第2章合金的相结构与二元合金相图
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第二章二元合金及其相图
二元合金相图的建立 有关相图的基本概念
➢ 相图（状态图）:用来表示合金系中合金在平衡条件下各相的存
在状态与温度、成分之间的解
➢ 平衡相图:相图上表示的组织都是在极其缓慢冷却的条件下所获得
的，都是接近平衡状态的组织，又叫做平衡图。
➢ 组织：在金相显微镜下观察到的具有某种形貌或形态特 征的组成部分。
➢ 相图的建立 （热分析法）
④熔点高、硬而脆
对合金性能的影响
➢ 机械混合物
§3—2 二元合金相图
合金在结晶之后，既可获得单相的固溶体组织，又有可 得到单相的化合物组织，还可得到由固溶体和化合物或 几种固溶体组成的多相组织。并且组元成分、温度还影 响到结晶后所获得的相的性质、数目和相对含量。为了 研究清楚这些问题，我们需要利用相图这一工具。
合金系：由两个或两个以上组元按不同的比例配制成 的一系列不同成分的合金，称为合金系，例如，PbSn系、Fe-Fe3C系；
§3—1固态合金相的种类及特点
合金的相结构
分类
固溶体 或
化合物
➢ 固溶体
固溶体 化合物 机械混合物
概念：在固态下，溶质原子以不同方式进入溶剂金属组元的晶格中 去，这样形成的新相。
化合物。
固溶体的形成对金属性能的影响
固溶强化
原因是：引起晶格畸变
➢ 化合物
概念
分类
金属化合物
非金属化合物
特点（金属化合物）：
①可以用化学式表示，但与普通化合物不同，不一定遵守化合价规律
正常价化合物
电子价化合物 间隙化合物 ②一定程度上具有金属的性质
间隙相 具有复杂结构的间隙化合物
③晶格结构完全不同于任一组元
分为α1，液相的成分为L1（即为合
二元合金相图
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
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
第二节 二元合金相图
α+β
Pb 无论从何处开始, 无论从何处开始
LE⇔ α 体系点达到共晶线 M
液相组成达到E点 液相组成达到 点
+ βN
共晶反应要点
• • • • 共晶转变在恒温下进行。 共晶转变在恒温下进行。 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。
f 4
X1
冷却曲线 t
(3)X2合金结晶过程分析
共晶合金） （共晶合金）
L T,°C L
T,°C °
(α+ β) α
L
183
α
L+ α
M
L
E
L+ β
Nβ
L→(α+ β) 共晶体 α
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共晶转变： 共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固 相的转变。 相的转变。 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。（液态无限互溶、 。（液态无限互溶 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。（液态无限互溶、 固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。 固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。) 共晶组织：共晶转变产物（是两相混合物） 共晶组织：共晶转变产物（是两相混合物） 。
3 合金的平衡结晶及其组织 （以Pb-Sn相图为例） Pb-Sn相图为例） 相图为例
第二章金属与合金的晶体结构和二元合金相图
第二章 金属与合金的晶体结构 和二元合金相图
金属的性能取决于组织，组织取决于 成分与加工工艺。因此，必须研究金 属与合金的内部组织结构及他们与成 分、温度及加工方法等因素之间的相 互关系。
金属原子是通过正离子与自由电子的 相互作用而结合的，称为金属键。
金属原子趋向于紧密排列。 金属具有良好的导热性、导电性、延
5、晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。 6、配位数：晶格中与任
一原子距离最近且相等的 原子数目。 7、致密度：晶胞中原子 本身所占的体积百分数。
致密度越大，原子排列越紧密。因此，当晶体从面 心立方晶格转变为体心立方晶格时，由于致密度减小而 体积膨胀。 8、晶面：在金属晶体中，经过一系列原子所构成的平面。 9、晶向：通过两个以上原子的直线，表示某一原子在空 间的位置。 10、晶面（晶向）指数：表示不同位相的晶面或晶向的符 号。(111);[110]
致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
三、实际金属的晶体结构
