第四章-相图课件

第四章相图

相图是表示合金系中合金的状态与成分、温度、压力之间关系的图解。利用相图可研究三个参量变化时，合金存在哪些相、相的成分和相对量以及可能发生的相变。相图也可称之为状态图或平衡状态图。

合金——两种或两种以上的金属或金属与非金属经冶炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。组元——组成合金的最简单、最基本而且能独立存在的物质。组元可以是金属和非金属,也可以是化合物。相——合金中具有同一结构，成分性质完全相同的均匀组成部分。单相、两相及多相合金。第一节合金的相结构

工业上应用的金属材料主要是合金。合金中的相结构是多种多样的，但可分为两大类：固溶体和化合物。

溶质原子完全溶入固态溶剂中，所生成的合金相与溶剂的晶格结构相同，该合金相叫固溶体。固溶体的成分一般可在一定范围内连续变化，随溶质的溶入，将引起溶剂晶格畸变，使合金强度硬度升高，这便是固溶强化。固溶体特点：

溶剂的点阵类型不变，溶质原子或是代替部分溶剂原子（置换式固溶体），或是进入溶剂组元的间隙（间隙式固溶体）。一、固溶体溶剂和溶质原子占据一个共同的布拉菲点阵，点阵类型和溶剂点阵类型相同；有一定的成分范围，组元的含量可在一定范围内改变而不会导致固溶体点阵类型的改变；具有比较明显的金属性质，固溶体的结合键主要是金属键。特征：溶质原子在固溶体中所占的位置

置换固溶体间隙固溶体固溶度的大小有限固溶体

无限固溶体

有序固溶体

无序固溶体

固溶体中原子的排列情况1、分类①置换固溶体图4-1形成无限固溶体时两组元原子置换过程示意图形成固溶体时，溶质原子置换了溶剂点阵中的溶剂原子，占据了溶剂晶格的结点位置，以此种方式所形成的固溶体叫置换固溶体。如铜镍合金。显然晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件。

⑴溶质原子在固溶体中所占的位置置换固溶体固溶度大小的影响因素：

a)组元的晶体结构

1）晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件

2）形成有限固溶体时，溶质与溶剂的晶体结构相同，则固溶度较大，否则反之。

b)原子尺寸因素是指形成固溶体的溶剂原子半径与溶质原子半径的相对值大小，△R表示△R=|Ra-Rb|/Ra*100%△R<14%-15%,有利于大量固溶，反之，固溶度非常有限。如:铁基合金中，△R<8%才能形成无限固溶体。铜基合金中，△R<10%才能形成无限固溶体。

c)化学亲和力（电负性因素）

电负差越大,两者间亲和力越大，易形成中间相，否则易形成固溶体。

d)电子浓度因素电子浓度：固溶体中价电子数目e与原子数目a之比

1）溶质原子价位越高，固溶度越小。例如铜分别与金属锌、锗、砷等所形成固溶体中，其最大固溶度依次为38.5%,11.8%,7%。

2)高价元素在低价元素中的溶解度极限总是大于低价元素在高价元素的溶解度极限。电子浓度值值大易形成化合物；电子浓度小易形成固溶体。

溶入同量溶质原子时，△R越大，引起的晶格畸变越大，畸变能越高，最大固溶度就越小。置换固溶体溶质原子大小引起的点阵畸变②间隙固溶体

溶质原子分布位于溶剂晶格间隙中所形成的固溶体称为间隙型固溶体。一般间隙原子半径比较小，所以形成间隙固溶体时，晶胞要涨大，造成严重的点阵畸变，使能量增高，故固溶度受到限制。间隙固溶体的的溶质原子一般是一些原子半径小于0.1nm的非金属元素（如C、N、O、、H、B）。其形成条件是△r>41%或r质/r剂<0.59间隙固溶体只能是有限固溶体,一般溶解度较小。如：碳原子在α－Fe（最大Wt=0.0218%）和γ－Fe（最大Wt=2.11%）中形成的间隙固溶体为有限固溶体。C、N与铁形成的间隙固溶体是钢中的主要合金相。⑵按固溶体溶解度大小：

①有限固溶体：在一定条件下,溶质原子在溶剂中的溶解量有一个上限,起过这个限度就形成新相。②无限固溶体：溶质原子可以任意比例溶入溶剂晶格中形成的。如:Cu—NiAu—Ag

