第二章 二元合金及其相图

1、第二章第二章 二元合金及其相图二元合金及其相图什么是合金？什么是合金？ 所谓合金是指两种或两种以上的金属或金属与非所谓合金是指两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼或烧结或用其他方法组合而成的具有金属金属经熔炼或烧结或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。特性的物质。 合金与纯金属相比，优越性极大，因为可以通过合金与纯金属相比，优越性极大，因为可以通过配制各种不同成分的合金，使之达到优良的机械性能配制各种不同成分的合金，使之达到优良的机械性能，而且物理化学性能也可以与纯金属相比美，最重要，而且物理化学性能也可以与纯金属相比美，最重要的是成本还比较低。例如：钢、铸铁等就是铁、碳合的是成本还比

2、较低。例如：钢、铸铁等就是铁、碳合金。金。成分：合金中各种元素的含量成分：合金中各种元素的含量组元组元: : 组成合金最基本、独立的物质叫做组元。它是组成合金最基本、独立的物质叫做组元。它是组成合金的元素或稳定的化合物；例如：碳钢的组元组成合金的元素或稳定的化合物；例如：碳钢的组元是铁和碳，也可以认为是铁和金属化合物（是铁和碳，也可以认为是铁和金属化合物（Fe3CFe3C）。）。相：合金中结构、成分和性能均匀一致并以界面相互相：合金中结构、成分和性能均匀一致并以界面相互分开的组成部分。例如：纯金属在固态时为一个相（分开的组成部分。例如：纯金属在固态时为一个相（固相），在熔点以上为另一个相（液相

3、）。固相），在熔点以上为另一个相（液相）。合金系：由两个或两个以上组元按不同的比例配制成合金系：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，的一系列不同成分的合金，称为合金系，例如，Pb-Pb-SnSn系、系、Fe-Fe3CFe-Fe3C系；系；u 合金的相结构合金的相结构 分类分类 或或 固溶体固溶体概念：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。去，这样形成的新相。特征：总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质特征：总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为

4、溶质 保有溶剂的晶格结构保有溶剂的晶格结构 成分可在一定范围内变化，性能随成分的变化而变化成分可在一定范围内变化，性能随成分的变化而变化 产生晶格畸变产生晶格畸变分类：分类：固溶体固溶体 化合物化合物固溶体固溶体 化合物化合物机械混合物机械混合物按溶质位置置换固溶体间隙固溶体按排列方式有序固溶体无序固溶体按溶解度有限固溶体无限固溶体31固态合金相的种类及特点固态合金相的种类及特点置换固溶体：置换固溶体： 间隙固溶体：间隙固溶体： 溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是添入溶剂原子间的溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是添入溶剂原子间的一些间隙中。当溶质与溶剂原子半径之比小于一些间

5、隙中。当溶质与溶剂原子半径之比小于0.59时，才可能形成间隙固溶时，才可能形成间隙固溶体。体。 溶质元素在固溶体中的溶解度溶质元素在固溶体中的溶解度C C： C= C=溶质元素的重量（原子数）溶质元素的重量（原子数）/ /固溶体的总重量固溶体的总重量（总原子数）（总原子数）100%100%。 当当C C有一定限度时，这种固溶体叫做有限固溶体。有一定限度时，这种固溶体叫做有限固溶体。 当当C C没有一定限度是时（即溶质元素与溶剂元素之没有一定限度是时（即溶质元素与溶剂元素之间可以形成任何比例的固溶体），这种固溶体叫做无间可以形成任何比例的固溶体），这种固溶体叫做无限固溶体。只有当溶质元素与溶剂元

6、素之间形成置换限固溶体。只有当溶质元素与溶剂元素之间形成置换固溶体时，才有可能形成无限固溶体；而形成间隙固固溶体时，才有可能形成无限固溶体；而形成间隙固溶体时，只能是有限固溶体。溶体时，只能是有限固溶体。 影响固溶体类型、溶解度的因素影响固溶体类型、溶解度的因素 晶格类型：晶格类型相同的容易形成无限置换固溶体晶格类型：晶格类型相同的容易形成无限置换固溶体 原子尺寸：置换固溶体，原子半径相差很小时，容易原子尺寸：置换固溶体，原子半径相差很小时，容易 形成无限固溶体，间隙固溶体，溶质原子形成无限固溶体，间隙固溶体，溶质原子 半径越小，溶解度越大。）半径越小，溶解度越大。） 电化学性（电负性）：元素

