最新4二元合金相图
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第四章__二元合金相图
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
第四章-二元合金相图PPT课件
1400
1400
（L+ ）
1300
1200
1200
1100
1000
1000
900
800
t
800 0
20
40
60
80
100
W (% )
Cu-Ni合金相图的建立
Cu
.
8
（二）二元匀晶相图分析
两线：液相线、固相线 1、相图分析 三区：液相、液相+固相、固相
1500
L
1400
1300
1200
+ L
1100
1100
Ma/Mb =(Cb-C)/（C-Ca）
1000
若M=Ma+ Mb为已知量，那么， 900
两相的绝对含量为：
800 0
Ca
Cb
20
40 C
60
80
100
Ma=(Cb-C)（Ma+Mb）/（Cb-Ca） N i
W (% ) Cu
Cu
Mb=(C-Ca)（Ma+Mb）/（Cb-Ca）
Ca
C
Cb
Ma
A
1000
900
800
0
20
40
60
80
100
Ni
W (% )
Cu
.
Cu
9
三、合金的平衡结晶过程
所谓平衡结晶过程是指合金从液态无限缓慢冷却、 原子扩散非常充分，冷却过程中每一时刻都能达 到相平衡条件的一种结晶过程。
温
1500
度
1400
L
1
1300
2
1200
+ L
二元合金相图
Cu-Ni相图
相图的意义：分析合金组 织的重要参考资料；制定 热加工工艺的重要依据。
Cu-Sn相图
§相图的建立
相图用纵坐标表示温度变化，横坐标表示成分变化。 一般采用热分析法。原理是凝固时释放凝固潜热。
热分析法
名称 晶格类型
熔点 合金1 合金2 合金3
…….. 合金9 合金10 合金11
A金属 bcc 高
实际金属的结晶主要以树枝状长大：这是由于当冷却 速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界面的 温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，且晶 核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一 次轴又会产生二次轴……，树枝间最后被填充。
• 固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不 能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。
杠杆定律可以计算匀晶相图中两相区中两 平衡相的相对质量，也可以计算其它类型二元 合金相图两相区中两平衡相的相对质量。
QL
Qa
匀晶相图合金的结晶过程
杠杆定律 Qa a% ab
QL L% bc
QL×ab= Qa × bc
QL
Qa
杠杆定律与力学比喻
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。
【证明】
Q合金，其中Ni含量b%；T1温度时，L相中Ni质量分数a%， a相中Ni质量分数c%。
Q0 × b%=QL × a% + Qa × c% Q0合金总质量，QL液相质量，Qa固相质量。
又因为
Q0=QL+Qa
所以 （QL+Qa ）× b% = QL × a% + Qa × c%
Qa ba ab QL cb bc
由于固溶体中溶解度的减少而析出另一固相的反应叫 二次析出反应或脱溶过程。
二元合金的相图
+ Ⅱ
组织组成物
Ⅱ
冷却曲线
t
组织中，由一定的相构成 的，具有一定形态特征的 组成部分。
X2合金结晶过程分析 （共晶合金）
T,C
L
T,C
L
(+ )
183
L+
M
L
E
L
L+
N
L(+ ) 共晶体
(+ )
+
Pb Sn X2
冷却曲线
t
(+ )
铅锡共晶合金的显微组织
液固相线距离愈小， 结晶温度范围愈小，则流 动性好，不易形成分散缩 孔，铸造性能好。 共晶成分的合金铸造 性能最好。
锻造、轧制性能：
单相固溶体合金， 变形抗力小，变形均匀， 不易开裂，锻造、轧制性 能最好。
T,C
T,C L
1
L L+(+ )+
L+
183
L+
M
E
+
L+ N
2
(+ )+
(+ )+ + Ⅱ
Sn
Pb
X3
t
亚共晶合金的平衡结晶过程
(+ )+ + Ⅱ
β II
α
α+β
WSn50%的Pb-Sn合金的显微组织
(+ )+ + Ⅱ
L
T,C
3 F 4 X1
L+
M
c
LEL+ 来自L L+
e
N
二元合金相图(很好很强大)
(ab)、 x1x(ao)的长度。
因此两相的相对重量百分比为：
QL
xx2 x1x2
ob ab
Q
x1x x1x2
ao ab
两相的重量比为：
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠 杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该 温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。