置换式固溶体在一定条件下可能是无限固溶体，但间隙固溶体都是有限固溶体。⑶按溶质原子在溶剂中的分布特点分类

①无序固溶体：溶质原子在溶剂中任意分布，无规律性。

②有序固溶体：溶质原子按一定比例有规律分布在溶剂晶格的点阵或间隙里，具有长程有序的结构。(4)按基体类型分类：

一次固溶体：以纯金属元素为溶剂形成的固溶体。

二次固溶体：以化合物为溶剂，组元元素之一为溶质而形成的固溶体。

固溶体中溶质原子的分布并不是完全无序的。一般认为热力学上平衡状态的无序固溶体溶质原子分布在宏观上是均匀的,在微观上是不均匀的。2、固溶体的微观不均匀性(1)固溶体的点阵畸变

点阵常数改变

置换固溶体：r质>r剂，a增大；

r质<r剂，a减小。间隙固溶体：点阵常数始终随溶质原子溶入而增大。

(2)固溶强化：强度和硬度往往高于各组元，而塑性则较低。(3)物理化学性能改变固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化。3、固溶体的性质二、金属间化合物

金属间化合物是由两种或多种组元按一定比例（一定的成分）构成一个新的点阵，即不是溶剂的点阵也不是溶质的点阵。如：钢中Fe3C、铝铜合金中的CuAl、黄铜中的CuZn、半导体中GaAs等。1、基本概念特点：①在二元相图中的位置总是在两个端际固溶体之间的中间部分，所以称为中间相；②中间相大多是由不同金属或金属与亚金属组成的化合物，故又称为金属化合物；③结合键主要有金属键，离子键或共价键，一般具有金属性；④可以用化学分子式表示；⑤不同于组元的晶体结构，组元各占据一定的点阵位置，呈有序排列；⑥性能不同于各组元的性能，一般是硬而脆的；⑦中间相的形成也受原子尺寸，电负性等影响。正常价化合物是一些金属与电负性较强的ⅥA、ⅤA、ⅣA族的一些元素按照化学上的原子价规律所形成的化合物。其特点是符合化合物规律。具有严格的化合比、成分固定不变，成分可用化学式表示,一般为AB型、AB2型或A2B型、A3B2型。正常价化合物的晶体结构通常对应于同类分子式的离子化合物结构。例如:A2B型Mg2PbMg2SnMg2GeMg2SiAB型MgSMnSFeS正常价化合物在常温时有很高的硬度和脆性。在工业合金中,能起到提高材料强度和硬度的作用,称为强化相。如Al－Mg－Si合金中Mg2Si；但有时也是有害相,如钢中FeS会引起钢的脆性。2、正常价化合物

电子化合物是由ⅠB族(Cu、Au、Ag)或过渡族金属(Fe、Co、Ni)与ⅡB、ⅢA、ⅣA族元素形成的金属化合物。特点：不遵循原子价规律、电子浓度是决定其晶体结构的主要因素。电子浓度相同,相的晶体结构类型相同。电子浓度：固溶体中价电子数目e与原子数目a之比

e/a=（化合物元素价电子总数/化合物原子数）注:计算时过渡族元素时价电子数视为0。

3、电子价化合物

电子浓度、相、结构对应关系如下：

e/a=7/4（即21/12）ε密排六方结构

e/a=13/21γ复杂立方结构

e/a=3/2（即21/14）β体心立方结构电子价化合物大都以金属键结合，具有金属特性，具有高熔点、高硬度但塑性低，与固溶体适当搭配使合金得到强化，作为非Fe合金中重要组成相。合金系电子浓度体心立方复杂立方密排六方Cu-ZnCuZnCu5Zn8CuZn3Cu-SnCu5SnCu31Sn8Cu3SnCu-AlCu3AlCu9Al4Cu5Al3Cu-SiCu5SiCu31Si8Cu3Si表4-1合金中常见的电子化合物注：表中分数表示电子浓度

决定电子化合物结构的主要因素是电子浓度，但并非唯一因素，其它因素，特别是尺寸因素仍起一定作用。思考1.纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差，如何改善？2.合金的结晶过程是否与纯金属的结晶过程相同？第二节二元相图相：在给定的物质系统中，同一成分、同一聚集状态、同一结构、同一性质的均匀组成部分，有界面相互分开。相变：相与相之间的转变。1、基本概念一、相平衡与相律

2、相平衡

在指定的温度和压力下，若多相体系的各相中每一组元的浓度均不随时间而变化，则体系达到了相平衡。实际上相平衡是一种动态平衡，从系统内部看，分子和原子在相界处仍在不停地转换，只不过各相之间的转换速度相同而已。

相图是表示合金系中合金的状态与成分、温度、压力之间关系的图解。利用相图可研究三个参量变化时，合金存在哪些相、相的成分和相对量以及可能发生的相变。相图也可称之为状态图或平衡状态图。