7、的原子从其他原子取得电电化学性（电负性）：元素的原子从其他原子取得电 子而转变为负离子的能力。负电性越是接子而转变为负离子的能力。负电性越是接 近，其溶解度越大，相差大时，易于形成近，其溶解度越大，相差大时，易于形成 化合物。化合物。固溶体的形成对金属性能的影响固溶体的形成对金属性能的影响 固溶强化固溶强化原因是：引起晶格畸变原因是：引起晶格畸变 化合物化合物 l 概念 金属化合物l 分类 非金属化合物l 特点（金属化合物）： 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 一定程度上具有金属的性质 晶格结构完全不同于任一组元 熔点高、硬而脆

8、l 对合金性能的影响 机械混合物机械混合物 间隙相具有复杂结构的间隙化合物32 二元合金相图二元合金相图n合金在结晶之后，既可获得单相的固溶体组织，又有合金在结晶之后，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。了研究清楚这些问题，我们需要利用相图这一工具。二元合金相图的建立二元

9、合金相图的建立有关相图的基本概念有关相图的基本概念相图（状态图）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、成分之间的解在状态与温度、成分之间的解平衡相图平衡相图: :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。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。征的组成部分。相图的建立相图的建立（热分析法）（热分析法）CuNi相图的

10、建立过程：相图的建立过程：配置合金配置合金测定冷却曲线测定冷却曲线标定临界点标定临界点绘制合金相图绘制合金相图l结晶开始点的连线叫液相线。结晶开始点的连线叫液相线。l结晶终了点的连线叫固相线。结晶终了点的连线叫固相线。u 典型二元合金相图典型二元合金相图匀晶相图匀晶相图l特点特点:两组元在液态和固态均无限互溶时所组成的相图。两组元在液态和固态均无限互溶时所组成的相图。l相图分析相图分析l合金的结晶过程合金的结晶过程L L+ 液态合金冷至液态合金冷至t1温度，开始从液态温度，开始从液态合金中析出合金中析出相，此时结晶出的相，此时结晶出的成成分为分为1，液相的成分为液相的成分为L1（即为合即为合金

11、的成分金的成分C）；）；随着温度的降低，随着温度的降低，L ，到达到达t2温温度，液相的成分沿着液相线变为度，液相的成分沿着液相线变为L2，固相沿着固相线变为固相沿着固相线变为2；同时，液同时，液相的数量逐渐的降低，相的数量逐渐的降低， 相的数量相的数量逐渐的增加；逐渐的增加；温度冷至温度冷至t3时，时， 液相全部结晶为液相全部结晶为相，相， 成分沿固相线变为成分沿固相线变为3（即合即合金的成分金的成分C）。）。温度继续下降，就为固溶体温度继续下降，就为固溶体的简的简单冷却单冷却注意：注意：合金在平衡结晶时，结晶出的固相成分沿固相线变合金在平衡结晶时，结晶出的固相成分沿固相线变化，液相的成分沿

12、液相线变化；化，液相的成分沿液相线变化；液（固）相线表示在无限缓慢冷却的条件下，液、液（固）相线表示在无限缓慢冷却的条件下，液、固两相平衡共存时，液（固）相的化学成分随温度的固两相平衡共存时，液（固）相的化学成分随温度的变化情况。变化情况。杠杆定律杠杆定律设合金的重量为设合金的重量为1，液相重，液相重量为量为QL，固相重量为，固相重量为Q 。则则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组解方程组得得abaoxxxxQabobxxxxQ211212L l式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)