在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的 端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。
④ 过共晶合金结晶过程
与亚共晶合金相似，不同的是
一次相为 ，二次相为Ⅱ 室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。
⑶ 组织组成物在相图上的标注
组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。
Ⅰ和Ⅰ, Ⅱ和 Ⅱ,共晶体 (+)都是组
织组成物。 相与相之间的
差别主要在 结构和成分 上。
组织组成物之间的差别主要在形态上。如Ⅰ 、 Ⅱ和 共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形
Fe-Fe3C相图
⑷ 三相区的确定：二 元相图中的水平线 是三相区，其三个 相由与该三相区点 接触的三个单相区 的相组成。
常见三相等温水平线上的反应
反应名称 图形特征 共晶反应 包晶反应 共析反应
反应式
说明
L⇄ +
恒温下由一个液相同时 结晶出两个成分结构不 同的新固相。
恒温下由一个液相包着
L + ⇄ 一个固相生成另一个新
铁碳合金相图
共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠 光体），也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体)。
与共晶反应不同 的是，共析反应 的母相是固相， 而不是液相。
另外，由于固态 转变过冷度大， 因而共析组织比 共晶组织细。
二元合金相图4
• 不平衡凝固过程中通常先结晶的固溶体内部 含高熔点组元，而后结晶的外部则富含低熔 点组元。这种在晶粒内部出现的成份不均匀 现象称为晶内偏析。如果固溶体是以树枝状 结晶长大的，则枝干与枝间会出现成份差别， 称为枝晶偏析。
第四章 二元合金相图
第四章 二元合金相图
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结 晶，或称选择结晶。 • （２）固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围 • 固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围内进行，在此温 度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数量的固相。 • 随着温度的降低，固相的数量增加，同时固相和液相的成 分分别沿着固相线和液相线而连续地改变，直至固相的成 分与原合金的成分相同时，才结晶完成。
• 一个表象点的坐标值反
Pb + Sb
映一个给定合金的成分 Pb X1 X
Sb（X2）
和温度。
图 二元Pb-Sb合金相图
• 在相图中，由表象点所在的相区可以判定在该温 度下合金由哪些相组成。
• 二元合金在两相共存时，两个相的成分可由过表 象点的水平线与相界线的交点确定。
第四章 二元合金相图
• 2 相图的建立 • 建立相图的关键是要准确地测出各成分合金的相
图 70%Sn-Pb 合金显微组织
第四章 二元合金相图
图 铅锡合金组织分区图
第四章 二元合金相图
3.共晶组织的形态
图 层片状共晶的形成及前沿液相中原子扩散示意图 图 共晶生长的搭桥机制
第四章 二元合金相图
图 典型的共晶合金组织
第四章 二元合金相图
4.伪共晶 在非平衡凝固条件下，成分接近共晶成分的亚共晶或过 共晶合金，凝固后组织却可以全部是共晶体,称为伪共晶。 伪共晶的组织形态与共晶相同，但成分不同。 两组元熔点大致相同的，一般出现对称的伪共晶区；两 组元相差悬殊，伪共晶区偏向高熔点组元。
第四章 二元合金相图
第四章 二元合金相图
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结 晶，或称选择结晶。 • （２）固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围 • 固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围内进行，在此温 度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数量的固相。 • 随着温度的降低，固相的数量增加，同时固相和液相的成 分分别沿着固相线和液相线而连续地改变，直至固相的成 分与原合金的成分相同时，才结晶完成。
• 一个表象点的坐标值反
Pb + Sb
映一个给定合金的成分 Pb X1 X
Sb（X2）
和温度。
图 二元Pb-Sb合金相图
• 在相图中，由表象点所在的相区可以判定在该温 度下合金由哪些相组成。
• 二元合金在两相共存时，两个相的成分可由过表 象点的水平线与相界线的交点确定。
第四章 二元合金相图
• 2 相图的建立 • 建立相图的关键是要准确地测出各成分合金的相
图 70%Sn-Pb 合金显微组织
