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第三章二元合金与相图教学目的及要求通过本章学习，使学生掌握固态合金的相结构相图，了解几种最基本的二元相图，理解合金相图与合金性能之间的相互关系。
主要内容1．二元相图及合金的结晶过程2．合金相图与合金性能之间的关系学时安排讲课3学时。
教学重点1．合金的相结构2．几种最基本的二元相图的特征3．二元合金的结晶教学难点1．合金的相结构2．二元相图及合金的结晶教学过程第一节固态合金的相结构一、基本概念1．合金。
两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为合金。
合金具有比纯金属高得多的强度、硬度、耐磨性等机械性能，是工程上使用得最多的金属材料。
2．相：指系统中具有同一聚集状态、同一物理化学成分、同一结构并以界面相互隔开的均匀组成部分。
二、合金的相结构两大类：固溶体和金属化合物。
1．固溶体定义：就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，并保持溶剂元素的晶体结构。
结构：同溶剂的晶格结构。
分类：置换固溶体和间隙固溶体（1）置换固溶体：溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，形成固溶体时溶质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子，就形成了置换固溶体。
例如：Fe与Mn、Si 、Al 、Cr 、Ti 、Nb 等形成置换固溶体。
（2）间隙固溶体：溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置上，则形成间隙固溶体。
例如：Fe 与C、N 、O 、H 形成间隙固溶体。
固溶体的性能：与基体金属相比，强度硬度增加，塑性韧性降低，电阻、矫顽力增加。
固溶强化：通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材料强度增加的现象称为固溶强化。
强化材料的方法之一。
2．金属化合物定义：合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。
分类：分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三大类型。
对合金性能的影响：金属化合物具有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性，是合金中的强化相。
它的出现可提高合金的强度、硬度和耐磨性，但降低塑韧性。
理论课教案教师活动内容学生活动内容时间∵W1 ·ac= W2·bc a 支点c b （成分点）∴W1W2=bcacW1W2两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应的合金系，称为匀晶系并构成匀晶相图。
例如NiCu-、CrFe-、AgAu-合金相图等。
现以NiCu-合金相图为例，对匀晶相图及其合金的结晶过程进行分析。
匀晶相图1）相图分析NiCu-相图（见图2.3）为典型的匀晶相图。
图中acb线为液相线，该线以上合金处于液相；adb线为固相线，该线以下合金处于固相。
液相线和固相线表示合金系在平衡状态下冷却时结晶的始点和终点以及加热时熔化的终点和始点。
L为液相，是Cu和Ni形成的液溶体；α为固相，是Cu和Ni组成的无限固溶体。
图中有两个单相区：液相线以上的L相区和固相线以下的α相区。
图中还有一个两相区：液相线和固相线之间的L+α相区。
2）合金的结晶过程图2.6 匀晶合金的结晶过程以b点成分的NiCu-合金(Ni含量为b％)为例分析结晶过程。
该合金的冷却曲线和结晶过程如图2.6所示。
首先利用相图画出该成分合金的冷却曲线，在1点温度以上，合金为液相L。
缓慢冷却至l-2温度之间时，合金发生匀晶反应，从液相中逐渐结晶出α固溶体。
2点温度以下，合金全部结晶为α固溶体。
其它成分合金的结晶过程也完全类似。
3）匀晶结晶的特点⑴与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有生核与长大两个过程，且固溶体更趋于呈树枝状长大。
⑵固溶体结晶在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。
⑶在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）是确定的。