13、的的长度。长度。因此两相的相对重量因此两相的相对重量百分比为百分比为：21L12LxxQxxQ)aoob(xxxxQQ 或或121122LxxxxQxxxxQ 固溶体中合金的偏析固溶体中合金的偏析 在晶粒内部化学成分不均匀的现在晶粒内部化学成分不均匀的现象叫做晶内偏析，也叫枝晶偏析象叫做晶内偏析，也叫枝晶偏析产生原因：在实际生产中，冷却产生原因：在实际生产中，冷却速度较快，使合金内部，尤其是速度较快，使合金内部，尤其是固相内部的原子来不及充分扩散固相内部的原子来不及充分扩散危害：严重影响机械性能，特别危害：严重影响机械性能，特别是使塑性、韧性下降，抗蚀能力是使塑性、韧性下降，抗蚀能力下降；下降

14、；冷速越大，液固相线间距越大冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。，枝晶偏析越严重。消除方法：扩散退火（均匀化退火）：即将铸件加热到低于固相线消除方法：扩散退火（均匀化退火）：即将铸件加热到低于固相线100200的温度进行长时间的保温，使偏析元素充分的扩散，从而使合金的成分均匀化的温度进行长时间的保温，使偏析元素充分的扩散，从而使合金的成分均匀化。 共晶相图共晶相图l特点：当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，而且发生共晶反应时，所构成的相图而且发生共晶反应时，所构成的相图 l相图分析相图分析la a点：点：PbPb的熔点；的熔点；b b

15、点：点：SnSn的熔点；的熔点；d d点：点：共晶点；共晶点；ladbadb线线：液相线；液相线；acdebacdeb线：固相线；线：固相线；cfcf线：线：固溶体的溶解度曲线；固溶体的溶解度曲线；egeg线：线： 固溶体的溶解度曲线；固溶体的溶解度曲线；l面：单相区：液相区、面：单相区：液相区、 固溶体区、固溶体区、 固溶体区；固溶体区； 两相区：两相区：L+L+ 、L L+ + 、 + ；cedced线是线是L+L+ + 三相共存区，三相共存区，cedced线也线也叫共晶线；叫共晶线；一次相一次相(初生相初生相):从液相中结晶出的固相从液相中结晶出的固相二次相二次相(次生相次生相:)由已有

16、固相析出的新固相由已有固相析出的新固相二次析出二次析出:形成二次相的过程形成二次相的过程共晶合金共晶合金:具有共晶成分的合金具有共晶成分的合金亚共晶合金亚共晶合金:凡成分位于共晶点以左的合金凡成分位于共晶点以左的合金过共晶合金过共晶合金:位于共位于共晶点以右的合金称晶点以右的合金称含含SnSn量小于量小于C C点合金点合金(合金合金) )的结晶过程的结晶过程 在在3 3点以前为匀晶转变，结晶出点以前为匀晶转变，结晶出一次相一次相 固溶体。温度降到固溶体。温度降到3 3点以下，点以下， 固溶体中固溶体中SnSn过饱和，由于晶格不稳，开始析出过饱和，由于晶格不稳，开始析出 相。随温度下降，相。随温

17、度下降， 和和 相的成分分别沿相的成分分别沿CFCF线和线和DGDG线变化，线变化， 的重量增加。的重量增加。.22 2、合金的平衡结晶过程：、合金的平衡结晶过程：合金合金为为W WSnSn=61.9%=61.9%的共晶合金，它的冷却过程如图所示：的共晶合金，它的冷却过程如图所示：温度在温度在1 1点以上时，是液体的点以上时，是液体的冷却，当在冷却，当在1 1点温度时，开始点温度时，开始同时共晶处同时共晶处相和相和相相温度冷到温度冷到d d（1 1点）点以下时点）点以下时，相和相和相均冷却，其中相均冷却，其中， 相的溶解度沿着相的溶解度沿着cfcf线变线变化，化， 相的溶解度沿着相的溶解度沿着

