第三章 二元合金的相结构与相图

1. 第三章 二元合金的相结构与相图 授课人：黄建平 单 位：材料科学与工程学院 电 话：18508460184 Email：hjphit_1983@163.com

2. 第二章内容回顾 1金属结晶的宏观现象、热力学条件、结构条件？ 2过冷度、均匀形核与非均匀形核、形核率、形核功 3固液界面类型、晶核长大机制、晶体形态、晶粒度 4铸锭组织的三个区（细晶区、柱状晶区、等轴晶区） 主要缺陷（缩孔、气孔、偏析）

3. 第三章 二元合金的相结构与相图 本章的主要内容： 3.1合金的相结构 3.2 二元合金相图的建立 3.3 匀晶相图及固溶体的结晶 3.4 共晶相图及其合金的结晶 3.5 包晶相图及其合金的结晶 3.6 其它类型的二元合金相图 3.7 二元相图的分析与使用

4. 第三章 二元合金的相结构与相图 本章目的： 1 讨论合金中的相概念及其类型； 2 介绍各种类型的基本二元相图； 3 说明相图与合金性能间的对应关系 本章重点： 1 组元、相、组织、组织组成物等基本概念； 2 固溶体和化合物的本质区别和性能特点； 3 掌握分析相图的基本方法； 4 正确运用杠杆定律。

5. 3.1 合金的相结构 合金: 一种金属元素与另一种或几种其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。 Pb-Sn合金, 钢（Fe-C）, 锡青铜(Cu-Sn(<14%)）

6. 3.1 合金的相结构 组元——组成合金最基本的、能独立存在的物质。一般来说组元就是组成合金的元素，也可指化合物。 Fe-C合金：Fe(组元一)-Fe3C(组元二) 合金系——由给定的组元以不同的比例配制成的一系列成分不同的合金系统。 例：Fe-C: 90%Fe-10%C、 80%Fe-20%C、 50%Fe-50%C、 20%Fe-80%C Fe-Cr-C 根据组元数分为： 二元合金 、三元合金 、 多元合金。

7. 3.1 合金的相结构 合金相——指合金中结构相同，成分和性能均一，并有界面与其他部分分开的均匀组成部分。(phase) 金属或合金均由相构成——单相合金、多相合金。 ——用α、β、γ、δ、η、θ等表示

8. 3.1 合金的相结构 例：纯铁、钢中的相 纯铁：α-Fe； 钢：铁素体(α)＋渗碳体(Fe3C)； α相 α相 Fe3C 相 纯铁 0.45%C 钢

9. 3.1 合金的相结构 一、相的分类 相结构，实指合金的晶体结构 （一）固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与某一组元相同的固溶相称之为固溶体。 （二）金属化合物 定义：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物。

10. 3.1 合金的相结构 置换固溶体 二 合金的相结构 （一）固溶体 1、固溶体的分类 ** 按溶质原子在晶格中所占的位置分类 （1）置换固溶体—溶质原子占据溶剂晶格结点所形成的固溶体——代位固溶体 90％ Cu-10％Ni合金

11. 3.1 合金的相结构 间隙固溶体 （2）间隙固溶体 ——溶质原子填入溶剂晶格的空隙位置所形成的固溶体。 例： C 固溶于α－Fe中形成间隙固溶体 ┗ 铁素体 C 固溶于γ－Fe中形成间隙固溶体 ┗ 奥氏体

12. 3.1 合金的相结构 ** 按固溶度分类 （1）有限固溶体——溶质原子在固溶体中的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再溶解，这个限度称为固溶度。 （2）无限固溶体——溶质原子能以任意比例溶入溶剂，固溶度可达到100%。

13. 3.1 合金的相结构 按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分类 （1）无序固溶体——溶质原子随机地分布于溶剂晶格中。 （2）有序固溶体——溶质原子按一定的规律分布在溶剂晶格中。

14. 3.1 合金的相结构 CuAu中Cu原子：简单四方晶系亚点阵 Cu3Au中Cu原子：体心四方晶系亚点阵

15. 3.1 合金的相结构 • 有序固溶体特点： —— 溶质原子可形成自己的亚点阵 —— 一定条件下固溶体可在有序和无序间相互转化： 温度、成分

16. 3.1 合金的相结构 例：Fe-Al合金 室温下,成分变化时： a. Fe－Al (<25%atm)合金 ——无序相：α相 b. Fe－Al (25%~35%atm)合金 ——有序相：Fe3Al c. Fe－Al(35%～50％atm)合金 ——有序相：FeAl

