第5章 二元合金

1、工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础 讨讨 论论 q 你所知道的合金有哪些？ q 什么叫杠杆定律？ 机机 械械 工工 程程 材材 料料 第第5 5章章 二元合金二元合金 概述概述5.15.1 合金相结构合金相结构5.25.2 二元合金相图二元合金相图5.35.3 5.45.4 合金性能与相图的关系合金性能与相图的关系 机机 械械 工工 程程 材材 料料 合金合金 由两种或两种以上的金属元素由两种或两种以上的金属元素 或金属和非金属元素组成的具有金或金属和非金属元素组成的具有金 属性质的物质。属性质的物质。 二元合金二元合金 由两种元素组成的合金。由两种元素组成的合金。 5.1 概述概述

2、 机机 械械 工工 程程 材材 料料 相相 凡是化学成分相同、晶体结构凡是化学成分相同、晶体结构 相同，与其它部分有明显分界的均相同，与其它部分有明显分界的均 匀组成部分。合金中有两类基本的匀组成部分。合金中有两类基本的 相结构，固溶体和金属间化合物。相结构，固溶体和金属间化合物。 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 组织组织 一般系指用肉眼或在一般系指用肉眼或在 显微镜下所观察到的材料内部显微镜下所观察到的材料内部 所具有的某种形态特征或形貌所具有的某种形态特征或形貌 图像，实质上它是一种或多种图像，实质上它是一种或多种 相按一定方式相互结合所构成相按一定方

3、式相互结合所构成 的整体的总称。的整体的总称。 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 相和组织的区别相和组织的区别 “ “相相” ” 实质上是晶体结构相同状态。因此， 相相 与组织组织的区别就是结构结构与组织组织的区别，结构结构描 述的是原子尺度，而组织组织则指的是显微尺度。 “相”构成了“组织” ，合金的组织可由单 相固溶体或化合物组成，也可由一个固溶体和一 个化合物或两个固溶体和两个化合物等组成。正 是由于这些相的形态、尺寸、相对数量和分布的 不同，才形成各式各样的组织。即组织组织可由单相单相 组成，也可由多相多相组成。组织是材料性能的决定组织是材料性能的决

4、定 性因素。性因素。 在相同条件下，不同的组织对应着不同 的性能。 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 1 1、固溶体、固溶体 组元通过溶解形成一种组元通过溶解形成一种 成分和性能均匀的，且结构成分和性能均匀的，且结构 与组元之一相同的固相称为与组元之一相同的固相称为 固溶体固溶体A A（B B）。）。 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 固溶体的分类固溶体的分类 分类方法 种 类 a.溶质原子 的位置 置换固溶体：晶格类型相同,原子半径相差 不大,电化学性质相近 间隙固溶体：原子半径较小 b.溶解度 有限固溶体 无限固溶体

5、c.分布有序 度 有序固溶体 无序固溶体 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 v置换固溶体：溶质原子置换溶剂晶格结点上的溶 剂原子而形成的固溶体称为置换固溶体。 v间隙固溶体：当溶质原子在溶剂晶格中不占据晶 格结点位置，而是嵌入各结点间的间隙中，称为 间隙固溶体。 v有限固溶体：在一定条件下，溶质组元在固溶体 中的浓度有一定的限度，超过了这个限度就不在 溶解了，这个限度称为溶解度，这种固溶体称为 有限固溶体。 v无限固溶体：溶质能以任意比例溶入溶剂，溶解 度可达100%，这种固溶体称为无限固溶体。无限 固溶体只可能是置换固溶体。 5.2 合金的相结构合金的相结

6、构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 置换固溶体置换固溶体 溶质原子置换溶剂晶格结点上的溶剂原子而溶质原子置换溶剂晶格结点上的溶剂原子而 形成的固溶体称为置换固溶体形成的固溶体称为置换固溶体 。 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 置换固溶体的浓度、溶解度和影响因素 浓度：溶质原子溶入固溶体中的量浓度：溶质原子溶入固溶体中的量 溶解度：在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极溶解度：在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极 限浓度。限浓度。 影响溶质原子溶于固溶体的溶解度的因素：影响溶质原子溶于固溶体的溶解度的因素： 晶格类型晶格类型 原子直径的相对大小原子直径的相