1、单晶体和多晶体 单晶体：其内部晶格方位完 全一致的晶体。 多晶体： 晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、 外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。变 形金属晶粒尺寸约1~100m，铸造金属可达几mm。
面心立方的四面体和八面体间隙 体心立方的四面体和八面体间隙
③ 置换原子： 取代原来原子位置的外来原 子称置换原子。
点缺陷破坏了原子的平衡状 态，使晶格发生扭曲，称晶
格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
空位
间隙原子
小置换原子
大置换原子
⑵ 线缺陷—晶体中的位错 位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生 局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称 作位错。有刃型位错和螺型位错两种类型。
金属的性能取决于组织，组织取决于 成分与加工工艺。因此，必须研究金 属与合金的内部组织结构及他们与成 分、温度及加工方法等因素之间的相 互关系。
金属原子是通过正离子与自由电子的 相互作用而结合的，称为金属键。
金属原子趋向于紧密排列。 金属具有良好的导热性、导电性、延
5、晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。 6、配位数：晶格中与任
一原子距离最近且相等的 原子数目。 7、致密度：晶胞中原子 本身所占的体积百分数。
致密度越大，原子排列越紧密。因此，当晶体从面 心立方晶格转变为体心立方晶格时，由于致密度减小而 体积膨胀。 8、晶面：在金属晶体中，经过一系列原子所构成的平面。 9、晶向：通过两个以上原子的直线，表示某一原子在空 间的位置。 10、晶面（晶向）指数：表示不同位相的晶面或晶向的符 号。(111);[110]
致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
三、实际金属的晶体结构
1、单晶体和多晶体 单晶体：其内部晶格方位完 全一致的晶体。 多晶体： 晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、 外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。变 形金属晶粒尺寸约1~100m，铸造金属可达几mm。
面心立方的四面体和八面体间隙 体心立方的四面体和八面体间隙
③ 置换原子： 取代原来原子位置的外来原 子称置换原子。
点缺陷破坏了原子的平衡状 态，使晶格发生扭曲，称晶
格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
空位
间隙原子
小置换原子
大置换原子
⑵ 线缺陷—晶体中的位错 位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生 局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称 作位错。有刃型位错和螺型位错两种类型。
第二章 合金相结构和二元合金相图(新PPT).
第二章 合金的相结构与二元合金相图
2.2 二元合金相图
三．匀晶相图
3．杠杆定律极其应用
当合金在某一温度处于相图中的两相区时，从相图中不仅可知两 平衡相的成分，还可应用“杠杆定律”求出两个平衡相的重量比。现 以图6铜镍合金中含x%Ni的合金为例，来说明杠杆定律极其应用。
第二章 合金的相结构与二元合金相图
固溶体性能的变化：
① 置换固溶体 → 晶格畸变； ② 间隙固溶体 → 晶格畸变
③ 晶格畸变 → 强度、硬度上升，塑性、韧性下降→ 固溶强化。
第二章
合金的相结构与二元合金相图
2.1 合金的相结构
固溶体性能的变化
图2
固溶体中大、小溶质原子所引起晶格畸变示意图
第二章
合金的相结构与二元合金相图
2.1 合金的相结构
（3）间隙化合物
r非金属 r金属
0.59
简单间隙化合物
r非金属 r金属
0.59
复杂间隙化合物
第二章 合金的相结构与二元合金相图
2.2 二元合金相图
一．概述 二．二元合金相图的制作 三．匀晶相图 四．共晶相图 五．包晶相图 六．其它二元相图
第二章 合金的相结构与二元合金相图
2.2 二元合金相图
平衡结晶是合金在极缓慢的冷却过程中，原子能够充分扩散，随 时达到相平衡的结晶过程。 当合金从高温缓慢地冷却到与液相线相交的t1温度并稍过冷时， 开始从液相L1中结晶出成分为的α1 固溶体。固相成分沿着固相 线变化，液相成分沿着液相线变化。当然随着结晶的进行，液相 量逐渐减少，固相量逐渐增加。在t2到t3温度间，结晶继续进行， 液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化，并在温度 t3 时结晶完毕，得到成分为 3（含60%Ni）的单相固溶体，由一颗 颗的晶粒组成。
