第三章二元合金的相結(jié)構(gòu)與相圖

本章目的：1討論合金中的相概念及其類型；2介紹各種類型的基本二元相圖；3說明相圖與合金性能間的對(duì)應(yīng)關(guān)系本章要求：1組元、相、組織、組織組成物等基本概念；2固溶體和化合物的本質(zhì)區(qū)別和性能特點(diǎn)；3掌握分析相圖的基本方法；4正確運(yùn)用杠桿定律。

合金:

一種金屬元素與另一種或幾種其它元素，經(jīng)熔煉或其它方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。Pb-Sn合金,鋼（Fe-C）,錫青銅(Cu-Sn(<14%)）§1合金的相結(jié)構(gòu)組元——組成合金最基本的、能獨(dú)立存在的物質(zhì)。

Fe-C合金：Fe(組元一)-Fe3C(組元二)合金系——由給定的組元以不同的比例配制成的一系列成分不同的合金系統(tǒng)。例：Fe-C:90%Fe-10%C、80%Fe-20%C、50%Fe-50%C、20%Fe-80%CFe-Cr-C根據(jù)組元數(shù)分為：

二元合金、三元合金、多元合金。合金相

——指合金中結(jié)構(gòu)相同，成分和性能均一，并有界面與其他部分分開的均勻組成部分。(phase)金屬或合金均由相構(gòu)成——單相合金、多相合金。

——用α、β、γ、δ、η、θ等表示例：純鐵、鋼中的相

純鐵：α-Fe；鋼：鐵素體(α)＋滲碳體(Fe3C)；α相α相Fe3C相純鐵0.45%C鋼

相結(jié)構(gòu)，實(shí)指合金的晶體結(jié)構(gòu)（一）固溶體

合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的、且晶格類型與組元之一相同的固相稱之為固溶體。（二）金屬化合物

定義：合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相稱之為金屬化合物。一、相的分類二合金的相結(jié)構(gòu)

（一）固溶體

1、固溶體的分類

**按溶質(zhì)原子在晶格中所占的位置分類

置換固溶體（1）置換固溶體—

溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結(jié)點(diǎn)所形成的固溶體——代位固溶體

90％Cu-10％Ni合金例：C固溶于α－Fe中形成間隙固溶體┗鐵素體C固溶于γ－Fe中形成間隙固溶體┗奧氏體（2）間隙固溶體

——

溶質(zhì)原子填入溶劑晶格的空隙位置所形成的固溶體。間隙固溶體

**按固溶度分類

（1）有限固溶體——溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度有一定的限度，超過這個(gè)限度就不再溶解，這個(gè)限度稱為固溶度。

（2）無限固溶體——溶質(zhì)原子能以任意比例溶入溶劑，固溶度可達(dá)到100%。按溶質(zhì)原子在固溶體中分布是否有規(guī)律分類（1）無序固溶體

——溶質(zhì)原子隨機(jī)地分布于溶劑晶格中。（2）有序固溶體

——溶質(zhì)原子按一定的規(guī)律分布在溶劑晶格中。CuAu中Cu原子：簡(jiǎn)單四方晶系亞點(diǎn)陣Cu3Au中Cu原子：體心四方晶系亞點(diǎn)陣有序固溶體特點(diǎn)：

——溶質(zhì)原子可形成自己的亞點(diǎn)陣——一定條件下固溶體可在有序和無序間相互轉(zhuǎn)化：溫度、成分例：Fe-Al合金室溫下,

成分變化時(shí)：a.Fe－Al(<25%atm)合金——無序相：α相

b.Fe－Al(25%~35%atm)合金——有序相：Fe3Al

c.Fe－Al(35%～50％atm)合金——有序相：FeAl成分固定，溫度變化時(shí)：

Fe3Al：<550℃：完全有序550℃～950℃：部分有序>950℃：完全無序固溶體Fe3Al——金屬間化合物新材料2置換固溶體及影響因素

金屬元素之間一般都能形成置換固溶體，但固溶度往往相差很大。如Cu:Ni無限互溶，Zn最大溶解度為39%，Pb幾乎不溶解于銅?！茉亻g原子尺寸、化學(xué)親和力、結(jié)構(gòu)類型等影響。（1）原子尺寸因素

組元間原子半徑越相近，固溶度越大。

原因：溶質(zhì)原子引起溶劑晶格的點(diǎn)陣畸變，產(chǎn)生畸變能，晶格畸變能越高，晶格越不穩(wěn)定，當(dāng)畸變能高到一定程度，溶質(zhì)原子將不再能溶入固溶體，只能形成其它新相。溶劑與溶質(zhì)原子的尺寸差別可用Δr/r衡量：Δr/r=(r溶劑-r溶質(zhì))/r溶劑（2）負(fù)電性

