7 合金的相结构与相图（3.1 合金的相结构及相图的建立）

第三章合金的相结构与相图机械工程材料主要内容3.2二元合金相图基础

1.合金的相结构及其性能

2.合金的结晶与相图的建立

1.匀晶相图（学习二元相图的基础）2.共晶相图（学习二元相图的关键）3.包晶相图4.具有稳定化合物的相图5.具有共析反应的相图机械工程材料3.1合金的相结构与相图的建立选讲部分3.3合金性能与相图间的关系阅读部分3.4三元合金相图基础本

章

内

容（1）理解合金的相结构，并结合晶体缺陷解释合金相或组织的性能特点。（2）能够认识相图的构成、方法、意义，能够应用二元合金相图分析合金的结晶过程规律、解释枝晶偏析、比重偏析等现象，掌握杠杆定律及其应用。（3）能够应用相图表达的合金结晶规律，指导生产获得预期的材料性能。学习成果达成机械工程材料例1

南京长江大桥的建筑中，大量采用含锰为1.30%~1.60%的低合金结构钢。例2高速钢W18Cr4V中含有大量的合金元素，使其具有更高的热硬性和耐磨性，允许有更高的切削速度，且能较长时间保持刃口锋利，故俗称“锋钢”。举例说明，合金元素对合金基本相的形成及其性能的影响。项

目

设

计机械工程材料3.1合金的相结构及相图的建立机械工程材料3.1.1合金的相结构及其性能

固溶体

固溶强化

金属化合物

弥散强化①②③⑥⑤④冷却时间/min温度/℃Cu

20

40

60

80

NiABwNi/％LαL+α1083℃1455℃

3.2.2合金的结晶与相图的建立

合金的结晶过程的特点

相图的建立过程3.1合金的相结构及其系统的建立

（1）合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经

一定方法合成的具有金属特性的物质。

如黄铜是铜锌合金，钢是铁碳合金。

（2）组元：组成合金最基本的物质。

组元可以是元素，也可以是化合物。

如铁碳合金的组元是Fe和Fe3C。

根据组元数多少，有二元、三元合金等。（3）合金系：给定组元、以不同的比例合成的一系列不同成分合金的总称。如Fe-C，Fe-Cr等。基本概念机械工程材料3.1合金的相结构及其系统的建立

（4）相：合金中结构相同、成分和性能均一的、并与其他部分有明显界面分开的组成部分。（5）相变：金属或合金在一定条件下，由一种相转变为另一种相。基本概念机械工程材料γ-Fe，面心立方

α-Fe，体心立方

（6）组织：组成合金的各相成分、数量、结构、形态、性能和各相的组合情况称为组织。单相组织多相（或复相）合金的性能一般都是由组织所决定1合金的基本相

根据合金中各组元的相互作用合金金属化合物固溶体间隙固溶体置换固溶体正常价化合物间隙化合物电子化合物机械工程材料3.1.1合金的相结构及其性能合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B),其中A为溶剂,B为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示,亦可表示为Cu(Zn)。固溶体（定义和表示方法）机械工程材料3.1.1合金的相结构及其性能固溶体分类

按溶质原子在溶剂晶格中的位置,固溶体可分为按溶质原子在溶剂中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体无限固溶体按溶质原子在固溶体中分布是否有规律，固溶体分

无序固溶体

有序固溶体

在一定条件(如成分、温度等)下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体，这种转变叫做有序化。机械工程材料3.1.1合金的相结构及其性能置换固溶体间隙固溶体置换固溶体间隙固溶体溶质原子替换晶格点阵位置的溶剂原子。大多为有限固溶体。也可形成无限固溶体。原子半径较小的非金属元素溶入金属晶体的间隙。r溶质/r溶剂<0.59。只能形成有限固溶体。机械工程材料3.1.1合金的相结构及其性能

固溶强化：通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属强度和硬度提高的现象。

机械工程材料3.1.1合金的相结构及其性能固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。因此，合金中的固溶体性能仍然为：塑性、韧性好，强度硬度低，称为塑韧相。固溶强化的原因：

溶质原子引起晶格畸变，

使变形抗力增加。金属化合物：是指合金组元间相互作用而形成的具有金属特性的一种新相。

如碳钢中的Fe3C。金属化合物机械工程材料3.1.1合金的相结构及其性能复杂的斜方晶格Fe3C结构模型非金属化合物：而碳钢中的FeS、MnS具有离子键，没有金属性质，属于非金属化合物，数量少且对合金性能影响很坏，因而一般称为非金属夹杂。金属化合物间隙化合物正常价化合物