第2章 合金的结构与结晶
返回
二、共晶系合金的平衡结晶及组织
共晶合金
f
图2-10 共晶合金结晶示意图
返回
二、共晶系合金的平衡结晶及组织
共晶合金
图2-11
Pb-Sn共晶合金组织示意图
返回
室温下：相组成物α，β
组织组成物：（α+β）共晶体 （α+β）%=100%
返回
二、共晶系合金的平衡结晶及组织
成分小于C点的合金
返回
2．典型合金平衡结晶过程分析
合金I结晶过程示意图
图2-18
合金1结晶过程示意图
返回
2．典型合金平衡结晶过程分析
合金Ⅱ结晶过程示意图
图2-19 合金Ⅱ结晶过程示意图
返回
2．典型合金平衡结晶过程分析
合金Ⅲ结晶过程示意图
图2-20 合金Ⅲ结晶过程示意图
返回
§6 其他类型的二元系合金相图
室温下：相组成物α，β
在共晶温度时组织相对量：
室温下：a初--->α+βII
图2-14
亚共晶合金组织示意图
返回
二、共晶系合金的平衡结晶及组织
过共晶合金
返回
三、伪共晶和密度偏析
伪共晶：非共晶成分的合金获得全部共晶组织的现象。
伪共晶示意图
返回
三、伪共晶和密度偏析
比重偏析：结晶的晶体密度与其剩余的液体密度相差较大， 晶体上浮或下沉。凝固后合金的上下部分不同的现象，称 之为“密度偏析”
枝晶偏析(晶内偏析)：在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝 晶偏析。 出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能和加工工 艺性能变坏。
二、共晶系合金的平衡结晶及组织
共晶合金
f
图2-10 共晶合金结晶示意图
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二、共晶系合金的平衡结晶及组织
共晶合金
图2-11
Pb-Sn共晶合金组织示意图
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室温下：相组成物α，β
组织组成物：（α+β）共晶体 （α+β）%=100%
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二、共晶系合金的平衡结晶及组织
成分小于C点的合金
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2．典型合金平衡结晶过程分析
合金I结晶过程示意图
图2-18
合金1结晶过程示意图
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2．典型合金平衡结晶过程分析
合金Ⅱ结晶过程示意图
图2-19 合金Ⅱ结晶过程示意图
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2．典型合金平衡结晶过程分析
合金Ⅲ结晶过程示意图
图2-20 合金Ⅲ结晶过程示意图
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§6 其他类型的二元系合金相图
室温下：相组成物α，β
在共晶温度时组织相对量：
室温下：a初--->α+βII
图2-14
亚共晶合金组织示意图
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二、共晶系合金的平衡结晶及组织
过共晶合金
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三、伪共晶和密度偏析
伪共晶：非共晶成分的合金获得全部共晶组织的现象。
伪共晶示意图
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三、伪共晶和密度偏析
比重偏析：结晶的晶体密度与其剩余的液体密度相差较大， 晶体上浮或下沉。凝固后合金的上下部分不同的现象，称 之为“密度偏析”
枝晶偏析(晶内偏析)：在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝 晶偏析。 出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能和加工工 艺性能变坏。
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缓冷
有序变化：导致合金硬度、脆性增加，塑性、电阻率下降。
固态合金中的相结构
完全无序
第二章
偏聚
部分有序
完全有序
固态合金中的相结构
第二章
（二）溶质元素在固溶体中的溶解度
c
溶质元素的质量 固溶体的总质量
100％
质量分数
c
溶质元素的原子数 固溶体的总原子数
100％
摩尔百分数
固态合金中的相结构
第二章
（三）影响固溶体结构和溶解度的因素
第二章
（2）具有复杂结构的间隙化 合物