S原子、Al原子與Fe原子大小相差接近，但Al在Fe中溶解度大——負(fù)電性因素負(fù)電性:指元素的原子自其它原子奪取電子而變?yōu)樨?fù)離子的能力。┗可衡量元素間的化學(xué)親和力，即形成化合物的傾向性——取決于兩元素在周期表中的位置，相距越遠(yuǎn)，負(fù)電性相差越大，越易形成化合物?！亻g負(fù)電性相差越小，越易形成固溶體，而且固溶體的固溶度也較大。Δr/r分別為：0.12、0.18dAl=2.85;dS=2.08；dFe=2.54（3）晶體結(jié)構(gòu)因素

晶體結(jié)構(gòu)相同，溶解度較大。無限固溶體——溶質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑的晶體結(jié)構(gòu)一定相同(如Cu-Ni合金等)

例Fe合金：Ni、Co、Cr、V與Fe原子尺寸差別<8%,

Ni、Co與Fe形成面心立方晶格無限固溶體

Cr、V與Fe形成體心立方晶格無限固溶體（4）電子濃度因素——原子價(jià)因素電子濃度:價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目之比

現(xiàn)象：溶質(zhì)元素的原子價(jià)越高，溶解度較小。

原因：固溶體中的電子濃度存在極限值。不同晶體結(jié)構(gòu)的極限電子濃度不同：F.C.C：1.36B.C.C:1.483間隙固溶體當(dāng)溶質(zhì)與溶劑的原子半徑之比小于0.59時(shí)，可能形成間隙固溶體。如小原子的碳(0.077nm)、氮(0.071nm)、另氧、氫、硼等非金屬原子。特點(diǎn)：a.同樣會(huì)引起點(diǎn)陣畸變；b.溶解度與原子大小和溶劑的晶格類型有關(guān)：F.C.C中>B.C.C中；c.間隙固溶體只能是有限固溶體。4固溶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)保持著溶劑的晶格類型；(2)晶格發(fā)生畸變

(3)偏聚與（短程）有序(4)有序固溶體（長(zhǎng)程有序化）

當(dāng)固溶體發(fā)生偏聚或有序化時(shí)，強(qiáng)度和硬度增加，而塑性和韌性降低。5固溶體的性能

（1）固溶體強(qiáng)硬度高于組成它的純金屬，塑韌性低于組成它的純金屬;（2）物理性能方面，隨著溶質(zhì)原子的↑，固溶體的電阻率↑，電阻溫度系數(shù)↓，導(dǎo)熱性↓。

固溶體中隨著溶質(zhì)原子的加入，強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性降低的現(xiàn)象

┗固溶強(qiáng)化

——金屬材料的主要強(qiáng)化手段或途徑之一

例如：南京長(zhǎng)江大橋采用廉價(jià)的16Mn，其中含1.2%~1.6%Mn，抗拉強(qiáng)度較相同碳含量的普通碳素鋼提高60％；**固溶強(qiáng)化的特點(diǎn)：

(1)

溶質(zhì)與溶劑原子相差越大，溶質(zhì)原子濃度越高，所引起的晶格畸變?cè)酱?，固溶?qiáng)化效果越大；(2)

間隙原子的強(qiáng)化效果比置換原子的大。因?yàn)殚g隙原子引起的點(diǎn)陣畸變大。（3）綜合機(jī)械性能好。適當(dāng)控制溶質(zhì)含量，不僅可以顯著提高材料強(qiáng)硬度，而且材料的塑韌性不會(huì)明顯降低。固溶體的應(yīng)用：（1）結(jié)構(gòu)材料的基體相；（2）精密電阻、電熱材料等

材料種類σb(MPa)HBSΨ(%)純Cu2204470Cu+19%Ni單相固溶體3907050(二)、金屬化合物1正常價(jià)化合物

特點(diǎn)：成分固定不變，可用化學(xué)式表示。如Mg2Si、Mg2Sn、MgS、MnS等。具有較高的硬度，脆性較大。常作為有色金屬的強(qiáng)化相。2電子化合物

不遵守原子價(jià)規(guī)律，而是按一定的電子濃度的比值形成的化合物。電子濃度不同，化合物的晶格類型也不同?！?、脆，有色金屬強(qiáng)化的相特點(diǎn)：雖用化學(xué)式表示，但成分可變FeAl

(Al：36.5%～50％atm);

