工程材料--合金的相结构和二元合金相图
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二元合金及其相图
显微组织：
借助于各种不同放大倍数的金相显微镜所观 察到的金属和合金中的晶粒形状、大小及各 组成相的分布形态等形貌，称为显微组织或 金相组织（简称金相）。
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图3-22 由相所构成的不同组织的示意图
固溶体：α、β； 金属化合物：θ、η
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5、杠杆定律的应用
1) 计算（f、g）成分范围内，任 意成分二元合金室温下相组成物 的相对量（重量百分数） 。
置换固溶体的晶格畸变
对间隙固溶体 ： 溶质原子直径越小，溶解度越大。
（3）电负性因素： 电负性因素： 是指元素的原子从其它原子夺取电子而转变为负
离子的能力。
溶质、溶剂的电负性越接近溶解度越大。越有利于形成无
限固溶体。当元素间的电负性的差别大到一定程度后，就难于 形成固溶体，而倾向于形成化合物。
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当溶质含量＞溶解度时，将出现新相
化合物——合金组元间发生相互作用而形成的一种新相。
化合物分类
金属化合物——具有一定程度金属键，
有金属特性
非金属化合物——具有离子键，无金属特性
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二、 金属化合物
金属化合物： 具有相当程度的金属键并具有一定程度的金 属性质的化合物。
（一）、金属化合物晶体结构特点
图中 I 合金室温下为α、β两相应用
杠杆定律可得：
xg 100%
fg
1 fx 100%
fg
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5、杠杆定律的应用
2）计算亚共晶合金（或过共晶合金） 室温下组织组成物的相对量（重量百分 数）。
该合金室温时的组织组成物为：
α初+ βII +(α+β)
第四章-二元合金相图
Pb WSn(%) Sn
G
t/s
70% Sn的过共晶合金的结晶过程分析
概括起来，过共晶合金平衡结晶过程为：
t1温度以上： 液态 L70 L
19
t1~ t2温度： 液相中析出 ， t2温度时发生共晶反应： L61.9 t2温度以下： 初 Ⅱ
97.5
室温组织： 初 + Ⅱ + （+）共晶
一、相律
在恒压下，在纯固态或纯液态情况下，出现的相数 小于等于主元数。在液固共存（恒温）条件下出现 的相数小于等于主元数加一。因而，对二元合金， 固态下出现的相数为1或2，液固共存（恒温）条件 下恒温下出现的相数为2或3。
二、二元匀晶相图的分析
匀晶转变：在一定温度范围内由液相结 晶出单相的固溶体的结晶过程。 二元匀晶相图：指两组元在液态和固态 均无限互溶时的二元合金相图。 具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、 Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。
标注在温度— 成分坐标中 无限缓冷下测各 合金的冷却曲线 连接各相变点
确定各合金 的相变温度
确定相
如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu 六组合金。
Cu20% Cu60%Cu80% Cu Ni Cu40%
1600
1500
1400
1400 1300
L
（L+ ）
T
Ni
WCu(%)
Cu
将铸件加热到低于固相线100~200℃的温 度，进行长时间保温，使偏析元素充分进行扩 散，以达到成分均匀化。
设A、B组元的熔点分别为1450℃和1080℃，它们 在液态和固态都无限互溶，则这两种组元组成的 二元相图叫作二元 相图；先结晶的固溶体 中含 组元多，后结晶的固溶体中含 组元多，这种成分不均匀现象称为 ， 通过 工艺可以减轻或消除这种现 象。
G
t/s
70% Sn的过共晶合金的结晶过程分析
概括起来，过共晶合金平衡结晶过程为：
t1温度以上： 液态 L70 L
19
t1~ t2温度： 液相中析出 ， t2温度时发生共晶反应： L61.9 t2温度以下： 初 Ⅱ