1正常价化合物（1）形成：电负性差起主要作用，符合原子价规则。（2）键型：随电负性差的减小，分别形成离子键、共价键、金属键。（3）组成：AB或AB2。2电子化合物（电子相）（1）形成：电子浓度起主要作用，不符合原子价规则。（2）键型：金属键（金属－金属）。（3）组成：电子浓度对应晶体结构，可用化学式表示，可形成以化合物为基的固溶体。3间隙化合物（1）形成：尺寸因素起主要作用。（2）结构：具有复杂结构，主要是铁、钴、铬、锰的化合物，如Fe3C；晶体结构简单，金属原子呈现新结构，非金属原子位于其间隙。如面心立方VC。（3）组成：可用化学式表示，可形成固溶体，复杂间隙化合物的金属元素可被置换电子化合物（电子相）机械工程材料3.1.1合金的相结构及其性能金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，高硬度、低塑性，硬而脆的特性，故单相金属化合物的合金很少使用。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。金属化合物是工具钢、高速钢等钢中的重要组成相。弥散强化现象：金属化合物细小均匀地分布在固溶体的基础上时，能显著提高合金的性能，包括强度、硬度和耐磨性。机械工程材料3.1.1合金的相结构及其性能

基本概念：相组织合金的基本相结构：固溶体金属化合物两种强化作用：固溶强化

弥散强化本节小结机械工程材料3.1.1合金的相结构及其性能机械工程材料3.1.2合金的结晶与相图的建立1.合金的结晶时间温度OT0开始结晶结晶完毕纯金属冷却曲线Ⅰ形成单相固溶体Ⅱ形成单相化合物或析出共晶体合金的三种冷却曲线时间温度ⅢⅠⅡabⅢ形成机械混合物aa’abb’合金结晶过程和纯金属的异同相同点：都遵循晶核形成和晶核长大两个过程；都需要过冷度。

ⅠⅡ机械工程材料3.1.2合金的结晶与相图的建立

纯金属只有一个结晶临界点，恒温下进行合金有两个临界点，结晶开始和结束温度不同

纯金属结晶过程中，化学成分不变合金结晶过程中，化学成分有变化，结晶结束后，成份恢复纯金属只有一种特定的晶体状态合金有单相固溶体、单相金属化合物、和机械混合物（共晶体、共析体）ⅠⅡⅢ不同点：机械工程材料3.1.2合金的结晶与相图的建立机械工程材料3.1.2合金的结晶与相图的建立为什么要学习相图？合金结晶结晶过程复杂，得到的组织可以是单相或是多相，既可是纯固溶体也可是化合物或两相组成的机械混合物。具体成分的合金显微组织可能是其中的一个相或一个基本组织，也可能是多个相及基本组织的组合。在不同温度下，同一化学成分合金的显微组织也可能不同。对如此复杂的情况，只用冷却曲线或语言简单叙述是很不方便的。因此，出现了用相图这种形式来表述合金的结晶及冷却的相变状况。机械工程材料3.1.2合金的结晶与相图的建立2.相图的建立合金相图又称平衡图或平衡状态图。它以合金成分为横坐标，以温度为纵坐标，表示同一合金系在平衡状态下不同成分的合金在不同温度下由哪些相组成，以及相间平衡关系的图形。平衡是指热力学平衡，即一定成分的合金在一定温度下各相的量不再发生变化，处于动态平衡状态。处在动态平衡状态下的相称为平衡相。合金的性能是由合金的成分、组织决定的，因而合金相图是研究合金成分、组织、性能之间关系最重要的工具。

合金相图的概念和重要性机械工程材料3.1.2合金的结晶与相图的建立

相图是在平衡态下测画出来的。因此也称合金的平衡状态图。相图是表示在平衡状态下合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。由于受到几何表述的限制，虽然合金系中的组元可以是多个，但是，只能测画出二元合金的二元相图和三元合金的三元相图，三元以上的合金通常是不能直接用相图来表述。即使三元合金的相图也是很复杂的。本节重点学习二元相图。

相图建立机械工程材料3.1.2合金的结晶与相图的建立2.相图的建立以Cu—Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤：（1）配制不同成分的合金试样。如：Ⅰ纯铜；Ⅱ75%Cu+25%Ni；Ⅲ

50%Cu+50%Ni；Ⅳ25%Cu+75%Ni；

Ⅴ纯Ni。（2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点；（3）将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上；（4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu、Ni合金相图。步骤热分析法装置示意图机械工程材料3.1.2合金的结晶与相图的建立绘制Cu—Ni合金相图①②③⑥⑤④冷却时间/min温度/℃Cu

20

40

60

80

100NiABwNi/％1083℃机械工程材料Lα3.1.2合金的结晶与相图的建立L+α1455℃

1.南京长江大桥-—"争气桥"的建筑中，大量采用含锰为1.30%~1.60%的低合金结构钢；高速钢（白钢刀）中含有大量的合金元素，使其具有更高的热硬性和耐磨性，允许有更高的切削速度，且能较长时间保持刃口锋利，故俗称“锋钢”。举出更多的例子，说明合金元素对合金基本相的形成及其性能的影响。为什么要学会相图？1968年的南京长江大桥战国青铜编钟

2.«周礼·考工记»对青铜的成分和用途关系有如下的记载：“金有六齐：六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金、锡半，谓之鉴燧之齐”。这“六齐”规律是世界上最早的金属材料的成分和用途间关系的总结。请思考：（1）“金”是指哪种金属?（2）青铜的主要成分除了“金”之外还包括什么?（3）如果我们想要铸造司母戊鼎这样的青铜器，应当选择哪一个配方?为什么要学会相图？

3.在日常生活和工业用品中，铅锡合金制品处处皆是。讨论铅锡合金制品的应