二元合金相图与结晶

1、内容提要： u 介绍合金中的相、二元合金相图的建立方法 u 重点阐明匀晶相图、共晶相图的特征、平衡结 晶、组织与力学 性能的影响 第2章 二元合金相图及结晶 2.1 合金的结构与组织合金的结构与组织 合金合金 一种金属元素同另一种或几种其它元一种金属元素同另一种或几种其它元 素素, , 通过熔化或其它方法结合在一起所形成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的具有金属特性的物质 组元：组元：组成合金的独立的、最基本的单元组成合金的独立的、最基本的单元 金属、非金属元素或稳定化合物金属、非金属元素或稳定化合物 黄铜 碳钢 硬铝 武德合金 （Cu-Zn Fe-C Al-Cu-Mg

2、 Pb-Sn-Bi-Cd ） 一基本概念一基本概念 二元合金、二元合金、 三元合金、三元合金、 多元合金多元合金 固态合金中的相：固态合金中的相： 合金中成分、结构及性能相同的均匀组成部分就叫做相合金中成分、结构及性能相同的均匀组成部分就叫做相 水水食盐食盐相相 0克克20克固相 100克克20克液相 100克克40克液相+固相 假设100克水最多溶解36克食盐 合金相结构分类合金相结构分类 一、固溶体一、固溶体 （原子以（原子以固溶方式相熔合固溶方式相熔合） 二、金属化合物二、金属化合物 二、合金相结构分类二、合金相结构分类 ( (原子原子化合物的方式相熔合化合物的方式相熔合） （一）、固溶

3、体（一）、固溶体 固溶体固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能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均匀的、且结构与组元之一相同的固相 溶溶 剂剂 与固溶体晶格相同的组元与固溶体晶格相同的组元 溶溶 质质 其他另一组元（含量较少）其他另一组元（含量较少） 1. 、 2. A、B组元构成的固溶体表示为组元构成的固溶体表示为A(B)， A、B溶剂、溶质溶剂、溶质 Eg. 铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体的表示方法铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体的表示方法 一般用一般用表示表示 亦可表示为亦可表示为Cu(Zn) 固溶体表示方法：固溶体表示方法： 1. 1. 固溶体

4、的分类固溶体的分类 （1 1）溶质原子在溶剂晶格中的位置）溶质原子在溶剂晶格中的位置 置换固溶体置换固溶体 间隙固溶体间隙固溶体 （2 2）溶质原子在溶剂中的溶解度）溶质原子在溶剂中的溶解度 在一定温度和压力条件下，溶质在固溶体中的在一定温度和压力条件下，溶质在固溶体中的极极 限浓度限浓度即为溶质在固溶体中的即为溶质在固溶体中的溶解度溶解度 有限固溶体有限固溶体 超过溶解度有其它相形成超过溶解度有其它相形成 无限固溶体无限固溶体 溶质可以任意比例溶入，即溶质可以任意比例溶入，即 溶质溶解度可达溶质溶解度可达100%100% 2. 2. 固溶体的性能固溶体的性能 通过形成固溶体使金属强度和硬度提

5、高的现象称通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称 为为固溶强化固溶强化 溶质含量适当溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，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而塑性和韧性没有明显降低 3. 3. 固溶体的特点固溶体的特点 晶格：与溶剂晶格保持一致晶格：与溶剂晶格保持一致 性能：固溶强化性能：固溶强化 原子熔合方式：物理方式原子熔合方式：物理方式 （二）、金属化合物（二）、金属化合物 金属化合物金属化合物( (中间相中间相): ): 合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完 全全不同于任一组元不同于任一组元的新相的新相 特点：特