17. 3.1 合金的相结构 成分固定，温度变化时： Fe3Al： < 550℃：完全有序 550℃ ～ 950℃：部分有序 > 950℃：完全无序固溶体

18. 3.1 合金的相结构 2 置换固溶体及影响因素 金属元素之间一般都能形成置换固溶体，但固溶度往往相差很大。 如Cu: Ni无限互溶， Zn最大溶解度为39%， Pb几乎不溶解于铜。 —— 受元素间原子尺寸、化学亲和力、结构类型等影响。

19. 3.1 合金的相结构 （1）原子尺寸因素 组元间原子半径越相近，固溶度越大。 原因：溶质原子引起溶剂晶格的点阵畸变，产生畸变能，晶格畸变能越高，晶格越不稳定，当畸变能高到一定程度，溶质原子将不再能溶入固溶体，只能形成其它新相。 溶剂与溶质原子的尺寸差别可用Δr/r 衡量： Δr/r =(r溶剂 - r溶质)/ r溶剂

20. 3.1 合金的相结构 （2）负电性 S原子、Al原子与Fe原子大小相差接近， 但Al在Fe中溶解度大——负电性因素 负电性: 指元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离子的能力。 ┗ 可衡量元素间的化学亲和力，即形成化合物的倾向性 ——取决于两元素在周期表中的位置，相距越远，负电性相差越大，越易形成化合物。

21. 3.1 合金的相结构 （3）晶体结构因素 晶体结构相同，溶解度较大。 无限固溶体——溶质的晶体结构与溶剂的晶体结构一定相同( 如Cu-Ni合金等) 例Fe合金： Ni、Co、Cr、V与Fe原子尺寸差别<8%, Ni、Co与Fe形成面心立方晶格无限固溶体 Cr、V与Fe形成体心立方晶格无限固溶体

22. 3.1 合金的相结构 （4）电子浓度因素——原子价因素 电子浓度: 价电子数目与原子数目之比 现象：溶质元素的原子价越高，溶解度较小。 原因：固溶体中的电子浓度存在极限值。不同晶体结构的极限电子浓度不同： F.C.C：1.36 B.C.C: 1.48

23. 3.1 合金的相结构 3 间隙固溶体 当溶质与溶剂的原子半径之比小于0.59时，可能形成间隙固溶体。 如小原子的碳(0.077nm)、氮(0.071nm)、另氧、氢、硼等非金属原子。 特点：a. 同样会引起点阵畸变； b. 溶解度与原子大小和溶剂的晶格类型有关： F.C.C 中> B.C.C 中； c. 间隙固溶体只能是有限固溶体。

24. 3.1 合金的相结构

25. 3.1 合金的相结构 4 固溶体的结构特点 (1) 保持着溶剂的晶格类型； (2) 晶格发生畸变 (3) 偏聚与（短程）有序 (4) 有序固溶体（长程有序化） 当固溶体发生偏聚或有序化时，强度和硬度增加，而塑性和韧性降低。

26. 3.1 合金的相结构

27. 3.1 合金的相结构 5 固溶体的性能 （1）固溶体强硬度高于组成它的纯金属，塑韧性低于组成它的纯金属; （2）物理性能方面，随着溶质原子的↑，固溶体的电阻率↑，电阻温度系数↓，导热性↓。

28. 3.1 合金的相结构 固溶体中随着溶质原子的加入，强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象 ┗ 固溶强化 ——金属材料的主要强化手段或途径之一 例如：南京长江大桥采用廉价的16Mn，其中含1.2%~1.6%Mn，抗拉强度较相同碳含量的普通碳素钢提高60％；

29. 3.1 合金的相结构 **固溶强化的特点： (1)溶质与溶剂原子相差越大，溶质原子浓度越高，所引起的晶格畸变越大，固溶强化效果越大； (2)间隙原子的强化效果比置换原子的大。因为间隙原子引起的点阵畸变大。 （3）综合机械性能好。适当控制溶质含量，不仅可以显著提高材料强硬度，而且材料的塑韧性不会明显降低。

30. 3.1 合金的相结构 固溶体的应用： （1） 结构材料的基体相； （2）精密电阻、电热材料等

31. 3.1 合金的相结构 (二)、金属化合物 1 正常价化合物 特点：成分固定不变，可用化学式表示。 如Mg2Si、Mg2Sn、MgS、MnS等。具有较高的硬度，脆性较大。常作为有色金属的强化相。