97.5
室温组织： 初 + Ⅱ + （+）共晶
一、相律
在恒压下，在纯固态或纯液态情况下，出现的相数 小于等于主元数。在液固共存（恒温）条件下出现 的相数小于等于主元数加一。因而，对二元合金， 固态下出现的相数为1或2，液固共存（恒温）条件 下恒温下出现的相数为2或3。
二、二元匀晶相图的分析
匀晶转变：在一定温度范围内由液相结 晶出单相的固溶体的结晶过程。 二元匀晶相图：指两组元在液态和固态 均无限互溶时的二元合金相图。 具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、 Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。
标注在温度— 成分坐标中 无限缓冷下测各 合金的冷却曲线 连接各相变点
确定各合金 的相变温度
确定相
如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu 六组合金。
Cu20% Cu60%Cu80% Cu Ni Cu40%
1600
1500
1400
1400 1300
L
（L+ ）
T
Ni
WCu(%)
Cu
将铸件加热到低于固相线100~200℃的温 度，进行长时间保温，使偏析元素充分进行扩 散，以达到成分均匀化。
设A、B组元的熔点分别为1450℃和1080℃，它们 在液态和固态都无限互溶，则这两种组元组成的 二元相图叫作二元 相图；先结晶的固溶体 中含 组元多，后结晶的固溶体中含 组元多，这种成分不均匀现象称为 ， 通过 工艺可以减轻或消除这种现 象。
第四章 二元合金
2.1.2置换固溶体： 2..1.2.1形成置换固溶体造成的后果－固溶强化； 固溶强化：当溶质原子溶入溶剂晶格时，将 造成晶格畸变，如图所示，使强度、硬度增 加的现象；
2.1.2.2影响固溶度的因素： ①原子尺寸因素：组元间的原子半径越接近，则 固溶体的固溶度越大。 原因：晶格畸变；
2
• 当温度缓冷到 3点，温度冷 却到t3时，结 晶结束，得到 与原合金成分 相同的α固溶 体。
结晶规律： ①在温度不断下降过程中，液相的成分不断的沿着 液相线变化， α相的成分不断的沿着固相线变化； ② α相的数量不断增多，液相的数量不断减少，在 一定温度下，两相的相对含量可以用杠杆定律计 算。
•综上所述，形成无限固溶体的必要条件： ①晶体结构相同； ②电化学性质（负电性）相近； ③原子尺寸相近； ④溶质元素的原子价要小；
2.1.3间隙固溶体：原子半径很小的溶质原子溶入到 溶剂中时，不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而 是填入到晶格的间隙中，形成间隙固溶体。
说明：
①间隙固溶体只能是有限固溶体； ②形成条件：
3.3杠杆定律（只适用于两相区） 杠杆定律适用于二元系合金中，在两相区中确 定相的相对含量。 在Cu-Ni二元合金 中，Ni的含量为C% 的合金Ⅰ在温度t1时， 两相平衡 L 通过温度t1作一水平 线段arb，CL、Cα分 别表示液、固两相 的成分。
下面计算液相和固相的相对含量。设合金的总 质量为1，液相的质量为WL，固相的质量为Wα， 则WL+ Wα=1
• 宏观组织：用肉眼或放大镜观察到的组织；
• 微观组织：用显微镜观察到的组织；
• 电子显微组织：用电子显微镜观察到的组织；
2、相的分类
根据相的晶体结构特点分为两大类：固溶体和 金属化合物。
第四章二元合金
⒍结构：
原子尺度的材料形貌（晶格类型、晶胞 尺寸等）用射线确定。
第一节 合金的相结构
一、 固溶体 合金在固态时，组元间会相互溶解， 形成一种在某种组元的晶格中包含有其它组元 的新相称为固溶体。
晶格与固溶体相同的组元－溶剂。 晶格与固溶体不同的组元－溶质。 固溶体又划分为：置换固溶体，间隙固溶体。
（一） 置换固溶体： 溶质的原子，对溶剂晶格上某些结点位置的 原子置换而形成的，见图4－1。 这种置换引起： ⒈ 固溶强化：“置换”，使溶剂晶格畸变，引 起 固溶体强度、硬度提高，物理性能变化。这是 提高合金机械性能的重要手段之一。 见图 4－2：
一、 化合物：
⒈ 定义： 合金中，当溶质含量超过溶解度时，将 析出新相，当新相的晶格与合金任一组元都不同， 则新相为化合物。 当新相的晶格与合金的另一组元（溶质）相同， 则为新固溶体。 ⒉化合物分类： 正常价化合物，电子价化合物，间隙化 合物，复杂结构间隙化合物见图4－6。