18、dgdg线线变化，各自分别生出次生相变化，各自分别生出次生相，、，可忽略。可忽略。所以共晶合金的室温组织为所以共晶合金的室温组织为+ ；层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶组共晶组织形态织形态冷却到冷却到e e点，合金的温度冷到了点，合金的温度冷到了tete（183183），），合金的成合金的成分为共晶成分，所以发生共晶反应：分为共晶成分，所以发生共晶反应： LdLd cc+ + dd，得到共晶组织，计算一下它们的相对含量：得到共晶组织，计算一下它们的相对含量： %4.45195.9

19、79.615.97cdedwW=1-W=1-45.4%=54.6%亚共晶合金亚共晶合金(合金合金) )的结晶过的结晶过程程合金液体在合金液体在2 2点以前为匀晶转点以前为匀晶转变。冷却到变。冷却到2 2点，固相成分变点，固相成分变化到化到c c点，液相成分变化到点，液相成分变化到E E点点, , 此时两相的相对重量为：此时两相的相对重量为：%1002%,1002)(CEEQCECQQELl温度继续下降，将从一次温度继续下降，将从一次 和共晶和共晶 中析出中析出 ，从共晶，从共晶 中析出中析出 。其室温组织为。其室温组织为 + (+ ( + + ) + ) + 。过共晶合金结晶过程过共晶合金结晶

20、过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为与亚共晶合金相似，不同的是一次相为 , , 二次相为二次相为 室温组织为室温组织为 +(+( + + )+)+ 。Pb-Sn合金的结晶过程合金的结晶过程 组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。l 和和 , , 和和 , ,共晶体共晶体( ( + + ) )都是组织组成物。都是组织组成物。l相与相之间的差相与相之间的差别主要在结构和别主要在结构和成分上。成分上。组织组成物之间的差别主要在形态上。如组织组成物之间的差别主要在形态上。如 、 和共晶和共晶 的结构成分相同

21、，的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。在金属学中，借助与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在金属学中，借助与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，成为显微组织，或称金相组织（晶粒形状、大小及各组成相的分布形态等形貌，成为显微组织，或称金相组织（简称金相）简称金相）Pb-Sn亚共晶组织亚共晶组织包晶相图

22、包晶相图l特点当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作晶反应时所构成的相图称作包晶相图包晶相图。l包晶反应 Lc+pDL+L+L +l 相图分析相图分析l单相区：单相区：L L、 、l二相区：二相区：L+L+ 、 L+L+ 、 + + l三相区：三相区：L L+ + + + （水平线水平线PDCPDC）水平线水平线DPCDPC称包晶线，与该线成称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包分对应的合金在该温度下发生包晶反应：晶反应：L LC+C+ P P D D 。该反该反应是液相应是液相L L包着固相包着

23、固相 , , 新相新相 在在L L与与的界面上形核，并向的界面上形核，并向L L和和 两个方向长大。两个方向长大。在一定温度下，由在一定温度下，由一个液相包着一个一个液相包着一个固相生成另一新固固相生成另一新固相的反应称包晶转相的反应称包晶转变或包晶反应。变或包晶反应。 合金的结晶过程合金的结晶过程 包晶成分合金包晶成分合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出。二次析出。温度在温度在1 1点点以上以上为液相的简单冷却；为液相的简单冷却；112 2点为点为L L ；冷至冷至2 2点，液相的成点，液相的成分变到分变到c c点，点， 的成分沿的成分沿adad线变到线变到d d点，温度冷至包晶温度，所以可以发生

24、点，温度冷至包晶温度，所以可以发生包晶反应：包晶反应： Lc+dpLc+dp，包晶反应的示意图如图；反应结束后，液相和包晶反应的示意图如图；反应结束后，液相和恰好全部转变为恰好全部转变为相。相。2323点，点，PtPt在在相中相中的溶解度沿的溶解度沿pfpf线变化，线变化，生成次生相生成次生相。所以，合金的室温组所以，合金的室温组织为织为+ + ； PDPD之间成分之间成分合金合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出。二次析出。合金在包晶反应前的结晶情况与上述情况相似。包晶转变前合金中合金在包晶反应前的结晶情况与上述情况相似。包晶转变前合金中 相相对量大于包晶反应所需的量，所以包晶反应后，除了新形成的相

