二元合金的相图
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热分析法测Cu-Ni合金相图： 1、配制系列成分的Cu-Ni合金。 2、测出合金的冷却曲线，找出各冷却曲线上的临界点
温度。 3、画出温度—成分坐标系，在各合金成分垂线上标出
临界点温度。 4、将具有相同意义的点连接成线，标明各区域内所
存在的相
合金Ⅰ：纯Cu
合金Ⅱ：75%Cu+25%Ni
合金Ⅲ：50%Cu+50%Ni
1455 c
杠杆定律推论：在两 相区内，对应温度T1
时两相在合金b中的相
T1 对质量各为
T2 QL/QH=b1c1/a1 c1
Cu
20 b 40 60
NQi /QH=a1b1/a1
80 100
c1
Ni%
=1- QL/QH
注意：杠杆定律适用于平衡结晶时的两相区。
a
b
c
QL
Hale Waihona Puke BaiduQα
杠杆定律的力学比喻 QL×ab=Qa×bc
合金相图：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。
平衡：合金系中各相成分与相质量比不再 随时间变化的一种状态。
相图→平衡图→状态图。 平衡条件：极缓慢冷却条件。 常压下，横坐标→成分，纵坐标→温度。
4.2.2 相图的建立方法
相图的测定方法：
热分析法、膨胀法、电阻法、磁性法等。
正常晶格
大原子置换引起的 晶格畸变
Cu-Ni固溶体的力学性能与成分的关系
晶格畸变
小原子置换引起的 晶格畸变
间隙原子引起的 晶格畸变
4.1.2 金属化合物
金属间化合物：合金组元形成的晶格类型与任一组元都不 相同的新相。
化合物类型 正常价化合物 —— 按化合价规律形成，可用确定的分子式 表示其成分。组元电负性相差较大具有离子键，电负性相近具有 金属键。如：Mg2Si 。 电子化合物 —— 按电子浓度规律形成，不遵守化合价规律， 虽可用化学式表示，但成分在一定范围内变化，金属键结合。 如：Cu3Al 。 电子浓度：化合物中价电子数与原子数的比值。
合金中有两类基本相 —— 固溶体 和 化合物
4.1.1 固溶体
固溶体：合金组元通过溶解形成成分和性能 均匀的、结构上与组元之一相同的固相。
如，Fe(C)固溶体。Fe－溶剂，C－溶质
固溶体的分类
按溶质原子在晶格中的位置： 置换固溶体： 间隙固溶体： 按溶质原子在固溶体中的溶解度（固溶度）： 有限固溶体：溶质含量超过其固溶度，则有其它相 形成。 无限固溶体：溶质可以任意比例溶入溶剂中，即固 溶度可达100%。只能是置换固溶体。 按溶质原子在固溶体中的分布状态： 无序固溶体：溶质在晶格中随机分布。 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。
例：求30%Ni合金在1280 ℃时相的相对量
T,C
1500
1400 1300
a1
1200
1100a 1000
1083
Cu 18 20
L
b1 L+
c1
1455 c 1280 C
解：作成分线和温 度线如图。
根据杠杆定律推论， Q / QH = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4=25%
30
二元合金：由两个组元组成的合金。
相：
在金属或合金中，化学成分、晶体结构相同、性 能均一，且有界面与其它部分分开的均匀组成部分。
组织（显微组织） 指在金相显微镜下观察到的材 料内部的微观形貌。
组织由相构成 观察时应分析相的形态、数量、 大小和分布方式。
过共析钢 x400
金属材料性能由组织决定， 而组织由化学成分和工艺过程决定。 亚共析钢 x400
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，简单结构，如：WC、TiC、VC 复杂结构的间隙化合物 r非/r金0.59，如：Fe3C、 间隙C化r合23C物6的性能： 熔点高、硬度高，脆性大。
纯金属与碳化物的硬度及熔点
纯金属 Ti
Nb
Zr
V
Mo
W
Cr α- Fe
硬度 （HV）
230
300
300
140
350
400
220
80
碳化物 TiC NbC ZrC
VC Mo2C WC Cr23C6 Fe3C
硬度 （HV）
3200
2055
2840
2094
1480
1730
1650
860
熔点 （℃）
3140
3480