6、点： u 晶格晶格 金属化合物晶格复杂金属化合物晶格复杂 u 性能性能 熔点较高、硬度高、脆性大熔点较高、硬度高、脆性大 EgEg. Fe. Fe3 3C C、CrCr7 7C C3 3、CrCr23 23C C6 6 三、三、合金的组织类型合金的组织类型 1. 1. 固溶体晶粒组织固溶体晶粒组织 固溶体晶胞表示、单相、用固溶体晶胞表示、单相、用、表示表示 2. 2. 金属化合物晶粒组织金属化合物晶粒组织 金属化合物的晶胞、单相组织、用分子式表示金属化合物的晶胞、单相组织、用分子式表示 3. 3. 机械混合物机械混合物晶粒组织晶粒组织 纯金属、固溶体晶胞或金属化合物各自的混合物，纯金属、固溶体

7、晶胞或金属化合物各自的混合物， 及及它们之间的混合物它们之间的混合物；多相组织、（；多相组织、（ +）表示）表示 2.2 二元合金相图的建立二元合金相图的建立 u 结晶在一个温度区间而不是一个温度进行结晶在一个温度区间而不是一个温度进行 如纯铁在1538结晶，而含碳0.6的Fe-C合金在 1500开始结晶，1430才结束。 合金结晶合金结晶及其及其特点特点 u 结晶过程有成分的变化。结晶过程有成分的变化。如含0.6碳的Fe-C合金， 先结晶的固相含碳量低，后结晶固相含碳量高。 状态：指合金在一定条件下有哪几相组成状态：指合金在一定条件下有哪几相组成 一基本概念一基本概念 相图：相图：平衡的条件

8、下（无限缓慢冷却），平衡的条件下（无限缓慢冷却），合金的合金的 状态与温度、状态与温度、 成分间的关系的图解成分间的关系的图解 合金系：指研究的对象。如：合金系：指研究的对象。如：Fe-CFe-C系，系，Pb-SnPb-Sn系等系等 二、热分析法建立相图二、热分析法建立相图 (a) (a)冷却曲线冷却曲线(b) (b) 相图相图 三、相律三、相律 由于相平衡条件的约束，处于平衡状态的合金中可能存的由于相平衡条件的约束，处于平衡状态的合金中可能存的 相数，将受到组元数及外界条件的限制，这种限制可从相相数，将受到组元数及外界条件的限制，这种限制可从相 平衡的热力学条件推处，这就是相律，平衡的热力学

9、条件推处，这就是相律， 相律相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相：热力学平衡条件下，系统的组元数、相 数和自由度数之间的关系数和自由度数之间的关系 f=Cf=CP+2P+2 其中其中ff系统的自由度数，即指独立可变的因素，包括各系统的自由度数，即指独立可变的因素，包括各 组成相的成分、数量及温度、压力等。组成相的成分、数量及温度、压力等。 CC组元数，组元数，PP相数。相数。 平衡平衡：外界条件不变时，体系内各相的成分、：外界条件不变时，体系内各相的成分、 结构和相对量等不发生变化结构和相对量等不发生变化 相律表明相律表明：在只受外界温度和压力影响的平衡系统中，：在只受外界温度和压力影响的

10、平衡系统中， 其自由度数等于组元数与相数之差再加上其自由度数等于组元数与相数之差再加上2 2 在金属及合金的制造和应用过程中，一般都是在在金属及合金的制造和应用过程中，一般都是在 常压下进行的，因此常把压力看成一个常压下进行的，因此常把压力看成一个常数，相常数，相 律的表达式可写成律的表达式可写成 压力一定时，压力一定时，f=c-p+1f=c-p+1 应用应用 可确定系统中可能存在的最多平衡相数。如单元可确定系统中可能存在的最多平衡相数。如单元 系系2 2个，二元系个，二元系3 3个。个。 可以解释纯金属与二元合金的结晶差别。纯金属可以解释纯金属与二元合金的结晶差别。纯金属 结晶恒温进行，二元

