第三章二元合金与相图

1、第三章 二元合金与相图p纯金属的应用纯金属的应用 导电体、导热体导电体、导热体( (散热器散热器) )、装饰品、工艺美术品、装饰品、工艺美术品( (化学稳定性、化学稳定性、 美丽的光泽美丽的光泽) )等等 但其力学性能差（但其力学性能差（b b）、品种有限约）、品种有限约8080种、提纯成本高种、提纯成本高p合金材料的应用合金材料的应用 HBHB 、b b，数量上万种，生产成本低，广为开发利用，数量上万种，生产成本低，广为开发利用第三章 二元合金与相图强度高强度高纯金属强度低纯金属强度低合合 金金 化化纯铁纯铁:b =200MPa45钢钢:b =610MPa （45钢钢=纯铁纯铁+0.45%碳

2、碳）纯铁金相组织纯铁金相组织45钢金相组织钢金相组织第三章 二元合金与相图p关于合金的相关概念关于合金的相关概念n合金合金 通过熔炼、烧结或其他方法，将一种金属元素通过熔炼、烧结或其他方法，将一种金属元素 同一种或几种其他元素结合在一起所形成的具有同一种或几种其他元素结合在一起所形成的具有 金属特性的新物质金属特性的新物质 三层含义：合金组成三层含义：合金组成、制备方法、金属特性制备方法、金属特性例如：黄铜是铜和锌组成的合金例如：黄铜是铜和锌组成的合金 硬铝是铝、铜、镁组成的合金硬铝是铝、铜、镁组成的合金 碳钢就是铁和碳组成的合金碳钢就是铁和碳组成的合金第三章 二元合金与相图p关于合金的相关概

3、念关于合金的相关概念n组元组元 组成合金独立的、最基本的单元组成合金独立的、最基本的单元 组元可以是：金属、非金属、稳定化合物组元可以是：金属、非金属、稳定化合物例如：黄铜中例如：黄铜中Cu和和Zn都是组元都是组元 硬铝合金中硬铝合金中Al、Cu、Mg都是组元都是组元 亚共析钢中亚共析钢中Fe和和Fe3C都是组元都是组元 铝硅合金中铝硅合金中Al和和Si都是组元都是组元 第三章 二元合金与相图p关于合金的相关概念关于合金的相关概念n合金系合金系 相同组元按不同比例配制一系列不同成分的合金，相同组元按不同比例配制一系列不同成分的合金，构成一个合金系构成一个合金系 合金系中：组元固定、含量（成分合

4、金系中：组元固定、含量（成分) )不同不同例如：例如：金色黄铜和弹壳黄铜都是黄铜，但金色黄铜含金色黄铜和弹壳黄铜都是黄铜，但金色黄铜含Cu 90%，含，含Zn10%，而弹壳黄铜含，而弹壳黄铜含Cu70%， 含含Zn 30% CuZn0 25 50 75 100w wZn（%）黄铜合金系线黄铜合金系线合金的成分A A组元组元B B组元组元第三章 二元合金与相图p关于合金的相关概念关于合金的相关概念n二元合金二元合金 由两个组元构成的合金由两个组元构成的合金 例如：黄铜有例如：黄铜有Cu和和Zn两个组元，属于二元合金两个组元，属于二元合金 亚共析钢有亚共析钢有Fe和和Fe3C两个组元，也属于二元合

5、金两个组元，也属于二元合金 n三元合金三元合金 由三个组元构成的合金由三个组元构成的合金 例如：硬铝有例如：硬铝有Al、Cu和和Mg三个组元，属于三元合金三个组元，属于三元合金 第三章 二元合金与相图 第一节第一节 固态合金相结构固态合金相结构p关于相的相关概念关于相的相关概念n相相 在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀部分其他部分有界面分开的均匀部分 n单相单相 若合金是由成分和结构都相同的同一种晶粒构成，称若合金是由成分和结构都相同的同一种晶粒构成，称合金含有一种相，为单相合金含有一种相，为单相 第三章 二元合金与相图 第

