二元合金相图（1）

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第二章二元合金相图

纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件

对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，

例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的

金属材料是合金。合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就

必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。合金相图正是研究这些规律的有效工具。

一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具

有金属特性的物质叫做合金。其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以

是金属、非金属元素或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常

用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。二元以上的合金称多元合金。合金的强度、硬度、

耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。

合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。利用相图

可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时

所可能发生的变化。掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金

的性能，也可按要求来研究新的合金。在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接

及热处理工艺的重要依据。

本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合

金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认

识。

2.1 合金中的相及相图的建立

在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组

成部分叫做相。液态物质为液相，固态物质为固相。相与相之间的转变称为相变。在固态

下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。由数量、形态、大小和分布方式不同的

各种相组成合金的组织。组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。由不同组

织构成的材料具有不同的性能。如果合金仅由一个相组成，称为单相合金；如果合金由二

个或二个以上的不同相所构成则称为多相合金。如含30的铜锌合金的组织由相单%

Zn

相组成；含38的铜锌合金的组织由和相双相组成。这两种合金的机械性能大不%

Zn

相同。

合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。

2.1.1 固溶体与复杂结构的间隙化合物

2.1.1.1 固溶体

合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、

且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶

体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；

另一组元为溶质，含量较少。固溶体用、、

等符号表示。、组元组成的固溶体也可表示

为（），其中为溶剂，为溶质。例如铜锌ABAB

合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用表示，亦

可表示为（）。

图2.1 置换与间隙固溶体示Cu

Zn意图

⑴固溶体的分类

①按溶质原子在溶剂晶格中的位置（如图2.1）分为：





的间隙之中;溶质原子进入溶剂晶格间隙固溶体格某些结点上的原子;溶质原子代换了溶剂晶置换固溶体

②按溶质原子在溶剂中的溶解度（固溶度）（溶质在固溶体中的极限浓度）分为：





(可达100%);溶质可以任意比例溶入无限固溶体相生成;溶质超过溶解度即有新有限固溶体

③按溶质原子的分布规律：





溶质原子无规则分布;无序固溶体溶质原子有规则分布;有序固溶体

有序化-在一定条件（如成分、温度等）下，一些合金的无序固溶体可变为有序固溶体。

⑵影响固溶体类型和溶解度的主要因素

影响固溶体类型和溶解度的主要因素有组元的原子半径、电化学特性和晶格类型等。

原子半径、电化学特性接近、晶格类型相同的组元，容易形成置换固溶体，并有可能

形成无限固溶体。当组元原子半径相差较大时，容易形成间隙固溶体。间隙固溶体都是有

限固溶体，并且一定是无序的。无限固溶体和有序固溶体一定是置换固溶体。

⑶固溶体的性能

固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。对于置换固

溶体，溶质原子较大时造成正畸变，较小时引起负畸变

（见图2.2）。形成间隙固溶体时，晶格总是产生正畸变。

晶格畸变随溶质原子浓度的增高而增大。晶格畸变增大位

错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提

高合金的强度和硬度。这种随溶质原子浓度的升高而使金

属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的一种重要

图2.2 晶格正、

负畸变示意图

形式。在溶质含量适当时可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。例