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要 组成相，具有复杂斜方晶格。
化合物也可溶入其它元素原
Fe3C的晶格
子，形成以化合物为基的固
溶体。
高温合金中的Cr23C6
（3） 拉弗斯相： 组元间的原子尺寸之差处于间隙化合 物与电子化合物之间。
第二章
3、电子含量因素（原子价因素）: 电子含量：各组成元素的价电子数的总和与原子数的比值。 如溶质的摩尔分数为 x ％ ，则电子含量表示为：
c e a [xv u(100 x)]/100 一定形式的固溶体，能稳定地存在于一定的电子含量范围内。 一价金属溶剂，bcc电子极限含量1.36
fcc电子极限含量1.48
固态合金中的相结构
第二章
4.相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面 分开的物质均匀组成部分，称之为相。
5.组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大 小、方向、形状、分布及相互结合状态。
(a)纯铁单相显微组织
(b)Al+Cu两相显微组织
固态合金中的相结构
第二章
在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分， 可分为固溶体和中间相两大类。
第二章
1. 正常价化合物—电负性 差别较大，符合化合的原 子价规律: Mg2Si、 SiC
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。
Al-Mg-Si合金中的Mg2Si
Pb基轴承合金中的电子化合物
固态合金中的相结构
第二章
3. 尺寸因素化合物－间隙化合物 —由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金
属元素组成。
（1）间隙化合物：具有简单晶格结构的间隙化合物。 大尺寸金属元素占据晶格正常位置，小尺寸非金属元素占 据间隙位置 M4X fcc (Fe4N) 、 M2X hcp (Fe2N、W2C) 、 MX (TiC、VC、TiN)等。 MX2 fcc(TiC、VC、TiN)等。
固态合金中的相结构
二元合金相图的建立
第二章
铜-镍合金的冷却曲线和相图
(a)不同成分合金冷却曲线
(b)铜镍合金相图
匀晶相图
§ 2.3 匀晶相图
第二章
两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的相图称为 匀晶相图。Cu-Ni，Fe-Cr,Au-Ag
Liquid
Two Phase
Solid
X
% Y added
Y
匀晶相图
一、匀晶相图分析
合金的结构：
由不同的相组成（化学成分、晶体结构）
固态合金中的相结构
一、基本概念
第二章
1. 组元：组成材料最基本、独立的物质。可以是 元素，也可以是化合物。
2. 合金：由两种或两种以上的金属、金属与非金 属，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金 属性的物质称合金。
3. 合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系 列不同成分合金的总称。如Fe-C，Zn-Al等。
固态合金中的相结构
第二章
A B%
B
形成无限固溶体的原子置换示意图
只有置换固熔体才能形成无限固熔体，对于 间隙固溶体，只能形成有限固溶体。
固态合金中的相结构
第二章
固溶体的分类3：
按溶质原子在溶剂中的排列分类 无序固溶体：溶质原子呈无序排列。 有序固溶体（超结构）：溶质原子排列有一定 的规律性。 有序 升温 无序
一定溶限，溶质原子含量超过此溶限形成的一种新 相。具有一定金属特性，亦称为金属间化合物。
中间相的结构不同于此相中的任一组元。
金属化合物具有一般仍具有一定的金属特性。较高的 熔点、硬度和脆性，有些还具有特殊的物理、化学 性能。并可用AmBn表示其组成。
正常价化合物、电子化和物、尺寸因素化合物
固态合金中的相结构
匀晶相图
第二章
液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。 匀晶结晶有下列特点：
a）与纯金属一样，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。
b）纯金属结晶需要能量起伏和结构起伏，固溶体还需要成分 起伏。固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶 过程，纯金属是在一定温度下恒温进行。
第二章
液相线 L
B熔点
A熔点
L+α
α 固相线
与纯金属的结 晶过程不同，固溶 体合金的结晶是在 一定的温度范围内 完成的。
A
B%
B
相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。