第四章 二元合金相图
图 铅锡合金组织分区图
第四章 二元合金相图
3.共晶组织的形态
图 层片状共晶的形成及前沿液相中原子扩散示意图 图 共晶生长的搭桥机制
第四章 二元合金相图
图 典型的共晶合金组织
第四章 二元合金相图
4.伪共晶 在非平衡凝固条件下，成分接近共晶成分的亚共晶或过 共晶合金，凝固后组织却可以全部是共晶体,称为伪共晶。 伪共晶的组织形态与共晶相同，但成分不同。 两组元熔点大致相同的，一般出现对称的伪共晶区；两 组元相差悬殊，伪共晶区偏向高熔点组元。
二元合金相图
2 ,2 dG ,dG
dG=dG +dG
dG =2 dn dG =2 dn 2 且-dn =dn 2 (守恒) 2 2 dG=2 dn +2 dn 2 =(2 -2 )dn 2 2
组元2从α相自动地转移到β相和条件是
严重枝晶偏析会使铸件力学性能降低，枝晶
空隙位置有夹杂(低熔点)，抗蚀能力下降。 可利用扩散退火，在低于固相线100~200℃ 长期保温来消除枝晶偏析。
有些匀晶合金系相图具有极大或极
小点---在恒温下凝固。极大点，极 小点合金凝固时，液固相成分相同， 减少了一个确定合金状态的变量。 该合金相律公式修改为f=c-p
b/M B h= a/M A b / M B
1.4. 相图的物理意义
a.已知合金成分，根据相图找出不同温度下
合金所处的状态和相变点。 b.温度一定，合金所处的状态以及合金随成 分发生的相转变。 二元相图通常用纵坐标表示温度，横坐标表 示成分
第二节 二元相图
2.1. 二元相图的建立
形态(千姿百态) ： 片层状，棒状(条状或纤维状)， 球状(短棒状)，针片状，细螺状(实际上是层片状 共晶体的一种变态) ★影响因素：形貌受多种因素影响，其中两个组成 相的本质是主要因素 ★凝固时，液固相界面微观粗糙的相是金属相，界 面光滑的相是非金属相。
金属—金属型共晶体 (粗糙—粗糙型)组织
片层状或棒状、带状、纤维状 金属—金属和金属---金属间化合物共晶
★形核与长大：
两组成相是不会同时形核，首先形核的叶领先相，
然后两相交替生长，互相创造条件。 而且α片与α片，β片与β片常以搭桥方式互相联 系形成整体。
第四章二元合金相图PPT课件
又因为：Q合金=QL+Qa 所以（QL+Qa ）% × b%=QL% × a%+Qa % × c%
由杠杆定律可算出在T1时液相和固相在合金中的质量 分数：
运用杠杆定律时要注意: 只适用于相图中两相区并且只能在平衡状态下使用。 杠杆定律的应用：
1、确定某一温度下两平衡相的成分 2、确定某一温度下两平衡相的相对量
（a）冷却曲线 （b）Cu-Ni相图
三、相律
相律是分析和使用相图的重要理论依据，它表示 在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平 衡相数之间的关系式。在衡压条件下，其数学 表达式为: f=c-p+1 式中 f－自由度数 c－组元数 p－平衡相数
第二节 二元合金相图的基本类型
一、匀晶相图及固溶体的结晶 Isomorphous Phase Diagrams
共晶合金组织的形态
( 机械混合物，两相交 替分布其中黑色片层为 α 相，白色基体为β 相）
（3）合金III的平衡结晶过程
（ 亚共晶合金）结晶过程分三个阶段，即匀晶反应+共晶反应 +二次结晶反应。
L
L+a初 L+a初+（ ac+βd)
a初+（ ac+βd)
（ a初+βII）+（ a+β）
合金的室温 和β。
其结晶过程与合金iii相似只是匀晶产物为初晶二次结晶产物为4合金的平衡结晶过程进化心理学综合了进化生物学的各种理论和当代心理学的研究法则主张用进化论的视野来看待和研究人格问题为人格心理学核心概念的建构提供了一个系统的框架
工程材料与热加工基础
The Fundamentals of Engineering Materials & Heat
由杠杆定律可算出在T1时液相和固相在合金中的质量 分数：
运用杠杆定律时要注意: 只适用于相图中两相区并且只能在平衡状态下使用。 杠杆定律的应用：
1、确定某一温度下两平衡相的成分 2、确定某一温度下两平衡相的相对量
（a）冷却曲线 （b）Cu-Ni相图
三、相律
相律是分析和使用相图的重要理论依据，它表示 在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平 衡相数之间的关系式。在衡压条件下，其数学 表达式为: f=c-p+1 式中 f－自由度数 c－组元数 p－平衡相数
第二节 二元合金相图的基本类型
一、匀晶相图及固溶体的结晶 Isomorphous Phase Diagrams
共晶合金组织的形态
( 机械混合物，两相交 替分布其中黑色片层为 α 相，白色基体为β 相）
（3）合金III的平衡结晶过程
（ 亚共晶合金）结晶过程分三个阶段，即匀晶反应+共晶反应 +二次结晶反应。
L
L+a初 L+a初+（ ac+βd)
a初+（ ac+βd)
（ a初+βII）+（ a+β）
合金的室温 和β。
其结晶过程与合金iii相似只是匀晶产物为初晶二次结晶产物为4合金的平衡结晶过程进化心理学综合了进化生物学的各种理论和当代心理学的研究法则主张用进化论的视野来看待和研究人格问题为人格心理学核心概念的建构提供了一个系统的框架