有序化現(xiàn)象其它：NiAl;CuZn;CuAl

3間隙相和間隙化合物

過渡族元素和原子半經(jīng)較小的氫、氮、碳、硼組成。r非/r金<0.59時(shí)，形成簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的化合物——間隙相。r非/r金>0.59時(shí)，形成復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的化合物——間隙化合物。

(1)

間隙相

性能：極高的熔點(diǎn)和硬度。如：VC;TiC;W2C

用途：硬質(zhì)合金和高硬度工模具的重要組織組成。

(2)

間隙化合物

如鋼中的Fe3C、Cr23C6、Fe3W3C等。性能：很高的熔點(diǎn)和硬度，但不如間隙相用途：鋼中的重要強(qiáng)化相。固溶體間隙固溶體置換固溶體有限固溶體無序固溶體有限固溶體無限固溶體無序固溶體有序固溶體小結(jié)金屬化合物正常價(jià)化合物電子化合物間隙化合物間隙相間隙式金屬化合物

§2二元合金相圖的建立

給定的合金系究竟以什么狀態(tài)(相)存在，包含哪些相，這由內(nèi)、外因條件決定，外因是溫度和壓力，內(nèi)因則是化學(xué)成分——用相圖來表示它們之間的關(guān)系。

幾個(gè)概念：

相圖:表示合金系中的狀態(tài)(相)與溫度，成分之間關(guān)系的圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖

相變：相與相之間的轉(zhuǎn)變；相平衡與平衡相：合金系統(tǒng)在一定的外界條件下(溫度、壓力)，經(jīng)歷任意長(zhǎng)時(shí)間后，合金中各相的成分都是均勻、不變的，且各相的相對(duì)重量也不變，則各相處于平衡狀態(tài)，稱之為相平衡；這時(shí)的相稱為這種條件下的平衡相。如純鐵，在常壓下：1538℃以上——L為平衡相。在1538℃時(shí)——L和δ相兩相平衡狀態(tài)一、二元相圖的表示方法

在常壓下，

直角坐標(biāo)系；

合金成分；

溫度；

相狀態(tài)。組元組元成分線結(jié)晶或相變起始點(diǎn)結(jié)晶或相變終止點(diǎn)B點(diǎn)相狀態(tài):α單相A點(diǎn)相狀態(tài):L+α兩相Cu-Ni二元合金相圖LαL+α二、二元相圖的建立

熱分析法；金相法；膨脹法；電阻法等。熱分析法§3典型相圖分析一、勻晶相圖

1定義：兩組元在液態(tài)和固態(tài)均無限互溶的二元合金相圖。如Cu―Ni、Ag―Au、Cr―Mo等合金系2相圖分析3合金結(jié)晶過程4相律5二元相圖的杠桿定律α液相線

固相線

Cu―Ni二元相圖冷卻曲線點(diǎn)：A：純Cu理論熔點(diǎn);B：純Ni理論熔點(diǎn)線：AB:液相線;

AB:

固相線；

區(qū)間：兩個(gè)單相區(qū)：L

相、α相一個(gè)兩相區(qū)：L+α相區(qū)勻晶轉(zhuǎn)變式：L→α

原始成分為k的合金：T>t1:L(100%)T=t1:L→α(開始)注：

L(100%)+α(0%)

T=t2:L→α注：L+α

T=t4:L→α(結(jié)束)注：L(0%)+α(100%)

T<t4:α(100%)單相區(qū):

實(shí)際座標(biāo)點(diǎn)兩相區(qū):液(固)相成分在溫度水平線與液(固)相線的交點(diǎn)處相成分判定方法液(固)相線的意義:(1)表征了各成分合金的結(jié)晶起始(終止)溫度;(2)表征了各溫度下液固兩相達(dá)到平衡時(shí)液(固)相的成分4相律（P73～74）相律表示在平衡條件下，系統(tǒng)的自由度數(shù)、組元數(shù)和相數(shù)之間的關(guān)系。數(shù)學(xué)表達(dá)式：f=c-p+2系統(tǒng)自由度系統(tǒng)組元數(shù)平衡相數(shù)恒壓條件下：f=c-p+1***二元合金系最多存在三相平衡***二元合金系相鄰相區(qū)的相數(shù)相差15杠桿定律——用于確定二元相圖中兩相區(qū)各相的相對(duì)含量。証明:設(shè)液相質(zhì)量為WL，固相的質(zhì)量為Wα，則合金的總質(zhì)量為WL+Wα有:WLCL+WαCα=(WL+Wα)CWα(Cα-C)=WL(C-CL)arb

