二元合金的相结构与相图基本概念和特点
二元相图及合金的结晶
潍 坊 学 院 教 案
课题 二元合金相图 课时 2
教学目的
与
要 求 1、目的：使学生掌握二元相图的基本知识，为学习后面的铁碳相图打好基础，在此基础上了解合金的结晶过程。
2、基本要求：了解合金的一些基本概念；掌握合金中的相及相结构类型；了解合金结晶的特点，熟悉几种常见的二元合金相图；会利用杠杆定律计算相组成物及组织组成物的相对含量。
教学重点
与
难 点
1、重点是：掌握合金中的相及相结构类型；熟悉几种常见的二元合金相图。
2、难点是：利用杠杆定律计算相组成物及组织组成物的相对含量。
教
学
过
程 主 要 内 容 及 步 骤 备 注
主要内容：
一、合金的晶体结构
1、基本概念。
（1）合金、（2）组元、（3）合金系、（4）相、
（5）组织
2、合金中的相结构类型。
（1）固溶体、（2）化合物
二、二元合金相图
1、合金结晶的特点。
2、二元合金相图的基本知识。
（1）相图、（2）表示方法及其测定、
（3）杠杆定律
3、几种典型的二元合金相图。
（1）匀晶相图、（2）共晶相图、（3）共析相图、
（4）包晶相图
预留5min小节与布置作业
教
学
过
程
教学组织：
1、由纯金属的晶体结构导入合金的结构情况，从讲清基本概念入手。
2、合金的晶体结构主要介绍概念；二元相图在讲清合金结晶特点的基础上，说明它是一个研究工具；具体介绍每一种合金相图时，按照其发生的相变、相图特征、相图举例、常见的合金相图的顺序依次介绍，这样思路比较清晰。
3、关于金属间化合物的相图，以及由二元相图判断合金的性能，限于课时，可由学生自学。
4、考虑到实际效果，这两节课以板书讲授为主。
6、作业：
授
课
效
果
分
析
总
结
注： 教师每次课都要写一份教案，放在该次课讲稿前面。 潍坊学院机电工程学院讲稿专用纸
一、合金的晶体结构
1、基本概念
（1）合金；（2）组元；（3）合金系；（4）相；（5）组织
二元合金相图（1）
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
二元合金相图的定义、作用及建立（精）
二元合金相图的定义、作用及建立（精）
职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库
金属材料与热处理课程
二元合金相图的定义、作
用及建立
主讲教师：张琳
西安航空职业技术学院
二元合金相图的定义、作用及建立合金的结晶同纯金属的结晶一样，也遵循形核与长大的基本规律。但由于合金成分中包含有两个以上的组元，其结晶过程除受温度影响外，还受到化学成分及组元间不同作用等因素的影响，故结晶过程比纯金属复杂。通常用合金相图来分析合金的结晶过程。
合金相图也称为平衡图或状态图。它是表示在平衡条件下（极其缓慢冷却）合金状态、成分和温度之间关系的图形。根据相图可以了解在平衡状态下不同成分合金在不同温度下所存在的相，还可以了解合金在缓慢加热和冷却过程中的相变规律。根据组元数, 相图分为二元相图、三元相图和多元相图，如图1所示。 （a） Fe-Fe3C二元相 （b ） 三元相图
图1 相图的分类
在生产实践中，相图是分析合金组织及变化规律的重要工具，也是确定热加工工艺的重要依据。它具有下列用途：
由材料的成分和温度预知平衡相；
材料的成分一定而温度发生变化时分析其他平衡相变化的规律；
估算平衡相的数量；
预测材料的组织和性能。
常压下，二元合金的结晶状态取决于温度和成分两个因素，所以二元合金相图一般用温度及成分组成的平面坐标系表示。二元合金相图建立的方法有热分析法、热膨胀法、金相分析法、磁性法、电阻法、X 射线晶体结构分析法等，其中最常用的是热分析法，图2为热分析法绘制的相图。
下面以Cu-Ni 合金为例，介绍利用热分析法建立二元合金相图的过程:
（1）配制一系列不同成分的铜-镍合金：①Cu w =100％；②Cu
w =80％，Ni w =20％；③Cu w =60％，Ni w =40％；④Cu w
=40％，Ni w =60％；⑤Cu w =20％，
Ni w =80％；⑥Ni w =100％。
（a ） 合金冷却曲线 （b ） 合金相图
二元合金相图
27
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。如果合金仅由一个相组成，称为单相合金；如果合金由二个或二个以上的不同相所构成则称为多相合金。如含30%Zn的铜锌合金的组织由相单相组成；含38%Zn的铜锌合金的组织由和相双相组成。这两种合金的机械性能大不相同。
材料与金属工艺学第三章 合金的结构与二元状态图
28 第三章 合金的结构与二元状态图
【重点内容】1.合金中相的类型：固溶体、化合物；
2. 二元合金相图的基本概念：相、组织、组元、相图、合金、合金系等；
3. 二元合金相图的分析方法，熟悉几种最基本的二元合金相
图；
4. 杠杆定律及其应用；
5.固溶强化、弥散强化的定义。
【本章难点】固溶体和金属间化合物的概念、固溶体的分类、二元合金相图的分析方法及杠杆定律的应用。
【基本要求】1.掌握合金相结构的基本类型；
2.熟悉状态图的建立及用途；
3.掌握二元合金状态图的基本类型。
§1合金中的相结构
【合金的基本概念及实用意义】：
通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。