工程材料与热加工基础
The Fundamentals of Engineering Materials & Heat
实验四二元合金相图的绘制学会用热分析法测绘Sn-Bi二元合金相图;
实验四二元合金相图的绘制一、实验目的1.学会用热分析法测绘Sn－Bi二元合金相图；2.了解热电偶测量温度和进行热电偶校正的方法；3.了解纯物质的步冷曲线和混合物的步冷曲线的形状的异同，学习相变点的温度的确定方法。
二、实验设备A. 仪器设备1．立式加热炉1台；2．冷却保温炉1台；3．长图自动平衡记录仪；4．电压调压器1台；5．镍铬-镍硅热电偶1副；6．样品坩埚6个；7．玻璃套管6只；8．烧杯(250mL) 2个；9．玻璃棒1只；10．0.1g精度电子天平1台。
B. 药品Sn(化学纯)；Bi(化学纯)；石腊油；石墨粉。
三、实验原理测绘金属相图常用的实验方法是热分析法，其原理是将一种金属或合金熔融后，使之均匀冷却，每隔一定时间记录一次温度，表示温度与时间关系的曲线叫步冷曲线。
当熔融体在均匀冷却过程中无相变时，其温度将连续均匀下降，得到一光滑的冷却曲线；当体系内发生相变时，则因体系放出相变潜热与自然冷却时体系散发掉的热量相抵偿，冷却曲线就会出现转折或水平线段，转折点所对应的温度，即为该组成合金的相变温度。
利用冷却曲线所得到的一系列组成和所对应的相变温度数据，以横轴表示混合物的组成，纵轴上标出开始出现相变的温度，把这些点连接起来，就可绘出相图。
二元简单低共熔体系的冷却曲线具有图4-1所示的形状。
图4-1 根据步冷曲线绘制相图图4-2 有过冷现象时的步冷曲线用热分析法测绘相图时，被测体系必须时时处于或接近相平衡状态，因此必须保证冷却速度足够慢才能得到较好的效果。
此外，在冷却过程中，一个新的固相出现以前，常常发生过冷现象，轻微过冷则有利于测量相变温度；但严重过冷现象，却会使折点发生起伏，使相变温度的确定产生困难。
见图4-2。
遇此情况，可延长dc线与ab线相交，交点e即为转折点。
四、实验步骤1.热电偶的制备取60cm长的镍铬丝和镍硅丝各一段，将镍铬丝用小绝缘瓷管穿好，将其一端与镍硅丝的一端紧密地扭合在一起(扭合头为0.5cm)，将扭合头稍稍加热立即沾以硼砂粉，并用小火熔化，然后放在高温焰上小心烧结，直到扭头熔成一光滑的小珠，冷却后将硼砂玻璃层除去。
4 二元合金相图
纯金属凝固时，理论结晶 温度固定，过冷度由温 度分布决定；热过冷 合金凝固时，理论结晶温 度与成分有关； 由S/L界面附近温度分布和 溶质分布共同决定的过 冷度称为成分过冷。
实际温度分布 T=Ti+Gx 过冷度分布：
T TL T T m C0 1 K0 R x Gx K0 D
二元系的两相区
如果某一成分、温度表 示的状态点位于两相区 内，说明该合金此时处 于两相平衡，如O合金； 两相平衡时，相图给出 了平衡相的浓度，如图 L成分为a，的成分为 b，合金的平均成分仍 然是O。
杠杆定律
若重量为W0，成分为O的合金在某一温度处于 两相平衡，如L和两相平衡； 根据溶质守恒，必然有：
其中ni是i组元的摩尔数。 微分形式为：
其中i是i组元的化学位：
dG SdT VdP i dni
G i , j 1,2,3, n, j i n i T , P , n j
设平衡体系中包含、两相，在等温等 压条件下，某一组元i从其中一相向另 一相转移了一个极小量dn摩尔， dG 相自由焓减小了： i dn 相自由焓增加了： dG i dn 此时，整个体系自由焓的变化为：
做法：
(1) 配制不同成分的合金；
(2) 将样品加热成液态，令其缓慢而均匀地冷却，记录、 绘制温度－时间曲线，即冷却曲线；
(3) 根据冷却曲线测定合金的临界点；由于相变的热效应， 在冷却曲线上出现转折点；
(4) 将临界点标在同一坐标系中，连接相同意义的点，构成 相图。
热分析法举例
以Bi-Cd系为例： 所选合金 Cd的质量百分数：a , 0%；b, 20%；c, 40%；d, 75%；e, 100%。
如果系统中各相经历很长时间，各相的状态 （成分、结构、数量等）不随时间发生变化， 则是处于平衡状态。 相平衡是动态平衡。例如冰与水在1atm，0℃ 时处于平衡状态，但是界面仍然有物质交换， 只不过速度相等。
实际温度分布 T=Ti+Gx 过冷度分布：
T TL T T m C0 1 K0 R x Gx K0 D
二元系的两相区
如果某一成分、温度表 示的状态点位于两相区 内，说明该合金此时处 于两相平衡，如O合金； 两相平衡时，相图给出 了平衡相的浓度，如图 L成分为a，的成分为 b，合金的平均成分仍 然是O。
杠杆定律
若重量为W0，成分为O的合金在某一温度处于 两相平衡，如L和两相平衡； 根据溶质守恒，必然有：
其中ni是i组元的摩尔数。 微分形式为：
其中i是i组元的化学位：
dG SdT VdP i dni
G i , j 1,2,3, n, j i n i T , P , n j
设平衡体系中包含、两相，在等温等 压条件下，某一组元i从其中一相向另 一相转移了一个极小量dn摩尔， dG 相自由焓减小了： i dn 相自由焓增加了： dG i dn 此时，整个体系自由焓的变化为：
做法：
(1) 配制不同成分的合金；