11、合金变温进行。结晶恒温进行，二元合金变温进行。 四、杠杆定律四、杠杆定律 合金总质量为合金总质量为1 1，液相相对质量为，液相相对质量为Q QL L，固相相对质量为，固相相对质量为Q QS S 1 SL QQKxQxQ SL xK xK Q Q S L 注注 意意 杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点, , 支点为合金的成分点。支点为合金的成分点。 杠杆定律只适用于相图中的两相区；杠杆定律只适用于相图中的两相区； 杠杆定律只能在平衡状态下使用。杠杆定律只能在平衡状态下使用。 2.3 2.3 二元合金的结晶二元合金的结晶 一、发生匀晶反应的合金的结晶一、发

12、生匀晶反应的合金的结晶 1. 1. 基本概念基本概念 匀晶反应：匀晶反应： LL固溶体固溶体 （1 1）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变 （2 2）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。 Cu-NiCu-Ni、Fe-CrFe-Cr、Au-AgAu-Ag合金具有匀晶相图。合金具有匀晶相图。 Cu-Ni相图相图 aa aa1 1c c 线为线为液相线液相线, , 该线以上合金处于液相该线以上合金处于液相; ; acac1 1c c 线为线为固相线固相线, , 该线以下合金处于固相。该线以下合金处于固相。 单相区单

13、相区 L L相：相：液相液相, Cu, Cu和和NiNi 形成的液溶体形成的液溶体; ; 相：相：CuCu和和NiNi组成组成 的无限固溶体。的无限固溶体。 双相区双相区: : L L + + 相区。相区。 以以Cu-NiCu-Ni相图为例进行分析相图为例进行分析 2. 2.匀晶结晶过程匀晶结晶过程 3. 3. 匀晶结晶特点匀晶结晶特点 (1) (1) 形核与长大形核与长大 与纯金属一样与纯金属一样, , 固溶体结晶固溶体结晶也包括也包括形核、形核、 长大两个长大两个过程。固溶体更趋向树枝状长大。过程。固溶体更趋向树枝状长大。 (2) (2) 变温结晶变温结晶 固溶体结晶在一个温度区间内进行固

14、溶体结晶在一个温度区间内进行, , 变温结晶变温结晶。 (3) (3) 两相的成分确定两相的成分确定 在两相区内在两相区内, , 温度一定时温度一定时, , 两相的成分两相的成分( (即即L L相相 中中NiNi的质量分数和的质量分数和相中相中NiNi的质量分数的质量分数) )确定。确定。 (4) (4) 两相的质量比一定两相的质量比一定 在两相区，温度一定在两相区，温度一定时时, , 两相的质量符合两相的质量符合 杠杆定律杠杆定律。 在在T T1 1温度时温度时： Q QL L: L : L 相的质量相的质量; ; Q Q : :相的质量相的质量; ; a a1 1b b1 1、b b1 1

15、c c1 1 为线段长度。为线段长度。 液相的质量分数液相的质量分数: : 相的质量分数相的质量分数: : Cu-Ni合金合金 枝晶偏析示意图枝晶偏析示意图 枝晶偏析：枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分分布不均匀在一个晶粒内化学成分分布不均匀 (5 (5) ) 固溶体结晶时成分变化固溶体结晶时成分变化 慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀 快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀 晶内偏析晶内偏析危害：危害： 对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺 性能都不利，性能都不利，降低力学性能、工艺性

16、能。降低力学性能、工艺性能。 晶内偏析的消除：晶内偏析的消除： ( (扩散退火扩散退火) )将铸件加热到低于固相线以下将铸件加热到低于固相线以下 100-200100-200 左右左右，进行长时间的保温，使偏析，进行长时间的保温，使偏析 原子互相充分扩散均匀原子互相充分扩散均匀，获得成分均匀的固，获得成分均匀的固 溶体溶体 二、发生共晶反应的合金的结晶 Pb-Sn合金相图合金相图 d d点为点为共晶点共晶点, , 表示表示d d点成分点成分( (共晶成分共晶成分) )的液相的液相 合金冷却到合金冷却到d d点温度点温度( (共晶温度共晶温度) )时时, , 共同结晶出共同结晶出c c点点 成分

