工程材料课件第三章二元合金及其相图

1、第三章第三章 二元合金及其相图二元合金及其相图问题的提出：问题的提出：纯铁纯铁45号钢号钢主要原因：主要原因：纯铁强度：纯铁强度：250MPa45钢强度：钢强度：610MPa45钢是两个相钢是两个相F+Fe3C （合金）（合金）纯铁是一个相纯铁是一个相F （纯金属）（纯金属）纯金属纯金属导电体、导热体导电体、导热体(散热器散热器)装饰品、工艺装饰品、工艺 美术品美术品(化学稳定性、美丽的光泽化学稳定性、美丽的光泽) 但：但： 力学性能差（力学性能差（b）、品种有限）、品种有限 （约（约80种）、提纯成本高种）、提纯成本高合金材料合金材料HB、b，数量上万种，生产成本低，数量上万种，生产成本低，

2、 广为开发利用。广为开发利用。1、 合金合金金属元素金属元素+几种其它元素、具有金属性几种其它元素、具有金属性几个基本概念：几个基本概念：2、 成分成分合金中各种元素的含量，称为成分合金中各种元素的含量，称为成分3、 组元组元组成合金的最简单，最基本，能够独立存组成合金的最简单，最基本，能够独立存 在的物质。在的物质。 (比如纯元素)4、 合金系合金系由两个或两个以上组元按不同比例配制由两个或两个以上组元按不同比例配制 成的一系列不同成份的合金。成的一系列不同成份的合金。3-1 固态合金相的种类及特点固态合金相的种类及特点对于合金：对于合金：L冷却冷却S晶晶时，各区域间成份、结构时，各区域间成

3、份、结构 相：在金属或合金中凡是具有相同成分、相同结构相：在金属或合金中凡是具有相同成分、相同结构并与其他部分有界面分开的，均匀的组成部分，称并与其他部分有界面分开的，均匀的组成部分，称之为相。之为相。完全一致完全一致 相的概念相的概念不完全一致不完全一致但但注意注意：多晶体可以是单相：多晶体可以是单相相可分为两大类：即相可分为两大类：即“固溶体固溶体”和和“金属化合物金属化合物”组织：组织：由相组成的，是由于组成相的由相组成的，是由于组成相的种类、相对数种类、相对数量、晶粒形状、大小及分布形态量、晶粒形状、大小及分布形态等的不同，而分别等的不同，而分别具有不同形貌特征的相的组合物。具有不同形

4、貌特征的相的组合物。一、一、 固溶体固溶体 固溶体的晶格结构类型与溶剂金属组元的晶格相同。固溶体的晶格结构类型与溶剂金属组元的晶格相同。定义：定义： 在固态下，溶质原子以不同方式进入固态金属溶在固态下，溶质原子以不同方式进入固态金属溶 剂组元的晶格中，这样所形成的新相称为固溶体。剂组元的晶格中，这样所形成的新相称为固溶体。 （一）、固溶体晶体结构特点（一）、固溶体晶体结构特点（二）、固溶体分类及特性（二）、固溶体分类及特性 根据溶质原子在溶剂晶格中占据位置的不同，根据溶质原子在溶剂晶格中占据位置的不同， 固固溶体可分为两类：即溶体可分为两类：即 和和 。置换固溶体置换固溶体 间隙固溶体间隙固溶

5、体1 、置换式固溶体、置换式固溶体 是指溶质原子置换溶剂晶格结点上的溶剂原子是指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。而形成的固溶体。 （原子直径相近时形成）（原子直径相近时形成）根据溶质原子分布位置可分为：根据溶质原子分布位置可分为： 无序固溶体和有序固溶体无序固溶体和有序固溶体（1）、）、 无序固溶体：无序固溶体：溶质原子在溶剂晶格中的呈溶质原子在溶剂晶格中的呈 分布。（多数）分布。（多数） （2）、）、 有序固溶体：有序固溶体：溶质原子在溶剂晶格中的呈溶质原子在溶剂晶格中的呈 分布。分布。 （为数不多）（为数不多）有规律有规律无规律无规律2、间隙固溶体、间隙固溶体 是指溶质