25、相对量大于包晶反应所需的量，所以包晶反应后，除了新形成的相外，还有剩余的相外，还有剩余的 相存在。包晶温度以下，相存在。包晶温度以下，相中将析出相中将析出 IIII ，而，而 相中析出相中析出IIII ，因此该合金金的室温平衡组织为，因此该合金金的室温平衡组织为 + +IIII + + + + IIII DCDC之间的成分之间的成分合金合金：匀晶匀晶包晶包晶匀晶匀晶二次析出二次析出合金缓冷至包晶转变前的结晶过程与上述包晶成分合金相同，由于合金中的液相合金缓冷至包晶转变前的结晶过程与上述包晶成分合金相同，由于合金中的液相的相对量大于包晶转变所需的相对量，所以包晶转变后，剩余的液相在继续冷却的相对

26、量大于包晶转变所需的相对量，所以包晶转变后，剩余的液相在继续冷却过程中，将按匀晶转变方式过程中，将按匀晶转变方式 继续结晶出产继续结晶出产相，其成分沿相，其成分沿CBCB液相线变化，而液相线变化，而相相的成分沿的成分沿PBPB线变化，直至线变化，直至t3t3温度全部凝固结束。温度全部凝固结束。组织为组织为 + + IIII。 共析相图共析相图l特点:由一个固相同时析出成分由一个固相同时析出成分和晶体结构均不相同的两个新和晶体结构均不相同的两个新固相的过程。固相的过程。l共析反应 l相图分析:cdecde线为共析线，线为共析线，d d点点为共析点为共析点l共析线所对应的温度叫做共析共析线所对应的

27、温度叫做共析温度。温度。dc+e共析体与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是液相。液相。另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。织细。形成稳定物的二元合金相图形成稳定物的二元合金相图合金的结晶过程二元相图的分析步骤二元相图的分析步骤 分清相图中包括哪些基本类型相图分清相图中包括哪些基本类型相图 确定相区确定相区 相区接触法则相区接触法则相邻两个相区的相数差为相邻两个相区的相数差为1 1 单相区的确定单相区的确定 液相线以上为液相区；液相线以上为液相区； 靠纯组元的封闭区是以该

28、组元为基单相固溶体区；靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区； 相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相区分界相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相区分界线线 相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区；基的单相固溶体区； 相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。 两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相区两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相区，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。 三相区的确定：二元相图中的水平线是三相区，三

29、相区的确定：二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成恒温下由一个固相同时析出恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同的新固相两个成分结构不同的新固相。 + 共析反应共析反应恒温下由一个液相包着一个恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新的固相。固相生成另一个新的固相。L + 包晶反应包晶反应恒温下由一个液相同时结晶恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不同的新固出两个成分结构不同的新固相。相。L L + 共晶反应共晶反应说明说明反应式反应式图形特征图形特征反应名称反应名称常见三相等温水平线上的反应常见三相等温水平线

30、上的反应相图与合金性能之间的关系相图与合金性能之间的关系 相图与合金力学性能、物理性相图与合金力学性能、物理性能的关系能的关系 两相整合的合金两相整合的合金: :性能与合金成性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如：平均值，如： 混混= = Q Q + + Q Q HBHB混混=HB=HB Q Q + +HBHBQ Q(Q(Q 、QQ) )为两相相对重量为两相相对重量) ) 单相固溶体的合金：单相固溶体的合金： 性能随成分呈曲线变化，随性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，强度溶质含量增加，强度、硬度、硬度HBHB、电阻率、电阻率 增加，塑性下降增加，塑性下降。 形成稳定化合物的合金：形成稳定化合物的合金： 性能性能- -成分曲线出现拐点。成分曲线出现拐点。 相图与铸造性能的关系相图与铸造性能的关系 固溶体合金液固相线间距越固溶体合金液固相线间距越大、偏析倾向大大、偏析倾向大, , 树枝晶发达树枝晶发达, , 流动性