⒊ 化合物特点：
具有复杂晶格结构，熔点极高、高硬脆。 如能“弥散”于合金中是“强化相”。 是 很 多合金的重要组成相。
' 1
t ② 温度由t 1 降至 2 ，液态合金中继续生新核， 原有的核长大。固相量不断增多，液相量不断 减少，但总重量仍为1。 此时新 相核，含Ni为X X ，数量增多。 ' 原含Ni为 1 的核，其含Ni 量由于原子扩散作 X ‘ 用变为 X 2 。而剩余液相含Ni量变为 2 。 X 固相量进一步增多，液相量进一步减少， 但总量仍为1。 但：此时合金含镍量仍 为K 。
第二节 二元合金相图
⒈ 几个名词、术语： 合金系： 由给定组元配制成的一系列成分不同 的合金，即合金系。 例： 二个组元—二元合金系。 三个组元—三元合金系。 多个组元－多元合金系。 平衡（相平衡）： 合金中参与结晶或相变过程的各相浓度 不再改变时的状态。
材料科学基础-第五章 材料的相结构及相图
相律在相图中的应用
C
2 二元系
P 1 2
3 1
f 2 1 0
3 2 1 0
含义
单相合金，成分和温度都可变 两相平衡，成分、相对量和温度 等因素中只有一个独立变量 三相平衡，三相的成分、相对 量及温度都确定 单相合金其中两个组元的含量 及温度三个因素均可变 两相平衡，两相的成分、数量 及温度中有两个独立变量 三相平衡，所有变量中只有 一个是独立变量 四相平衡所有因素都确定不变
结构简单的具有极高的硬度及熔点，是合金工具钢和硬 质合金的重要组成相。
I. 间隙化合物
间隙化合物和间隙固溶体的异同点
相同点： 非金属原子以间隙的方式进入晶格。
不同点： 间隙化合物：间隙化合物中的金属组元大多与自 身原来的结构类型不同 间隙固溶体：间隙固溶体中的金属组元仍保持自 身的晶格结构
I. 尺寸因素
II. 晶体结构因素 组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且有可 能形成无限固溶体。若不同只能形成有限固溶体。
III. 电负性差因素
两元素间电负性差越小，越易形成固溶体，且形成的 固溶体的溶解度越大；随两元素间电负性差增大，固 溶度减小。
1）电负性差值ΔX<0.4~0.5时，有利于形成固溶体 2）ΔX>0.4~0.5，倾向于形成稳定的化合物
Mg2Si
Mg—Si相图
(2)电子化合物
由ⅠB族或过渡金属元素与ⅡB，ⅢB，ⅣB族元素 形成的金属化合物。 不遵守化合价规律，晶格类型随化合物电子浓度 而变化。 电子浓度为3/2时： 呈体心立方结构（b相）； 电子浓度为21/13时：呈复杂立方结构（g相）； 电子浓度为21/12时。呈密排六方结构（e相）；
NaCl型 CaF2型 闪锌矿型 硫锌矿型 （面心立方） （面心立方） （立方ZnS） （六方ZnS）
2.2二元合金相图
三、共晶相图：
二元共晶相图：两组元在液态时无限互溶，固态时 有限互溶，并发生共晶反应所构成的相图称为二元 共晶相图。
共晶反应：是指冷却时由液相同时结晶出两个固相 的复合混合物的反应。
共晶体：共晶反应的产物是共晶体。
共晶组织：共晶体的显微组织是共晶组织。
1、相图分析
（1）共晶点 C点－－ α相＋β相 （2）共晶线 ECF线－－ LC恒→温αE+ ΒF
第五节 二元合金相图
相图：表示在平衡状态下，合金系的相与温度、成分之间关
系的图形。（又称状态图，平衡图）
注：
1、平衡状态是指在十分缓慢加热或冷却条件下，参与加热时 相的转变或冷却时结晶过程中的各相之间的成分及相对量，均 相对稳定所达到的一种平衡。 2、 物系为合金系的情况下，其压力通常视为定值，因此坐标 为温度和成分。
t/s
Ag%
P57图3-20 包晶合金的平衡结晶过程
概括起来，包晶合金平衡结晶过程为：
包晶温度以上： 液态 L42.4 液相线到包晶温度之间： 液态L 包晶温度（1186℃）：包晶转变 L66.3 10.5 42.4 包晶温度以下： Ⅱ 室温组织： + Ⅱ
➢包晶偏析——即包晶转变不能充分进行而产生的化学成分不 均匀现象。
冷却过程中不会发生共晶反应。如图合金Ⅳ冷却至1
点时结晶出α1 相,经过2点时全部转变为α1 相,经 过3点时,开始析出βⅡ相,即
L→1 L+α1→2 α1 →3 α1＋ βⅡ
同理，F点右侧的合金在冷却过程中也会有β1 相和αⅡ相生成 。最终组织为 β1＋αⅡ 。
§2-4 二元包晶相图
一、二元包晶相图分析
二、匀晶相图