6、原子进入溶剂晶是指溶质原子进入溶剂晶 格间格间隙而形成的固溶体。隙而形成的固溶体。（原子直径相差很大。）（原子直径相差很大。）间隙固溶体只能形成无序固溶体间隙固溶体只能形成无序固溶体 在一定温度及压力下，溶质元素在固在一定温度及压力下，溶质元素在固溶体中的最大溶入量与固溶体总量之比。溶体中的最大溶入量与固溶体总量之比。 （三）、固溶体的溶解度及其影响素（三）、固溶体的溶解度及其影响素1、 溶解度：溶解度： 溶解度在溶解度在0100%间可以任意间可以任意改变的固溶体。改变的固溶体。（1）、无限固溶体：）、无限固溶体： 只能是置换式固溶体在溶质与溶剂原子只能是置换式固溶体在溶质与溶剂原子尺寸差别较

7、小且晶格类型相同时产生。尺寸差别较小且晶格类型相同时产生。形成条件：形成条件：溶解度有限的固溶体。溶解度有限的固溶体。（2）有限固溶体：）有限固溶体： 置换式固溶体，可以形成无限固溶体。置换式固溶体，可以形成无限固溶体。 间隙式固溶体，只能形成有限固溶体而不能形成间隙式固溶体，只能形成有限固溶体而不能形成无限固溶体。无限固溶体。 由于组元间原子大小不同，所以由于组元间原子大小不同，所以溶质溶入将导致溶剂的晶格畸变。溶质溶入将导致溶剂的晶格畸变。 因为间隙固溶体中溶质因为间隙固溶体中溶质原子原子,都比溶剂晶格间隙尺寸大，所都比溶剂晶格间隙尺寸大，所以随着溶质原子溶入量的增加，固以随着溶质原子溶入

8、量的增加，固溶体晶格将产生严重的正畸变，溶溶体晶格将产生严重的正畸变，溶质原子溶入一定数量以后便不可能质原子溶入一定数量以后便不可能继续溶入，所以造成有限的溶解度，继续溶入，所以造成有限的溶解度，并且溶解度也不可能很大并且溶解度也不可能很大 。主要原因：主要原因：间隙固溶体中的晶格畸变间隙固溶体中的晶格畸变 2、溶解度影响因素、溶解度影响因素组元间晶格类型相同，溶解度组元间晶格类型相同，溶解度 较大。较大。 （1）晶体结构因素：）晶体结构因素： 对于置换固溶体，组元间晶格类型相同是形成无对于置换固溶体，组元间晶格类型相同是形成无限固溶体的必要条件。晶格类型不同，溶解度有限。限固溶体的必要条件。

9、晶格类型不同，溶解度有限。（2）原子大小因素：）原子大小因素：置换固溶体的晶格畸变置换固溶体的晶格畸变 原子尺寸原子尺寸差别越小溶解度越大。当差别越小溶解度越大。当差别小到一定程度，就可差别小到一定程度，就可能产生无限固溶体。若差能产生无限固溶体。若差别较大，则只能形成有限别较大，则只能形成有限固溶体。固溶体。 对置换固溶体对置换固溶体 ：溶质原子直径越小，溶解度越大。溶质原子直径越小，溶解度越大。 对间隙固溶体对间隙固溶体 ： 是指元素的原子从其它原子夺取电子而转变是指元素的原子从其它原子夺取电子而转变为负离子的能力。为负离子的能力。（3）电负性因素：）电负性因素：电负性因素：电负性因素：

10、溶质、溶剂的溶质、溶剂的电负性越接近溶解度越大。电负性越接近溶解度越大。越有利于越有利于形成无限固溶体。当元素间的电负性的差别大到一定程形成无限固溶体。当元素间的电负性的差别大到一定程度后，就难于形成固溶体，而倾向于形成化合物。度后，就难于形成固溶体，而倾向于形成化合物。 通过向溶剂金属中溶入溶质元素形成固溶体，而通过向溶剂金属中溶入溶质元素形成固溶体，而使固溶体合金强度、硬度升高的现象使固溶体合金强度、硬度升高的现象， （四）、（四）、 固溶强化固溶强化固溶强化。固溶强化。溶质溶入溶质溶入晶格畸变晶格畸变位错运动阻力增加位错运动阻力增加金金属塑性变形困难（抗力属塑性变形困难（抗力）高强度、硬