3、相图4、相律

相律是在热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。自由度：在温度、压力、组分浓度等可能影响系统平衡状态的变量中，可以在一定范围内任意改变而不会引起旧相消失或新相产生的独立变量的数目，用f表示。自由度组元数相数外界因素f=0，无变量系统f=1，单变量系统f=2，双变量系统有几个外界因素，n就等于几：只考虑温度，f=c-p+1；考虑温度和压强，f=c-p+2；若还考虑电场、磁场或重力场等因素时需补充，。相律只适用于相平衡系统物种数(s)：系统中每一个能单独分离出来并能独立存在的化学均匀物质。组元数(c)：决定一个相平衡系统成分所必需的最少的物种数。盐水溶液：NaCl、H2O是物种，Na+、Cl-、H+、OH-不是物种。C=1，单元系统C=2，二元系统C=3，三元系统⑴组元数

组分数和独立组分数只有在特定的条件下，其含义才相同。系统中不发生化学反应，则组元数=物种数系统中如果发生化学反应，则每一个独立化学反应都要建立一个化学反应平衡关系式。组元数=物种数-独立化学反应数-独立浓度关系数即：C=S–R–R`（A）对于独立化学平衡数R，要注意“独立”两个字。例如：系统中含有C（s）、CO（g）、H2O（g）、CO2（g）、H2（g）五种物质，可能存在的反应有：①C（s）+H2O(g)＝CO（g）＋H2（g）②C（s）＋CO2（g）＝2CO（g）③CO（g）＋H2O（g）＝CO2（g）＋H2（g）

但这三个反应并不是独立的，反应③可以由①和②得到，所以真正独立的平衡数只有R＝2。例如：CaCO3（s）＝CaO（s）＋CO2（g）这个分解反应，产物是固相，CO2是气相，所以R’＝0。（B）对于浓度关系数R’，要注意应限于在同一相中应用。假如分解产物（反应产物）分别处于不同相中，则不能计算浓度关系数。⑵相/Phase特征：①气体：只有一个相，无论气体有的种类有多少；②固体：有几种物质就有几个相，但如果是固溶体则为一个相；③液体：按互溶程度可以为一相、两相或多相共存；④相平衡∶在宏观上没有任何物质从一相转移到另一相的体系。

相是体系中具有相同物理与化学性质的均匀部分的总和，相与相之间有界面，各相可以用机械方法加以分离。例：解：（1）系统不发生化学反应，所以相数P=3，组分数c=3，所以f=cp+1=33+1=1

（2）f=0，平衡共存相数最大，所以

p=cf+1=30+1=41.合金系统的自由度F的含义是：（单选）

A、可以使合金状态改变的因素数；

B、保持合金平衡状态不变的前提下，可以独立改变的因素数；

C、够使系统发生变化的最大因素数。

2.自由度F=0的含义是：（单选）

A、任何因素的变化都会造成系统平衡状态的变化；

B、没有任何因素可以引起系统状态变化；

C、这样的系统状态不存在。3.纯金属凝固时，(多选)A、冷却曲线(温度-时间)是水平的；

B、系统自由度F=0；

C、纯金属凝固是在恒温下进行的。

4.在平衡条件下，100˚C的纯水处于（单选）

A、液态；

B、气态；

C、气、液二相共存状态。BAABCC思考题：二、单元系统相图单元系统：c=1相律

单组分体系的自由度最多为2，双变量体系的相图可用平面图表示。P=1单相→F=2：T、p两个独立变量，在p-T图上可用面表示；P=2两相→F=1：T、p中一个可独立变化，在p-T图上可用线表示；P=3→F=0：单组分系统三相平衡，则系统无变量，在p-T图上用点来表示，此点即为三相点。OA：l-s平衡线OB：g-s平衡线OC：g-l平衡线O点：三相点

T=273.16K，p=610.62Pa。三个单相区

气、液、固三个单相区内，f=1-1+2=2

，温度和压力独立地有限度地变化不引起相的改变。三条两相平衡线

f=1-2+2=1

，压力与温度只能改变一个。一个三相点f=1-3+2=0，三相平衡。雾凇，俗称树挂，是在严寒季节里，空气中过于饱和的水汽遇冷凝结而成。这种现象在自然中叫做凝华，也就是气态物质不经过液态阶段而直接凝结成固态的过程。凝华过程是一个放热过程。

三、二元合金相图合金系（AlloySystem）：由给定的组元可以以不同比例配制成一系列成分不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系统。二（三、多）元系。建立合金相图的目的：确定相的成分及相对量研究合金相变的过程研究合金的成分、组织与性能之间的关系研制新的合金制定合理的热加工工艺建立依据：合金发生相变时，一定伴随物理、化学性能和成分、组织、结构的变化1、二元合金相图的建立