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 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ ）。
注意：相邻两相区相数差为1
二元合金相图的建立
§ 2.2 二元合金相图的建立
第二章
一、 相图的基本知识
组元：组成材料最基本、独立的物质。可以是元素，也可以 是化合物。
合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合 金的总称。如Fe-C，Zn-Al等。
相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的物质 均匀组成部分，称之为相。
置换固溶体
间隙固溶体
固态合金中的相结构
第二章
固溶体的分类2：
按溶质原子在溶剂中的溶解度分类
无限型固溶体：溶质和溶剂 两种晶体可以按任意比例无 限制地相互固溶。
例: (1)Cu_Ni无限互溶；
有限型固溶体：溶质只能以一 (2)Cu_Zn溶解度有限；
定的溶解限量溶入到溶剂中 。
(3)Cu_Pb几乎不溶。
Solid Gas
Temperature
二元合金相图的建立
相的辨别:成分、结构。
组织鉴别：形态。
以铁碳合金为例：
α-Fe（bcc）
间隙固溶体
纯Fe
＋C
γ-Fe （fcc）
第二章
铁素体（F 相）（bcc） 奥氏体（A 相）（fcc）
纯Fe＋C
金属间 化合物
渗碳体（Fe3C 相)（复杂间隙相化合物）
二元合金相图的建立
组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大小、方向、 形状、分布及相互结合状态。
二元合金相图的建立
第二章
相的基本属性
一致的晶体结构和原子排列方式； 相同的物理、化学性能；
与周围的非同相物质之间有确定的界面；
如：一杯冰水有两相 液相 固相
Liquid
Pressure
一碟椒盐也有两相 食盐 花椒
固态合金中的相结构
二、固溶体
第二章
固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀 的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。其 实质是固态溶液。 如： α – Fe + C = F ( 铁素体 ) 体心 六方 体心
溶剂：保留本身晶体结构的组元为溶剂，在固溶体中 含量较多。
溶质：解散本身的结构以原子的形式分散到晶格中， 在固熔体中含量较少。
第2章 合金的相结构与 二元合金相图
§ 2.1 固态合金中的相结构 § 2.2 二元合金相图的建立 § 2.3 匀晶相图 § 2.4 二元共晶相图 § 2.3 二元包晶相图
固态合金中的相结构
§ 2.1 固态合金中的相结构
第二章
纯金属的结构：
晶体结构类型（fcc,bcc,hcp)＋缺陷状态（点、线、 面）
2、解释纯金属和二元合金结晶时的差别 纯金属结晶时，相律为0 二元合金结晶时，为1或0
二元合金相图的建立
第二章
二、 二元合金相图的建立
建立相图最常用方法是热分析法。它是通过测量相 变时的热效应（即相变时放出热量或吸收热量）来确相 变时的临界度。
Liquid
Temperature
Two Phase Solid
第二章
铁素体（F）+渗碳体
珠光体（组织）
过共析钢平衡组织 （珠光体＋渗碳体）
珠光体 共析钢平衡组织
（珠光体）
二元合金相图的建立
第二章
相图：表示合金系中合金的相的性质、数目、相对 量与温度、压力、成分之间关系的图解。我们经常 见到的相图是平衡相图。
Gibbs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。
f=c-p+2
其中系统的自由度数是指在保持合金系的相的数目 不变的情况下，合金系中可以独立改变的、影响合金 状态的内部及外部因素（成分、压力和温度）的数目。
当系统的压力为常数时，
f=c-p+1
利用Gibbs相律实例
1、确定系统中可能存在最多相数 一元体系为2（结晶过程） 二元系为3（共晶、共析反应）
固态合金中的相结构
（一）固溶体的结构与分类
第二章
固溶体的分类1： 按溶质原子在溶剂晶格中位置分类
置换固溶体：溶质原子代替部分溶剂晶格结点 位置。R质/R剂>0.59。Cu－Ni合金
间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格中结点间 的空隙位置。R质/R剂<0.59。铁素体(Fe-C)。
固态合金中的相结构
第二章
解方程组得
QL
x2 x x2 x1
xx
Q
1
α x2 x1
式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。
有序变化：导致合金硬度、脆性增加，塑性、电阻率下降。
固态合金中的相结构
完全无序
第二章
偏聚
部分有序
完全有序
固态合金中的相结构
第二章
（二）溶质元素在固溶体中的溶解度
c
溶质元素的质量 固溶体的总质量
100％