(2) 将样品加热成液态，令其缓慢而均匀地冷却，记录、 绘制温度－时间曲线，即冷却曲线；
(3) 根据冷却曲线测定合金的临界点；由于相变的热效应， 在冷却曲线上出现转折点；
(4) 将临界点标在同一坐标系中，连接相同意义的点，构成 相图。
热分析法举例
以Bi-Cd系为例： 所选合金 Cd的质量百分数：a , 0%；b, 20%；c, 40%；d, 75%；e, 100%。
如果系统中各相经历很长时间，各相的状态 （成分、结构、数量等）不随时间发生变化， 则是处于平衡状态。 相平衡是动态平衡。例如冰与水在1atm，0℃ 时处于平衡状态，但是界面仍然有物质交换， 只不过速度相等。
合金-二元相图
两组元服从原子价规律而生成的正常化学中所称的化合物 两组元服从原子价规律而生成的正常化学中所称的化合物。 通常是金属元素与非金属元素组成，组元间电负性差起主要作 用，两组元间电负性差较大，它们符合 般化合物的原子价规 用，两组元间电负性差较大，它们符合一般化合物的原子价规 律。 例如MnS、Al2O3、TiN、ZrO2等，其结合键为离子键；也有 的是共价键，如SiC；少数也有以金属键结合,如Mg2Pb。
晶体结构因素
组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且才有可 能形成无限固溶体。 若组元间的晶体结构不同，便只能生成有限固溶体。
电负性差
电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变 为负离子的能力。反映两元素的化学性能差别。 两元素间电负性差越小，则越容易形成固溶体，且 所形成的固溶体的溶解度也就越大；随两元素间电负性 差增大 溶解度减小 当其差别很大时 往往形成较稳 差增大，溶解度减小，当其差别很大时，往往形成较稳 定的化合物。
End
固溶体的性能特点
• 由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上与 原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的性能主要决定于溶 剂的性能，或在溶剂性能基础上发生一些改变。 固溶体的性能与原溶剂性能的差别，或称性能变化的大小， 随着溶质的浓度(含量)的增加而加大。 以金属元素为溶剂的固溶体，随着溶质的溶入，强度将提高， 称为固溶强化，溶质的溶入可造成晶格畸变，材料的塑性变 形的阻力加大 同时塑性略有下降 但不明显 在材料中是 形的阻力加大，同时塑性略有下降，但不明显。在材料中是 有效提高金属材料力学性能的途径之一。
固溶强化
尺寸因素
在置换固溶体中，溶质原子的尺寸和溶剂相近，溶解度也 愈大，Δr 小于15% 时才有利于形成置换固溶体，要能达到无 限互溶 Δ 的值还要小一些。 限互溶，Δr 的值还要小 些 间隙固溶体的形成的基本条件 D质/D剂 < 0.59。在间隙固溶 体中 显然 D质/D剂 愈小，即溶质原子的尺寸愈小，溶解度也大。 体中，显然 愈小 即溶质原子的尺寸愈小 溶解度也大 间隙固溶体只能有限溶解。
晶体结构因素
组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且才有可 能形成无限固溶体。 若组元间的晶体结构不同，便只能生成有限固溶体。
电负性差
电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变 为负离子的能力。反映两元素的化学性能差别。 两元素间电负性差越小，则越容易形成固溶体，且 所形成的固溶体的溶解度也就越大；随两元素间电负性 差增大 溶解度减小 当其差别很大时 往往形成较稳 差增大，溶解度减小，当其差别很大时，往往形成较稳 定的化合物。
End
固溶体的性能特点
• 由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上与 原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的性能主要决定于溶 剂的性能，或在溶剂性能基础上发生一些改变。 固溶体的性能与原溶剂性能的差别，或称性能变化的大小， 随着溶质的浓度(含量)的增加而加大。 以金属元素为溶剂的固溶体，随着溶质的溶入，强度将提高， 称为固溶强化，溶质的溶入可造成晶格畸变，材料的塑性变 形的阻力加大 同时塑性略有下降 但不明显 在材料中是 形的阻力加大，同时塑性略有下降，但不明显。在材料中是 有效提高金属材料力学性能的途径之一。
固溶强化
尺寸因素
在置换固溶体中，溶质原子的尺寸和溶剂相近，溶解度也 愈大，Δr 小于15% 时才有利于形成置换固溶体，要能达到无 限互溶 Δ 的值还要小一些。 限互溶，Δr 的值还要小 些 间隙固溶体的形成的基本条件 D质/D剂 < 0.59。在间隙固溶 体中 显然 D质/D剂 愈小，即溶质原子的尺寸愈小，溶解度也大。 体中，显然 愈小 即溶质原子的尺寸愈小 溶解度也大 间隙固溶体只能有限溶解。
金属学第四章 二元合金相图
热分析法 利用合金在转变时伴有热学性能变化的特性，通
过测量系统温度的变化来得到临界温度，从而建立起
相图。
热分析法建立二元合金相图的步骤