7、对大小 负电性差负电性差 电子浓度电子浓度 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 一般而言一般而言，若两者晶格类型若两者晶格类型 相同、电子结构相似、原子相同、电子结构相似、原子 半径差别小，周期表中位置半径差别小，周期表中位置 近，则溶解度大近，则溶解度大相似相相似相 溶。溶。 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 间隙固溶体（必为有限固溶体）间隙固溶体（必为有限固溶体） 溶质原子分布于溶剂晶格间隙之间而溶质原子分布于溶剂晶格间隙之间而 形成的固溶体，称为间隙固溶体。形成的固溶体，称为间隙固溶体。 5.2 合金的相结构合金的相结

8、构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 固溶强化固溶强化 由于溶质原子溶入溶剂晶格产生由于溶质原子溶入溶剂晶格产生 晶格畸变而造成材料强度和硬度升高晶格畸变而造成材料强度和硬度升高 的现象。的现象。 溶质原子溶入溶质原子溶入晶格畸变晶格畸变位错位错 远动阻力上升远动阻力上升金属塑性变形困难金属塑性变形困难 强度、硬度升高。强度、硬度升高。 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 2、金属间化合物 金属间化合物是合金的组元相互 作用而形成的具有金属特性，而晶格 类型和特性又完全不同于任一组元的 化合物。 特点： 除有离子键和共价键作用外，还 有一定程度的金属键作用，

9、从而使化 合物具有明显的金属特性晶格复杂， 熔点、硬度高，脆性大。 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 化合物化合物 正常价化合物（Mg2Si，Mg2Sn）， 金属与、 族 电子价化合物（CuAl，Cu3Zn），金 属或过渡族与 间隙化合物， 过度族与原子 半径小的C、N、 H、B 间隙相（半径比小于 0.59，VC，VN） 复杂结构间隙化合物， Fe3C，Cr7C3 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 v 1、正常价化合物 v 周期表中相距较远、电化学性质相差较大 的两种元素形成正常价化合物,如Mg2Si、 Mg2Pb等。

10、v 正常价化合物具有很高的硬度和脆性。在 合金中如果能弥散分布于固溶体中，则将 使合金强化，起强化相的作用，如Al-Mg- Si合金中的Mg2Si就是一个强化相。 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 v2、电子化合物 v这类化合物是由第I族元素、过渡族元素与第II至 第V族元素结合而成。它们与正常价化合物不同， 它不遵循原子价规律，而是按照一定的电子浓度形 成的化合物。电子浓度不同，所形成的化合物晶格 类型也不同。 v电子化合物虽然可以化学式表示，但实际上是一个 成分可以在一定范围类变动的相，可以溶解一定量 的组元，形成以电子化合物为基的固溶体。电子化 合物为

11、金属键结合，具有明显的金属性。它的熔点 和硬度都很高，但塑性差。电子化合物和固溶体适 当配合，可以使合金强化。 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 v3、间隙化合物 v间隙化合物的形成主要受组元原子尺寸的控制， 一般是由原子直径较大的过渡族金属元素（Fe、 Cr、Mo、W、V等）和原子直径较小的非金属元 素（C、N、B、H等）所组成。 v根据晶体结构特点，间隙化合物又可分为间隙 相（又称简单结构的间隙化合物）和复杂结构 的间隙化合物。 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 v间隙相 v当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于 0

12、.59时，将形成具有简单结构的间隙化合物， 称为间隙相。过渡族金属的氮化物、氢化物及 钨、钼、钒、钛、铌等的碳化物，都是简单结 构的间隙化合物。 v在这类化合物中，过渡族金属元素的原子形成 与它本身晶格类型不同的简单晶格结构，非金 属原子位于晶格的间隙中。 v间隙相具有极高的熔点和硬度，是高合金工具 钢及硬质合金的重要组成相。 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 VC的晶体结构示意图 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 v 复杂结构的间隙化合物 v 当非金属原子半径与金等属原子半径的比 值大于0.59时，则形成具有复杂结构的间

13、 隙化合物。例如碳钢中Fe3C，合金钢中的 Cr23C6、Cr7C3、FeB、Fe2B等均属于这一 类。 v 这类化合物主要是金属键结合，也有很高 的熔点和硬度，这类化合物也是高合金工 具钢的重要组成相。 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 Fe3C的晶体结构示意图 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 混合物 两种或两种以两种或两种以 上的相按一定质量分数组上的相按一定质量分数组 成的物质称为混合物。成的物质称为混合物。 混合物的性能取决于混合物的性能取决于 各组成相的性能，以及它各组成相的性能，以及它 们分布的形态、数量。们