17、的成分的相和相和e e 点成分的点成分的 相相 L Ld d(c c+e e) ) 共晶反应：共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出两种一种液相在恒温下同时结晶出两种 固相的反应，生成的两相固相的反应，生成的两相 混合物叫混合物叫共晶体共晶体 发生共晶反应时三发生共晶反应时三 相共存相共存, , 三相各自成分三相各自成分 确定确定, , 恒温进行恒温进行 Pb-SnPb-Sn、Al-SiAl-Si、Ag-CuAg-Cu合金具有共晶相图。合金具有共晶相图。 Pb-SnPb-Sn合金相图中有三个单相区合金相图中有三个单相区: : L L：PbPb与与SnSn形成的液溶体形成的液溶体 ：SnSn溶于溶

18、于PbPb中的有限固溶体中的有限固溶体 ：PbPb溶于溶于SnSn中的有限固溶体中的有限固溶体 三个双相区：三个双相区：L+L+、 L+L+、+ + 一条一条L+L+三相共三相共 存线存线( (水平线水平线cdecde ) )。 这种相图称这种相图称共晶相图共晶相图 Pb-Sn合金相图合金相图 Pb-Sn合金相图合金相图 水平线水平线cdecde为共晶反应线为共晶反应线, , 成分在成分在cece之间的合之间的合 金平衡结晶时都会发生共晶反应金平衡结晶时都会发生共晶反应 cfcf 线线为为SnSn在在PbPb中的溶解度线中的溶解度线(相的固溶线相的固溶线) )。 SnSn含量大于含量大于f f

19、点的合金从高温冷却到室温时点的合金从高温冷却到室温时, , 从从 相中析出相中析出相，叫二次相，叫二次：II II egeg线线为为PbPb在在SnSn中中 溶解度线。溶解度线。SnSn含量小含量小g g 点的合金点的合金, , 冷却过程冷却过程 中同样发生二次结晶中同样发生二次结晶, , 析出二次析出二次 1. 1. 合金合金I I的平衡结晶过程的平衡结晶过程 合金室温组织为合金室温组织为+II II 。 。 其组成相是：其组成相是：f f点成分的点成分的相相 g g点成分的点成分的相相。 运用杠杆定律运用杠杆定律, , 两相的质量分数为：两相的质量分数为： 组织组成物可以是单相组织组成物可

20、以是单相, , 或是两相混合物或是两相混合物 组织组成物组织组成物 合金组织中那些具有合金组织中那些具有 确定本质确定本质, , 一定形成机制的特殊一定形成机制的特殊 形态的组成部分形态的组成部分 合金合金I I的室温组织为的室温组织为+II II 组织由组织由和和II II 二部分组成 二部分组成 和和II II为组织组成物 为组织组成物 组织组成物组织组成物和和II II 都为单相组成 都为单相组成, , 所所 以组织组成物以组织组成物、II II的质量分数与组成相 的质量分数与组成相、 的质量分数相等的质量分数相等 2. 2. 合金合金II(II(共晶合金共晶合金) )的结晶过程的结晶过

21、程 合金的室温组织：合金的室温组织：共晶体共晶体(+)(+) 组织组成物：组织组成物：(+)(+) 组成相：组成相：和和相相 共晶合金组织的形态共晶合金组织的形态 3. 3. 合金合金(亚共晶合金亚共晶合金) )的结晶过程的结晶过程 位于共晶点左边位于共晶点左边, , 成分在成分在cdcd之间的合金之间的合金 合金室温组织：合金室温组织：初生初生+二次二次+(+)+(+) 组织组成物：组织组成物：、二次、二次、(+)(+) 组成相：组成相：、 组成相组成相的质量分数为：的质量分数为： 合金室温组织：合金室温组织：初生初生+二次二次+(+)+(+) 组织组成物：组织组成物：、二次、二次、(+)(