纵坐标：温度横坐标：成分（常用质量、摩尔和原子分数）2、相图的表示法，以二元匀晶相图为例：二元系统有两个组元，不考虑压强的变化，根据相律：F=C-P+1，二元系统最大的自由度数目F=2，这两个自由度就是温度和成分。故二元凝聚系统的相图，仍然可以采用二维的平面图形来描述。即以温度和任一组元浓度为坐标轴的温度-成分图表示。AB→xBLαT1L+α过程：配制合金－测冷却曲线－确定转变温度－填入坐标－绘出曲线。热分析法图4-6Cu-Ni二元相图的测定热分析法原理：将体系均匀冷却或加热，当无相变发生时，冷却曲线将连续变化。当体系内发生相变时，冷却曲线上会出现折点或停歇点。根据所测的临界点就可以绘出相图。热分析法时间温度凝固开始凝固终了LL+SSCu-Ni相图Cu30%Ni50%Ni70%NiNi时间温度CuNi305070wNi(%)Lα●注意：1)

合金成分间隔越小，合金数目越多，测得的相图越精确；

2)

合金成分间隔不需要相等。3)

冷却速度越慢，越接近平衡凝固条件，测量结果越准确；

平衡凝固过程：指在极缓慢凝固过程中，每个阶段都能达到平衡的结晶过程(没有物质和能量的交换)。

4)

纯金属在恒温下结晶，冷却曲线应有一段水平线。CuNiNi%T/C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线固相区液固两相区液相区

在二元合金系中有单相区（singlephaseregion）、两相区（twophaseregion）、三相区（threephaseregion）。单相区内、f=2，T和成分都可变。双相区内、f=1，T和成分只有一个可以独立变化。若三相共存、f=0，T和成分都不变，属恒温转变。T℃AB→xBLαT1L+α

杠杆定律是相图分析的重要工具，适用于两相区，可用来确定两平衡相的成分和相对量。在相图中，任意一点都叫“表象点”,一个表象点的坐标值反映一个给定合金的成分和温度。图4-7杠杆定律的证明及力学比喻2、杠杆定律

当合金在某一温度下处于两相区时，由相图不仅可以知道两平衡相的成分，而且还可以用杠杆定律求出两平衡相的相对重量百分比。

引例：100ml的10%的NaCl水溶液和100ml的30%的NaCl水溶液混合后浓度是多少？100×10%+100×30%=C×200C=20%

反过来考虑：把20%的NaCl水溶液分成浓度分别为10%和30%的两份，那么两份的体积分数是多少？V1×10%+V2×30%=20%×(V1+V2)①确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x作垂线（称为成分垂线）。在成分垂线上相对温度t的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分xL、xS即分别为液相和固相的成分。②确定两平衡相的相对重量设合金(x)的总重量为M0，液相(xL)重量为ML

固相(x2)重量为MSWSWL⑴现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：则ML+MS=M0ML

xL+MSxS=M0x解方程组得：

因此两相的相对重量百分比为：两相的重量比为：例：求30%Ni合金在1280

时相的相对量。解：作成分线和温度线如图。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150030a1b1c16618根据杠杆定律推论，M

/

M=a1b1/a1c1=12/48=1/4上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律，即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。杠杆的力臂是端点两平衡相(或两组织组成物)的成分与合金成分之差。①平衡相成分的确定（根据相律，若温度一定，则自由度为0，平衡相成分随之确定。）②数值确定：直接测量计算。③注意：只适用于两相区，三点(支点和端点)要选准。⑵杠杆定律——相含量的计算工具●匀晶反应：液相中直接结晶出单一固溶体的反应

匀晶相图：只发生匀晶反应的相图●匀晶相图的特点：在固态、液态无限互溶。

条件：具有相同的晶体结构，相同的原子价，原子半径接近(相差不超过15％)，相互不形成化合物。常见匀晶系：Cu-Ni、Cr-Mo、Au-Ag等三、二元匀晶相图图4-8结晶过程示意图1、纯组元的结晶液态纯组元冷至理论结晶温度Tm（熔点）以下某一温度Tn，就要发生结晶。结晶是由液态的短程有序状态转变为固态的长程有序状态。结晶过程包括生核和长大过程，如图4-8。T2T1

结晶过程（60%Ni合金）温度转变相

>T1—LT1～T3L→αL+α<T3—α

平衡相成份的确定：液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。NiL+ααLCu80604020TCuTNiL1α1L2α2T3α3L3液固相线不仅是相区分界线,也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。液相线固相线C=2，P=1，f=22条线：C=2，P=2，f=12个单相区：固相区液相区1个两相区：固相区+液相区C=2，P=2，f=12、相图分析L