确定相成分的方法见2.1.4。
⑷两相区内，温度一定时，两相的相对质量是一定的，且符合结合图形详细讲解学生认真听讲指导学生看书认真听讲10分15分教 师 活 动 内 容学生活动内容 时间杠杆定律。
⑸固溶体结晶时成分是变化的（L 相沿1a →2a 变化，α相沿1c →2c 变化），缓慢冷却时由于原子的扩散充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。
教学课题二元合金相图教学课时 2教学目的让学生了解了解相图的分析方法及共晶转变的概念掌握共晶转变的定义、应具备的条件教学难点共晶转变的定义、应具备的条件教学重点共晶转变的定义、应具备的条件教学方法讲解法教具准备教材教学过程授课内容一、二元合金相图的建立相图：合金的成分、温度和组织之间关系的一个简明图表。
相图的作用：研究和选用合金的重要工具，对于金属的加工及热处理，具有指导意义。
相图的表示形式：平面坐标图的形式表示。
（纵坐标表示温度，横坐标表示合金的成分）（教材P36页）例如:F、G、M含义）F点表示：400℃时含B 20% 含A 80%合金G点表示：800℃时含B 60% 含A 40%合金M点表示：1000℃时含B 80% 含A 20%合金相图的建立是通过实验的方法测定出来的。
最常用的是热分析法。
以铅锑二元合金为例，说明步骤：（1）配制不同成分的Pb-Sb合金。
（2）将它们熔化，再用热分析法测定各合金的冷却曲线。
（3）根据各冷却曲线上的转折点，确定其临界点的位置。
（临界点：金属发生结构改变的温度。
指合金的结晶开始及终了温度。
）（4）把各合金的临界点描绘在温度—成分坐标系的相对位置上，并将意义相同的临界点连接起来，即得相图。
举例说明Cu —Ni 二元合金相图。
二、铅锑二元合金相图的分析℃℃）A （327）1、A 点：铅的熔点 （327℃）2、B 点：锑的熔点 （631℃）3、C 点：共晶点（ Sb11%+Pb89% 252℃ ）4、ACB ：液相线5、DCE ：固相线6个区域（如图）共晶转变：一定成分的液态合金，在某一恒温下，同时结晶出两种固相的转变。
结晶过程1、共晶转变：（Sb11%+Pb89%）252℃Lc ===== （Sb + Pb ）共晶合金：在恒温下从液相中，同时结晶出 Sb 和 Pb 的混合物（共晶体），继续冷却，共晶体不再发生变化。
这一合金称为共晶合金。
2、亚共晶转变： （ Sb ＜11% ）。
理论课教案教师活动内容学生活动内容时间∵W1 ·ac= W2·bc a 支点c b （成分点）∴W1W2=bcacW1W2两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应的合金系，称为匀晶系并构成匀晶相图。
例如NiCu-、CrFe-、AgAu-合金相图等。
现以NiCu-合金相图为例，对匀晶相图及其合金的结晶过程进行分析。
匀晶相图1）相图分析NiCu-相图（见图2.3）为典型的匀晶相图。
图中acb线为液相线，该线以上合金处于液相；adb线为固相线，该线以下合金处于固相。
液相线和固相线表示合金系在平衡状态下冷却时结晶的始点和终点以及加热时熔化的终点和始点。
L为液相，是Cu和Ni形成的液溶体；α为固相，是Cu和Ni组成的无限固溶体。
图中有两个单相区：液相线以上的L相区和固相线以下的α相区。
图中还有一个两相区：液相线和固相线之间的L+α相区。
2）合金的结晶过程图2.6 匀晶合金的结晶过程以b点成分的NiCu-合金(Ni含量为b％)为例分析结晶过程。
该合金的冷却曲线和结晶过程如图2.6所示。
首先利用相图画出该成分合金的冷却曲线，在1点温度以上，合金为液相L。
缓慢冷却至l-2温度之间时，合金发生匀晶反应，从液相中逐渐结晶出α固溶体。
2点温度以下，合金全部结晶为α固溶体。
其它成分合金的结晶过程也完全类似。
3）匀晶结晶的特点⑴与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有生核与长大两个过程，且固溶体更趋于呈树枝状长大。
⑵固溶体结晶在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。
⑶在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）是确定的。
确定相成分的方法见2.1.4。
⑷两相区内，温度一定时，两相的相对质量是一定的，且符合结合图形详细讲解学生认真听讲指导学生看书认真听讲10分15分教 师 活 动 内 容学生活动内容 时间杠杆定律。
