金属学及热处理课件：合金的结构与相图

合金的结构与相图[目标]1.了解二元合金状态图的建立、典型二元合金相图;

2.掌握二元合金相图及其与合金性能关系;

[重点]1.相与组织概念；

2.二元合金相图的分析应用；

3.杆杆定律及其应用；

[难点]

1.相与组织概念；2.杆杆定律及其应用。合金的结构与相图3.1合金的基本概念1.合金:以一种金属元素为主体，加入其他金属或非金属元素后具有金属特性的物质。2.组元:组成合金最基本、独立的物质（元）。有二元合金、三元合金、多元合金。3.合金系:一系列由两个或多个给定组元所组成的具有不同成分的合金构成一个合金系。

合金的结构与相图

碳钢（CarbonSteel）：由铁（Fe）和碳（C）组成的合金。

Fe和C是合金的组元

属于二元合金

Fe、C含量不同的碳钢同属于铁碳合金系

黄铜（Brass）：由铜（Cu）和锌（Zn）所组成的合金。

Cu和Zn是合金的组元

属于二元合金

Cu、Zn含量不同的黄铜同属于铜锌合金系

例4.相:合金中结构相同、成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。合金性能与相的性质、数量、大小、形态及分布密切相关。3.1合金的基本概念显微镜下观察到的某种铸铁的显微组织石墨（一种固相）铁素体（另一种固相）5.组织：借助肉眼或显微镜所观察到的金属材料内部各相及其形貌。用肉眼或放大镜观察到的为宏观组织，在显微镜下观察到的为微观组织。合金组织是由不同性质、数量、大小、形态及分布的各种相组成。改变其中之一，即可改变组织；改变组织，即可改变材料的性能。1.固溶体：在合金中，金属或非金属原子溶入另一种金属晶格中形成的均匀固相。3.2.1固溶体溶剂（Solvent）+溶质（Solute）＝保持原有晶格类型的组元其他组元（一般含量较少）

-Fe+C铁素体＝固溶体（体心立方）溶剂（体心立方）溶质（六方）固溶体3.2合金的相结构例：置换固溶体

间隙固溶体2.固溶体的分类（1）按溶质原子在溶剂晶格中所占位置分类：

置换固溶体和间隙固溶体例Cu(rCu=0.1276nm)Ni(rNi=0.1244nm)Fe(rFe=0.1260nm)C(rC=0.0770nm)白铜（铜镍合金）结构示意图置换固溶体间隙固溶体奥氏体结构示意图有限固溶体和无限固溶体固溶度（SolubilityLimit）在一定条件下，溶质在固溶体中的极限浓度，又称为溶解度（SolidSolubility）。例：铜镍合金

Cu和Ni能按任何比例相互溶解而形成无限固溶体。无限固溶体中两组元原子置换示意图（2）按固溶度分类3.固溶体的特点大致保持了溶剂金属的晶格类型，性能近于纯金属。较低强度、硬度良好塑性、韧性3.2.2金属化合物1.金属化合物：合金组元间相互作用所形成的具有金属特性的一种新相。其晶格类型及性能均不同于任一组元。主要有：（1）正常价化合物（Normal-valenceCompound）符合一般化合价规律，具有严格的化合比，成分固定不变，一般具有较高的硬度、较大的脆性。如：Mg2SiMg2Sn（2）电子化合物（ElectronCompound）按一定电子浓度，成分可在一定范围内变化，通常具有很高的熔点和硬度，脆性也很大。如：AgZn（3）间隙化合物（InterstitialCompound）过渡元素与H、N、C、B等原子直径较小的非金属元素形成，一般具有复杂晶体结构，很高的熔点和硬度。如Fe3C

具有不同于任一组元的，全新的晶体结构。高熔点高硬度脆性大

2.金属化合物的性能特点合金仅由金属化合物组成：虽然有很高的硬度，但脆性太大，无法应用。

合金仅由固溶体组成：则往往强度、硬度等不够高，使用受到一定限制。绝大多数的工业合金，其组织为固溶体（基体）+少量金属化合物（强化相）所构成的机械混合物（MechanicalMixture），合金的性能就取决于它们的性质、形态、大小、数量等。

分析：关公的大刀该有什么材料制成？思考：哪种Fe3C的形貌对合金力学性能更有利相图：表示合金系在平衡条件下（极其缓慢加热或冷却），合金的组成相（或组织）与温度、成分间关系的图解，又称为平衡状态图。3.3合金的结晶AT/℃液相线固相线Cu平衡状态图Ni确定状态描述结晶过程确定一定温度下，相(构成物）的含量3.3.1二元合金相图的建立

二元合金相图是由实验测定的。下面以Cu-Ni二元合金系为例，说明应用热分析法（ThermalAnalysis）绘制相图的方法。热分析装置示意图冷却曲线（1）配制一系列不同成分的Cu-Ni合金，如：100%Cu、80%Cu-20%Ni、60%Cu-40%Ni、40%Cu-60%Ni、20%Cu-80%Ni、100%Ni等6个合金。（2）分别测定上述合金冷却曲线；（3）在冷却曲线上找出合金的各临界点，即：合金结晶开始和结晶终了的温度点；（4）将各临界点标在相图相应的成分轴上（纵座标为温度，横座标为成分）；（5）将性质相同的临界点分别连接起来，获得液相线、固相线。Cu-Ni二元合金相图测定步骤Cu-Ni二元合金相图wNi（%）时间温度Cu20406080NiwCu=100%wNi=20%wNi=40%wNi=60%wNi=80%wNi=100%液相线固相线ABLαL+α3.3.2二元合金相图的基本类型

大多数二元相图都是由几类最基本的相图组合而成的。

两组元在液态和固态下均能无限互溶匀晶相图：L→α

两组元在液态均能无限互溶，固态下有限溶解共晶相图：L→α+β共析相图：α→β1+β2包晶相图：

L

+α→β（1）典型合金平衡结晶过程分析

1.二元匀晶相图Cu-Ni合金相图及冷却时的结晶=T1:L

Q

≈100%+α

Q≈0=T2:L

Q

↓+α

Q

↑=T3:L

Q

≈0+α

Q≈100%≈40%≈40%2″2'3'<T3:α

Q=100%1″>T1:L

Q

=100%=40%=40%与纯金属一样：形核+长大，需要一定的过冷度。结晶是在一定温度范围内进行的；只有在温度不断下降时，固相

的相对量才增加；温度不变，液相L和固相

的相对量保持不变，即达到平衡状态；结晶时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。（2）固溶体合金的结晶特点计算两个相的相对量QLQ

bac杠杆定律的力学比喻设：m=1相的含量=其对面的长度/整个线段的长度

x2bactαL

（3）杠杆定律0.772.116.69727课堂练习：运用杆杆定律计算成分为0.77%的钢，727℃时组织中固溶体铁素体（F）、渗碳体(Fe3C)的相对含量各是多少？QF=SK/PK=(6.69-0.77)/(6.69-0.02)≈88.8%QFe3C=FS/PK=(0.77-0.02)/(6.69-0.02)≈11.2%2.二元共晶相图Pb-Sn二元合金相图

共晶转变：一定成分的液相，在一定温度下，

同时转变出两种新的固相。（1）合金I的平衡结晶过程合金的室温组织：初生α

+

βⅡ组织组成物:α、βⅡ组成相：α相和β相（2）合金II（亚共晶）的平衡结晶过程合金的室温组织：初生α

+

βⅡ

+（α+β）组织组成物:α、βⅡ、（α+β）组成相：α相和β相（3）合金III（共晶）的平衡结晶过程合金的室温组织：共晶体（α