11、度（能量高强度、硬度（能量其他性能其他性能）。）。 1、产生固溶强化的原因：、产生固溶强化的原因：间隙式固溶体的晶格畸变大间隙式固溶体的晶格畸变大固溶强化效果明显。固溶强化效果明显。 2、固溶强化效果：、固溶强化效果：化合物化合物合金组元间发生相互作用而形成的一种新相合金组元间发生相互作用而形成的一种新相。当溶质含量溶解度时，将出现新相当溶质含量溶解度时，将出现新相化合物分类化合物分类金属化合物金属化合物具具有一定程度金属键，有一定程度金属键， 有金属特性有金属特性非金属化合物非金属化合物具有离子键，无金属特性具有离子键，无金属特性二、二、 金属化合物金属化合物具有相当程度的金属键并具有一定程

12、度具有相当程度的金属键并具有一定程度的金属性质的化合物。的金属性质的化合物。 金属化合物：金属化合物： 晶体结构复杂，熔点高、硬度高、脆性大。一晶体结构复杂，熔点高、硬度高、脆性大。一般只用作强化相般只用作强化相 金属化合物的晶格结构类型不同于任一组元（可金属化合物的晶格结构类型不同于任一组元（可用分子式大致表示）用分子式大致表示）（一）、金属化合物晶体结构特点（一）、金属化合物晶体结构特点（二）、金属化合物的特性（二）、金属化合物的特性（三）、金属化合物的种类及其特征（三）、金属化合物的种类及其特征常见常见三种类型三种类型：正常价化合物、电子化合物、间隙：正常价化合物、电子化合物、间隙化合物

13、）化合物） 1、正常价化合物、正常价化合物：符合一般原子价规律、成分固定符合一般原子价规律、成分固定可用化学分子式表达。可用化学分子式表达。 通常由强金属性的元素与非金属或通常由强金属性的元素与非金属或类金属元素类金属元素（如（如 IV、V、VI族）族）形成。形成。 如：如：Mg2Si、Mg2SnMg2Pb 原子结合力：原子结合力：以离子键、共价键为主以离子键、共价键为主 性能：性能：具有很高的硬度和脆性。具有很高的硬度和脆性。 2、电子化合物、电子化合物 ：服从电子浓度规律服从电子浓度规律(不遵守原子价不遵守原子价规律）电子浓度达到某一数值，便形成具有某种晶格结规律）电子浓度达到某一数值，便

14、形成具有某种晶格结构的化合物。构的化合物。 电子浓度（电子浓度（Ce):在合金相中，组元所贡献的价电子数在合金相中，组元所贡献的价电子数目之和与合金相的原子数目之比值目之和与合金相的原子数目之比值。 例：例：CuZn 电子浓度电子浓度：统计结果表明： Ce=21/14 为相，体心立方晶格。 Ce=21/13 为 相，复杂立方晶格。 Ce=21/12 为 相，密排六方晶格。23112111Ce（三）间隙化合物（三）间隙化合物 （主导因素为原子尺寸）（主导因素为原子尺寸） 由过渡族金属元素与原子半径较小的碳、氮、硼由过渡族金属元素与原子半径较小的碳、氮、硼等非金属元素所形成。等非金属元素所形成。

15、间隙相间隙相 ：d非非/d金金0.59 根据原子直径比和结构特点，分为两类：根据原子直径比和结构特点，分为两类：三、三、 固溶体同化合物晶体结构的区别固溶体同化合物晶体结构的区别固溶体的晶格结构类型与溶剂组元的晶格相同。固溶体的晶格结构类型与溶剂组元的晶格相同。化合物的晶格结构类型与任一组元的晶格不同。化合物的晶格结构类型与任一组元的晶格不同。3-2 二元合金相图二元合金相图 是表示合金系中合金在平衡条件下各相的存在是表示合金系中合金在平衡条件下各相的存在状状态与温度态与温度、成分成分间关系的图解。又称状态图或平衡图。间关系的图解。又称状态图或平衡图。相图：相图： 在合金系中，参与结晶或相转变

