二元合金的相图

1、第第4 4章章 合金的结构与结晶合金的结构与结晶4.14.1 合金中的相合金中的相4.24.2 合金相图的建立合金相图的建立4.34.3 匀晶相图匀晶相图4.44.4 共晶相图共晶相图4.54.5 包晶相图包晶相图4.64.6 其他相图其他相图4.74.7合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系4.1 合金中的相合金中的相组元组元：组成合金：组成合金独立的独立的、最基本的最基本的单元。单元。例如：元素、稳定化合物。如，例如：元素、稳定化合物。如，Fe-CFe-C合金合金中，中，FeFe、C C均为组元。均为组元。合金合金：一种金属一种金属元素与元素与另一种另一种或或几种几种其它其它元素元素

2、，通过熔炼或其它方法，通过熔炼或其它方法结合在一起结合在一起所形成所形成的的具有金属特性具有金属特性的物质。的物质。二元合金二元合金：由两个组元组成的合金。：由两个组元组成的合金。相相：在金属或合金中，在金属或合金中，化学成分、化学成分、晶体结构晶体结构相同相同、性能均一性能均一，且，且有界面有界面与其它部分分开的均匀组成部与其它部分分开的均匀组成部分。分。组织（显微组织）组织（显微组织）指在金相显微镜下观察到的材指在金相显微镜下观察到的材料内部的微观形貌。料内部的微观形貌。组织由相构成组织由相构成观察时应分析相的形态、数量、观察时应分析相的形态、数量、大小和分布方式。大小和分布方式。金属材料

3、性能由组织决定，金属材料性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定而组织由化学成分和工艺过程决定。亚共析钢亚共析钢 x400 x400过共析钢过共析钢 x400 x400合金中有两类基本相合金中有两类基本相 固溶体固溶体 和和 化合化合物物4.1.14.1.1 固溶体固溶体固溶体固溶体：合金组元通过溶解形成：合金组元通过溶解形成成分和性能成分和性能均匀均匀的、的、结构上与组元之一相同结构上与组元之一相同的固相。的固相。 如，如，Fe(C)Fe(C)固溶体。固溶体。FeFe溶剂，溶剂，C C溶质溶质固溶体的分类固溶体的分类按溶质原子按溶质原子在晶格中的位置在晶格中的位置：置换固溶体：置换固溶

4、体：间隙固溶体：间隙固溶体：按溶质原子按溶质原子在固溶体中的溶解度（固溶度）在固溶体中的溶解度（固溶度）：有限固溶体有限固溶体：溶质含量超过其：溶质含量超过其固溶度，固溶度，则有其它相则有其它相形成。形成。 无限固溶体无限固溶体：溶质可以任意比例溶入溶剂中，即固：溶质可以任意比例溶入溶剂中，即固溶度可达溶度可达100%100%。只能是置换固溶体。只能是置换固溶体。按溶质原子按溶质原子在固溶体中的分布状态在固溶体中的分布状态：无序固溶体无序固溶体：溶质在晶格中随机分布。：溶质在晶格中随机分布。有序固溶体有序固溶体：溶质原子和溶剂原子各占据晶体结构：溶质原子和溶剂原子各占据晶体结构一定位置而规则排

5、列。一定位置而规则排列。固溶体类型固溶体类型ZXY间隙原子间隙原子间隙固溶体置换固溶体置换原子置换原子YXZ形成无限固溶体时两组元连续置换示意图形成无限固溶体时两组元连续置换示意图8固溶体中溶质原子分布示意图固溶体中溶质原子分布示意图（a)a)完全无序；完全无序；(b)(b)偏聚；偏聚；(c(c）部分有序；）部分有序；(d)(d)完全有序完全有序固溶体的性能固溶体的性能形成固溶体后溶剂晶体结构的变化：形成固溶体后溶剂晶体结构的变化：造成局部晶格畸变。造成局部晶格畸变。形成固溶体后性能的变化：形成固溶体后性能的变化：强度、硬度强度、硬度随溶质原子浓度升高而随溶质原子浓度升高而明显增加明显增加，塑

6、、塑、韧性韧性稍有下降稍有下降的现象。的现象。正常晶格正常晶格大原子置换引起的大原子置换引起的晶格畸变晶格畸变Cu-Ni固溶体的力学性能与成分的关系固溶体的力学性能与成分的关系晶格畸变晶格畸变小原子置换引起的小原子置换引起的晶格畸变晶格畸变间隙原子引起的间隙原子引起的晶格畸变晶格畸变4.1.24.1.2 金属化合物金属化合物化合物化合物类型类型金属间化合物金属间化合物：合金组元形成的：合金组元形成的晶格类型晶格类型与任一组元与任一组元都不都不相同相同的的新相新相。正常价化合物正常价化合物 按化合价规律形成，可用确定的分子式按化合价规律形成，可用确定的分子式表示其成分。组元电负性相差较大具有离子