两组元在液态和固态均能无限互溶时，结晶时发生匀晶转变（即从 液相中结晶出成分均匀一致的固溶体)所构成的相图称为二元合金相 图。
二元合金与相图课件PPT
2021/3/10
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1. 固溶体的分类
（1）按溶质原子在溶剂晶格中的位置分固溶体可分为置换 固溶体与间隙固溶体两种。
置换固溶体中溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子
形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取 决于两者的晶格类型、原子直径及它们在周期表中的位置。
2021/3/10
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间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。
电子化合物主要以金属键结合, 具有明显的金属特性, 可 以导电。它们的熔点和硬度较高，塑性较差，在许多有色金属 中为重要的强化相。
2021/3/10
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3. 间隙化合物 由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原 子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。尺寸较 大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属 原子则有规则地嵌入晶格的间隙之中。根据结构特点，间隙化 合物分间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。
提高的现象称为固溶强化。
固溶体引起的晶格畸变
2021/3/10
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固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当
时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降
低。例如：纯铜的σb为220 MPa, 硬度为40 HB, 断面收缩率 ψ为70%。当加入1%的镍形成单相固溶体后, 强度升高到390
第三章 二元合金相图 概述
纯金属具有良好的导电导热性，但机械性能差，而且提炼 困难，价格昂贵，故工业上广泛应用的是合金材料。
合金 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。
例如:钢（铁和碳的合金） 黄铜（铜和锌的合金） 组元 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。
合金的相结构与相
合金Ⅰ的冷却曲线及结晶过程
Pb-Sn共晶合金组织
整理课件
2.亚共晶合金的结晶过程（合金Ⅱ） 3.过共晶合金的结晶过程（合金Ⅲ）
合金Ⅱ的冷却曲线及结晶过程 合金Ⅲ的冷却曲线及结晶过程
整理课件
4.含Sn量小于c点的合金结晶过程（合金Ⅳ）
合金Ⅳ的冷却曲线及结晶过程
整理课件
第六节 二元包晶相图
包晶相图:两个组元在液态无限互 溶，在固态形成有限固溶体并发 生包晶反应的相图，称为包晶相 图。
㈡典型合金结晶过程分析
整理课件
7个典型合金在相图上的位置
成分。故液相中Sb的质量分数为18%，同理α固溶体中Sb的质量分数 为72%。
根据杠杆定律，求得液、固两相的相对质量分别为：
mL = DE/CE =(72-40)/(70-18) = 55%
mα = 1-55% = 45% 四、枝晶偏析
在一个晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝 晶偏析。枝晶偏析的存在，使塑性、韧性降 低，使合金的压力加工难以进行。另外，枝 晶偏析也将导致合金的力学性能不均匀，使 合金的耐蚀性下降。
合金:由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属 元素熔合或烧结而成的具有金属特性的物质。一般前者为 熔合合金，后者为烧结合金 .