如，纯铜的为 220，硬度为 40，断面收缩率为70％。当加入 1％镍形成单

b

MPaHB

相固溶体后，强度升高到 390，硬度升高到70，而断面收缩率仍有50％。所以MPaHB

固溶体的综合机械性能很好，常常被用作为结构合金的基体相。固溶体与纯金属相比，物

理性能有较大的变化，如电阻率上升，导电率下降，磁矫顽力增大等等。

2.1.1.2 复杂结构的间隙化合物

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即为金属化合物，

或称中间相。金属化合物一般熔点较高，硬度高，脆性大。合金中含有金属化合物时，强

度、硬度和耐磨性提高，而塑性和韧性降低。金属化合物是许多合金的重要强化相。金属

化合物有许多种，其中较常用的是具有复杂结构的间隙化合物（当非金属原子半径与金属

原子半径之比大于0.59时形成的）。如钢中的,其中原子可以部分地被、CFe

3Fe

、、等金属原子所置换，形成以间隙化合物为基的固溶体，如、等。CrMoWFe(CCr

复杂结构的间隙化合物具有很高的熔点和硬度，在钢中起强化作用，是钢中的主要强化相。

2.1.2 相图概述

前面已经简述过，合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间

的关系，是了解合金中各种组织的形成与变化规律的有效工具。进而可以研究合金的组织

与性能的关系。何为合金系呐？两组元按不同比例可配制成一系列成分的合金，这些合金

的集合称为合金系，如铜镍合金系、铁碳合金系等。我们即将要研究的相图就是表明合金

系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图

。所谓平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和相对重量不再变化所达

到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。

合金在极其缓慢冷却条件下的结晶过程，一般可认为是平衡结晶过程。在常压下，二

元合金的相状态决定于温度和成分。因此二元合金相图可用温度-成分坐标系的平面图来表

示。

我们先来认识一下相图。图2.3为铜镍二元合金相图，它是一种最简单的基本相图。

横坐标表示合金成分（一般为溶质的质量百分数），左右端点分别表示纯组元（纯金属）

和，其余的为合金系的每一种合金成分，如点CuNiC

的合金成分为含20％,含80％。坐标平面上的任NiCu

一点（称为表象点）表示一定成分的合金在一定温度时

的稳定相状态。例如，点表示，含30％的铜镍合ANi

金在1200℃时处于液相（）+固相的两相状态；L

点表示，含60％的铜镍合金在1000℃时处于单一BNi

固相状态。

2.1.3 相图的建立过程

合金发生相变时，必然伴随有物理、化学性能的变

化，因此测定合金系中各种成分合金的相变的温度，可

以确定不同相存在的温度和成分界限，从而建立相图。

图2.3 Cu-Ni合金相图

常用的方法有热分析法、膨胀法、射线分析法等。下面以铜镍合金系为例，简单介绍

用热分析法建立相图的过程。

⑴配制系列成分的铜镍合金。

例如：合金Ⅰ：100％；合金Ⅱ：75％+25％；合金Ⅲ：50％+50％；CuCuNiCuNi

合

金Ⅳ：25％+75％；合金Ⅴ：100％。CuNiNi

⑵合金熔化后缓慢冷却，

测出每种合金的冷却曲线，

找出各冷却曲线上的临界点

（转折点或平台）的温度。

如图2.4。

⑶画出温度—成分坐标

系，在各合金成分垂线上标

出临界点温度。

⑷将具有相同意义的点

连接成线，标明各区域内所

存在的相，即得到-

图2.4 Cu-Ni合金冷却曲线及相图建立CuNi

合金相图。（图2.4）。

铜镍合金相图比较简单，实际上多数合金的相图很复杂。但是，任何复杂的相图都是由

一些简单的基本相图组成的。下面介绍几个基本的二元相图。

2.1.4 二元合金的杠杆定律

由相律可知，二元合金两相平衡时，两平衡相的成分与温度有关，温度一定则两平衡相

的成分均为确定值。确定方法是：过该温度时的合金表象点作水平线，分别与相区两侧分

界

线相交，两个交点的成分坐标即为相应的两平衡相成分。例如图2.5中，过点的水平线b

与相区分界线交于、点，、点的成分坐标值即为含％的合金时液、固相的acac

Nib

平衡成分。含％的合金在温度处Nib

T于两相平衡共存状态时，两平衡相的相对质量也是确定的。见图2.5，表象点所示合金b

含％，时液相（含％）和固相（含％）两相平衡共存。设该合Nib

1TLNia



Nic

金质量为，液相、固相质量为、，显然，由质量平衡：合金中的质量等于液、Q

QNi

固相中质量之和，即：

图2.5 杠杆定律的证明及力学比喻Ni

；合金总质量等于液、固相质量之和，即：；二式%%%cQaQbQ

L

QQQ

L

联立得：；化简整理后得： %)(bQQ

L%%cQaQ

L



或

abbc

bacb

L





%%%%

bcQabQ

L



因该式与力学的杠杆定律（如图2.5）相同，所以我们把称为二元合金bcQabQ

L



的杠杆定律。杠杆两端为两相成分点、，支点为该合金成分点b％。利用该式，还

Q

可以推导出合金中液、固相的相对质量的计算公式，如下：

设液、固相的相对质量分别为、，即

、

；将

两端加

w

L

w

QQ

abbc

L



得

，即

。则

=；用1减去该式两端得：11

abbc

Labac

ababbc

QQQ

L





w

acab

1-=即=

w

acab

1

acbc

acabac



必须指出，杠杆定律只适用于相图中的两相区，即只能在两相平衡状态下使用。

2.2 匀晶相图

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、、合金相图等。NiCuCrFeAgAu

现以合金相图为例，对匀晶相图及其合金的结晶过程进行分析。NiCu

2.2.1 相图分析

相图（见图2.3）为典型的匀晶相图。图中线为液相线，该线以上合金处NiCuacb