若將合金成分C的r點(diǎn)看做支點(diǎn)，將WL、Wα看做作用于a和b的力，則相當(dāng)于力學(xué)中的杠桿定律——形象的比喻。

Wα=(ar/ab)W0

WL=(rb/ab)W0

——杠桿定律只適用于二元相圖的兩相區(qū)arb

6固溶體合金的結(jié)晶特點(diǎn)與純金屬相比,

固溶體結(jié)晶特點(diǎn)：(1)

異分結(jié)晶

結(jié)晶出的晶體與母相化學(xué)成分不同，這種結(jié)晶稱為~或選擇結(jié)晶。(2)

結(jié)晶需要在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)論：（1）勻晶轉(zhuǎn)變式：L→α；（2）單相區(qū)相成分與合金原始成分一致，即坐標(biāo)點(diǎn)成分；兩相區(qū)成分：液相成分在液相線上，固相成分在固相線上(與溫度水平線的相交點(diǎn))；（3）與純金屬不同，合金的結(jié)晶過程是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，不同溫度下兩平衡相的成分不相同，量也不同，兩相的相對(duì)量可依據(jù)杠桿定律計(jì)算得出。5枝晶偏析

現(xiàn)象：枝晶內(nèi)部化學(xué)成分不均勻——枝晶偏析理論上：冷卻速度無限緩慢時(shí)，擴(kuò)散使先凝固與后凝固的固溶體成分均勻一致，即固溶體晶體的長(zhǎng)大過程是平衡―不平衡―平衡…循環(huán)往復(fù)直到最后相圖規(guī)定的平衡成分。

原因：

合金凝固：L→α?xí)r在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，樹枝晶主干在較高溫度先凝固，枝及邊部在較低溫度后凝固；實(shí)際上：

冷卻過程非無限緩慢，擴(kuò)散不完全→枝晶內(nèi)部中心區(qū)域與邊部區(qū)域化學(xué)成分不均勻——稱之為枝晶偏析影響晶內(nèi)偏析的因素（1）分配系數(shù)k0k0=kα/kL:一定溫度下液固兩平衡相中的溶質(zhì)濃度之比值。k0<1時(shí),k0越大偏析越小;k0>1時(shí),k0越小偏析越小?！獙?shí)質(zhì)是與液相線和固相線間的水平距離或成分間隔有關(guān)間隔越小，偏析越小。k0>1k0<1

——晶內(nèi)偏析對(duì)合金的機(jī)械性能不利。可用高溫?cái)U(kuò)散退火(固相線下100~200℃)的方法減輕或消除——又稱均勻化退火（2）溶質(zhì)原子擴(kuò)散能力：擴(kuò)散能力大偏析?。?）冷卻速度：一般V小，偏析小但V過大時(shí)，因晶粒細(xì)小而成分均勻6區(qū)域偏析:固溶體合金由于不平衡結(jié)晶造成大范圍內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象應(yīng)用：區(qū)域提純7成分過冷過冷度：Tm-T實(shí)際由T實(shí)際改變引起的過冷——熱過冷相圖成分分布成分過冷區(qū)（1）成分過冷定義：固溶體結(jié)晶過程中，盡管液相實(shí)際溫度分布一定，但由于液相中溶質(zhì)分布發(fā)生變化，改變了液相的熔點(diǎn)，這種由成分變化引起的過冷現(xiàn)象稱為～。（2）成分過冷對(duì)晶體成長(zhǎng)形狀和鑄錠組織的影響金屬一般為粗糙界面:Ⅰ純金屬:取決于液固前沿溫度分布

正溫度梯度——平面晶；

負(fù)溫度梯度——樹枝狀Ⅱ固溶體：取決于液固前沿溫度分布+成分過冷

負(fù)溫度梯度——樹枝狀但正溫度梯度下：隨成分過冷程度增大分別形成平面晶、胞狀晶和樹枝晶。G1：仍為正溫度梯度；——平面晶G2：小的成分過冷區(qū)；——胞狀晶G3：相當(dāng)于負(fù)溫度梯度；——樹枝晶Al-Cu合金三種晶粒組織平面晶胞狀晶樹枝晶——平面晶所需過冷度較大，工業(yè)實(shí)際中通常達(dá)不到，故金屬、固溶體合金鑄件組織一般為樹枝晶組織。二二元共晶相圖1定義：兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)時(shí)相互有限互溶，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的二元系相圖稱為二元共晶相圖。Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi等合金系相圖都是二元共晶相圖。

共晶轉(zhuǎn)變式：L

（液）→α（固）+β（固）2相圖分析液相線:

AEB

；固相線:

ACEDB固溶體溶解度線：

FC,GD共晶線：

CED

水平線；共晶點(diǎn)：E

點(diǎn)EABCDFG相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)：L、α、β兩相區(qū)：L+α、L+β、α+β三相區(qū)：L+α+β共晶轉(zhuǎn)變式：LEαM+βN3結(jié)晶過程分析(1)成分Ⅰ(共晶成分)結(jié)晶過程EABCDFGⅠ冷卻曲線結(jié)晶過程示意圖E:共晶點(diǎn)(包含共晶的成分與溫度)共晶轉(zhuǎn)變式：LE→αC+βDEABCDFGⅠLLLEαC+βDLE

αF+βG實(shí)際轉(zhuǎn)變過程復(fù)雜：注意：(1)共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(α+β)多相鄰間隔協(xié)同長(zhǎng)大，稱為共晶體或共晶組織；αC→αF+βGβD→βG+αFαβαβ(2)共晶體中隨后析出的二次相多依附于原共晶體生長(zhǎng)，故往往觀察不到。EABCDFGⅡ亞共晶成分：C~E亞共晶轉(zhuǎn)變式：L→αc+(αC+βD)α+LαC+LE

αC+(αC+βD)L成分ⅡαF+βG+(αF+βG)先共晶相共晶體(組織)βⅡ(2)成分Ⅱ(亞共晶成分)結(jié)晶過程EABCDFGⅢL+β(LE+

βD)(αC+βD)+βDL成分Ⅲ(αF+βG)+βG過共晶成分：E~D過共晶轉(zhuǎn)變式：βD+(αC+βD)先共晶相共晶組織(3)成分Ⅲ(過共晶成分)結(jié)晶過程EABCDFG——成分Ⅳ為勻晶轉(zhuǎn)變(A-C;D-B)ⅣL→α(L

+α

)αF+βGL成分Ⅳα(4)成分Ⅳ(勻晶成分)結(jié)晶過程α→β其它形狀共晶相圖4合金的組織構(gòu)成EABCDFG亞共晶合金：α

+β成分在F~G之間的合金均由α+β相構(gòu)成；但不同合金中兩相的形成過程與形貌各不相同。共晶合金與過共晶合金呢？(α先共晶和α共晶)

(βⅡ和β共晶)各成分合金的組織構(gòu)成EABCDFGα先共晶+βⅡ+(α+β)共晶β先共晶+αⅡ+(α+β)共晶(α+β)共晶αⅠ+βⅡβⅠ+αⅡαⅠ例題：計(jì)算Pb-30%Sn合金冷卻到室溫時(shí)的相構(gòu)成與組織構(gòu)成，共晶體中各相所占的比例以及βⅡ的百分含量。EABCDFG4問題：共晶體中兩相所占的比例如何計(jì)算?5共晶組織形態(tài)共晶體(共晶組織)定義：

由共晶反應(yīng)形成的細(xì)密的兩相或多相機(jī)械混合物共晶組織形態(tài)：見P91層片狀棒狀球狀針狀共晶組織形態(tài)針狀螺旋狀蛛網(wǎng)狀放射狀Pb-Sn共晶合金Pb-Sn亞共晶合金Pb-Sn過共晶合金Pb-Sn合金的顯微組織6共晶系合金的不平衡結(jié)晶現(xiàn)象（1）偽共晶

定義：由非共晶成分的合金所得到的共晶組織稱為～

形成條件：

過冷度或冷卻速度控制在右圖陰影區(qū)（2）離異共晶

定義：當(dāng)先共晶相數(shù)量較多而共晶組織較少時(shí)，先共晶相形成后，共晶組織中與先共晶相相同的那一相會(huì)依附在先共晶相上上生長(zhǎng)，

形成條件：成分控制在M或N附近致使另一相單獨(dú)存在于晶界，從而失去共晶組織的特征，這種兩相分離的共晶稱為～

Al-4%Cu合金的鑄態(tài)組織

均勻退火后三包晶相圖

1定義：兩組元在液態(tài)無限溶解，在固態(tài)相互有限溶解，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合金系相圖。Pt－Ag、Sn－Sb、Cu－Sn、Cu－Zn

包晶轉(zhuǎn)變式：L

+α

→β單相區(qū)L、α、β；兩相區(qū)L＋α、L＋β、α＋β三相區(qū)PDC（包晶轉(zhuǎn)變線）包晶轉(zhuǎn)變2相圖分析

液相線ACB固相線APDB溶解度曲線：

PE、DFPtAg合金Ⅰα+L(αP+LC)βD