• 将给定两组元配制成一系列不同成分的合金； • 将它们分别熔化后在缓慢冷却的条件下，分别测出它 们的冷却曲线； • 找出各冷却曲线上的相变临界点（曲线上的转折点） ； • 将各临界点注在温度——成分坐标中相应的合金成分 线上； • 连接具有相同意义的各临界点，并作出相应的曲线； • 用相分析法测出相图中各相区（由上述曲线所围成的 区间）所含的相，将它们的名称填入相应的相区内， 即得到一张完整的相图。
c
L+ L+
+
f
Ag%
g
Ag
+ Ⅱ
t
4.3.4. 共析相图
共析转变：
T,C
( + ) 共析体 L L+
A
+
c
+ d
e
+
B
4.4 相图与性能的关系
1. 合金的使用性能与相图的关系
● 固溶体中溶质浓度↑ → 强度、硬度↑ ● 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。
T,C
固相线
Pb
L+
L
L+
Sn
固溶线 固溶线
+
Sn%
共晶转变分析
T,C
Pb
L+
c
L
d
L+
e
共晶反应线 表示从c点到e点 范围的合金，在 该温度上都要发 生不同程度上的 共晶反应。
4.二元合金相图
溶解度随温度 下降而减少
反应式：L→ L+α→α→α+βⅡ
(4)包晶相图
一次晶 二次晶
反应式： LC + αP → βD
(5)共析相图
反应式：γ（固相）→α+β
度、恒定成分，二固相同时结晶。
反应式：LE（液）
α M +βN
组织定义：相（单相或多相）的类型及其空间形态。
Pb-Sn合金相图
含10%Sn的Pb-Sn合金显微组织 Pb-Sn共晶合金的显微组织 含50%Sn的Pb-Sn合金的显微组织 含80%Sn的Pb-Sn合金的显微组织
(3)固态下的二次晶析出反应
形成条件：固态下二组元性质相近→无限互溶→匀晶。
反应式： L
液相
L +α
α
固液两相区
固相
（成分不断变化）（与液相同成分）
合金的结晶过程及组织
Cu-Ni合金相图、合金冷却曲线及组织形成示意图
Cu-Ni合金枝晶偏析
(2)共晶相图 当两个组元液态能无限互溶，但固态只能有
限互溶并且发生共晶反应时，所构成的相图。如 Pb-Sb、Al-Si、Pb-Sn及Ag-Cu等都是这类相图。 形成条件：固态下二组元有限溶解，在恒定温
2.2 晶体材料的相图与相变
一、相与相图 1.组元与相 组元—组成合金的独立的、最基本的单元。
★ 组元可以是元素或稳定化合物 ； ★ 组元之间可能相互溶解形成固溶体
可以相互反应形成化合物 相—合金中具有同一化学成分、同一晶体结
构和原子聚集状态，并具有界面分隔的 各个均匀组成部分。
2. 相变与相图
相变——相的分解、合成和转变过程 结晶：从液态变成晶态的过程 重结晶：从一种晶态变为另一种晶态的过程
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树枝状偏析或枝晶偏析：由于固溶体晶体的结晶通常按树 枝状方式进行，因而成分不均匀地沿树枝晶分布，枝 晶的主干含高熔点组元多，枝晶间含低熔点组元多。
晶间偏析先结晶的晶粒与后结晶晶粒的成分是不同的， 这种成分的不均匀
18
晶内偏析的危害及消除
危害：塑性、韧性下降 易引起晶内腐蚀 给金属热加工带来困难
LE ⇄(C+D) 。
析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共 晶组织较细,呈片、
棒、点球等形状.
A
B
C
E
D
F
G
28
② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程
结晶开始点的连线叫液相线。 结晶终了点的连线叫固相线。
10
3.杠杆定律——很重要
wL obCaC0 wa oa C0CL
w Lo ab bC C a a C C L 0100%w ao ab aC C a 0 C C L L100%
运用杠杆定律时要注意：它只适用于相图中的两相
区, 并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。
11
§4-2 二元匀晶相图
匀晶相图的分析 合金的平衡结晶过程 晶内偏析
12
§4-2 二元匀晶相图
匀晶转变：两组元在液态与固态均无限互溶，直接由 液相结晶出单相固溶体的过程。
匀晶相图： 当两个组元化学性质相近，晶体结构相同， 晶格常数相差不大时，它们在液态（熔融态）和固态 均无限互溶，形成成分连续可变的固溶体，称为无限 固溶体或连续固溶体，它们形成的相图即为匀晶相图。
消除方法：扩散退火或均匀化退火，使偏析元素充分进行 扩散，已达到成分均匀化
19
§4-3 二元共晶相图
二元共晶相图分析 典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织 相组成物与组织组成物 概念：
共晶反应：由一定成分的液相同时结晶出成分不同、 结构不同的两个固相
共晶组织（共晶体）：共晶转变的产物 （两个固相的混和物）
溶体， 是溶质Pb在Sn中的固溶体。
A ② 相区：相图中有:
B 三个单相区： L、、 三个两相区：
L+、L+、+ ； 一个三相区：即水平线
CED。
22
⑴ 相图分析
③ 液固相线: 液相线AEB, 固相线ACEDB. A、B分别为 Pb、Sn的熔点.