质量分数
c
溶质元素的原子数 固溶体的总原子数
100％
摩尔百分数
固态合金中的相结构
第二章
（三）影响固溶体结构和溶解度的因素
第二章
（2）具有复杂结构的间隙化 合物
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要 组成相，具有复杂斜方晶格。
化合物也可溶入其它元素原
Fe3C的晶格
子，形成以化合物为基的固
溶体。
高温合金中的Cr23C6
（3） 拉弗斯相： 组元间的原子尺寸之差处于间隙化合 物与电子化合物之间。
第二章
3、电子含量因素（原子价因素）: 电子含量：各组成元素的价电子数的总和与原子数的比值。 如溶质的摩尔分数为 x ％ ，则电子含量表示为：
c e a [xv u(100 x)]/100 一定形式的固溶体，能稳定地存在于一定的电子含量范围内。 一价金属溶剂，bcc电子极限含量1.36
fcc电子极限含量1.48
固态合金中的相结构
第二章
4.相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面 分开的物质均匀组成部分，称之为相。
5.组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大 小、方向、形状、分布及相互结合状态。
(a)纯铁单相显微组织
(b)Al+Cu两相显微组织
固态合金中的相结构
第二章
在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分， 可分为固溶体和中间相两大类。
第二章
1. 正常价化合物—电负性 差别较大，符合化合的原 子价规律: Mg2Si、 SiC
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。
Al-Mg-Si合金中的Mg2Si
Pb基轴承合金中的电子化合物
固态合金中的相结构
第二章
3. 尺寸因素化合物－间隙化合物 —由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金
属元素组成。
（1）间隙化合物：具有简单晶格结构的间隙化合物。 大尺寸金属元素占据晶格正常位置，小尺寸非金属元素占 据间隙位置 M4X fcc (Fe4N) 、 M2X hcp (Fe2N、W2C) 、 MX (TiC、VC、TiN)等。 MX2 fcc(TiC、VC、TiN)等。
固态合金中的相结构
二元合金相图的建立
第二章
铜-镍合金的冷却曲线和相图
(a)不同成分合金冷却曲线
(b)铜镍合金相图
匀晶相图
§ 2.3 匀晶相图
第二章
两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的相图称为 匀晶相图。Cu-Ni，Fe-Cr,Au-Ag
Liquid
Two Phase
Solid
X
% Y added
Y
匀晶相图
一、匀晶相图分析
合金的结构：
由不同的相组成（化学成分、晶体结构）
固态合金中的相结构
一、基本概念
第二章
1. 组元：组成材料最基本、独立的物质。可以是 元素，也可以是化合物。
2. 合金：由两种或两种以上的金属、金属与非金 属，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金 属性的物质称合金。
3. 合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系 列不同成分合金的总称。如Fe-C，Zn-Al等。
固态合金中的相结构
第二章
A B%
B
形成无限固溶体的原子置换示意图
只有置换固熔体才能形成无限固熔体，对于 间隙固溶体，只能形成有限固溶体。
固态合金中的相结构
第二章
固溶体的分类3：
按溶质原子在溶剂中的排列分类 无序固溶体：溶质原子呈无序排列。 有序固溶体（超结构）：溶质原子排列有一定 的规律性。 有序 升温 无序
一定溶限，溶质原子含量超过此溶限形成的一种新 相。具有一定金属特性，亦称为金属间化合物。
中间相的结构不同于此相中的任一组元。
金属化合物具有一般仍具有一定的金属特性。较高的 熔点、硬度和脆性，有些还具有特殊的物理、化学 性能。并可用AmBn表示其组成。
正常价化合物、电子化和物、尺寸因素化合物
固态合金中的相结构
匀晶相图
第二章
液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。 匀晶结晶有下列特点：
a）与纯金属一样，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。
b）纯金属结晶需要能量起伏和结构起伏，固溶体还需要成分 起伏。固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶 过程，纯金属是在一定温度下恒温进行。
第二章
液相线 L
B熔点
A熔点
L+α
α 固相线
与纯金属的结 晶过程不同，固溶 体合金的结晶是在 一定的温度范围内 完成的。