+L3、相图的应用⑴表象点：给定一点A，根据相图可知：

a成分、b温度、c状态。A⑵垂线：给定合金的成分，做垂线，可知相变温度，可分析平衡结晶过程。L

+L12时间温度L

L

平衡结晶过程分析t1t2⑶水平线：给定合金的成分，可计算不同温度下，此成分的合金所形成不同的相的相对含量，即各相的质量分数计算。

在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两个平衡相的成分。例（如图）(a)成分为40%B的合金首先凝固出来的固体成分？(b)若首先凝固出来的固体成分含60%B，合金的成分为多少？(c)合金成分为50%B，凝固到某温度时液相含有40%B，固体含有80%B，此时液体和固体各占多少分数？例：固溶体合金的相图如图所示，试根据相图确定：⑴单元系和二元系统中可能存在的最多平衡相数？

（自由度F=0时，共存的平衡相数具有最大值）

0＝1－P＋2→P=3（单元系）；

0＝2－P＋1→P=3（二元系）；⑵用相律解释纯金属与二元合金的结晶差别。

纯金属结晶，液固两相共存，P=2，F=1-2+1＝0，恒温二元合金结晶，P=2，F=2-2+1＝1，一个因素可变（温度）思考

偏离了非平衡结晶的过程称为非平衡结晶，也称之为偏析。

⑴原因:

冷速快，溶质原子和溶剂原子均不能充分扩散。

⑵结晶过程特点：

①组织成分不均匀，出现树枝状偏析；

②结晶的温度范围增大。

4、固溶体的非平衡结晶X0T℃ABT1α1α2α3L1L2L3T4T3T2L4α4T4α4’α2’α3’L4’L3’L2’L1T1α1T2α1α2α1T3α2α3⑶结晶过程①固相、液相的平均成分分别与固相线、液相线不同，有一定的偏离。其偏离程度与冷却速度有关。冷却速度越大，其偏离程度越严重；冷却速度越小，偏离程度越小，越接近于平衡条件。液相线的偏离程度较固相线小。②先结晶部分含有较多的高熔点组元(Ni)，后结晶部分含有较多的低熔点组元(Cu)。③非平衡结晶条件下，凝固的终结温度低于平衡结晶时的终止温度。⑷通过对非平衡凝固分析得到如下结论：平衡结晶的匀晶合金组织示意图Cu-30%Ni合金的非平衡结晶组织(白亮区域含Ni量高、含Cu低，深色区域则相反)

一个液相同时析出两种不同固相的反应，称为共晶反应。根据相律，三相平衡时有F=C-P+1=2-3+1=0

因此共晶反应是在恒定的温度下进行的，是恒温转变。三相平衡共存时，每一相的成分都是固定的。

1、共晶反应：四、二元共晶相图

当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶或完全不互溶，并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。2、共晶相图

二元共晶相图(Eutecticphasediagrams)有两种基本形式：

在固态时二组元完全不相互溶解

在固态二组元有限溶解后一种形式是常见的共晶相图。金属材料中具有共晶相图的合金系有Pb-Sn,Cu-Ag,Al-Si,Al-Sn,Pb-Bi,Fe-C等。固态时完全不互溶固态时有限互溶

对于固态完全不溶的共晶反应，其生成物仍为A、B两个组元，只是机械地混合在一起而已。3、相图分析Lαβα+βL+αL+β液相线液相线固相线固相线固溶线固溶线共晶反应线固溶线固溶线固溶线CF:B原子在A基体中的固溶度曲线；DG:A原子在B基体中的固溶度曲线；固溶线，固溶度曲线：反映不同温度时的溶解度变化。共晶反应线表示从C点到D点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。共晶点表示E点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。

以Pb-Sn合金共晶相图为例，对共晶相图的基本结构:点、线、区分别进行介绍，

共晶反应：

⑴点TPb纯Pb的熔点(327.5˚C)TSn纯Sn的熔点(231.9˚C)E共晶点(61.9%Sn,183˚C)CSn在Pb中的最大溶解度(19.2%Sn,183˚C)

DPb在Sn中的最大溶解度(2.5%Pb,183˚C)

⑵线TPb

ETSn液相线TPbC

EDTSn固相线CED共晶反应线(水平线)CF固溶线：Sn在Pb(α)中的固溶度曲线，随温度变化DG固溶线：Pb在Sn(β)中的固溶度曲线，随温度变化L液相区αα固溶体区ββ固溶体区⑶区单相区两相区L+α液、固二相区，与匀晶相图的二相区相同，可以将它们看作匀晶相图的一部分。L+βα+β固态二相区三相区L+α+βCED水平线