④ 固溶线: 溶解度点的连线称 A
固溶线.相图中的CF、DG线
共晶反应。
25
⑵ 合金的结晶过程
① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程
在3点以前为匀晶转变，一次相或初生相.
温度降到3点以下， 由 析出的二次 用Ⅱ 表示，次生相。
形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种.
随温度下降， 和 相的
成分分别沿CF线和DG线
A
变化，Ⅱ的重量增加。
B
C
E
机械混合物称共晶体或共晶
组织。发生共晶反应的温度
称共晶温度。代表共晶温度
和共晶成分的点称共晶点。
Pb原子 扩散
Sn原子 共晶体长 扩散 大示意图
24
⑴ 相图分析
A
L+
B
C
D的合金称亚共晶合金， 位于共晶点以右的合金称过共晶合金。 凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生
两 相的重量比也一定。
15
在2点固液两相重量比例
16
3、晶内偏析
固溶体结晶过程中固相和液相成分是不断变化的。 在平衡结晶条件下，扩散充分、均匀固溶 实际铸造过程中，结晶较快，晶内偏析
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
17
晶内偏析：在实际铸造状态下，合金的结晶较快，原子扩 散特别是在固相中的扩散来不及充分进行，在一个晶 粒内，先结晶的部分与后结晶部分的成分不同的，这 种成分的不均匀称晶内偏析。
13
合金的平衡结晶过程
Cu-Ni合金相图
14
2、平衡结晶规律
合金平衡结晶过程分析 固溶体的结晶过程（匀晶转变）与纯金属结晶相比 （1）异分结晶：就是指固溶体结晶时，结晶出来的固相与
母相化学成分不同。 （2）固溶体结晶是在一定的温度范围内完成的，其中每一
个温度下，只能结晶出一定数量的固相。 在匀晶相图的两相区，温度一定时，两相的成分确定，
2
2.二元相图的建立
热分析法建立相图 1，选用高纯度的组元，配制一系列不同成分的合金 2，测出平衡条件下的冷却曲线，找出临界点 3，将各临界点标注在温度-成分坐标平面内 4，把相同意义的临界点连成线，标上已知条件，分析
结果，写上数字、字母及各相、组织的名称
9
合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般 可以认为是平衡的结晶过程。
go
20
§4-3 二元共晶相图
当两组元在液态下完 全互溶，在固态下有 限互溶,并发生共晶 反应时所构成的相图
称共晶相图。
以 Pb-Sn 相图为例进
行分析。
Pb
温度（℃）
成分（wt%Sn）
Sn
Pb-Sn合金相图
21
§4-3 二元共晶相图
⑴ 相图分析 ① 相：相图中有L、、 三种相, 是溶质Sn 在 Pb中的固
B
分别为 Sn在 Pb中和 Pb在
Sn中的固溶线。
⑤ 共晶线：水平线CED 固溶体的溶解度随温度降低而下降。
23
⑴ 相图分析
在共晶线对应的温度下 (183 ℃) ，E点成分的合金同时结
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)
共晶反应的产物，即两相的
D
F
G
26
① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程
室温下Ⅱ的相对重量百
分比为： F4
QⅡ
1 FG
0% 0
A
由于二次相析出温度较低，
C
E
一般十分细小。
F
Ⅰ合金室温组织为 + Ⅱ 。
成分大于 D点合金结晶过程与Ⅰ合金相似,
室温组织为 + Ⅱ。
B D
G
27
② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程
液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共晶反应：
4二元合金相图
第四章 二元合金相图
合金：组元 ： 相：组织： 合金：是指由两种或两种以上的金属元素与非金属元素经过
冶炼、烧结或用其它方法组合而成具有金属特性的物质，二 元、三元等。 组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。 相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并与 其它部分有界面分开的均匀组成部分称之为相。 组织：合金的组织是指肉眼或借助于显微镜所观察到的合金 的相组成及相的数量、形态、大小、分布特征。
晶间偏析先结晶的晶粒与后结晶晶粒的成分是不同的， 这种成分的不均匀
18
晶内偏析的危害及消除
危害：塑性、韧性下降 易引起晶内腐蚀 给金属热加工带来困难
LE ⇄(C+D) 。
析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共 晶组织较细,呈片、
棒、点球等形状.