32. 3.1 合金的相结构 2 电子化合物 不遵守原子价规律，而是按一定的电子浓度的比值形成的化合物。电子浓度不同，化合物的晶格类型也不同。 ——硬、脆，有色金属强化的相 特点：虽用化学式表示，但成分可变 FeAl(Al：36.5%～50％atm); 有序化现象 其它： NiAl; CuZn; CuAl

33. 3.1 合金的相结构 3 间隙相和间隙化合物 过渡族元素和原子半经较小的氢、氮、碳、硼组成。 r非 / r金< 0.59时，形成简单结构的化合物——间隙相。 r非 / r金> 0.59时，形成复杂晶体结构的化合物——间隙化合物。

34. 3.1 合金的相结构 (1)间隙相 性能：极高的熔点和硬度。 如：VC; TiC; W2C 用途：硬质合金和高硬度工模具的重要组织组成。

35. 3.1 合金的相结构 (2)间隙化合物 如钢中的 Fe3C、Cr23C6、Fe3W3C等。 性能：很高的熔点和硬度，但不如间隙相 用途：钢中的重要强化相。

36. 3.1 合金的相结构 有限固溶体 小 结 间隙固溶体 无序固溶体 固溶体 有限固溶体 无限固溶体 置换固溶体 无序固溶体 有序固溶体

37. 3.1 合金的相结构 正常价化合物 金属 化合物 电子化合物 间隙相 间隙化合物 间隙式金属化合物

38. 3.2 二元合金相图的建立 给定的合金系究竟以什么状态(相)存在，包含哪些相，这由内、外因条件决定，外因是温度和压力，内因则是化学成分。 ——用相图来表示它们之间的关系。 几个概念： 相图: 表示合金系中的状态(相)与温度，成分之间关系的图解。又称状态图或平衡图 相变：相与相之间的转变；

39. 3.2 二元合金相图的建立 相平衡与平衡相： 合金系统在一定的外界条件下(温度、压力)，经历任意长时间后，合金中各相的成分都是均匀、不变的，且各相的相对重量也不变，则各相处于平衡状态，称之为相平衡； 这时的相称为这种条件下的平衡相。 如纯铁，在常压下： 1538℃以上—— L为平衡相。 在1538℃时 —— L和δ相两相平衡状态

40. 3.2 二元合金相图的建立 组元 组元 一、二元相图的表示方法 在常压下， 直角坐标系； 合金成分； 温度； 相状态。 成分线

41. 3.2 二元合金相图的建立 结晶或相变起始点 结晶或相变终止点

42. 3.2 二元合金相图的建立 L L +α α Cu-Ni二元合金相图 B点相状态: α单相 A点相状态: L +α两相

43. 3.2 二元合金相图的建立 二、二元相图的建立 热分析法； 金相法； 膨胀法； 电阻法； X射线结构分析法等。

44. 3.2 二元合金相图的建立 热分析法

45. 3.3 匀晶相图及固溶体的结晶 一、匀晶相图 1 定义：两组元在液态和固态均无限互溶的二元合金相图。 如Cu―Ni、Ag―Au、Cr―Mo等合金系 2 相图分析 3 合金结晶过程 4 相律 5 二元相图的杠杆定律

46. 3.3 匀晶相图及固溶体的结晶 液相线 匀晶转变式： L → α α 固相线 Cu―Ni二元相图 冷却曲线 点：A：纯Cu理论熔点; B：纯Ni理论熔点 线：AB: 液相线; AB: 固相线； 区间：两个单相区：L相、α相 一个两相区：L+α相区

47. 3.3 匀晶相图及固溶体的结晶 原始成分为k的合金： T>t1: L (100%) T= t1: L→α(开始) 注：L(100%)+α(0%) T= t2: L→α 注： L+α T= t4: L→α(结束) 注：L(0%)+α(100%) T< t4 : α (100%)

48. 3.3 匀晶相图及固溶体的结晶 相成分判定方法 单相区: 实际座标点 两相区: 液(固)相成分在温度水平线与液(固)相线的交点处

49. 3.3 匀晶相图及固溶体的结晶 液(固)相线的意义: (1) 表征了各成分合金的结晶起始(终止)温度; (2)表征了各温度下液固两相达到平衡时液(固)相的成分

50. 3.3 匀晶相图及固溶体的结晶 4 相律 • 相律表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系。 • 数学表达式：f = c - p +2 系统自由度 系统组元数 恒压条件下： f = c - p +1 平衡相数 *** 二元合金系最多存在三相平衡 *** 二元合金系相邻相区的相数相差1