16、过程中的各相在合金系中，参与结晶或相转变过程中的各相之间之间相对重量相对重量和和相的浓度不再改变相的浓度不再改变时所达到的一种平衡。时所达到的一种平衡。相平衡：相平衡：L合金合金 S合金合金 单相，双相，多相单相，双相，多相结晶一、一、 二元合金的结晶分析及相图的建立二元合金的结晶分析及相图的建立 最常采用的热分析法，最常采用的热分析法， 以以Cu-Ni 合金为例说明合金为例说明测定二元相图的步骤如下：测定二元相图的步骤如下： 所以，相图上相及组织，都是在十分缓慢冷却条件所以，相图上相及组织，都是在十分缓慢冷却条件下获得的。下获得的。1、配制合金系，熔化；、配制合金系，熔化；2、测冷却曲线确定

17、临界点、测冷却曲线确定临界点3.画温度画温度-成分坐标标定临界点成分坐标标定临界点4.具有相同意义的点连线具有相同意义的点连线 0 20 50 80 100 Cu% 100 80 50 20 0 Ni %时间时间时间时间100%Cu20%Ni50%Ni80%Ni100%Ni温度温度 1500 1400130012001100温温度度 温温度度 1083118011301245132513701410LL+ABCu 10 30 50 70 90 Ni Ni (%)1453二、二元合金相图的基本类型二、二元合金相图的基本类型（一）匀晶相图：两组元在液态、固态均无限互溶的（一）匀晶相图：两组元在液态

18、、固态均无限互溶的 二元合金系所形成的相图。二元合金系所形成的相图。（如（如 Cu-Ni Cu-Au Au-Ag Fe-Ni等）等）a、b：纯组元：纯组元A、B的熔点的熔点液相线：液相线：acb固相线：固相线：adb 两个单相区：两个单相区：L、一个两相区：一个两相区：L +1、相图分析、相图分析2、平衡结晶过程分析、平衡结晶过程分析 计算某一成分的合金处于计算某一成分的合金处于两相平衡时在某温度下，合金两相平衡时在某温度下，合金中两个相的相对含量。中两个相的相对含量。3、二元相图的杠杆定律、二元相图的杠杆定律、杠杆定律的推导：、杠杆定律的推导：设合金总重为设合金总重为1；液相与合金总；液相与

19、合金总重之比为重之比为QL;固相与合金总重之固相与合金总重之比为比为Q。则可得方程组：。则可得方程组：QL+Q=1 (1)QLX1+QX2= X (2)解方程组得：解方程组得：化简为线段比：化简为线段比：abacxxxxQ121abcbxxxxQL212accbxxxxQQL12 XX1Q = X2 X1 X2XQL =1 Q = X2 X1、应用条件（在二元相图中）、应用条件（在二元相图中）A、只能在两相区对、只能在两相区对“相相”的相对含量计算的相对含量计算B、必须是两相处于平衡状态、必须是两相处于平衡状态4、枝晶偏析、枝晶偏析 可以采用扩散退火或均匀可以采用扩散退火或均匀化退火工艺予以消

20、除。化退火工艺予以消除。 即加热到固相线即加热到固相线100200，长时间保温，使偏析充，长时间保温，使偏析充分扩散，达到成份均匀。分扩散，达到成份均匀。 先后结晶的树枝状晶体内成先后结晶的树枝状晶体内成分不均匀的现象。分不均匀的现象。 （二）（二） 二元共晶相图：二元共晶相图： 二组元在液态无限互溶，在二组元在液态无限互溶，在固态仅有限互溶并能发生共晶转变的二元相图。固态仅有限互溶并能发生共晶转变的二元相图。（如：（如：Pb-Sn Pb-Sb Al-Si Ag-Cu等）等）1、相图分析、相图分析a、b ：纯组元：纯组元A、B的熔点。的熔点。液相线：液相线：acb固相线：固相线：adceb固溶