A
B
C
E
D
F
G
28
② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程
结晶开始点的连线叫液相线。 结晶终了点的连线叫固相线。
10
3.杠杆定律——很重要
wL obCaC0 wa oa C0CL
w Lo ab bC C a a C C L 0100%w ao ab aC C a 0 C C L L100%
运用杠杆定律时要注意：它只适用于相图中的两相
区, 并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。
11
§4-2 二元匀晶相图
匀晶相图的分析 合金的平衡结晶过程 晶内偏析
12
§4-2 二元匀晶相图
匀晶转变：两组元在液态与固态均无限互溶，直接由 液相结晶出单相固溶体的过程。
匀晶相图： 当两个组元化学性质相近，晶体结构相同， 晶格常数相差不大时，它们在液态（熔融态）和固态 均无限互溶，形成成分连续可变的固溶体，称为无限 固溶体或连续固溶体，它们形成的相图即为匀晶相图。
消除方法：扩散退火或均匀化退火，使偏析元素充分进行 扩散，已达到成分均匀化
19
§4-3 二元共晶相图
二元共晶相图分析 典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织 相组成物与组织组成物 概念：
共晶反应：由一定成分的液相同时结晶出成分不同、 结构不同的两个固相
共晶组织（共晶体）：共晶转变的产物 （两个固相的混和物）
溶体， 是溶质Pb在Sn中的固溶体。
A ② 相区：相图中有:
B 三个单相区： L、、 三个两相区：
L+、L+、+ ； 一个三相区：即水平线
CED。
22
⑴ 相图分析
③ 液固相线: 液相线AEB, 固相线ACEDB. A、B分别为 Pb、Sn的熔点.
④ 固溶线: 溶解度点的连线称 A
固溶线.相图中的CF、DG线
共晶反应。
25
⑵ 合金的结晶过程
① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程
在3点以前为匀晶转变，一次相或初生相.
温度降到3点以下， 由 析出的二次 用Ⅱ 表示，次生相。
形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种.
随温度下降， 和 相的
成分分别沿CF线和DG线
A
变化，Ⅱ的重量增加。
B
C
E
机械混合物称共晶体或共晶
组织。发生共晶反应的温度
称共晶温度。代表共晶温度
和共晶成分的点称共晶点。
Pb原子 扩散
Sn原子 共晶体长 扩散 大示意图
24
⑴ 相图分析
A
L+
B
C
D的合金称亚共晶合金， 位于共晶点以右的合金称过共晶合金。 凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生
两 相的重量比也一定。
15
在2点固液两相重量比例
16
3、晶内偏析
固溶体结晶过程中固相和液相成分是不断变化的。 在平衡结晶条件下，扩散充分、均匀固溶 实际铸造过程中，结晶较快，晶内偏析
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
17
晶内偏析：在实际铸造状态下，合金的结晶较快，原子扩 散特别是在固相中的扩散来不及充分进行，在一个晶 粒内，先结晶的部分与后结晶部分的成分不同的，这 种成分的不均匀称晶内偏析。
13
合金的平衡结晶过程
Cu-Ni合金相图
14
2、平衡结晶规律
合金平衡结晶过程分析 固溶体的结晶过程（匀晶转变）与纯金属结晶相比 （1）异分结晶：就是指固溶体结晶时，结晶出来的固相与
母相化学成分不同。 （2）固溶体结晶是在一定的温度范围内完成的，其中每一
个温度下，只能结晶出一定数量的固相。 在匀晶相图的两相区，温度一定时，两相的成分确定，
2
2.二元相图的建立
热分析法建立相图 1，选用高纯度的组元，配制一系列不同成分的合金 2，测出平衡条件下的冷却曲线，找出临界点 3，将各临界点标注在温度-成分坐标平面内 4，把相同意义的临界点连成线，标上已知条件，分析
结果，写上数字、字母及各相、组织的名称
9
合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般 可以认为是平衡的结晶过程。
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20
§4-3 二元共晶相图
当两组元在液态下完 全互溶，在固态下有 限互溶,并发生共晶 反应时所构成的相图
称共晶相图。
以 Pb-Sn 相图为例进
行分析。
Pb
温度（℃）
成分（wt%Sn）
Sn
Pb-Sn合金相图
21
§4-3 二元共晶相图
⑴ 相图分析 ① 相：相图中有L、、 三种相, 是溶质Sn 在 Pb中的固
B
分别为 Sn在 Pb中和 Pb在
Sn中的固溶线。
⑤ 共晶线：水平线CED 固溶体的溶解度随温度降低而下降。
23
⑴ 相图分析
在共晶线对应的温度下 (183 ℃) ，E点成分的合金同时结
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)
共晶反应的产物，即两相的
D
F
G
26
① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程
室温下Ⅱ的相对重量百
分比为： F4
QⅡ
1 FG
0% 0
A
由于二次相析出温度较低，
C
E
一般十分细小。
F
Ⅰ合金室温组织为 + Ⅱ 。
成分大于 D点合金结晶过程与Ⅰ合金相似,
室温组织为 + Ⅱ。
B D
G
27
② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程
液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共晶反应：
4二元合金相图
第四章 二元合金相图
合金：组元 ： 相：组织： 合金：是指由两种或两种以上的金属元素与非金属元素经过
冶炼、烧结或用其它方法组合而成具有金属特性的物质，二 元、三元等。 组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。 相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并与 其它部分有界面分开的均匀组成部分称之为相。 组织：合金的组织是指肉眼或借助于显微镜所观察到的合金 的相组成及相的数量、形态、大小、分布特征。