6、一节第一节 固态合金相结构固态合金相结构p关于相的相关概念关于相的相关概念n多相多相 若合金是由成分和结构不相同的多种晶粒构成，称若合金是由成分和结构不相同的多种晶粒构成，称合金含有多种相，为多相合金含有多种相，为多相 显微组织与相之间的关系显微组织与相之间的关系 显微组织是由相组成，是由于组成相的种类、相对数量、晶显微组织是由相组成，是由于组成相的种类、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征的粒形状、大小及分布形态等的不同，而分别具有不同形貌特征的相的组合物相的组合物第三章 二元合金与相图 第一节第一节 固态合金相结构固态合金相结构p合金相种类合金相种类固溶体固溶

7、体金属化合物金属化合物 相相第三章 二元合金与相图 第一节第一节 固态合金相结构固态合金相结构p固溶体固溶体合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶体合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶体置换原子置换原子第三章 二元合金与相图 第一节第一节 固态合金相结构固态合金相结构p固溶体固溶体晶体结构特点晶体结构特点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举例：举例：l铁素体（一种固溶体）其溶剂是铁素体（一种固溶体）其溶剂是FeFe，溶质是，溶质是C C，溶剂常温晶格为体，溶剂常温晶格为体心立方结构，溶质为层状立边形结构，铁

8、素体为体心立方晶格结构心立方结构，溶质为层状立边形结构，铁素体为体心立方晶格结构l奥氏体（一种高温固溶体）其溶剂是奥氏体（一种高温固溶体）其溶剂是FeFe，溶质是，溶质是C C，溶剂高温晶格，溶剂高温晶格为面心立方结构，溶质为层状六边形结构，奥氏体为面心立方晶格为面心立方结构，溶质为层状六边形结构，奥氏体为面心立方晶格结构结构第三章 二元合金与相图 第一节第一节 固态合金相结构固态合金相结构p固溶体固溶体固溶体分类固溶体分类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， 固溶体可分为两类固溶体可分为两类 置换固溶体置换固溶体 间隙固溶体间隙固溶体固溶体固溶体有

9、序固溶体有序固溶体无序固溶体无序固溶体第三章 二元合金与相图 第一节第一节 固态合金相结构固态合金相结构p固溶体固溶体固溶体分类固溶体分类n置换固溶体置换固溶体 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l无序固溶体无序固溶体溶质原子在溶剂晶格中的呈无规则分布。（多数）溶质原子在溶剂晶格中的呈无规则分布。（多数） l有序固溶体：有序固溶体：溶质原子在溶剂晶格中的呈规则分布。溶质原子在溶剂晶格中的呈规则分布。 （为数不多）（为数不多）第三章 二元合金与相图 第一节第一节 固态合金相结构固态合金相结构p固溶体固溶体固溶体分类固溶体分类n

10、间隙固溶体间隙固溶体 指溶质原子进入溶剂晶格间隙而形成的固溶体指溶质原子进入溶剂晶格间隙而形成的固溶体间隙固溶体一定是无序固溶体间隙固溶体一定是无序固溶体第三章 二元合金与相图 第一节第一节 固态合金相结构固态合金相结构p固溶体固溶体固溶体分类固溶体分类n溶解度溶解度 在一定温度及压力下，溶质元素在固溶体中的极限浓度在一定温度及压力下，溶质元素在固溶体中的极限浓度l无限固溶体无限固溶体成分在成分在0%0%100%100%间可以任意改变的固溶体间可以任意改变的固溶体l有限固溶体：有限固溶体：成分成分有限的固溶体有限的固溶体第三章 二元合金与相图 第一节第一节 固态合金相结构固态合金相结构p固溶体

11、固溶体不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化固溶强化固溶体的性能固溶体的性能第三章 二元合金与相图 第一节第一节 固态合金相结构固态合金相结构p固溶体固溶体固溶强化固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。是提高金属材料力学性

12、能的重要途径之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金构材料，都是以固溶体为基体的合金固溶体的性能固溶体的性能第三章 二元合金与相图 第一节第一节 固态合金相结构固态合金相结构p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度的金属性质的化合物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结构特点结构特点金属化合