A
B%
B
相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。
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 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ ）。
注意：相邻两相区相数差为1
二元合金相图的建立
§ 2.2 二元合金相图的建立
第二章
一、 相图的基本知识
组元：组成材料最基本、独立的物质。可以是元素，也可以 是化合物。
合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合 金的总称。如Fe-C，Zn-Al等。
相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的物质 均匀组成部分，称之为相。
置换固溶体
间隙固溶体
固态合金中的相结构
第二章
固溶体的分类2：
按溶质原子在溶剂中的溶解度分类
无限型固溶体：溶质和溶剂 两种晶体可以按任意比例无 限制地相互固溶。
例: (1)Cu_Ni无限互溶；
有限型固溶体：溶质只能以一 (2)Cu_Zn溶解度有限；
定的溶解限量溶入到溶剂中 。
(3)Cu_Pb几乎不溶。
Solid Gas
Temperature
二元合金相图的建立
相的辨别:成分、结构。
组织鉴别：形态。
以铁碳合金为例：
α-Fe（bcc）
间隙固溶体
纯Fe
＋C
γ-Fe （fcc）
第二章
铁素体（F 相）（bcc） 奥氏体（A 相）（fcc）
纯Fe＋C
金属间 化合物
渗碳体（Fe3C 相)（复杂间隙相化合物）
二元合金相图的建立
组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大小、方向、 形状、分布及相互结合状态。
二元合金相图的建立
第二章
相的基本属性
一致的晶体结构和原子排列方式； 相同的物理、化学性能；
与周围的非同相物质之间有确定的界面；
如：一杯冰水有两相 液相 固相
Liquid
Pressure
一碟椒盐也有两相 食盐 花椒
固态合金中的相结构
二、固溶体
第二章
固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀 的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。其 实质是固态溶液。 如： α – Fe + C = F ( 铁素体 ) 体心 六方 体心
溶剂：保留本身晶体结构的组元为溶剂，在固溶体中 含量较多。
溶质：解散本身的结构以原子的形式分散到晶格中， 在固熔体中含量较少。
第2章 合金的相结构与 二元合金相图
§ 2.1 固态合金中的相结构 § 2.2 二元合金相图的建立 § 2.3 匀晶相图 § 2.4 二元共晶相图 § 2.3 二元包晶相图
固态合金中的相结构
§ 2.1 固态合金中的相结构
第二章
纯金属的结构：
晶体结构类型（fcc,bcc,hcp)＋缺陷状态（点、线、 面）
2、解释纯金属和二元合金结晶时的差别 纯金属结晶时，相律为0 二元合金结晶时，为1或0
二元合金相图的建立
第二章
二、 二元合金相图的建立
建立相图最常用方法是热分析法。它是通过测量相 变时的热效应（即相变时放出热量或吸收热量）来确相 变时的临界度。
Liquid
Temperature
Two Phase Solid
第二章
铁素体（F）+渗碳体
珠光体（组织）
过共析钢平衡组织 （珠光体＋渗碳体）
珠光体 共析钢平衡组织
（珠光体）
二元合金相图的建立
第二章
相图：表示合金系中合金的相的性质、数目、相对 量与温度、压力、成分之间关系的图解。我们经常 见到的相图是平衡相图。
Gibbs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。
f=c-p+2
其中系统的自由度数是指在保持合金系的相的数目 不变的情况下，合金系中可以独立改变的、影响合金 状态的内部及外部因素（成分、压力和温度）的数目。
当系统的压力为常数时，
f=c-p+1
利用Gibbs相律实例
1、确定系统中可能存在最多相数 一元体系为2（结晶过程） 二元系为3（共晶、共析反应）
固态合金中的相结构
（一）固溶体的结构与分类
第二章
固溶体的分类1： 按溶质原子在溶剂晶格中位置分类
置换固溶体：溶质原子代替部分溶剂晶格结点 位置。R质/R剂>0.59。Cu－Ni合金
间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格中结点间 的空隙位置。R质/R剂<0.59。铁素体(Fe-C)。
固态合金中的相结构
第二章
解方程组得
QL
x2 x x2 x1
xx
Q
1
α x2 x1
式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。