⑸固溶体结晶时成分是变化的（L 相沿1a →2a 变化，α相沿1c →2c 变化），缓慢冷却时由于原子的扩散充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。
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。
先结晶的树枝晶轴含高熔点组元（Ni ）较多，后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元（Cu ）较多。
结果造成在一个晶粒之内化学成分的分布不均。
这种现象称为枝晶偏析（见图2.7）。
枝晶偏析对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。
生产上为了消除其影响，常把合金加热到高温（低于固相线100℃左右），并进行长时间保温，使原子充分扩散，获得成分均匀的固溶体。
这种处理称为扩散退火。
图2.7 枝晶偏析示意图 （四）课堂小结 点出重点，分析难点 （五）布置作业 1、复习本次课的内容 2、习题册上的习题 3、预习下一节内容记笔记学生根据老师的提示认真回顾本次课的重点内容5分 5分 3分理论课教案教 师 活 动 内 容学生活动内容 时间（一）组织教学点名考勤，稳定学生情绪，准备上课 （二）提出问题1、二元合金相图的基本定义2、杠杆定律的应用3、匀晶相图 （三）讲授新课§4-3二元合金相图（二）三、共晶相图两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生共晶反应的合金系，称为共晶系并构成共晶相图。
例如Sn Pb -、Si Al -、Cu Ag -合金相图等。
现以Sn Pb -合金相图为例，对共晶相图及其合金的结晶过程进行分析。
1 相图分析Sn Pb -合金相图（图2.8）中，adb 为液相线，acdeb 为固相线。
合金系有三种相:Pb 与Sn 形成的液溶体L 相，Sn 溶于Pb 中的有限固溶体α相，Pb 溶于Sn 中的有限固溶体β相。
相图中有三个单相区（L 、α、β相区）；三个两相区（L +α、L +β、α+β相区）；一条L +α+β的三相并存线（水平线cde ）。
图2.8 Pb-Sn 合金相图及成分线d 点为共晶点，表示此点成分（共晶成分）的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度）时，共同结晶出c 点成分的α相和e 点成分的β相：e c d L βα+−→−恒温。
这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。
所生成的两相混合物（层片相间）叫共晶体。
发生共晶反应时有三相共存，它们各自的成分是确定的，反应在恒温下平衡地进行着。
水平线cde 为共晶反应钱，成分在ce 之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。
cf 线为Sn 在Pb 中的溶解度线（或α相的固溶线）。
温度降低，固溶体的溶解度下降。
Sn 含量大于f 点的合金从高温冷却到室温时，从α相中析出β相以降低其 Sn 含量。
从固态α相中析出的β相称为二次β，常写作βⅡ。
这种二次结晶可表达为：βα→Ⅱ。
eg 线为Pb 在Sn 中的溶解度线（或β相的固溶线）。
Sn 含量小于g 点的合金，冷却过程中同样发生二次结晶，析出二次α：αβ→Ⅱ。
2.3.2 典型合金的结晶过程2.3.2.1 合金Ⅰ准备上课学生思考并回答所提出的问题。
学生分组讨论并发言 听 讲 记笔记 学生思考、讨论 准备回答听 讲 记笔记 2分5分 5分15分教 师 活 动 内 容学生活动内容 时间合金Ⅰ的平衡结晶过程（如图 2.9所示）。
液态合金冷却到1点温度以后，发生匀晶结晶过程，至2点温度合金完全结晶成α固溶体，随后的冷却（2-3点间的温度），α相不变。
从3点温度开始，由于Sn 在α中的溶解度沿cf 线降低，从α中析出βⅡ，到室温时α中Sn 含量逐渐变为f 点。
最后合金得到的组织为α+βⅡ。
其组成相是f 点成分的α相和g 点成分的β相。
运用杠杆定律，两相的相对质量为：%)%%(%%;%αββα-=⨯=⨯=1或10041004fgf fg g合金的室温组织由α和βⅡ组成，α和βⅡ即为组织组成物。
组织组成物是指合金组织中那些具有确定本质，一定形 图2.9 合金Ⅰ结晶过程示意图 成机制和特殊形态的组成部分。
组织组成物可以是单相，或是两相混合物。
合金Ⅰ的室温组织组成物α和βⅡ皆为单相，所以它的组织组成物的相对质量与组成相的相对质量相等。
2.3.2.2 合金Ⅱ合金Ⅱ为共晶合金，其结晶过程如图2.10所示。