13、物的晶格结构类型不同于任一组元（可用分子式大致表示）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）举例：举例：l渗碳体是由渗碳体是由FeFe和和C C构成的金属化合物，构成的金属化合物，其晶格类型与其晶格类型与FeFe和和C C都不形同，而是形都不形同，而是形成一种复杂晶格（如右图）。成一种复杂晶格（如右图）。FeFe与与C C原原子比例固定为子比例固定为3:13:1，故可以，故可以FeFe3 3C C来表示来表示渗碳体的晶格结构渗碳体的晶格结构第三章 二元合金与相图 第一节第一节 固态合金相结构固态合金相结构p金属化合物金属化合物结构特点结构特点晶体结构复杂，熔点高、硬度高、脆

14、性大。一般只用作强化相晶体结构复杂，熔点高、硬度高、脆性大。一般只用作强化相第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p基本知识基本知识n 相图（合金平衡图相图（合金平衡图/合金状态图）合金状态图） 用图解的方法表示不同温度、压力及成分下的合用图解的方法表示不同温度、压力及成分下的合金系中各相的平衡关系金系中各相的平衡关系 平衡状态下平衡状态下是个理想状态是个理想状态 只有在极缓慢的冷却只有在极缓慢的冷却速度下才能趋近这个状态速度下才能趋近这个状态第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图n 二元合金基本相图二元合金基本相图l 匀晶相图匀晶相图l 共晶相

15、图共晶相图l 包晶相图包晶相图l 共析相图共析相图l 稳定化合物相图稳定化合物相图 p基本知识基本知识第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p匀晶相图匀晶相图 两组元在液态时无两组元在液态时无限互溶，在固态时限互溶，在固态时也无限互溶，且形也无限互溶，且形成单相固溶体，所成单相固溶体，所构成的相图构成的相图 I I：纯铜；：纯铜；IIII：75%Cu+25%Ni III75%Cu+25%Ni III：50%Cu+50%Ni 50%Cu+50%Ni IVIV：25%Cu+75%Ni V25%Cu+75%Ni V：纯：纯NiNi Cu-NiCu-Ni合金相图的测画及相图合金

16、相图的测画及相图 第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图液相区液相区 L双相区双相区 L+固相区固相区 液相线液相线 aeb固相线固相线 alb液相区固相区双相区匀晶转变匀晶转变由液相直接结晶成由液相直接结晶成单相固溶体的结晶转变单相固溶体的结晶转变 L p匀晶相图匀晶相图第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是不相同的，其变化规律是沿着固相线变化。与此同时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化 p匀晶相图匀晶相图第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图晶内偏析晶内偏析: :在一个晶

17、粒内，各处成分的不均匀现象 因为金属通常以枝晶方式结晶，先形成的主干和后形成的支干就会有化学成分之差，所以也称枝晶偏析枝晶偏析p匀晶相图匀晶相图第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图枝晶偏析会降低合金的力学性能（尤其是塑性和韧性）和工艺性能均匀化退火（扩散退火）均匀化退火（扩散退火）把有枝晶偏析的合金放在低于固相线100200的温度下进行较长时间的加热，通过原子的相互扩散而使成分趋于均匀p匀晶相图匀晶相图第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图 共晶相图共晶相图当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，而且发生共晶反应，所构成的合金相图(或者说以

18、共晶转变为主的相图） 共晶转变共晶转变一定化学成分的合金在一定的温度下（恒温恒温），同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相p共晶相图共晶相图第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p共晶相图共晶相图（ F F+G G ）是两种固相机械的混合在一起，形成）是两种固相机械的混合在一起，形成有固定化学成分的基本组织，称为有固定化学成分的基本组织，称为共晶体共晶体LEF+G恒温恒温共晶转变共晶转变第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p共晶相图共晶相图1）固溶体：Pb为溶剂，Sn为溶质2）固溶体：Sn为溶剂，Pb为溶质3）共晶体(+) 4）共晶