22、+) 组织组成物组织组成物的质量分数为：的质量分数为： %100 2 )( cd d fg cg aw %100 2 )( cd d fg cf w %100 2 )( cd c w 4. 4. 过共晶合金过共晶合金( (合金合金)： 位于共晶点右边位于共晶点右边, , 成分在成分在 dede之间的合金之间的合金 过共晶合金过共晶合金室温组织为室温组织为: : 初生初生+二次二次+(+)+(+) 组织组成物：组织组成物： 、二次、二次 、(+)(+) 组成相：组成相：、 组成相组成相的质量分数为：的质量分数为： %100 3 )( fg f w %100 3 )( fg g w 过共晶合金过共

23、晶合金室温组织为室温组织为: : 初生初生+二次二次+(+)+(+) 组织组成物：组织组成物： 、二次、二次 、(+)(+) %100 2 )( ed d fg ef w %100 2 )( ed d fg eg w %100 2 )( ed e w 组织组成物组织组成物的质量分数为：的质量分数为： 亚共晶合金组织亚共晶合金组织 过共晶合金组织过共晶合金组织 亚共晶合金和过共晶合金组织亚共晶合金和过共晶合金组织 初生初生+二次二次+(+)+(+) 初生初生+二次二次+(+)+(+) Cu-Ni相图相图 匀晶相图匀晶相图 K X X XX 1 2 K Tx (1) (1) 形核与长大形核与长大

24、(2) (2) 变温结晶变温结晶 (3) (3) 两相的成分确定两相的成分确定 (4) (4) 两相的质量比一定两相的质量比一定 (5)(5)固溶体结晶时成分变化固溶体结晶时成分变化 共晶相图组织组成图共晶相图组织组成图 过共晶合金：过共晶合金： 位于共晶点右边位于共晶点右边, , 成分在成分在 dede之间的合金之间的合金 过共晶合金过共晶合金室温组织为室温组织为: : 初生初生+二次二次+(+)+(+) 组织组成物：组织组成物： 、二次、二次 、(+)(+) 组成相：组成相：、 %100 24 )( ed d fg f w %100 24 )( ed d fg g w %100 2 )(

25、ed e w 组织组成物组织组成物的质量分数为：的质量分数为： 组成相组成相的质量分数为：的质量分数为： %100 3 )( fg f w %100 3 )( fg g w 4 比重偏析比重偏析 合金在结晶时，如果结晶出来的晶体的比重与液体的合金在结晶时，如果结晶出来的晶体的比重与液体的 比重相差较大，那么这些晶体就后上浮或者下沉，最比重相差较大，那么这些晶体就后上浮或者下沉，最 终就会导致铸件上、下部分的化学成分不一样。这种终就会导致铸件上、下部分的化学成分不一样。这种 因比重不同而造成的化学成分不均匀的现象，称为比因比重不同而造成的化学成分不均匀的现象，称为比 重偏析重偏析 比重偏析的危害

26、比重偏析的危害 使铸件各部分的成分、组织和性能不同，影响铸件使用使铸件各部分的成分、组织和性能不同，影响铸件使用 比重偏析的消除比重偏析的消除 不能通过热处理消除，不能通过热处理消除，只能通过控制合金的成分、只能通过控制合金的成分、 浇注时进行搅拌、增加冷却速度来消除浇注时进行搅拌、增加冷却速度来消除 三、发生包晶反应的合金的结晶 Pt-Ag合金相图合金相图 e e点点为包晶点为包晶点 e e点成分的合金冷却到点成分的合金冷却到 e e点温度点温度( (包晶温度包晶温度) )时发生时发生 包晶反应：包晶反应： L+L+ 反应时三相共存反应时三相共存, , 它它 们的成分确定们的成分确定, ,