合金从液态冷却到1点温度后，发生共晶反应：e c d L βα+−→−恒温，经一定时间到1'时反应结束，全部转变为共晶体（e c βα+）。
从共晶温度冷却至室温时，共晶体中的c α和e β均发生二次结晶，从α中析出βⅡ，从β中析出αⅡ。
α的成分由c 点变为f 点，β的成分由e 点变为g 点；两种相的相对质量依杠杆定律变化。
由于析出的αⅡ和βⅡ都相应地同α和β相连在一起，共晶体的形态和成分不发生变化，不用单独考虑。
合金的室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组成物（即共晶体）；而其组成相仍为α和β相。
图2.10共晶合金结晶过程示意图 图2.11 亚共晶合金结晶过程示意图 2.3.2.3 合金Ⅲ合金Ⅲ是亚共晶合金，其结晶过程如图2.11所示。
合金冷却到1学生认真听课听 讲 记笔记学生认真思考听课记笔记 总结归纳10分15分教 师 活 动 内 容学生活动内容 时间较合金的性能，并使相图更具有实际意义。
如图2.12所示。
从图中可以看出，在室温下f 点及其左边成分的合金的组织为单相α，g 点及其右边成分的合金的组织为单相β，g f -之间成分的合金的组织由α和β两相组成。
即合金系的室温组织自左至右相继为：α、α+βⅡ、、α+βⅡ+()βα+、()βα+、()βααβ+++II 、II αβ+、β。
图2.12 标注组织的共晶相图由于各种成分的合金冷却时所经历的结晶过程不同，组织中所得到的组织组成物及其数量是不相同的。
这是决定合金性能最本质的方面。
（四）课堂小结 点出重点，分析难点 （五）布置作业 1、复习本次课的内容 2、习题册上的习题 3、预习下一节内容记笔记学生根据老师的提示认真回顾本次课的重点内容5分 3分理论课教案教 师 活 动 内 容学生活动内容 时间（一）组织教学点名考勤，稳定学生情绪，准备上课 （二）提出问题1、二元合金相图的基本定义2、杠杆定律的应用3、共晶相图 （三）讲授新课§4-3二元合金相图（三）四、包晶相图两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生包晶反应的合金系，称为包晶系并构成包晶相图。
例如Ag Pt -、Sn Ag -、Sb Sn -合金相图等。
现以Ag Pt -合金相图为例，对包晶相图及其合金的结晶过程进行分析。
1 相图分析Ag Pt -合金相图（图2.13）中存在三种相：Pt 与Ag 形成的液溶体L 相；Ag 溶于Pt 中的有限固溶体α相；Pt 溶于Ag 中的有限固溶体β相。
e 点为包晶点。
e 点成分的合金冷却到e 点所对应的温度（包晶温度）时发生以下反应：e d e L βα−→−+恒温图2.13 Pt-Ag 合金相图这种由一种液相与一种固相在恒温下相互作用而转变为另一种固相的反应叫做包晶反应。
发生包晶反应时三相共存，它们的成分确定，反应在恒温下平衡地进行。
水平线ced 为包晶反应线。
cf 为Ag 在α中的溶解度线，eg 为Pt 在β中的溶解度线。
2 典型合金的结晶过程1） 合金Ⅰ合金Ⅰ的结晶过程如图2.14所示。
液态合金冷却到1点温度以下时结晶出α固溶体，L 相成分沿ad 线变化，α相成分沿ac 线变化。
合金刚冷到2点温度而尚未发生包晶反应前，由d 点成分的L 相与c 点成分的α相组成．此两相在e 点温度时发生包晶反应，β相包围α相而形成。
反应结束后，L 相与α相正好全部反应耗尽，形成e 点成分的β固溶体。
温度继续下降时，从β中析出II α。
最后室温组织为II αβ+。
其组成相和组织组成物的成分和相对重量可根据杠杆定律来确定。
在合金结晶过程中，如果冷速较快，包晶反应时原子扩散不能充分进行，则生成的β固溶体中会发生较大的偏析。
原α处Pt 含量较高，而原L 区含Pt 量较低。
这种现象称为包晶偏析。
包晶偏析可通过扩散退火来消除。
准备上课学生思考并回答所提出的问题。
学生分组讨论并发言 听 讲 记笔记 学生思考、讨论 准备回答 听 讲 记笔记 2分5分 5分15分 15分教 师 活 动 内 容学生活动内容 时间图2.14 合金Ⅰ结晶过程示意图 图2.15 合金Ⅱ结晶过程示意图2.4.2.2 合金Ⅱ合金Ⅱ的结晶过程如图2.15所示。
液态合金冷却到1点温度以下时结晶出α相，刚至2点温度时合金由d 点成分的液相L 和c 点成分的α相组成，两相在2点温度发生包晶反应，生成β固溶体。
与合金Ⅰ不同，合金Ⅱ在包晶反应结束之后，仍剩余有部分α固溶体。
在随后的冷却过程中，β和α中将分别析出II α和II β，所以最终室温组织为II II βαβα+++。
五、共析相图与含有稳定化合物的相图除了上述三个基本相图以外，还经常用到一些特殊相图。
