二元合金及其相圖

關(guān)于二元合金及其相圖第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二純金屬—— 導(dǎo)電體、導(dǎo)熱體(散熱器)裝飾品、工藝美術(shù)品(化學(xué)穩(wěn)定性、美麗的光澤)

但： 力學(xué)性能差（σb↓）、品種有限（約80種）、提純成本高 合金材料——HB、σb↑，數(shù)量上萬種，生產(chǎn)成本低，∴廣為開發(fā)利用。 1、合金——金屬元素+幾種其它元素、具有金屬性幾個(gè)基本概念：2、成分——合金中各種元素的含量，稱為成分3、組元——組成合金的最簡單，最基本，能夠獨(dú)立存

在的物質(zhì)。

(比如純元素)4、合金系——由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按不同比例配制成的一系列不同成份的合金。第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二§3-1固態(tài)合金相的種類及特點(diǎn)對于合金：L冷卻→S晶時(shí)，各區(qū)域間成份、結(jié)構(gòu)相：在金屬或合金中凡是具有相同成分、相同結(jié)構(gòu)并與其他部分有界面分開的，均勻的組成部分，稱之為相。完全一致→相的概念不完全一致但注意：多晶體可以是單相相可分為兩大類：即“固溶體”和“金屬化合物”組織：由相組成的，是由于組成相的種類、相對數(shù)量、晶粒形狀、大小及分布形態(tài)等的不同，而分別具有不同形貌特征的相的組合物。第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二一、固溶體

固溶體的晶格結(jié)構(gòu)類型與溶劑金屬組元的晶格相同。定義：在固態(tài)下，溶質(zhì)原子以不同方式進(jìn)入固態(tài)金屬溶

劑組元的晶格中，這樣所形成的新相稱為固溶體。（一）、固溶體晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（二）、固溶體分類及特性

根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中占據(jù)位置的不同，固溶體可分為兩類：即和。置換固溶體間隙固溶體1、置換式固溶體

是指溶質(zhì)原子置換溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上的溶劑原子而形成的固溶體。（原子直徑相近時(shí)形成）根據(jù)溶質(zhì)原子分布位置可分為：無序固溶體和有序固溶體第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二（1）、無序固溶體：溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的呈分布。（多數(shù)）（2）、有序固溶體：溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的呈

分布。（為數(shù)不多）有規(guī)律無規(guī)律2、間隙固溶體

是指溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格間隙而形成的固溶體。（原子直徑相差很大。）間隙固溶體只能形成無序固溶體第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二

在一定溫度及壓力下，溶質(zhì)元素在固溶體中的最大溶入量與固溶體總量之比。（三）、固溶體的溶解度及其影響素1、溶解度：

溶解度在0～100%間可以任意改變的固溶體。（1）、無限固溶體：

只能是置換式固溶體在溶質(zhì)與溶劑原子尺寸差別較小且晶格類型相同時(shí)產(chǎn)生。形成條件：溶解度有限的固溶體。（2）有限固溶體：

置換式固溶體，可以形成無限固溶體。

間隙式固溶體，只能形成有限固溶體而不能形成無限固溶體。第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二

由于組元間原子大小不同，所以溶質(zhì)溶入將導(dǎo)致溶劑的晶格畸變。

因?yàn)殚g隙固溶體中溶質(zhì)原子,都比溶劑晶格間隙尺寸大，所以隨著溶質(zhì)原子溶入量的增加，固溶體晶格將產(chǎn)生嚴(yán)重的正畸變，溶質(zhì)原子溶入一定數(shù)量以后便不可能繼續(xù)溶入，所以造成有限的溶解度，并且溶解度也不可能很大。主要原因：間隙固溶體中的晶格畸變2、溶解度影響因素組元間晶格類型相同，溶解度較大。（1）晶體結(jié)構(gòu)因素：

對于置換固溶體，組元間晶格類型相同是形成無限固溶體的必要條件。晶格類型不同，溶解度有限。（2）原子大小因素：第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二置換固溶體的晶格畸變