3350
2830
2410
2755
1580
1650
4.2 合金相图的建立
4.2.1 相图概述
固溶体类型
间
置
隙
换
固
固
溶
溶
Z
体
体
Z
置换原子
间隙原子
Y Y
X X
形成无限固溶体时两组元连续置换示意图
固溶体中溶质原子分布示意图 （a)完全无序；(b)偏聚；(c）部分有序；(d)完全有序
8
固溶体的性能
形成固溶体后溶剂晶体结构的变化： 造成局部晶格畸变。 形成固溶体后性能的变化： 强度、硬度随溶质原子浓度升高而明显增加，塑、 韧性稍有下降的现象。 固溶强化
第4章 合金的结构与结晶
4.1 合金中的相 4.2 合金相图的建立 4.3 匀晶相图 4.4 共晶相图 4.5 包晶相图 4.6 其他相图 4.7合金的性能与相图的关系
4.1 合金中的相
合金：一种金属元素与另一种或几种其它 元素，通过熔炼或其它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。 例如：元素、稳定化合物。如，Fe-C合金 中，Fe、C均为组元。
66
40 60 80
Ni%
答：所求合金在 1280 ℃时相的相 Ni 对质量为1/4(25%)。 100
4.3 匀晶相图
匀晶系：两组元在液态和固态都无限互溶的合金系。 匀晶相图：匀晶系合金的相图。 匀晶转变：从液相中结晶出单相固溶体的转变。
液相线
铜-镍合金匀晶相图分析
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 纯铜 1000 1083 熔点
杠杆定律
T,C
L
1500
1400 1300
a1
1 b1
1200
1100a 1000
1083
2
L+ c1
杠12杆. 定在随律两 着：相温在区度两内的相，降区对低内应，，每两对 应一相每确的一定成确的分定温分的度别温，沿度两液T1相，的线两成和相 质分固量是相的确线比定变值的化是。确定的。即
QL/Q=b1c1/a1b1
合金Ⅳ：25%Cu+75%Ni
合金Ⅴ：纯Ni
4.2.3 二元合金相图的使用
由相图确定某成分合金某温度时存在的相； 由相图确定给定合金的相变温度； 由相图确定某成分合金在某一温度下两平衡相的
成分和相对质量。 成分确定方法：过该温度作水平线，与相区两侧分
界线的交点的横坐标。 相对质量确定方法：杠杆定律。
温度。 3、画出温度—成分坐标系，在各合金成分垂线上标出
临界点温度。 4、将具有相同意义的点连接成线，标明各区域内所
存在的相
合金Ⅰ：纯Cu
合金Ⅱ：75%Cu+25%Ni
合金Ⅲ：50%Cu+50%Ni
1455 c
杠杆定律推论：在两 相区内，对应温度T1
时两相在合金b中的相
T1 对质量各为
T2 QL/QH=b1c1/a1 c1
Cu
20 b 40 60
NQi /QH=a1b1/a1
80 100
c1
Ni%
=1- QL/QH
注意：杠杆定律适用于平衡结晶时的两相区。
a
b
c
QL
Hale Waihona Puke BaiduQα
杠杆定律的力学比喻 QL×ab=Qa×bc
合金相图：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。
平衡：合金系中各相成分与相质量比不再 随时间变化的一种状态。
相图→平衡图→状态图。 平衡条件：极缓慢冷却条件。 常压下，横坐标→成分，纵坐标→温度。
4.2.2 相图的建立方法
相图的测定方法：
热分析法、膨胀法、电阻法、磁性法等。
正常晶格
大原子置换引起的 晶格畸变
Cu-Ni固溶体的力学性能与成分的关系
晶格畸变
小原子置换引起的 晶格畸变
间隙原子引起的 晶格畸变
4.1.2 金属化合物
金属间化合物：合金组元形成的晶格类型与任一组元都不 相同的新相。
化合物类型 正常价化合物 —— 按化合价规律形成，可用确定的分子式 表示其成分。组元电负性相差较大具有离子键，电负性相近具有 金属键。如：Mg2Si 。 电子化合物 —— 按电子浓度规律形成，不遵守化合价规律， 虽可用化学式表示，但成分在一定范围内变化，金属键结合。 如：Cu3Al 。 电子浓度：化合物中价电子数与原子数的比值。
合金中有两类基本相 —— 固溶体 和 化合物
4.1.1 固溶体
固溶体：合金组元通过溶解形成成分和性能 均匀的、结构上与组元之一相同的固相。
如，Fe(C)固溶体。Fe－溶剂，C－溶质
固溶体的分类