14、分布的形态、数量。 5.2 合金的相结构合金的相结构 机机 械械 工工 程程 材材 料料 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 一、合金相图概述 （1 1）相图）相图 描述平衡条件下，描述平衡条件下， 相和相变与温度、成份、相和相变与温度、成份、 压力之间的关系图称为压力之间的关系图称为 相图相图平衡图。平衡图。 机机 械械 工工 程程 材材 料料 （2 2）组元组元 组成合金的最简单、组成合金的最简单、 最基本能够独立存在的最基本能够独立存在的 物质。可以是元素，也物质。可以是元素，也 可以是稳定的化合物。可以是稳定的化合物。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材

15、材 料料 （3 3）平衡）平衡 合金中参与结晶或相变的各相合金中参与结晶或相变的各相 之间的相对量和浓度不再改变的状之间的相对量和浓度不再改变的状 态。态。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 二、相图的建立 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 热分析法建立二元相图步骤 配不同成分的合金配不同成分的合金 测绘每种成分合金的测绘每种成分合金的C C曲线曲线 找出各找出各C C曲线的临界点（转折点）曲线的临界点（转折点） 将各临界点标在以温度为纵坐标、以将各临界点标在以温度为纵坐标、以 成分为横坐标的坐标图中，并连接相同含

16、成分为横坐标的坐标图中，并连接相同含 义的临界点义的临界点 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 ：纯铜：纯铜 ：75%75%Cu+25%Ni Cu+25%Ni ：50%Cu+50%Ni 50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni 25%Cu+75%Ni ：纯纯NiNi 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 机机 械械 工工 程程 材材 料料 ab : 液相线液相线 ab : 固相线固相线 L : 液相区液相区 S : 固相区固相区 L+S:液固共存区液固共存区 a b L L + S S AB 温度 5.3 二元合

17、金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 三、二元合金相图的种类及特点 1、匀晶相图 2、共晶相图 3、包晶相图 4、共析相图 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 （1）匀晶相图匀晶相图 两组元在液态无限互溶，两组元在液态无限互溶， 在固态也无限互溶，冷却时在固态也无限互溶，冷却时 发生匀晶转变的合金系所构发生匀晶转变的合金系所构 成的相图（成的相图（LL），），egeg： Cu-NiCu-Ni，Fe-Cr, Au-AgFe-Cr, Au-Ag 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 Cu-Ni合金相图结

18、晶过程 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 相： L， L+， 液相线： a1b，表示合金开始结晶的温度 固相线： a2b，表示合金结晶终止的温度 相图分析相图分析 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 匀晶转变的结晶过程：匀晶转变的结晶过程：LL+a a LL+a a 匀晶转变的特点：匀晶转变的特点： a. a.形核、长大形核、长大 ，树枝状长大，树枝状长大 b. b.变温过程变温过程 c. c. 某一配比合金，相区内，温某一配比合金，相区内，温 度一定，成分确定度一定，成分确定 5.3 二元合金的相图二元合金的相图

19、机机 械械 工工 程程 材材 料料 杠杆定律杠杆定律 杠杆定律的力学证明 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 在结晶过程中，液、固两相的成在结晶过程中，液、固两相的成 分分别沿液相线与固相线变化。分分别沿液相线与固相线变化。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 杠杆定律的证明杠杆定律的证明 证明：证明：Q Q合金，其合金，其NiNi含量含量b%b%，T T1 1温度时温度时, , L L相中相中Ni%=a%Ni%=a%，相中相中Ni%=c%Ni%=c% Q QNi Ni=Q =Q合金 合金* * b%=Q b%=QL

20、L* *a%+Qa%+Q * *c% c% 又因为又因为Q Q合金 合金= =Q QL L+Q +Q ， ，故（故（Q QL L+Qa +Qa ） * * b%=Q b%=QL L * * a%+Q a%+Q * * c% c% 所以，所以， Q Q / Q / QL L= = （b%- a%b%- a%）/ /（ c% c% - b%b%）=AB/BC=AB/BC 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 枝晶偏析（晶内偏析）枝晶偏析（晶内偏析） 匀晶转变时冷速太快快，匀晶转变时冷速太快快， 以至原子扩散不充分，造成以至原子扩散不充分，造成 结晶产物成分不均的