原子尺寸差別越小溶解度越大。當(dāng)差別小到一定程度，就可能產(chǎn)生無限固溶體。若差別較大，則只能形成有限固溶體。對置換固溶體：溶質(zhì)原子直徑越小，溶解度越大。對間隙固溶體：

是指元素的原子從其它原子奪取電子而轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)離子的能力。（3）電負(fù)性因素：電負(fù)性因素：

溶質(zhì)、溶劑的電負(fù)性越接近溶解度越大。越有利于形成無限固溶體。當(dāng)元素間的電負(fù)性的差別大到一定程度后，就難于形成固溶體，而傾向于形成化合物。第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二

通過向溶劑金屬中溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，而使固溶體合金強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象，（四）、固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化。溶質(zhì)溶入—→晶格畸變—→位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加—→金屬塑性變形困難（抗力↑）—→高強(qiáng)度、硬度（能量↑—→其他性能↓）。1、產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因：間隙式固溶體的晶格畸變大—→固溶強(qiáng)化效果明顯。2、固溶強(qiáng)化效果：化合物——合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種新相。當(dāng)溶質(zhì)含量＞溶解度時(shí)，將出現(xiàn)新相化合物分類金屬化合物——具有一定程度金屬鍵，有金屬特性非金屬化合物——具有離子鍵，無金屬特性第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二二、金屬化合物具有相當(dāng)程度的金屬鍵并具有一定程度的金屬性質(zhì)的化合物。金屬化合物：

晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大。一般只用作強(qiáng)化相

金屬化合物的晶格結(jié)構(gòu)類型不同于任一組元（可用分子式大致表示）（一）、金屬化合物晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（二）、金屬化合物的特性（三）、金屬化合物的種類及其特征常見三種類型：正常價(jià)化合物、電子化合物、間隙化合物）第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二

1、正常價(jià)化合物：符合一般原子價(jià)規(guī)律、成分固定可用化學(xué)分子式表達(dá)。通常由強(qiáng)金屬性的元素與非金屬或類金屬元素（如IV、V、VI族）形成。如：Mg2Si、Mg2SnMg2Pb

原子結(jié)合力：以離子鍵、共價(jià)鍵為主

性能：具有很高的硬度和脆性。

2、電子化合物：服從電子濃度規(guī)律(不遵守原子價(jià)規(guī)律）電子濃度達(dá)到某一數(shù)值，便形成具有某種晶格結(jié)構(gòu)的化合物。電子濃度（Ce):在合金相中，組元所貢獻(xiàn)的價(jià)電子數(shù)目之和與合金相的原子數(shù)目之比值。例：CuZn電子濃度：統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：Ce=21/14為β相，體心立方晶格。

Ce=21/13為γ相，復(fù)雜立方晶格。

Ce=21/12為ε相，密排六方晶格。第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二（三）間隙化合物

（主導(dǎo)因素為原子尺寸）由過渡族金屬元素與原子半徑較小的碳、氮、硼等非金屬元素所形成。

間隙相：d非/d金<0.59間隙化合物

具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物：d非/d金>0.59

根據(jù)原子直徑比和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為兩類：三、固溶體同化合物晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)別固溶體的晶格結(jié)構(gòu)類型與溶劑組元的晶格相同?；衔锏木Ц窠Y(jié)構(gòu)類型與任一組元的晶格不同。第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二§3-2二元合金相圖

是表示合金系中合金在平衡條件下各相的存在狀態(tài)與溫度、成分間關(guān)系的圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖。相圖：

在合金系中，參與結(jié)晶或相轉(zhuǎn)變過程中的各相之間相對重量和相的濃度不再改變時(shí)所達(dá)到的一種平衡。相平衡：L合金

S合金單相，雙相，多相一、二元合金的結(jié)晶分析及相圖的建立最常采用的熱分析法，以Cu-Ni合金為例說明測定二元相圖的步驟如下：

所以，相圖上相及組織，都是在十分緩慢冷卻條件下獲得的。第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二1、配制合金系，熔化；2、測冷卻曲線確定臨界點(diǎn)3.畫溫度-成分坐標(biāo)標(biāo)定臨界點(diǎn)4.具有相同意義的點(diǎn)連線0205080100Cu%1008050200Ni%時(shí)間時(shí)間100%Cu20%Ni50%Ni80%Ni100%Ni溫度℃