(一个特殊的相区)4、共晶合金的平衡凝固及其组织

根据相变特点和组织特征将共晶系合金分为四类：Ⅰ端部固溶体合金Ⅱ亚共晶合金Ⅲ共晶合金Ⅳ过共晶合金PbWSn(%)TL

183327.5A19CFL+

+61.9E

ⅠLt/sT/℃⑴端部固溶体合金结晶过程分析L

α+βⅡt2t1t3

通常将固溶体中析出另一种固相的过程称为脱溶转变，脱溶转变的产物一般称为次生相或二次相。次生相β固溶体用βⅡ表示，以区别从液相中直接凝固出的β固溶体。由于次生相是从固相中析出的，而原子在固相中的扩散速度慢，所以次生相一般都较细小，并分布在晶界上或固溶体的晶粒内部。t1~t2温度：t3温度以下：液态L10L

Ⅱt1温度以上：t2~t3温度：固溶体不变室温组织：

+ⅡLt/sT/℃L

α+βⅡt2t1t3端部固溶体合金结晶过程:

在二元共晶相图中化学成分低于共晶但与共晶成分接近的合金组织称为亚共晶合金。⑵亚共晶合金PbWSn(%)TL

183327.5A19CFL+

+61.9E

t/sT/℃LL

50%Sn的亚共晶合金的结晶过程分析+

（+)共

初+ⅡⅡt1t2t1t2t2'+ⅡL

+t1温度以上：t1~t2温度：t2温度时发生共晶反应：室温组织：t2温度以下：液态L50液相中析出，L

L61.9

19

97.5

初

Ⅱ

初+Ⅱ+

（

+）共晶亚共晶合金平衡结晶过程为：t/sT/℃LL

+

（+)共

初+Ⅱt1t2t2'L

+ω(L)ω(

)组织组成ω(

)ω(

)相组成Pb│Sn共晶相图组织组成和相组成相对量计算：组织组成相组成亚共晶组织(50%Sn的Pb-Sn合金)共晶()初生

ⅡPbWSn(%)TL

183327.5A19MFL+

+61.9E

ⅠLt1t1'L++(+)t/sT/℃⑶共晶合金结晶过程分析共晶温度以上：共晶温度：共晶温度以下：室温组织：液态L61.9共晶转变L61.9

19

97.5二次结晶

Ⅱ，

Ⅱ（

+）共晶由于Ⅱ和Ⅱ常与共晶和相连，显微镜下很难分辨，室温组织为：（

+）共晶共晶合金平衡结晶过程为：Pb－Sn共晶相图计算两相相对量两相的相对量计算：共晶组织（共晶体）的形成机理成分互换－交替形核片间搭桥－促进生长两相交替分布（共晶组织）具体形态可以是片状、棒状、球状、螺旋状等。共晶组织的形成机理（Pb-Sn）共晶组织（层片状）αβ常见合金的共晶组织

层片状（Al-CuAl2,定向凝固）

灰铁短棒状或颗粒（Cu-CuO）棒状或条状（Sb-MnSb，横截面）

螺旋状（Zn-Mg）针状（ZL102未变质）

铅铋树枝状共晶组织Cu-Cu3P放射状共晶组织铝硅针状共晶组织铝钍螺旋状共晶组织

在二元共晶相图中溶质含量高于共晶成分，凝固时初生相是溶质相的共晶系合金。⑷过共晶合金WSn(%)G

t1t2t/sT/℃t1t2t2'L+

+

Ⅱ

SnPb

L

BACNFL+

L+

+ET（+Ⅱ）70%Sn的过共晶合金的结晶过程分析L

L

+t1温度以上：t1~t2温度：t2温度时发生共晶反应：室温组织：t2温度以下：液态L70液相中析出，L

L61.9

19

97.5

初

Ⅱ

初+Ⅱ+

（

+）共晶过共晶合金平衡结晶过程为：t/sT/℃t1t2t2'L+

+

Ⅱ

L

L

+过共晶平衡组织(70%Sn的Pb-Sn合金)共晶()

初生

Ⅱ组织组成物在相图上的标注LL+αL+ββαα+βⅡα初+βⅡ+(α+β)β初+αⅡ+(α+β)(α+β)β+αⅡPbSnSn,%温度，℃1961.997.5什么叫包晶反应？

合金在冷却到某一温度时，已结晶出的一定成分的固相和它周围尚未结晶的一定成分的液相发生反应结晶出另外一种固相，这就是包晶反应。即：L

1、基本概念五、二元包晶相图

许多合金系都具有包晶反应，例如Pt-Ag、Sn-Ag、Cd-Hg、Cu-Zn、Cu-Sn等。Pt-Ag合金相图是一种比较简单的包晶相图，下面以此为例进行分析。

两组元在液态无限溶解，在固态有限固溶，并且发生包晶反应的相图，称为包晶相图。2、相图分析⑴相：相图中有L、、三种相，是溶质Ag在Pt中的固溶体，是溶质Pt在Ag中的固溶体。⑵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PDC

