第四章 二元合金

固溶体的分类
•按溶质原子在溶剂晶格中的位置分：
置换固溶体与间隙固溶体
•按溶质原子在溶剂中的溶解度分：
有限固溶体和无限固溶体
•按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分：
无序固溶体和有序固溶体
• 1、置换固溶体 • (substitutional solid solution) • 溶剂原子被溶质原子所置换
杠杆定律
杠杆定律是确定状态图中两相区内两平衡相
的成分和相对重量的重要工具
由杠杆定律可算出合金中平衡两相的相对质
量（即质量分数）
二元合金系，杠杆定律只适用于相图中的两
相区, 且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个
端点为给定温度时两相的成分点, 而支点为合
金的成分点。
4、合金的不平衡结晶与树枝状偏析
成的固溶体。
形成条件：溶剂与溶质原子尺寸相近，直径
差别较小，容易形成置换固溶体。
置换固溶体中原子的分布通常是任意的，称
之为无序固溶体。在某些条件下，原子成为 有规则的排列，称为有序固溶体。
固溶体的溶解度
浓度：溶质原子在固溶体中所占的百分比 溶解度：在一定条件下的极限浓度 置换固溶体中，影响溶解度的因素有原子
2、间隙固溶体（interstitial solid solution）
溶质原子溶入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体 晶体结构类型
晶格畸变（lattice distortion）
由于溶质原子的介入，原子的排 列规律受到局部的破坏，使晶格 发生扭曲变形。
溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，变形抗力增 大，金属的强度及硬度升高的现象------固溶强化
T,C 1500 1400 a1 1300 1200 1100 a 1083 1000 Cu L 1455

二、二元合金的基本相图
1、匀晶相图：两组元在液 固两态下均能无限互溶时 所构成的相图。
匀晶转变：由液相直接结 晶出单相固溶体的过程。
线：液相线、固相线 相区：液相区、固相区，
固液共存的两相区
温度（℃）
L L+α

Cu 成分（wt %Ni） Ni
Cu-Ni合金相图
第二节 二元合金相图
⑴ 结晶过程
金同时结晶出C点成分的 固溶体和D点成分的 固溶
体，形成这两个相的机械混
合物：LE ⇄(C + D)
A
B
在一定温度下，由一定成分
的液相同时结晶出两个成分
和结构都不相同的新固相的
转变称作共晶转变或共晶反
应。
第二节 二元合金相图
• 共晶体（共晶组织）： 共晶反应的产物，即两相 的机械混合物。 • 析出过程中两相相间形核、
第三节 铁碳合金
钢中的渗碳体
铸铁中的石墨
第三节 铁碳合金
二、相图分析
1.相区

⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C
⑵ 七个两相区: L+、 L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、 +Fe3C
第三节 铁碳合金
2. 特征线 ⑴ 液相线—ABCD，
固相线—AHJECFD
三、相图与合金性能的关系
1、相图与合金使用性能的关系
① 单相固溶体的合金： 性能随成分呈曲线变化，与 纯金属相比，σ、HB增加， 电导率下降。
②两相机械混合物的合金： 在平衡状态下，性能约等于 两相按百分含量的算术平均 值
第二节 二元合金相图
2、相图与合金工艺性能的关系

F% = j4S 0.77− 0.6 ×100% = 22.7% ×100% = 0.77− 0.0218 PS 0.6 − 0.0218 Pj4 ×100% = ×100% = 77.3% 0.77− 0.0218 PS
P% =
室温下：
P% = 0 .6 − 0 .0008 × 100 % = 77 .9 % 0 .77 − 0 .0008
2点以下： 组织：α初晶+（α+β）共晶 室温：α初晶→αf +βⅡ—次生相析出； 室温组织：αf+βⅡ+（α+β）共晶
Ⅲ.端部固溶体合金：
wSn≤c点或≥d点的合金。 0~1点：L； 1~2点：L+α； 2~3点：α； 室温组织：αf +βⅡ
4G wα = × 100% FG F4 wⅡ = × 100% FG
简化相图上两条重要的水平线：
ECF—共晶转变线：LC←→AE+Fe3C； （LC —莱氏体）
PSK（A1）—共析转变线：AS←→FP+Fe3C； （P—珠光体）
三条重要的特性曲线：ES线、GS线、PQ线； ES线（Acm线）：二次渗碳体（Fe3CⅡ）开始析出线； GS线（A3线）：铁素体F开始析出线；或F溶入A的终了线； PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线。三次渗碳体（Fe3CⅢ）开始 析出线。
β+γ
γ e ⇔ (αc + βd )
α
一定成分的固相分解为另外 两个一定成分的固相的转变过 程称为共析转变。 共析转变形成的转变产物称 为共析组织。共析组织主要有 片状和粒状。 共析组织远比共晶组织细小 而弥散。
4.1.3相图与合金性能的关系
合金的性能取决于它的组织，而合金 的某些工艺性能（如铸造性能）又与其 结晶特点有关。相图不仅表明了合金成 分与平衡组织之间的关系，而且可以反 映合金结晶的特点。因此通过相图一定 程度上能找出合金的成分与性能的关系， 并能大致判断合金的性能，这可以作为 配制合金、选用材料和制定工艺时的重 要参考。

Pb WSn(%) Sn
G
t/s
70% Sn的过共晶合金的结晶过程分析
概括起来，过共晶合金平衡结晶过程为：
t1温度以上： 液态 L70 L
19
t1~ t2温度： 液相中析出 ， t2温度时发生共晶反应： L61.9 t2温度以下： 初 Ⅱ
97.5
室温组织： 初 + Ⅱ + （+）共晶
一、相律
在恒压下，在纯固态或纯液态情况下，出现的相数 小于等于主元数。在液固共存（恒温）条件下出现 的相数小于等于主元数加一。因而，对二元合金， 固态下出现的相数为1或2，液固共存（恒温）条件 下恒温下出现的相数为2或3。
二、二元匀晶相图的分析
匀晶转变：在一定温度范围内由液相结 晶出单相的固溶体的结晶过程。 二元匀晶相图：指两组元在液态和固态 均无限互溶时的二元合金相图。 具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、 Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。
标注在温度— 成分坐标中 无限缓冷下测各 合金的冷却曲线 连接各相变点
确定各合金 的相变温度
确定相
如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu 六组合金。
Cu20% Cu60%Cu80% Cu Ni Cu40%
1600
1500
1400
1400 1300
L
（L+ ）
T
Ni
WCu(%)
Cu
将铸件加热到低于固相线100~200℃的温 度，进行长时间保温，使偏析元素充分进行扩 散，以达到成分均匀化。
设A、B组元的熔点分别为1450℃和1080℃，它们 在液态和固态都无限互溶，则这两种组元组成的 二元相图叫作二元 相图；先结晶的固溶体 中含 组元多，后结晶的固溶体中含 组元多，这种成分不均匀现象称为 ， 通过 工艺可以减轻或消除这种现 象。