21、线：固溶线：df、eg两种固溶体：两种固溶体：、三个单相区：三个单相区： L、三个两相区：（三个两相区：（L+ ) 、 （L+ )、(+）一个三相区：一个三相区：L+ +三相线平衡水平线：三相线平衡水平线：dce 温度固定、三相成分温度固定、三相成分 固定，在相图中表现为水平线。固定，在相图中表现为水平线。共晶反应共晶反应：在一定温度下，由一定成分的液相同时结：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定且不相同的两个固相的转变，称为共晶晶出成分一定且不相同的两个固相的转变，称为共晶转变（或共晶反应）。转变（或共晶反应）。反应式为反应式为：Lctcd+e反应特征：反应特征：共晶转变产物称为

22、共晶转变产物称为共晶组织共晶组织(体体)。C点为点为共晶点共晶点 （共晶成分、共晶温度）（共晶成分、共晶温度）c 成分的合金称为成分的合金称为dc间成分的合金成为间成分的合金成为ce间成分的合金称为间成分的合金称为共晶合金共晶合金亚共晶合金，亚共晶合金，过共晶合金。过共晶合金。2、典型合金的平衡结晶过程、典型合金的平衡结晶过程 1）、共晶合金）、共晶合金 成分为成分为 c ，见图中的，见图中的 I 合金。合金。次生相（二次相）：次生相（二次相）：因溶解度减少，由已有的固相中因溶解度减少，由已有的固相中析出的新相小晶体。析出的新相小晶体。室温下的相室温下的相：、； 室温下的组织室温下的组织：()

23、共晶体共晶体室温下的相室温下的相 ： 相、相、相；相；室温下的组织室温下的组织：（：（）共晶体、）共晶体、 初初、 II室温下的相室温下的相 ： 相、相、相；相；室温下的组织室温下的组织：（：（）共晶体、）共晶体、 初初、 II 2）、亚共晶和过共晶合金）、亚共晶和过共晶合金亚共晶：亚共晶： d、c点之间的合金。（图中点之间的合金。（图中II ）过共晶：过共晶： e、c点之间的合金。（图中点之间的合金。（图中III） 初初II初初初初初初 3）、边际固溶体合金）、边际固溶体合金 e的合金的合金室温下的相室温下的相 ： 相、相、相；相；室温下的组织室温下的组织： 初初、 II特别注意特别注意：虽

24、然只有在共晶点（共晶温度、共晶成分）才发虽然只有在共晶点（共晶温度、共晶成分）才发生共晶反应，但是在生共晶反应，但是在de水平线所包含成分范围内的所有成分合水平线所包含成分范围内的所有成分合金在从液态向固态转变过程中在共晶温度，都要发生共晶转变。金在从液态向固态转变过程中在共晶温度，都要发生共晶转变。这时其液态合金的成分已沿着液相线转变为共晶成分了。这时其液态合金的成分已沿着液相线转变为共晶成分了。3、具有共晶相图的、具有共晶相图的Pb-Sn二元合金的典型平衡组织二元合金的典型平衡组织 共晶合金 亚共晶合金 过共晶合金4、关于相和组织的概念、关于相和组织的概念相：相：在金属或合金中凡是具有相同

25、成分、相同结构并在金属或合金中凡是具有相同成分、相同结构并与其他部分有界面分开的，均匀的组成部分，称与其他部分有界面分开的，均匀的组成部分，称之为相。之为相。 组织：组织：金属和合金的组织是由相组成的，是由于组金属和合金的组织是由相组成的，是由于组成相的种类、相对数量、晶粒形状、大小及成相的种类、相对数量、晶粒形状、大小及分布形态等的不同，而分别具有不同形貌特分布形态等的不同，而分别具有不同形貌特征的相的组合物。征的相的组合物。显微组织：显微组织：借助于各种不同放大倍数的金相显微镜所借助于各种不同放大倍数的金相显微镜所观察到的金属和合金中的晶粒形状、大小观察到的金属和合金中的晶粒形状、大小及各

26、组成相的分布形态等形貌，称为显微及各组成相的分布形态等形貌，称为显微组织或金相组织（简称金相）。组织或金相组织（简称金相）。图图3-22 由相所构成的不同组织的示意图由相所构成的不同组织的示意图 固溶体：固溶体：、； 金属化合物：金属化合物：、5、杠杆定律的应用、杠杆定律的应用1) 计算（计算（f、g）成分范围内，任）成分范围内，任意成分二元合金室温下相组成物意成分二元合金室温下相组成物的相对量（重量百分数）的相对量（重量百分数） 。 图中图中 I 合金室温下为合金室温下为、两相应两相应用杠杆定律可得：用杠杆定律可得： %100fgxg%1001fgfx5、杠杆定律的应用、杠杆定律的应用 2）