。(3)点：

A、B分别为Pt、Ag的熔点；

P、D分别为Ag在Pt中和Pt

在Ag中的最大溶解度点；

E、F分别为室温下Ag在Pt中

和Pt在Ag中的溶解度点。溶解度点的连线称固溶线。固溶体的溶解度随温度降低而下降。(4)线：液固相线：液相线ACB，固相线APDB。固溶线：PE、DF线分别为相图中的固溶线（溶解度曲线）。(4)线：包晶线：水平线PDC称包晶线。与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LC+αP⇄βD

。

该反应是液相L包着固相α，新相β在L与α的界面上形核，并向L和α两个方向长大的过程。包晶相图中液相线从一个组元到另一个组元，不断下降（或上升），而共晶相图液相线是先降后升。液相区处于三相平衡线的一侧，共晶相图液相区位于三相平衡线的中间。三个两相区，一个在上，两个在下。共晶相图中是两个在上一个在下。

与共晶相图相比EFC10.51186BAP66.3温度D42.4

L

1T/℃t/s1DD'LL

L

+

Ⅱ

P57图3-20

包晶合金的平衡结晶过程

+

Ⅱ包晶合金的平衡结晶过程与室温组织概括起来，包晶合金平衡结晶过程为：液相线到包晶温度之间：包晶温度（1186℃）：包晶温度以下：室温组织：包晶温度以上：液态L42.4液态L

包晶转变L66.3

10.5

42.4

Ⅱ

+

Ⅱ图4-15Pt-Ag相图图4-16合金Ⅰ平衡结晶示意图共析反应：共析线共析点在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同新固相。α→

β1+β2六、二元共析相图七、铁碳相图图铁碳相图

从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。1、概述

钢铁材料由Fe、C组元构成C钢与铸铁合金钢与合金铸铁（纯Fe-C合金）（Fe-C中加入合金元素）

因此，要研究钢铁材料，首先要熟悉Fe-C合金这一基础合金，而研究Fe-C合金离不开Fe-C相图。T/℃FeCC%Fe3CFe2CFeC当＞5%C后，性能很脆，无实用价值。故只研究Fe-Fe3C相图。Fe-C合金中的组元：纯铁，Fe3CFe-C合金中的基本相：铁素体，奥氏体Fe-C合金中的组织：珠光体，莱氏体2、Fe-C合金中的组元⑴纯铁

1大气压下，T熔点=1538℃，20℃时ρ=7.87×103kg/m3。①纯铁的同素异构转变

组成元素相同的金属在固态下由一种晶格向另一种晶格的转变。δ-Fe1394℃γ-Fe912℃α-Fe(b.c.c.)(f.c.c.)(b.c.c.)1394℃1534℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe纯铁的冷却曲线无铁磁性有铁磁性770℃②纯铁的性能

软、强度低，塑性好，很少作结构材料。⑵渗碳体（Fe3C）

渗碳体wc=6.69%，熔点为1227℃，渗碳体不发生同素异晶转变；230℃以下时有弱铁磁性，硬度很高（950~1050HV），而塑性和韧性几乎为零。渗碳体是一个独立的相。因其性能又脆又硬，没有单独用它做为组织使用，而是多与铁素体或奥氏体共同组成双相组织。图渗碳体结构示意图

3、Fe-C合金中的基本相⑴铁素体(α或F)

碳溶于α–Fe中的间隙固溶体。L、Fe3C、γ（A）、α（F）、δ注：碳溶于δ–Fe中的间隙固溶体称为高温铁素体或δ固溶体，用δ表示。⑵奥氏体(γ或A)碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。4、Fe-C合金中的组织⑴珠光体(P)：是铁素体和渗碳体从奥氏体中通过共析反应形成的机械混合物，其形态为层片状。⑵莱氏体(Ld)：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，其形态为奥氏体均匀分布在渗碳体基体上。包晶转变(HJB水平线)共晶转变(ECF水平线)共析转变(PSK水平线)Fe06.69Fe3CTemperature(C)Temperature(C)PSK0.77727CECF4.32.111148CHJBANGQD

LC,wt%1495C1538C1394C912Cγ+Fe3Cα+γL+γL+Fe3Cα+Fe3C垂直线(Fe3C)5、铁碳相图分析AECFGSPKQFeFe3CC%Lγγ+LL+Fe3Cγ+Fe3Cαα+γα+Fe3C1538℃1148℃727℃根据相图，将Fe-C合金分为3大类7种工业纯铁：＜0.0218%C，钢（0.0218~2.11%）：亚共析钢（0.0218~0.77%）共析钢（0.77%）过共析钢（0.77%~2.11%）铸铁（2.11~6.69%）亚共晶铸铁共晶铸铁过共晶铸铁（2.11~4.30%）（4.30%）（4.30~6.69%）1234121234123C’123杠杆定律的应用0.772.110.02184.3006.69点温度/℃含碳量/%含义A15380纯铁的熔点