7、键，电负性相近具有表示其成分。组元电负性相差较大具有离子键，电负性相近具有金属键。如：金属键。如：MgMg2 2Si Si 。间隙化合物间隙化合物 过渡金属过渡金属+ +小半径非金属元素小半径非金属元素电子化合物电子化合物 按电子浓度规律形成，不遵守化合价规律，按电子浓度规律形成，不遵守化合价规律，虽可用化学式表示，但成分在一定范围内变化，金属键结合。虽可用化学式表示，但成分在一定范围内变化，金属键结合。如：如：CuCu3 3Al Al 。电子浓度：化合物中价电子数与原子数的比值。电子浓度：化合物中价电子数与原子数的比值。间隙相间隙相 r r非非/ /r r金金 0.590.59，简单结构，如

8、：，简单结构，如：WCWC、TiCTiC、VCVC复杂结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物 r r非非/ /r r金金 0.590.59，如：，如：FeFe3 3C C、CrCr2323C C6 6间隙化合物的间隙化合物的性能性能： 熔点高、硬度高，脆性大。熔点高、硬度高，脆性大。纯金属与碳化物的硬度及熔点纯金属与碳化物的硬度及熔点纯金属纯金属TiNbZrVMoWCr- Fe硬度硬度（HV）23030030014035040022080碳化物碳化物TiCNbCZrCVCMo2CWCCr23C6Fe3C硬度硬度（HV）3200205528402094148017301650860熔点熔点（）31

9、4034803350283024102755158016504.2 合金相图的建立合金相图的建立4.2.1 相图概述合金相图合金相图：表示合金系在：表示合金系在平衡条件下平衡条件下，不，不同同压力压力、温度温度、成分成分时的各时的各相关系相关系的的图解图解。平衡平衡：合金系中各相：合金系中各相成分成分与相与相质量比质量比不再不再随时间变化随时间变化的一种状态。的一种状态。相图相图平衡图平衡图状态图。状态图。平衡条件平衡条件：极缓慢冷却极缓慢冷却条件。条件。常压下常压下，横坐标，横坐标成分，纵坐标成分，纵坐标温度。温度。4.2.2 相图的建立方法相图的建立方法 相图的测定方法：相图的测定方法：

10、热分析法、膨胀法、电阻法、磁性法等。热分析法、膨胀法、电阻法、磁性法等。热分析法测热分析法测Cu-Ni合金相图：合金相图：1、配制系列配制系列成分的成分的Cu-Ni合金合金。2、测出合金的、测出合金的冷却曲线冷却曲线，找出各冷却曲线上的，找出各冷却曲线上的临界点临界点温度温度。3、画出、画出温度温度成分成分坐标系，在各合金成分垂线上标出坐标系，在各合金成分垂线上标出临界点温度。临界点温度。 4、将、将具有相同意义的点连接成线具有相同意义的点连接成线，标明各区域内所，标明各区域内所存在的相存在的相合金合金：纯：纯Cu 合金合金：75%Cu+25%Ni 合金合金：50%Cu+50%Ni 合金合金：

11、25%Cu+75%Ni 合金合金：纯：纯Ni4.2.3 4.2.3 二元合金相图的使用二元合金相图的使用由相图确定由相图确定某成分某成分合金合金某温度某温度时存在的时存在的相相；由相图确定由相图确定给定合金给定合金的相变温度；的相变温度；由相图确定由相图确定某成分某成分合金在合金在某一温度某一温度下下两平衡相的两平衡相的成分成分和和相对质量相对质量。成分确定方法：过该温度成分确定方法：过该温度作水平线作水平线，与相区两侧分，与相区两侧分界线的界线的交点的横坐标交点的横坐标。相对质量确定方法：杠杆定律。相对质量确定方法：杠杆定律。杠杆定律杠杆定律CuNiNi%T,C204060801001000

12、1100120013001400150010831455L L+ 12acba1b1c1T1T21. 1. 在两相区内，对应每在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成一确定的温度，两相的成分是确定的。分是确定的。2. 2. 随着温度的降低，两随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和相的成分分别沿液相线和固相线变化。固相线变化。杠杆定律杠杆定律：在两相区内，对在两相区内，对应每一确定的温度应每一确定的温度T T1 1，两相两相质量的比值是确定的。即质量的比值是确定的。即Q QL L/Q/Q =b=b1 1c c1 1/a/a1 1b b1 1杠杆定律推论：杠杆定律推论：在两在两相区内，对应温度相