21、现象。结晶产物成分不均的现象。 可通过扩散退火消除。可通过扩散退火消除。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 枝晶偏析的原因枝晶偏析的原因 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 (2)(2)共晶相图共晶相图 两组元在液态无限互溶，两组元在液态无限互溶， 在固态有限互溶，在结晶时在固态有限互溶，在结晶时 发生共晶转变，形成共晶组发生共晶转变，形成共晶组 织的相图，称为共晶相图。织的相图，称为共晶相图。 如：如：Pb-Sn,Al-Si,Ag-CuPb-Sn,Al-Si,Ag-Cu 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机

22、械械 工工 程程 材材 料料 共晶相图 L 匀晶相图 L 液相线液相线 固相线固相线 液相线液相线 固相线固相线 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 f 固溶线固溶线 固溶线固溶线 L L+L+ L+L+ + 三相共存的水平线三相共存的水平线 共晶点共晶点 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 相图分析相图分析 液相线：液相线：adbadb 固相线：固相线：acdebacdeb 三个单相区：三个单相区：L L、（相是锡相是锡 （SnSn）溶于溶于PbPb的固溶体，的固溶体，相是铅相是铅 （PbPb）溶于溶于SnSn的固溶

23、体。的固溶体。、是是 有限固溶体），三个两相区：有限固溶体），三个两相区：L+ L+ 、 L+L+、+。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 共晶点：共晶点：d, d, 共晶成分的合金冷却到此点共晶成分的合金冷却到此点 所对应的温度（共晶温度），共同结晶所对应的温度（共晶温度），共同结晶 出出C C、e e 共晶反应线：共晶反应线：cdecde（三相共存的水平线）三相共存的水平线） 固溶线（溶解度线）：固溶线（溶解度线）：cfcf，egeg，TT过过 饱和固溶体析出另一相饱和固溶体析出另一相 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材

24、材 料料 共晶条件 f f点以左的合金，结晶完毕时，点以左的合金，结晶完毕时， 都是都是固溶体；固溶体；g g点以右的合金，结晶点以右的合金，结晶 完毕时，都是完毕时，都是固溶体；成分在固溶体；成分在c c与与e e点点 之间的合金，在结晶温度达到水平线之间的合金，在结晶温度达到水平线 cdecde时，将发生恒温转变。即共晶转变：时，将发生恒温转变。即共晶转变： d d 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 共晶反应：共晶反应：成分为d的液相Ld同时结晶出两种成 分和结构皆不相同的固相，这种转变称为共晶 转变，d点称为共晶点，成分对应于共晶点的合 金称为共晶

25、合金；成分位于cd 之间的合金称为 亚共晶合金，成分位于de之间的合金称为过共 晶合金。d点对应的温度称为共晶温度，cde线 称为共晶线。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 共晶转变过程及相对量共晶转变过程及相对量 L-L+(L-L+(c c+e e)-)-c c+e e- -f f+ + II II + +g g + + II II 室温下：相组成物：室温下：相组成物： ， 组织组成物：（组织组成物：（+） 共晶体（共晶体（+）%=100% %=100% 5.3 二元合金的相图二

26、元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 合金合金I I的结晶过程的结晶过程 L-L+-L-L+- +II II 室温时，相组成物：室温时，相组成物：, 室温时，组织组成物：室温时，组织组成物：, 相相对量：相相对量： 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 亚共晶合金组织结晶过程亚共晶合金组织结晶过程 L-L+aL-L+a初 初- -L+aL+a初 初+ +（ （c c+b+be e)-)- 初 初+ +

27、（ （c c+b+be e)-+b)-+bII II+ +（ （ + +） 亚共晶合金组织亚共晶合金组织 室温下，相组成物：室温下，相组成物：， 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 室温下：组织组成物：室温下：组织组成物：，II II ，（ ，（ + + ） 在共晶温度时在共晶温度时 ： 室温下：室温下：a a初 初-+ + II II 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 综合上述分析可知，虽然综合上述分析可知，虽然fgfg点之间的合金点之间的合金 均由均由和和两相所组成，但是由于合金成分和两相所组成，但是由于合金成分

28、和 结晶过程的变化，相的大小、数量和分布状况，结晶过程的变化，相的大小、数量和分布状况， 即合金的组织差别很大，甚至完全不同。即合金的组织差别很大，甚至完全不同。 在在fcfc成分范围内，合金的组织为成分范围内，合金的组织为， ； ； 亚共晶合金的组织为亚共晶合金的组织为， ，共晶组织 ，共晶组织 （+）；）； 共晶小结共晶小结 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 共晶合金完全为共晶组织（共晶合金完全为共晶组织（+）；）； 过共晶合金的组织为过共晶合金的组织为， 和 和共晶共晶 组织（组织（+），）， 在在egeg点之间的合金组织为点之间的合金组织为， 。