27、恒温进行恒温进行 水平线水平线cedced 为包晶反应线为包晶反应线 cfcf为为AgAg在在中的溶解度线中的溶解度线, , egeg为为PtPt在在中的溶解度线中的溶解度线 Pt-AgPt-Ag、Ag-SnAg-Sn、Sn-SbSn-Sb合金具有包晶相图合金具有包晶相图 Pt-Ag合金相图合金相图 Pt-Ag Pt-Ag合金相图中合金相图中 存在三种相存在三种相: : L L相相: :PtPt与与AgAg形成形成 的的液溶体液溶体 相相: :AgAg溶于溶于PtPt中的中的 有限固溶体有限固溶体 相相: :PtPt溶于溶于AgAg中中 的的有限固溶体有限固溶体 四、发生共析反应的合金的结晶

28、共析相图形状、各成分合金的结晶过程与共晶相图类似共析相图形状、各成分合金的结晶过程与共晶相图类似 d d 点成分点成分( (共析成分共析成分) )合金从合金从 液相经过匀晶反应生成液相经过匀晶反应生成相相, , 冷冷 却到却到d d 点温度点温度( (共析温度共析温度) )时时, , 恒恒 温发生温发生共析反应共析反应: : (+)(+) 一种固相转变成完全不同的一种固相转变成完全不同的 两种固相。两种固相。 共析反应产物两相共析反应产物两相 混合物称为混合物称为共析体共析体 共析反应在固态下进行共析反应在固态下进行, , 转变温度低，原子扩散慢，因而转变温度低，原子扩散慢，因而 过冷度较大，

29、共析产物比共晶产物要细密且均匀过冷度较大，共析产物比共晶产物要细密且均匀 1 2 五、含有稳定化合物的合金的结晶 稳定化合物稳定化合物: :具有一定的化学成分、固定的具有一定的化学成分、固定的 熔点熔点, , 熔化前不分解熔化前不分解, , 也不发生其它化学反应也不发生其它化学反应 如如: Mg-Si: Mg-Si合金能形成稳定化合物合金能形成稳定化合物MgMg2 2SiSi Mg-Si Mg-Si合金相图属于含有稳定化合物的相图合金相图属于含有稳定化合物的相图 把稳定化合物看成把稳定化合物看成 独立的组元独立的组元, , 相图分成相图分成 几个简单相图几个简单相图 Mg-SiMg-Si相图可

30、分为相图可分为 Mg-MgMg-Mg2 2SiSi和和MgMg2 2Si-SiSi-Si 两个相图分析两个相图分析 含有稳定化合物的相图含有稳定化合物的相图 二元相图的分析二元相图的分析 一、一、 二元相图中的几何规律二元相图中的几何规律 相邻相区的相数差相邻相区的相数差1 1（点接触除外）相区接触法则；（点接触除外）相区接触法则； 三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相的成分点三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相的成分点 单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区。单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区。 二、二、 相图分析步骤相图分析步骤 以稳定的化合物分割相图；以稳定的化合物分割相

31、图； 确定各点、线、区的意义；确定各点、线、区的意义； 分析具体合金的结晶过程及其组织变化。分析具体合金的结晶过程及其组织变化。 注：虚线、点划线的意义尚未准确确定的数据、磁学转注：虚线、点划线的意义尚未准确确定的数据、磁学转 变线、有序无序转变线。变线、有序无序转变线。 合金的性能取决于它的成分、结构和组织合金的性能取决于它的成分、结构和组织 相图则可反映不同成分的合金在室温时的平相图则可反映不同成分的合金在室温时的平 衡组织衡组织 因此因此, , 具有平衡组织的合金的性能与相图之具有平衡组织的合金的性能与相图之 间存在着一定的对应关系间存在着一定的对应关系 2.4 合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系 固溶体性能固溶体性能 在相图中部，随着溶质的在相图中部，随着溶质的 溶入量越多，晶格畸变越大，溶入量越多，晶格畸变越大， 则合金的强度、硬度越高，电则合金