料。
（金属元素+其他几种元素、具有金属特征）
2.组元(element)
组成合金最基本的、独立存在的物质称为组元。 组元就是组成合金的元素，但也可以是稳定的化合物。 按组元数目，合金可分为二元合金、三元合金等。 如，Cu-Ni合金中, Cu-Ni均为组元
Fe-C合金中，Fe、 Fe Leabharlann BaiduC均为组元。
3.合金系
由相同的几个元素以不同比例配制的一系列成分不同
L+α
固相线
1083
α
50
wNi(%)
(a)
(b)
相图中两条曲线把图面分隔为三个相区，上方为液相 区，下方为α固相区，两曲线之间是液相加α固相的两 相平衡区。
由图可见，纯组元Cu和Ni的冷却曲线相似，都有一 个水平台，表示其凝固在恒温下进行，凝固温度分别为 1083℃和1455℃。其他几条二元合金曲线不出现水平台， 而为二次转折，温度较高的转折点（临界点）表示凝固的 开始温度，而温度较低的转折点对应凝固的终结温度。 这说明合金的凝固与纯金属不同，是在一定温 度范围内进行的。
一、概念 1.相图（phase diagram) 表示合金系在平衡条件下，不同压力、温度、成 分时的各相关系的图解。又称平衡图或状态图。 2.相图表示法 在坐标系中，纵坐标表示温度，横坐标表示合 金成分（不加说明，指质量百分数）。
℃
900
800
700
温 600
度 （
500 400
E
） 300
200
二.合金中的相结构
合金中有两类基本相 固溶体：晶格结构类型与组成合金的一个金属组元的晶格相同。 金属间化合物：晶格结构类型与任一组元的晶格不同。
1.固溶体 定义
溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相，保持溶 剂金属的晶体结构。
溶剂+溶质=固溶体
分类 1）按溶质原子在晶格中的位置
置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置
温度为500℃。
二、相图的测定(热分析法建立相图）
1.配制不同成分的Cu-Ni合金
2.合金熔化后缓慢冷却，分别测出每种合金的冷却 曲线。 3.确定各条冷却曲线上的转折点温度，并依次将温 度数值引入温度-成分坐标系。 4.连接意义相同的点，得到Cu-Ni合金相图。
液相线
℃
1455
L
aK
b
1300
下降的现象。
产生原因：
溶质溶入 晶格畸变 位错运动阻力增加 性变形困难 高强度、高硬度
金属塑
固溶强化是一种极为优异的强化方法，几乎 所有对综合机械性能要求较高的结构材料都 以固溶体作为最基本的组成相。
2.金属间化合物(中间相）
定义 合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相。
结构特点 1）可用一个化学分子式表示 如 2）独特的晶体结构（不同于组成化合物的任一晶体结构） 3）熔点高、硬度大、脆性大
2.3匀晶相图
1.基本概念
匀晶系：两组元在液态和固态都无限互溶的合金系。 （如Cu-Ni、 Cu-Au、Au-Ag、 Bi-Sb 、 Fe-Ni等） 匀晶相图：匀晶系合金的相图。 匀晶转变：匀晶系合金凝固时，都是从液相中结晶出单相
的固溶体， 这种结晶过程称为匀晶转变（L→α） 。
3.确定某成分合金某一温度下两平衡相的成分和相对质量。 两平衡相成分的确定：过K点作水平线，与相区分界线交于a、
b点 ，a 、b点的成分坐标值即为含Ni50%的合金1300℃时 液固相的平衡成分。
相对质量确定：运用杠杆定律
a
K
b
WL
Wa
WL， ——液相的质量，质量分数 Wa ， ——固相的质量，质量分数
间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格间隙中
2）按溶质原子在固溶体中的溶解度（固溶度）
无限固溶体：溶质能以任意比例溶入溶剂 有限固溶体：溶质不能以任意比例溶入溶剂
间隙 置换
有限固溶体 无限固溶体
3）按溶质原子在晶格中的分布状态
无序固溶体：溶质原子在晶格中随机分布 有序固溶体：溶质原子和溶剂原子各占据晶体结构一定位置而规则排列
100
C
D
A 10 20 30 40 50 60 70 80 90 wB(%)
二元相图的坐标
横坐标左右端分别表示纯组元 A、B，其余的每一点均表示一 种合金成分。
如D点的合金成分为含B60%。 坐标平面上的任意一点称表象 点，表象点的坐标值分别表示 某个合金的成分和温度。
如E点表示合金成分 B wB=40%,wA=60%,
有序化转变：无序固溶体 有序固溶体
固溶体的性能
对于间隙固溶体,点阵常数随溶质原子的溶入而增大。 对于置换固溶体,如果溶质原子大,溶质原子周围点阵常数增 大,反之则点阵收缩,点阵常数减小。
固溶强化（solution strength)
定义：
由于溶质原子的加入，将引起溶剂的晶格发生不同程度
的畸变，导致固溶体的强度、硬度提高，而塑性、韧性稍有
的合金，构成一个合金系统，简称合金系。
4.相(phase)
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。
5.组织
在金属和合金中，用肉眼或显微镜观察到的材料微观 形貌图像的统称。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。 相是组织的基本组成部分。同样的几种相，当它们的相对 数量、大小、形态和分布不同时，就构成不同的组织。
三、二元合金相图的使用
1.确定某一成分合金某一温度时存在的相
如图两相区中表象点K表明含Ni50%的Cu-Ni二元合金 1300℃处于液相与固相α共存的状态。 2.确定给定合金的相变温度
过横轴上与合金成分对应的点作垂线。与相图中各曲线 交点的温度坐标值即为相应的相变温度。也就是可以知道开 始凝固时的温度，与凝固结束时的温度。