29、 。 其 中 的其 中 的、 、 及及 （+ +）在显微组织中均能清楚地区分开，）在显微组织中均能清楚地区分开， 是组成显微组织的独立部分，称之为组织是组成显微组织的独立部分，称之为组织 组成物。组成物。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 Pb-Sn合金亚共晶组织 Pb-Sn合金过共晶组织 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 为了分析研究组织的方便，常常把合金平衡结 晶后的组织直接填写在合金的相图上，这样，相图 上所表示的组织与显微镜下观察到的

30、显微组织能相 互对应，以便于了解合金系中任一合金在任一温度 下的组织状态，以及该合金在结晶过程中的组织变 化。 无论是合金的组织组成物，还是相组成物，它 们的相对含量都可以用杠杆定律来计算。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 Pb-SnPb-Sn共晶组织标注相图共晶组织标注相图 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 课堂练习课堂练习 计算含锡量为计算含锡量为Wsn=30%Wsn=30%的亚共晶合金在的亚共晶合金在183183共晶共晶 转变结束后，先共晶相转变结束后，先共晶相和共晶组织（和共晶组织（+）的含）的含 量及相

31、组成物量及相组成物和和相的含量。相的含量。 1919 97.597.5 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 % 4 . 74%100 19 9 . 61 309 .61 %100 2 cd d Wa %6 .25%100 199 .61 1930 %100 2 )( cd c W a %14%100 195.97 1930 %100 2 %86%100 195.97 305.97 %100 2 ce c W ce e W a 先共晶相先共晶相和共晶组织（和共晶组织（+）的含量：）的含量： 相组成物相组成物和和相的含量：相的含量： 5.3 二元合金的相图二元

32、合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 另类共晶相图另类共晶相图 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 比重偏析 因比重不同而造成的化学成分不均匀的因比重不同而造成的化学成分不均匀的 现象，称为比重偏析。现象，称为比重偏析。 合金在结晶时，如果结晶出来的晶体的比重合金在结晶时，如果结晶出来的晶体的比重 与剩余液相的比重相差较大，则这些晶体便会上与剩余液相的比重相差较大，则这些晶体便会上 浮或下沉，从而导致铸件上、下部分的化学成分浮或下沉，从而导致铸件上、下部分的化学成分 不一样。在亚共晶或过共晶合金结晶时，如果形不一样。在亚共晶或过共晶合金结晶时，如

33、果形 成的初晶的比重与液相的比重差别较大，则将形成的初晶的比重与液相的比重差别较大，则将形 成比重偏析。成比重偏析。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 比重偏析的影响因素 1 1、合金组元的比重相差愈大，初晶与剩余液相、合金组元的比重相差愈大，初晶与剩余液相 的成分差别愈大，则初晶愈剩余液相的比重相差的成分差别愈大，则初晶愈剩余液相的比重相差 也愈大，因而合金的比重偏析愈严重。也愈大，因而合金的比重偏析愈严重。 2 2、结晶时冷却速度愈小，则初晶在液相中有更、结晶时冷却速度愈小，则初晶在液相中有更 多的时间上浮或下沉，也将增加比重偏析的程度。多的时间上浮

34、或下沉，也将增加比重偏析的程度。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 比重偏析的危害 比重偏析使铸件各部分的成分、组织和性能比重偏析使铸件各部分的成分、组织和性能 不同，影响铸件的使用。不同，影响铸件的使用。 比重偏析不能通过热处理来减轻或消除，为比重偏析不能通过热处理来减轻或消除，为 了减轻或消除比重偏析，应控制合金的成分，或了减轻或消除比重偏析，应控制合金的成分，或 在浇注时进行搅拌以及增加结晶时的冷却速度。在浇注时进行搅拌以及增加结晶时的冷却速度。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 （3） 包晶相图 两组元在液

35、态下互相无限两组元在液态下互相无限 溶解，在固态下相互有限溶解，溶解，在固态下相互有限溶解， 并发生包晶转变的相图称为包并发生包晶转变的相图称为包 晶相图晶相图。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 相图分析相图分析 铂（铂（PtPt）银（银（AgAg）相图如图所示，相图如图所示， aeb aeb 为液相线，为液相线，acdbacdb为固相线，为固相线，cfcf及及dgdg分分 别为别为AgAg溶于溶于PtPt和和PtPt溶于溶于AgAg的溶解度曲线。的溶解度曲线。 相图中有三个相，