于液相；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adb

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。为液相，是和形成LCuNi

的液溶体；为固相，是和组成的无限固溶体。图中有两个单相区：液相线以上的

CuNi

相区和固相线以下的相区。图中还有一个两相区：液相线和固相线之间的+相区。L

L

2.2.2 合全的结晶过程

以点成分的b

合金(含量为％NiCuNib

)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。缓慢冷却至L

l-2温度之间时，合金发生

匀晶反应，从液相中逐渐

结晶出固溶体。2点温度

以下，合金全部结晶为固溶体。其它成

图2.6 匀晶合金的结晶过程

分合金的结晶过程也完全类似。

三元合金相图习题

第 13 页三元合金相图习题

1、三元合金相图一、填空1三元相图等温截面的三相区都是___________________形。2图1是ABC三元系成分三角形的一部分，其中X合金的成分是_____________________。图13图2是三元系某变温截面的一部分，其中水平线代表________________反应，反应式为______________________。图24．图3是某三元系变温截面的一部分，合金凝固时，LM＋C将发生_________________反应。图3图35三元相图的成分用__________________________表示。6四相平衡共晶反应的表达式_____________

2、_____________。7图6是ABC三元共晶相图的投影图，在常温下合金I的组织是______________________________________合金II的组织是_______________________________________合金III的组织是______________________________________图48．三元相图有如下几类投影图1_____________________________2________________________________3__________________________4________

3、________________________。9三元系中两个不同成分合金，合成一个新合金时，则这三个合金成分点____________________________。10四相平衡包共晶反应式为__________________________。11三元相图垂直截面可用于分析__________________________________。12三元系三条单变量线相交于__________，就代表一个__________________，并可依据单变量线箭头_____________推断__________________。二、选择1．图5是某三元系变温截面的一部分

第06章二元相图与合金的凝固 _文档1

1. 固溶体合金的相图如图所示，试根据相图确定：

(a) 成分为40%B的合金首先凝固出来的固体成分；

(b) 若首先凝固出来的固体成分含60%B，合金的成分为多少？

(d) 合金成分为50%B，凝固到某温度时液相含有40%B，固体含有80%B，此时液体和固体各占多少分数？

2.指出下列相图中的错误，并加以改正。

1. (a) 在合金成分线与液相线相交点作水平线，此线与固相线交点的合金成分即为首先凝固出来的固体成分：~85%B。

（b）作60%B垂直线与α固相线相交点的水平线，此线与液相线L相交点的成分即为合金成分：~15%B。

（c ）原理同上：~20%B。

（d）75%，25%

2. (a)任何温度下所作的连接线两端必须分别相交于液相线和固相线，不能相交于单一液固相线或单一固相线。

（b） A组元的凝固温度恒定，所以液固相线在A成分处相交于一点。

(d) 在两元系只能出现三相平衡反应。

二元合金相图的建立

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-1 第八讲二元合金相图的建立

第三节二元合金相图的建立

一、主要内容：

二元合金相图的表示方法

二元合金相图的测定方法

相律及杠杆定律

二、要点：

二元合金相图的表示方法，表象点的概念，二元合金相图的测定方法，相律，杠杆定律

三、方法说明：

说明二元相图的表示方法及应用，说明二元合金相图的测定方法，说明相律及相律的应用，

在说明杠杆定律之前，应说明异分结晶的概念，对杠杆定律进行推导

授课内容：

一、二元相图的表示方法

合金的熔炼都是在常压下进行的，所以合金的状态可以由成分和温度两个因素确定。

二元合金相图通常用横坐标表示成分，纵坐标表示温度。

在成分和温度坐标平面内的任意一点称为表象点。

二、二元合金相图的测定方法

建立相图的方法有：实验测定和理论计算两种方法。

热分析法测定二元合金相图的过程：

二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界点表示物质结构状态发生本质变化的相变点。测定材料临界点有动态法和静态法两种方法，如前者有热分析、膨胀法、电阻法等；后者有金相法、X射线结构分析等。相图的精确测定必须由多种方法配合使用。下面介绍用室温的冷却曲线，得到各临界点。

图给出纯铜ω(Ni)为30％，50％，70％的Cu-Ni合金及纯Ni的冷却曲线。由图可见，纯百度文库 - 好好学习，天天向上

-2 组元Cu和Ni的冷却曲线相似，都有一个水平台，表示其凝固在恒温下进行，凝固温度分别为1083℃和1452℃。其他3条二元合金曲线不出现水平台，而为二次转折，温度较高的转折点（临界点）表示凝固的开始温度，而温度较低的转折点对应凝固的终结温度。这说明3个合金的凝固与纯金属不同，是在一定温度范围内进行的。将这些与临界点对应的温度和成分分别标在二元相图的纵坐标和横坐标上，每个临界点在二元相图中对应一个点，再将凝固的开始温度点和终结温度点分别连接起来，就得到如图所示的 Cu-Ni二元相图。由凝固开始温度连接起来的相界线称为液相线，由凝固终结温度连接起来的相界线称为固相线。为了精确测定相变的临界点，用热分析法测定时必须非常缓慢冷却，以达到热力学的平衡条件，一般控制在每分钟～0.15℃之内。