合金的结构与相图(材料第三章)

2

② 确定两平衡相的相对重量 设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。 则 QL + Q =1
QL x1 + Q x2 =x
解方程组得
x2 x QL x 2 x1 x x1 Qα x 2 x1

式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、

1、组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存 在的物质。
2、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。多数情况 但对于既不发生分解、又不发 生任何反应的化合物也可看作
温度（℃）
L
下组元是指组成合金的元素。
组元,
如Fe-C合金中的Fe3C。 根据组元数, 分为二元相图、三元 相图和多元相图。
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。
共晶组织 形态
Pb-Sn共晶组织
层片状(Al-CuAl2定向凝固)

减少。同时，
液相成分沿液
相线变化，固
相成分沿固相
线变化。

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。

三、二元相图的 杠杆定律
x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。

因此两相的相对 重量百分比为：
xx 2 ob QL x1 x 2 ab x1 x ao Q x1 x 2 ab
两相的重量比为：
QL xx 2 ob ( ) 或QL x1 x Q xx 2 Q x1 x ao

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。
和韧性则要高得多。

二、 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且具 有金属特性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。

当合金中出现金属化
合物时，可提高其强
度、硬度和耐磨性，
但降低塑性、韧性。

金属化合物也是合金
的重要组成相。
铁碳合金中的Fe3C
元素组成的具有金属特性的
物质。

组成合金的元素可以全部是
金属，也可是金属与非金属。
黄铜

组成合金的元素相互作用可
形成不同的相。
Al-Cu两相合金

相:是指金属或合金中凡成 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。 显微组织:是指在显微镜下
单相 合金

观察到的金属中各相或各晶
粒的形态、数量、大小和分
条棒状(Sb-MnSb横截面)
螺旋状（Zn-Mg）
共晶组织形态
针 状 共 晶
树 枝 状 共 晶 螺 旋 状 共 晶
放 射 状 共 晶

在共晶转变过程中，L、
、 三相共存, 三个相的
量在不断变化，但它们各 自成分是固定的。
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
一、 固溶体 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固 相称固溶体。习惯以、、表示。

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
Cu-Ni置换固溶体
固溶体为基的合金。
A
L+
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。

二、 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。 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。
称渗碳体，是钢中重要组成相， 具有复杂斜方晶格。
Fe3C的晶格

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。
高温合金中的Cr23C6
第二节 二元合金相图的建立 一、相图的意义及几个名词的涵义

合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析. 相图:是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明 图解。又称状态图或平衡图。 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律， 是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。

按溶质原子所处位置分为置换固
溶体和间隙固溶体。
Fe-C间隙固溶体

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 属元素，如C、N、B 等，而溶剂元素一般
*① 正常价化合物—符合正常 原子价规律。如Mg2Si *② 电子化合物—符合电子浓 度规律。如Cu3Sn。 电子浓度为价电子数与原 子数的比值。 ③ 间隙化合物—由过渡族元
Al-Mg-Si合金中的Mg2Si
素与C、N、B、等小原子半
径的非金属元素组成。
Pb基轴承合金中的电子化合物

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
Cu

成分（wt %Ni）
Ni
Cu-Ni合金相图
二、二元相图的建立

几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是 热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Pb-Sn 为例]
1. 配制不同成分的Pb-Sn合金。 2. 测出各合金的冷却曲线,找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）. 3.建立坐标系（纵坐标：温度，横坐标：成分），作成分垂线,将临 界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。 4. 将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。
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。
第三节 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。

以Cu-Ni合金为例 进行分析。
Cu-Ni合金相图
一、相图分析 相图由两条线构成，上 面是液相线，下面是固 相线。
液相线
L

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



杠杆定律只适用于两相区。
例（如图）
0.53 0.45 Q 100% 61.5% 0.58 0.45 0.58 0.53 QL 100% 38.5% 0.58 0.45
四、固溶体合金中的偏析
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
第三章 合金的结构与相图
第一节 固态合金中的相结构
第二节 二元合金相图的建立
第三节 匀晶相图
*第四节 二元共晶相图
*第五节 二元包晶相图
*第六节 形成稳定化合物的二元合金相图 *第七节 具有共析反应的二元合晶相图 第八节 合金的性能与相图之间的关系
第一节 固态合金中的相结构

合金是指由两种或两种以上
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)。



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。 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。

A
B
相图中的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。

⑤ 共晶线：水平线CED叫做共晶线。

在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，
形成这两个相的机械混
合物：LE ⇄(C + D) 机械混合物：以一定的重量 比例相混合，在显微镜下可 以区分各自晶粒的组织。
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。

③ 固溶体的溶解度 溶质原子在固溶体中的极限浓度。 溶解度有一定限度的固溶体称有限 固溶体。 组成元素无限互溶的固溶体称无限 固溶体。 组成元素原子半径、电化学特性相
固 溶 体 化 合 物

Cu-Ni无限固溶体


M4X (Fe4N)、
M2X (Fe2N、 W2C)、


MX (TiC、VC、TiN)等。
间隙相具有金属特征和极高
的硬度及熔点，非常稳定。

部分碳化物和所有氮化物属
VC 的 结 构
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

H

由 析出的二次 用Ⅱ 表示。 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Ⅱ的相对重量百分比为：QⅡ
F4 100% FG

由于二次 相析出温 度较低， 一般十分 细小。
Q
Q Ⅱ

Ⅰ合金室温组织 为 + Ⅱ 。
A B

成分大于 D点合金结晶 过程与Ⅰ合金相似，室 温组织为 + Ⅱ 。
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。
L +
固相线


固溶体区，两条线之间
为两相共存的两相区
（L+ ）。
Cu
成分（wt%Ni）
Ni

二、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 高温冷却到 t1

L
温度时，开始
结晶出成分为
1的固溶体，
其Ni含量高于

合金平均成分

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

处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的
成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。


现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：
① 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成 分垂线。在成分垂线相当 于温度t 的o点作水平线，
tபைடு நூலகம்
其与液固相线交点a、b所
对应的成分x1、x2即分别

1

为液相和固相的成分。
第四节 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。

以 Pb-Sn 相图为例进
行分析。
Pb
成分（wt%Sn）
Sn

共晶反应:
Pb-Sn合金相图
在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两种成分和 结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。


一、相图分析
① 相：相图中有L、、 三种相, 是溶质Sn在 Pb中的固溶体， 是溶 质Pb在Sn中的固溶体。
A B

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。

③ 液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B 分别为Pb、Sn的熔点。 ④ 固溶线: 溶解度 点的连线称固溶线。

近，晶格类型相同的置换固溶体，
才有可能形成无限固溶体。

间隙固溶体都是有限固溶体。
Cu-Zn有限固溶体

④ 固溶体的性能 韧性下降—固溶强化。
随溶质含量增加, 固溶体的强度、硬度增加, 塑性、 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。

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