组元:组成合金最基本的、独立的物质叫组元。一般来说， 组元既可以是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。
合金系:由两种或两种以上的组元按不同的比例配制成一 系列不同成分的所有合金称为合金系。
置换固溶体的晶格畸变
整理课件
间隙固溶体晶格畸变
二、金属化合物 在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除了形成
固溶体外，还将出现新相。若新相的晶体结构与合金中某 一组成元素相同，则新相是以该一组成元素为溶剂的固溶 体。若新相的晶体结构不同于任一组成元素，则新相将是 组成元素问相互作用而生成的一种新的物质，即为金属化 合物或称中间相。 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——由过渡族元素与C、N、B、H等小原子 半径的 二元匀晶相图
元合金的相结构与相
保持着溶剂的晶格类型； 晶格发生畸变 偏聚与（短程）有序 有序固溶体（长程有序化）
当固溶体发生偏聚或有序化时，强度和硬度增加，而塑性和韧性降低。
1
2
4 固溶体的结构特点
01
物理性能方面，随着溶质原子的↑，固溶体的电阻率↑，电阻温度系数↓，导热性↓。
02
5 固溶体的性能
溶质与溶剂原子相差越大，溶质原子浓度越高，所引起的晶格畸变越大，固溶强化效果越大；
相成分判定方法
两相区:
单相区: 实际座标点
液(固)相线的意义:
表征了各成分合金的结晶起始(终止)温度; 表征了各温度下液固两相达到平衡时液(固)相的成分
4 相律（P73～74）
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。 数学表达式：f = c - p +2
有: WLCL+ WαCα=(WL+ Wα) C Wα(Cα-C)= WL(C- CL)
a
r
b
若将合金成分C的 r 点看做支点，将WL、Wα看做作用于a 和 b 的力，则相当于力学中的杠杆定律——形象的比喻。 Wα= ( ar / ab )W0 WL = ( rb / ab )W0 ——杠杆定律只适用于二元相图的两相区
一种金属元素与另一种或几种其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。
02
Pb-Sn合金,
04
钢（Fe-C）,
锡青铜(Cu-Sn(<14%)）
1 合金的相结构
组元——组成合金最基本的、能独立存在的物质。 Fe-C合金：Fe(组元一)-Fe3C(组元二) 合金系——由给定的组元以不同的比例配制成的一系列成分不同的合金系统。 例：Fe-C: 90%Fe-10%C、 80%Fe-20%C、 50%Fe-50%C、 20%Fe-80%C Fe-Cr-C 根据组元数分为： 二元合金 、三元合金 、 多元合金。
2 合金与相图
②共晶合金结晶温度低，
流动性好，缩孔集中， 偏析小， 铸造性能好。
铁碳合金相图
1 铁碳合金的组元和相 2 铁碳合金相图的分析 3 典型铁碳合金的平衡结晶过程 4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
基本概念
铁碳合金 碳钢
碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基 本组元的合金
含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金
Pb-Sn亚共晶组织
其他类型的二元合金相图
共析相图
共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成分的固 相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。
共析转变也是固态相变。
最常见的共析转变是铁 碳合金中的珠光体转变:
S ⇄ P+ Fe3C
S
(—奥氏体，—铁素体，
P
Fe3C—渗碳体)
奥氏体
C溶于γ-Fe中所形成的间 隙固溶体，面心立方晶格
符号“A”或“γ”表示
奥氏体强度低、塑性好， 钢材的热加工都在奥氏体相 区进行
奥氏体在高温下可稳定存在
2. C与Fe形成金属化合物，即渗碳体Fe3C
Fe与C组成的金属化合物 渗碳体的含碳量为6.69％
具有复杂的晶体结构
渗碳体以“Fe3C”或“Cm”符号表 示
二元共晶相图
相图分析
A ① 相：相图中有L、、三种
相,
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。
二元共晶相图
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
A
线称固溶线。相图中
低温莱氏体
流动性好，缩孔集中， 偏析小， 铸造性能好。
铁碳合金相图
1 铁碳合金的组元和相 2 铁碳合金相图的分析 3 典型铁碳合金的平衡结晶过程 4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
基本概念
铁碳合金 碳钢
碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基 本组元的合金
含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金
Pb-Sn亚共晶组织
其他类型的二元合金相图
共析相图
共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成分的固 相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。
共析转变也是固态相变。
最常见的共析转变是铁 碳合金中的珠光体转变:
S ⇄ P+ Fe3C
S
(—奥氏体，—铁素体，
P
Fe3C—渗碳体)
奥氏体
C溶于γ-Fe中所形成的间 隙固溶体，面心立方晶格
符号“A”或“γ”表示
奥氏体强度低、塑性好， 钢材的热加工都在奥氏体相 区进行
奥氏体在高温下可稳定存在
2. C与Fe形成金属化合物，即渗碳体Fe3C
Fe与C组成的金属化合物 渗碳体的含碳量为6.69％
具有复杂的晶体结构
渗碳体以“Fe3C”或“Cm”符号表 示
二元共晶相图
相图分析
A ① 相：相图中有L、、三种
相,
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。
二元共晶相图
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
A
线称固溶线。相图中
低温莱氏体