36、液相相图中有三个相，液相L L、固相固相及及 ，为为AgAg溶于溶于PtPt的固溶体，的固溶体，为为PtPt溶于溶于 AgAg的固溶体。的固溶体。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 相图中有三个单相区，相图中有三个单相区，L L、及及， 三个两相区，三个两相区，L+L+、L+L+、+。还还 有一个三相区，有一个三相区，L L、及及共存的水平共存的水平 线，即线，即cdecde线。线。 在在cdecde水平线所对应的温度下，成水平线所对应的温度下，成 分相当于分相当于c c点点的固溶体和成分相当于的固溶体和成分相当于e e 点的液相作用，形成一个成分相当于

37、点的液相作用，形成一个成分相当于d d 点固溶体点固溶体 ，即：，即： dec L 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 这种在一定的温度下由一定成分的这种在一定的温度下由一定成分的 固相与一定成分的液相作用，形成另一固相与一定成分的液相作用，形成另一 个一定成分的固相的转变过程，称为包个一定成分的固相的转变过程，称为包 晶转变。晶转变。 相图中的相图中的d d点称为包晶点，点称为包晶点，d d点所对点所对 应的温度称为包晶温度，应的温度称为包晶温度，cdecde线称为包线称为包 晶线。晶线。 包晶转变 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工

38、 程程 材材 料料 v（2）、典型合金的结晶过程 1、合金I（d点成分）结晶过程 当温度下降至1点，液相中便开始有a相析出， 温度继续下降，a相逐渐增多，液相逐渐减少，两 相成分分别沿固相线ac、液相线ae变化。当温度 降至包晶温度时，ac和Le发生包晶反应，形成成 分相当于d点的固溶体。反应结束后，参加反应 的液相和a固溶体全部转变为固溶体。在继续降 温的过程中，由于Pt在固溶体中的溶解度随温 度下降而减小，故不断有aII二次相的析出。合计I 的室温组织组成物为+ aII 。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 v2、合金II（成分在c、d之间）的结晶过

39、程 当温度降至1点，液相中便开始有a相析 出。随着温度下降，a相逐渐增多，液相逐 渐减少，两相成分分别沿固相线ac、液相 线ae变化。当温度降至包晶温度时，发生 包晶反应。反应结束后，a相有剩余，合金 由a和两相组成。合金继续冷却时，将分 别从a和固溶体中析出II与aII。合金II 的最终室温组织组成物为a+II+aII 。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 v3、合金III（成分在d、e之间）的结晶过 程 当温度降至1点时，开始结晶，冷至包 晶温度2时，a相与液相的成分分别相当于c 点和e点的成分。在此温度下，发生包晶转 变。在包晶转变结束时，液相有剩

40、余。继 续冷却时，液相不断结晶出固溶体，当 合金冷却至3点时，合金凝固完毕，称为单 一的相，当冷却到4点温度时，将从相 中析出aII，合金III的最终室温组织组成物 为+aII 。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 ( (4)4)共析相图共析相图 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 从一个固相中同时析出成分和晶体结构完 全不同的两种新的固相转变过程，称为共析转 变 。图中A、B为二组元，合金凝固后获得r固 溶体，rc在恒温下进行共析转变： rc

41、 ad + e （ad+e）称为共析体，c点为共析点， dce为共析线，对应的温度为共析温度。 5.3 二元合金的相图二元合金的相图 机机 械械 工工 程程 材材 料料 v共析反应产物也是两相机械混合物，称为共析组 织或共析体。共析反应与共晶反应不同的是，共 析反应的母相是固相，而不是液相，因而共析转 变也是固态相变，和同素异构转变一样，固态相 变又称二次结晶或重结晶，它有着与结晶不同的 特点： v （1）、发生固态转变时，形核一般在某些特定部位发生 （如晶界、晶内缺陷、特定晶面等），因为这些部位或与 新相结构相近，或原子扩散容易。 v （2）、由于固态下扩散困哪，因而固态转变的过冷度大， 与共晶体相比，共析体组织较细而均匀。 v （3）、固态转变往往伴随着体积变化，因而易产生很大 的内应力，使材料发生变形或开裂。 v 共析转变对合金的热处理强化具有重大意义，钢铁和钛合 金的热处理就是建立在共析转变的基础上的。 5.3 二元合