1500

1400130012001100溫度℃

溫度℃

1083℃1180℃1130℃1245℃1325℃1370℃1410℃LLα+αABCu1030507090NiNi(%)1453℃第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二二、二元合金相圖的基本類型（一）勻晶相圖：兩組元在液態(tài)、固態(tài)均無限互溶的二元合金系所形成的相圖。（如Cu-NiCu-AuAu-AgFe-Ni等）a、b：純組元A、B的熔點(diǎn)液相線：acb固相線：adb兩個(gè)單相區(qū)：L、α一個(gè)兩相區(qū)：L+α1、相圖分析第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二2、平衡結(jié)晶過程分析第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二

計(jì)算某一成分的合金處于兩相平衡時(shí)在某溫度下，合金中兩個(gè)相的相對含量。3、二元相圖的杠桿定律①、杠桿定律的推導(dǎo)：設(shè)合金總重為1；液相與合金總重之比為QL;固相與合金總重之比為Qα。則可得方程組：QL+Qα=1(1)QLX1+QαX2=X(2)解方程組得：化簡為線段比：X－X1Qα=

————X2－

X1X2－XQL=1－

Qα=————X2－

X1第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二②、應(yīng)用條件（在二元相圖中）A、只能在兩相區(qū)對“相”的相對含量計(jì)算B、必須是兩相處于平衡狀態(tài)4、枝晶偏析

可以采用擴(kuò)散退火或均勻化退火工藝予以消除。即加熱到固相線－100～200℃，長時(shí)間保溫，使偏析充分?jǐn)U散，達(dá)到成份均勻。

先后結(jié)晶的樹枝狀晶體內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象。第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二

（二）二元共晶相圖：二組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)僅有限互溶并能發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的二元相圖。（如：Pb-SnPb-SbAl-SiAg-Cu等）1、相圖分析a、b：純組元A、B的熔點(diǎn)。液相線：acb固相線：adceb固溶線：df、eg兩種固溶體：α、β三個(gè)單相區(qū)：L、α、β三個(gè)兩相區(qū)：（L+α)、（L+β)、(α+β）一個(gè)三相區(qū)：L+α+β三相線平衡水平線：dce第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二

溫度固定、三相成分固定，在相圖中表現(xiàn)為水平線。共晶反應(yīng)：在一定溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出成分一定且不相同的兩個(gè)固相的轉(zhuǎn)變，稱為共晶轉(zhuǎn)變（或共晶反應(yīng)）。反應(yīng)式為：Lctcαd+βe反應(yīng)特征：共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱為共晶組織(體)。C點(diǎn)為共晶點(diǎn)

（共晶成分、共晶溫度）c成分的合金稱為dc間成分的合金成為ce間成分的合金稱為共晶合金亞共晶合金，過共晶合金。第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二2、典型合金的平衡結(jié)晶過程1）、共晶合金——成分為c，見圖中的I合金。次生相（二次相）：因溶解度減少，由已有的固相中

析出的新相小晶體。室溫下的相：α、β；室溫下的組織：(α＋β)共晶體第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二室溫下的相：α相、β相；

室溫下的組織：（α＋β）共晶體、α初、βII,orβ初、αII2）、亞共晶和過共晶合金亞共晶：d、c點(diǎn)之間的合金。（圖中II）過共晶：e、c點(diǎn)之間的合金。（圖中III）

β初αIIβ初β初β初第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二3）、邊際固溶體合金<d，>e的合金室溫下的相：α相、β相；

室溫下的組織：

α

初、βII特別注意：雖然只有在共晶點(diǎn)（共晶溫度、共晶成分）才發(fā)生共晶反應(yīng)，但是在de水平線所包含成分范圍內(nèi)的所有成分合金在從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變過程中在共晶溫度，都要發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。這時(shí)其液態(tài)合金的成分已沿著液相線轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿С煞至?。?3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二3、具有共晶相圖的Pb-Sn二元合金的典型平衡組織