按溶质原子在晶格中的位置： 置换固溶体： 间隙固溶体： 按溶质原子在固溶体中的溶解度（固溶度）： 有限固溶体：溶质含量超过其固溶度，则有其它相 形成。 无限固溶体：溶质可以任意比例溶入溶剂中，即固 溶度可达100%。只能是置换固溶体。 按溶质原子在固溶体中的分布状态： 无序固溶体：溶质在晶格中随机分布。 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。
例：求30%Ni合金在1280 ℃时相的相对量
T,C
1500
1400 1300
a1
1200
1100a 1000
1083
Cu 18 20
L
b1 L+
c1
1455 c 1280 C
解：作成分线和温 度线如图。
根据杠杆定律推论， Q / QH = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4=25%
30
二元合金：由两个组元组成的合金。
相：
在金属或合金中，化学成分、晶体结构相同、性 能均一，且有界面与其它部分分开的均匀组成部分。
组织（显微组织） 指在金相显微镜下观察到的材 料内部的微观形貌。
组织由相构成 观察时应分析相的形态、数量、 大小和分布方式。
过共析钢 x400
金属材料性能由组织决定， 而组织由化学成分和工艺过程决定。 亚共析钢 x400
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，简单结构，如：WC、TiC、VC 复杂结构的间隙化合物 r非/r金0.59，如：Fe3C、 间隙C化r合23C物6的性能： 熔点高、硬度高，脆性大。
纯金属与碳化物的硬度及熔点
纯金属 Ti
Nb
Zr
V
Mo
W
Cr α- Fe
硬度 （HV）
230
300
300
140
350
400
220
80
碳化物 TiC NbC ZrC
VC Mo2C WC Cr23C6 Fe3C
硬度 （HV）
3200
2055
2840
2094
1480
1730
1650
860
熔点 （℃）
3140
3480
3350
2830
2410
2755
1580
1650
4.2 合金相图的建立
4.2.1 相图概述
固溶体类型
间
置
隙
换
固
固
溶
溶
Z
体
体
Z
置换原子
间隙原子
Y Y
X X
形成无限固溶体时两组元连续置换示意图
固溶体中溶质原子分布示意图 （a)完全无序；(b)偏聚；(c）部分有序；(d)完全有序
8
固溶体的性能
形成固溶体后溶剂晶体结构的变化： 造成局部晶格畸变。 形成固溶体后性能的变化： 强度、硬度随溶质原子浓度升高而明显增加，塑、 韧性稍有下降的现象。 固溶强化
第4章 合金的结构与结晶
4.1 合金中的相 4.2 合金相图的建立 4.3 匀晶相图 4.4 共晶相图 4.5 包晶相图 4.6 其他相图 4.7合金的性能与相图的关系
4.1 合金中的相
合金：一种金属元素与另一种或几种其它 元素，通过熔炼或其它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。 例如：元素、稳定化合物。如，Fe-C合金 中，Fe、C均为组元。
66
40 60 80
Ni%
答：所求合金在 1280 ℃时相的相 Ni 对质量为1/4(25%)。 100
4.3 匀晶相图
匀晶系：两组元在液态和固态都无限互溶的合金系。 匀晶相图：匀晶系合金的相图。 匀晶转变：从液相中结晶出单相固溶体的转变。
液相线
铜-镍合金匀晶相图分析
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 纯铜 1000 1083 熔点
杠杆定律
T,C
L
1500
1400 1300
a1
1 b1
1200
1100a 1000
1083
2
L+ c1
杠12杆. 定在随律两 着：相温在区度两内的相，降区对低内应，，每两对 应一相每确的一定成确的分定温分的度别温，沿度两液T1相，的线两成和相 质分固量是相的确线比定变值的化是。确定的。即
QL/Q=b1c1/a1b1
合金Ⅳ：25%Cu+75%Ni
合金Ⅴ：纯Ni
4.2.3 二元合金相图的使用
由相图确定某成分合金某温度时存在的相； 由相图确定给定合金的相变温度； 由相图确定某成分合金在某一温度下两平衡相的
成分和相对质量。 成分确定方法：过该温度作水平线，与相区两侧分
界线的交点的横坐标。 相对质量确定方法：杠杆定律。