27、计算亚共晶合金（或过共晶合）计算亚共晶合金（或过共晶合金）室温下组织组成物的相对量金）室温下组织组成物的相对量（重量百分数）。（重量百分数）。 该合金室温时的组织组成物为：该合金室温时的组织组成物为：%1002)(dcdLcIIcddccL初%10021%1002%100fgfhdccfgfhdIIII1初初初+ II +(+)dLc初初IId共晶共晶温度温度 （三）二元包晶相图：二组元在液态下无限互溶，在（三）二元包晶相图：二组元在液态下无限互溶，在固态下生成有限固溶体，并发生包晶转变的相图称为包固态下生成有限固溶体，并发生包晶转变的相图称为包晶相图。晶相图。1、相图分析、相图分析液相线液相

28、线：aeb 固相线固相线：acdbcf、dg线线：分别是：分别是B组元在组元在固溶体和固溶体和A组元在组元在固溶体中的溶解度曲线固溶体中的溶解度曲线。包晶线包晶线：水平线：水平线cde； d为为包晶点包晶点。包晶转变包晶转变：在一定温度下，成分一定：在一定温度下，成分一定的固相与包围它的液相相互作用而转的固相与包围它的液相相互作用而转变为成分一定的新的固相的转变称为变为成分一定的新的固相的转变称为包晶转变（或包晶反应）。包晶转变（或包晶反应）。反应式：反应式：Le+ c dtd相图中还有相图中还有三个单相区三个单相区：、L 三个两相区三个两相区： L +、 L +、 +2、典型合金的平衡结晶及

29、组织、典型合金的平衡结晶及组织1）I合金（合金（d点成分）室温相组成物为：点成分）室温相组成物为： 、 室温组织组成物为：室温组织组成物为： + IILLLLLII时间温度1ddL+ II2 ） II合金合金 （c、d之间）之间） 室温相组成物为：室温相组成物为： 、 室温组织组成物为：室温组织组成物为： + II + IILLLLLIIII1mm时间温度L+ /II /II3 ） III 合金合金 室温相组成物为：室温相组成物为： 室温组织组成物为：室温组织组成物为： LLLLL时间温度1nnL+ L （四）（四） 其它类型的二元相图其它类型的二元相图1、形成稳定化合物的二元、形成稳定化合物

30、的二元 相图相图稳定化合物稳定化合物：在熔化前既不：在熔化前既不分解，也不产生任何化学反分解，也不产生任何化学反应的化合物称为稳定化合物应的化合物称为稳定化合物。 稳定化合物可视为该合稳定化合物可视为该合金中的一个组元。通常它们金中的一个组元。通常它们具有严格的成分，固定熔点，具有严格的成分，固定熔点，在相图中可用一根垂线表在相图中可用一根垂线表示。示。 。2、二元共析相图、二元共析相图 高温形成的固溶体，在冷却至某一温度时，固溶高温形成的固溶体，在冷却至某一温度时，固溶体又将发生转变，形成两种成分一定且不相同的新的体又将发生转变，形成两种成分一定且不相同的新的固相。这种相图称为固相。这种相图

31、称为二元共析相图二元共析相图。共析转变共析转变：在一定温度下，：在一定温度下，由成分一定的固相同时析出由成分一定的固相同时析出两种成分一定且不相同的新两种成分一定且不相同的新固相的转变，称为共析转变固相的转变，称为共析转变（或共析反应）。（或共析反应）。 c d+ e恒温恒温LL + 时间温度LL( + )1231233共析转变示意图共析转变示意图 (五五)二元合金相图小节二元合金相图小节1、两个单相区只能相邻于一点，而不能相邻于一条线、两个单相区只能相邻于一点，而不能相邻于一条线3、三相平衡共存时，必定是、三相平衡共存时，必定是一条水平线，每条水平线必一条水平线，每条水平线必定和三个两相区相遇。定和三个两相区相遇。2、两个单相区之间必定有一个由这两个单相组成的、两个单相区之间必定有