共晶合金

亞共晶合金

過共晶合金第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二4、關(guān)于相和組織的概念相：在金屬或合金中凡是具有相同成分、相同結(jié)構(gòu)并與其他部分有界面分開的，均勻的組成部分，稱之為相。組織：金屬和合金的組織是由相組成的，是由于組成相的種類、相對數(shù)量、晶粒形狀、大小及分布形態(tài)等的不同，而分別具有不同形貌特征的相的組合物。顯微組織：借助于各種不同放大倍數(shù)的金相顯微鏡所觀察到的金屬和合金中的晶粒形狀、大小及各組成相的分布形態(tài)等形貌，稱為顯微組織或金相組織（簡稱金相）。第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二圖3-22由相所構(gòu)成的不同組織的示意圖固溶體：α、β；金屬化合物：θ、η第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二5、杠桿定律的應(yīng)用1)計(jì)算（f、g）成分范圍內(nèi)，任意成分二元合金室溫下相組成物的相對量（重量百分?jǐn)?shù)）。圖中I合金室溫下為α、β兩相應(yīng)用杠桿定律可得：第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二5、杠桿定律的應(yīng)用2）計(jì)算亞共晶合金（或過共晶合金）室溫下組織組成物的相對量（重量百分?jǐn)?shù)）。該合金室溫時(shí)的組織組成物為：α初+βII+(α+β)αdLcα初βIIα＋βαdα＋β共晶溫度第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二

（三）二元包晶相圖：二組元在液態(tài)下無限互溶，在固態(tài)下生成有限固溶體，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為包晶相圖。1、相圖分析液相線：aeb

固相線：acdbcf、dg線：分別是B組元在α固溶體和A組元在β固溶體中的溶解度曲線。包晶線：水平線cde；

d為包晶點(diǎn)。包晶轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，成分一定的固相與包圍它的液相相互作用而轉(zhuǎn)變?yōu)槌煞忠欢ǖ男碌墓滔嗟霓D(zhuǎn)變稱為包晶轉(zhuǎn)變（或包晶反應(yīng)）。反應(yīng)式：Le+αcβdtd相圖中還有三個(gè)單相區(qū)：α、β、L

三個(gè)兩相區(qū)：L+α、L+β、α+β第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二2、典型合金的平衡結(jié)晶及組織1）I合金（d點(diǎn)成分）室溫相組成物為：α、β

室溫組織組成物為：β+αIILLLLLII時(shí)間溫度1dd’L+II第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二2）II合金（c、d之間）室溫相組成物為：α、β

室溫組織組成物為：α+βII+β+αIILLLLLIIII1mm’時(shí)間溫度L+/II/II第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二3）III合金室溫相組成物為：β

室溫組織組成物為：βLLLLL時(shí)間溫度1nn’L+L第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二

（四）其它類型的二元相圖1、形成穩(wěn)定化合物的二元相圖穩(wěn)定化合物：在熔化前既不分解，也不產(chǎn)生任何化學(xué)反應(yīng)的化合物稱為穩(wěn)定化合物。

穩(wěn)定化合物可視為該合金中的一個(gè)組元。通常它們具有嚴(yán)格的成分，固定熔點(diǎn)，在相圖中可用一根垂線表示。。第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二2、二元共析相圖

高溫形成的固溶體，在冷卻至某一溫度時(shí)，固溶體又將發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成兩種成分一定且不相同的新的固相。這種相圖稱為二元共析相圖。共析轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，由成分一定的固相同時(shí)析出兩種成分一定且不相同的新固相的轉(zhuǎn)變，稱為共析轉(zhuǎn)變（或共析反應(yīng)）。cd+e恒溫第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二LL＋+時(shí)間溫度LL(+)1231233’共析轉(zhuǎn)變示意圖第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期二(五)二元合金相圖小節(jié)1、兩個(gè)單相區(qū)只能相鄰于一點(diǎn)，而不能相鄰于一條線3、三相平衡共存時(shí)，必定是一條水平線，每條水平線必定和三個(gè)兩相區(qū)相遇。2、兩個(gè)單相區(qū)之間必定有一個(gè)由這兩個(gè)單相組成的兩相區(qū)。第36頁，共