13、区内，对应温度T T1 1时时两相在合金两相在合金b b中的相对中的相对质量各为质量各为Q QL L/Q/QH H=b=b1 1c c1 1/a/a1 1c c1 1Q Q /Q/QH H=a=a1 1b b1 1/a/a1 1c c1 1=1- =1- Q QL L/Q/QH H注意注意：杠杆定律适用于：杠杆定律适用于平衡平衡结晶时的结晶时的两相区两相区。QQL LQQ abc杠杆定律的力学比喻杠杆定律的力学比喻QLab=Qabc例：求例：求30%30%NiNi合金在合金在1280 1280 时时 相的相对量相的相对量CuNiNi%T,C204060801001000110012001300

14、1400150010831455LL+ a ac c30a a1 1b b1c c11280 C解：作成分线和温解：作成分线和温度线如图。度线如图。6618根据杠杆定律推论，根据杠杆定律推论， Q Q / / Q QH H = a = a1 1b b1 1 /a/a1 1c c1 1 =12/48=1/4=25%=12/48=1/4=25%答：所求答：所求合金在合金在1280 1280 时时 相的相相的相对质量为对质量为1/41/4(25%)(25%)。4.3 匀晶相图匀晶相图匀晶系：两组元在液态和固态都无限互溶的合金系。匀晶系：两组元在液态和固态都无限互溶的合金系。匀晶相图：匀晶系合金的相图

15、。匀晶相图：匀晶系合金的相图。匀晶转变：从液相中结晶出单相固溶体的转变。匀晶转变：从液相中结晶出单相固溶体的转变。铜铜- -镍合金匀晶相图分析镍合金匀晶相图分析 CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ 纯铜纯铜熔点熔点纯镍纯镍熔点熔点液相线液相线固相线固相线液相区液相区固相区固相区液固两相区液固两相区匀晶合金的平衡结晶过程匀晶合金的平衡结晶过程abcdT, CtLL L匀晶转变 L 冷却曲线冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 匀晶合金

16、与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的而是在液、固相线划定的温度区间温度区间内进行结晶。内进行结晶。与纯金属相比，固溶体合金凝固过程有两个特点：与纯金属相比，固溶体合金凝固过程有两个特点：(1)(1)固溶体合金凝固时析固溶体合金凝固时析出的固相成分与原液相出的固相成分与原液相成份不同，成份不同，需成份起伏需成份起伏。晶粒的形核位置是那晶粒的形核位置是那些些结构起伏结构起伏、能量起伏能量起伏和和成分起成分起伏伏都满足要求都满足要求的地方。的地方。(2)(2)固溶体合金凝固时依固溶体合金凝固时依赖于异类原子的互相扩散。赖于异类原子的互

17、相扩散。匀晶转变过程中原子匀晶转变过程中原子扩散示意图扩散示意图Ni不平衡结晶不平衡结晶 固相平均成份线固相平均成份线固溶体不平衡结晶示意图固溶体不平衡结晶示意图51413121晶内偏析（枝晶偏析）晶内偏析（枝晶偏析）枝晶偏析枝晶偏析：晶粒内部出现的：晶粒内部出现的成份不均匀现象。成份不均匀现象。先结晶先结晶：含：含高高熔点组元熔点组元多多；后结晶后结晶：含低熔点组元多。：含低熔点组元多。结果结果：力学性能降低，特别：力学性能降低，特别是塑性降低；抗蚀性能下降。是塑性降低；抗蚀性能下降。消除方法消除方法：扩散退火扩散退火或或均匀均匀化退火化退火。使异类原子互相充分。使异类原子互相充分扩散均匀。

18、扩散均匀。4.4 4.4 共晶相图共晶相图PbSnSn%T,C铅铅-锡合金共晶相图分析锡合金共晶相图分析液相线液相线L固相线固相线 + L + L + 固溶线固溶线 固溶线固溶线共晶转变分析共晶转变分析PbSnT,CL + L + L + 共晶反应线共晶反应线 表示从表示从M点到点到N点点范围的合金，在该温范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上都要发生不同程度的共晶反应。度的共晶反应。M MN N共晶点共晶点 表示表示E点成分的合点成分的合金冷却到此温度上发金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。生完全的共晶转变。ELE M + N共晶反应要点共晶反应要点PbSnT,CL + L + L + 1

19、83M MN NE 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。 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。X X1 1合金结晶过程分析合金结晶过程分析ceFGX1T, CtL L LL+ 冷却曲线冷却曲线 + 1234PbSnT, CL + L + L + 183M MN NE含锡量为含锡量为1010的的Pb-SnPb-Sn合金平衡结晶过程合金平衡结晶过程X X1 1合金结晶特点合金结晶特点T, CtL L LL+ 冷却曲线冷却曲线 + 1.没有共晶反应过程，没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成而是经过匀晶反应形成单相单相