B14950.53包晶转变时液态合金的成分

C11480.43共晶点D12276.69Fe3C的熔点

E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度

F11486.69Fe3C的成分

G9120α与γ同素异构转变点(A3)

图铁碳相图点温度/℃含碳量/%含义H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶点K11486.69Fe3C的成分N13940γ与δ同素异构转变点P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点Q室温0.0008室温下碳在α-Fe中的溶解度图铁碳相图特性线含义ABCD铁碳合金的液相线AHJECF铁碳合金的固相线HJBLB+δ→AJ包晶转变线ECFLC→AE+Fe3C共晶转变线GS奥氏体转变为铁素体的开始线ES碳在奥氏体中的溶解度线PSKAs→Fp+Fe3C共析转变线PQ碳在铁素体中的溶解度线图铁碳相图恒温转变线HJB：含碳量在0.09%~0.53%之间的合金冷却到1495℃时，均要发生包晶反应，形成奥氏体。

含碳量为0.17%（包晶反应点）的铁碳合金，在包晶反应终了时，δ相与液相同时耗尽，变为单相奥氏体。含碳量为0.09~0.17%的铁碳合金，在包晶反应终了时，有多余的δ，随后通过同素异构转变变为奥氏体。含碳量为0.17~0.53%的铁碳合金，在包晶反应终了时，有多余的液相，随后冷却过程中结晶成为奥氏体。图铁碳相图恒温转变线ECF：

莱氏体（又称高温莱氏体）共晶反应的产物，由奥氏体和渗碳体组成，用符号“Ld”表示。变态莱氏体是莱氏体中的奥氏体通过共析反应转变为珠光体的莱氏体，是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物。其形态为珠光体均匀分布在渗碳体基体上，由共晶渗碳体(一次渗碳体)、二次渗碳体和珠光体。用符号“Ld′”表示。图铁碳相图图共晶白口铸铁平衡组织恒温转变线PSK：珠光体是铁素体和渗碳体两相的混合物，是共析反应的产物，用符号“P”表示。珠光体是一种双相组织。一般情况下，两相呈层片状分布，强度较高、硬度适中、有一定塑性。图铁碳相图图共析钢的室温组织

ES、PQ、GS线ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。含碳量大于0.77%的合金，从1148℃冷到727℃的过程中，将自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。铁碳合金由727℃冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。GS线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的开始线；或者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线（具有同素异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转变，但其转变温度有变化）。图铁碳相图简化后的Fe-Fe3C相图（1）共析钢(Wc=0.77%)共析钢组相图（2）亚共析钢(Wc=0.45%)亚共析钢组织金相图（3）过共析钢(Wc=1.2%)过共析钢组织金相图（4）共晶白口铸铁(Wc=4.3%)珠光体是铁素体和渗碳体从奥氏体中通过共析反应形成的机械混合物，其形态为层片状。莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，其形态为奥氏体均匀分布在渗碳体基体上。变态莱氏体是莱氏体中的奥氏体通过共析反应转变为珠光体的莱氏体，是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物。其形态为珠光体均匀分布在渗碳体基体上。在变态莱氏体中有共晶渗碳体(一次渗碳体)、二次渗碳体和珠光体。一次渗碳体是从液相中直接析出的；二次渗碳体是从奥氏体中析出的；三次渗碳体是从铁素体中析出的。共晶白口铁组织金相图（5）亚共晶白口铸铁(Wc=3.0%)亚共晶白口铁组织金相图（6）过共晶白口铸铁(Wc=5.0%)过共晶白口铁组织金相图按组织分区的铁碳合金相图

铁碳相图和铁碳合金铁碳相图和铁碳合金含碳量对碳钢机械性能的影响如图所示，随着含碳量增加，钢的硬度直线上升，但韧性和塑性显著降低。对于强度极限，在亚共析钢范围内，随着含碳量的增加，由于珠光体量的增加，强度不断升高，超过亚共析钢成分后，组织上开始析出Fe3CⅡ

。碳的影响σb抗拉强度；αk冲击韧性；HB硬度；δ伸长率；ψ断面收缩率铁碳相图和铁碳合金含碳量对碳钢机械性能的影响在C%<0.9%时，Fe3CⅡ量少，形不成网状，所以随含碳量增加钢的强度增加；当C%>0.9%后，Fe3CⅡ网状分布趋于完整，破坏了铁素体基体之间的连接作用，所以强度显著降低。碳的影响σb抗拉强度；αk冲击韧性；HB硬度；δ伸长率；ψ断面收缩率若零件