众所周知，金属材料在现代工农业生产及人们的日常生活中占有极其重要的地位，虽然各种纯金属都具有优良的导电性、导热性、化学稳定性等特点。但是各种纯金属的强度、硬度、耐磨性等机械性能都比较差，满足不了人们对金属材料使用性能上的要求，因此自古至今人们都在生产和使用着合金材料。 29 合金不仅在强度、硬度、耐磨性等机械性能方面比纯金属高，而且在电、磁、化学稳定性等物理化学性能方面也能与纯金属相媲美或更好，所以对合金的研究与使用更有实际意义。
组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，通常是指组成该合金的元素或某些化合物，根据合金组元数目的多少，把合金分为二元合金、三元合金和多元合金。如：铁碳合金就是由铁和碳二组元组成的二元合金。
【合金中的相结构】
目前应用的合金中大多是采用熔炼法生产的，熔炼法即首先需要得到具有某种化学成分的均匀一致的合金溶液，将其降温冷却，使其结晶为固态合金。
第四章 二元合金相图与合金凝固
第四章二元合金相图与合金凝固
本章主要内容：
相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律；
二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析
固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼；
二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面；
共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶；
二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶合金的非平衡凝固与组织
包晶反应的应用
铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭的缺陷
其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变
二元相图总结及分析方法
二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图，Al-Mn相图，Al2O3-SiO2二元系相图
相图与合金性能的关系
相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图
1.填空
1 相律表达式为_____________________________。
2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有_____________起伏。
3. 按液固界面微观结构，界面可分为__________________和____________________。
4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是__________________________，光滑界面晶体的长大机制是_____________________和_____________________。
5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生____________偏析，用_________________热处理方法可以消除。
最全二元相图及其合金凝固知识点总结
最全二元相图及其合金凝固知识点总结
匀晶相图与固溶体凝固
匀晶相图
两组元在液态、固态均能无限互溶的二元系所组成的相图称为匀晶相图。
匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。匀晶转变是变温转变。
以w(Ni)为30%Cu-Ni 二元合金相图为例说明匀晶相图。
点：TCu、TNi 分别为 Cu、Ni 熔点。
线：TCuBTNi 为液相线。TCuCTNi 为固相线。
区： L、L+α、α
固溶体的平衡凝固
平衡结晶：在极缓慢冷却条件下进行的结晶。
以w(Ni)为30%Cu-Ni 二元合金为例分析结晶过程：
t1 温度以上为 L；
t1 温度时，L →α，成分为：B、C。 t2 温度时，成分为：E、F。液、固相线不仅是相区分线, 也是结晶时两相的成分变化线。随 T↓，固溶体成分沿固相线变化，液体成分沿液相线变化。
t3 温度时，结晶终了。得到与合金成分相同的固溶体。
固溶体的结晶过程也是形核和长大的过程。固溶体在形核时，既需要结构起伏（以满足晶核大小超过一定临界值的要求），又需要能量起伏（以满足新相对形核功的要求），此外还需要成分起伏（由于其结晶时，结晶出的 α 成分与 L 成分不同）。
成分起伏：在微小体积内成分偏离平均成分的现象（掌握）。
平衡凝固时组织变化示意图：
固溶体平衡冷却结晶过程归纳总结：
冷却时遇到液相线开始结晶，遇到固相线结晶终止，形成单相均匀固溶体。在结晶过程中每一温度，其液相、固相成分和相对量可由该温度下做水平线与液相线、固相线的交点及杠杆定理得出随温度下降，固相成分沿固相线变化，液相成分沿液相线变化，且液相成分减少，固相成分增加，直至结晶完毕。
固溶体合金的结晶特点：
1.异分结晶：结晶出的晶体与母相化学成分不同。
2.结晶需要一定的温度范围。
固溶体非平衡凝固
非平衡凝固：偏离平衡条件的结晶。在实际生产中，由于冷却速度较快，内部原子的扩散过程落后于结晶过程，使合金的成分均匀化来不及进行，使凝固偏离了平衡条件，这称为非平衡凝固。