20、固相。固相。2.要经过脱溶反应，要经过脱溶反应，室温室温 组织组成物组织组成物为为 + 组织组成物组织组成物组织中，由一定的相构成组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的的，具有一定形态特征的组成部分。组成部分。X X2 2合金结晶过程分析合金结晶过程分析（共晶合金共晶合金）X2T, CtL( + )L( + )LL( + ) 共晶体冷却曲线冷却曲线( + )PbSnT,CL + L + L + 183M MN NE铅锡共晶合金的显微组织铅锡共晶合金的显微组织 共晶组织中两相的相对含量为：%4 .45%100195 .979 .615 .97%100 MNENW %6 .54%100195

21、 .97199 .61%100 MNMEW Pb-SnPb-Sn合金相图合金相图X X3 3合金结晶过程分析合金结晶过程分析（亚共晶合金亚共晶合金）X3T, Ct tLL+ ( + )+ + 12( + )+ PbSnT, CL L + L L+ + L+ 183M MN NEL+( + )+ 亚共晶合金的平衡结晶过程亚共晶合金的平衡结晶过程( + )+ + 39 + IIWWSnSn50%50%的的Pb-SnPb-Sn合金的显微组织合金的显微组织 500500( + )+ + 40过共晶合金（过共晶合金（VIVI合金）组织合金）组织 + II +(+) II(+)WWSnSn70%70%的的

22、Pb-SnPb-Sn合金的显微组织合金的显微组织 500500标注了组织组成物的标注了组织组成物的Pb-SnPb-Sn相图相图MENAGFB424.5 4.5 包晶相图包晶相图相图分析相图分析Pt-Ag合金相图合金相图单相区单相区 ：L,L,两相区两相区：L+L+，L+L+， + 三相区三相区：PDCPDC包晶转变： LC + P D液相线：液相线：ACB ACB 固相线：固相线：APDB APDB 固溶线：固溶线：PEPE、DF DF 包晶线：包晶线：PDCPDC43典型合金的平衡结晶过程典型合金的平衡结晶过程I合金合金 组织组织 +II II %9 .421 LWW 合金合金I I的平衡结

23、晶过程的平衡结晶过程1186 1186 时，液相与时，液相与 相的相对质量：相的相对质量：%1 .575 .103 .665 .104 .42 PCPDWL44II合金 组织： +II+IIIII合金 组织：+II合金合金的平的平衡结晶过程衡结晶过程合金合金的平的平衡结晶过程衡结晶过程4.6 其他相图4.6.1 4.6.1 共析相图共析相图共析转变共析转变： ( + ) 共析体共析体ABT,C + + + cedL + L474.6.2 4.6.2 形成化合物的二元相图形成化合物的二元相图稳定化合物：稳定化合物：指具有一定的熔点，在熔点以下，保持指具有一定的熔点，在熔点以下，保持自己固有的结构

24、而不发生分解，当温度达到熔点时，化合物自己固有的结构而不发生分解，当温度达到熔点时，化合物发生熔解，熔解时所生成的熔体与化合物成分完全一致发生熔解，熔解时所生成的熔体与化合物成分完全一致。 Mg-Si相图相图Mg-MgMg-Mg2 2SiSi和和MgMg2 2Si-SiSi-Si两个共晶相图并列而成。两个共晶相图并列而成。48稳定化合物可以溶解其他组元，构成以化合物为基的固溶体，相图中部的垂线将变为一个相区。Cd-Sb相图相图4.7 4.7 合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系u 匀晶相图匀晶相图单相单相固溶体：固溶体：性能与成分性能与成分呈呈曲线曲线关系关系。溶质浓度。溶质浓度 强度

25、强度、硬度、硬度u 共晶相图共晶相图两相两相混合物：混合物：性能与成分性能与成分呈呈直线直线关系关系。组织越细密，强度组织越细密，强度越高，十分细密时偏越高，十分细密时偏离直线，出现峰值。离直线，出现峰值。u化合物：化合物：对应化合物的曲线上出对应化合物的曲线上出现现奇异点奇异点。 4.7.1 合金的使用性能与相图的关系合金的使用性能与相图的关系4.7.2 合金的工艺性能与相图的关系合金的工艺性能与相图的关系u 铸造性能铸造性能：液固相线距离愈液固相线距离愈小小，结晶温度范围愈小结晶温度范围愈小，则流动性好，不易形成分则流动性好，不易形成分散缩孔，散缩孔，铸造性能好铸造性能好。 共晶成分共晶成分的合金的合金铸造铸造性能最好。性能最好。u 锻造、轧制性能锻造、轧制性能：单相固溶体单相固溶体合金，合金，变形抗力小，变形均匀，变形抗力小，变形均匀，不易开裂，不易开裂，锻造、轧制性锻造、轧