19、点d5）铅的溶点a6）锡的溶点b7）固溶体溶解度变化曲线cf 8） 固溶体溶解度变化曲线eg 9）三个单相区：L、10) 液相线adb11）固相线acdeb 12）共晶线cde13）三个两相区：L+、L+、+ 14）一个三相区：L+，在共晶转变过程中三相同时存在。第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p共晶相图共晶相图三种类型合金三种类型合金l 共晶合金：对应共晶成分的合金共晶合金：对应共晶成分的合金l 亚共晶合金或过共晶合金：化学亚共晶合金或过共晶合金：化学成分低于或高于共晶成分的合金成分低于或高于共晶成分的合金l 固溶体合金：没有共晶转变而只固溶体合金：没有共晶转变

20、而只有固溶体匀晶转变的合金有固溶体匀晶转变的合金合金I的结晶过程：LL+II第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p共晶相图共晶相图固溶体合金固溶体合金结晶过程结晶过程第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p共晶相图共晶相图固溶体合金固溶体合金结晶过程结晶过程室温下合金I的显微组织：显微组织：a）相组成：、；b）组织组成：、II合金II的结晶过程：LL+（+）（+）第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p共晶相图共晶相图共晶合金共晶合金结晶过程结晶过程第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p共晶相图

21、共晶相图共晶合金共晶合金结晶过程结晶过程室温下合金的显微组织：显微组织：a）相组成：、；b）组织组成：（+）合金III的结晶过程：LL+（+） +（+）+II 第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p共晶相图共晶相图亚共晶合金亚共晶合金结晶过程结晶过程第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p共晶相图共晶相图亚共晶合金亚共晶合金结晶过程结晶过程室温下合金的显微组织：显微组织：a）相组成：、； b）组织组成：、（+）、第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p共晶相图共晶相图过共晶合金过共晶合金结晶过程结晶过程室温下合金的显微组

22、织：显微组织：a）相组成：、； b）组织组成：、（+）、l合金的相组成物：合金的相组成物：在合金的显微组织中的基本相，如、固溶体相l合金的组织组成物：合金的组织组成物：由基本相组成的单相组织和共晶体等基本组织，如亚共晶合金的组织组成物 +II+（+）第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p共晶相图共晶相图PbSnPbSn合金相图合金相图( (用组织组成物标注）用组织组成物标注）g第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p共晶相图共晶相图n 体积质量偏析体积质量偏析由于体积质量的原因而引起铸件成分偏析偏析造成力学性能各处各异，这会降低铸件的使用寿命在

23、选用合金化学成分上和合金结晶时，采取各种措施来尽量减少这种偏析第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p合金性能与相图的关系合金性能与相图的关系 力学性能与相图的关系力学性能与相图的关系 合金铸造性能与相图的关系合金铸造性能与相图的关系 压力加工性能与相图的关系压力加工性能与相图的关系第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p合金性能与相图的关系合金性能与相图的关系力学性能与相图的关系力学性能与相图的关系l当合金形成单相固溶体时，当合金形成单相固溶体时，由于溶质原子使基体晶格畸变，由于溶质原子使基体晶格畸变，溶质元素浓度越高，引起晶格溶质元素浓度越高

24、，引起晶格畸变越大，则合金的强度、硬畸变越大，则合金的强度、硬度越高度越高l当合金形成为两相机械混合当合金形成为两相机械混合物的组织时，合金的强度和硬物的组织时，合金的强度和硬度随成分的变化呈直线关系，度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值大致是两相性能的算术平均值第三章 二元合金与相图 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图p合金性能与相图的关系合金性能与相图的关系铸造性能与相图的关系铸造性能与相图的关系l铸造性能主要表现在流动性、铸造性能主要表现在流动性、偏析、缩孔等方面，主要决定偏析、缩孔等方面，主要决定与液相线与固相线之间的温度与液相线与固相线之间的温度间隔间隔l液固相线距离愈小，结晶温液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小度范围愈小合金的流动性好合金的流动性好有利于浇注有利于浇注l液固相线距离大液固相线距离大枝晶偏析枝晶偏析倾向愈大，合金流动性也愈差，倾向