第3章_金属及合金的相图_Exercise

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4、 显微组织
实质上是指在显微镜下观察到 的金属中各相或各晶粒的形态、
数量、大小和分布的微观组合。
“相构成了组织”
组成合金的相不同或相的相对量不同
→合金组织不同→性能不同。
10
固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性 来分，有两类基本相：
固溶体
金属化合物
11
二、固溶体
固溶体： 当合金由液态结晶为固态时，组成元素间会像 液态合金那样互相溶解，形成一种晶格结构与合金 中某一组元晶格结构相同的相，称为固溶体。 溶剂：固溶体中晶格保持不变的组元，一般在合 金中含量较多； 溶质：固溶体中晶格结构消失的组元，含量较少。 固溶体的晶格结构：同溶剂的晶格结构相同。
作用：在钢中也起强化相作用。 钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C、FeB、
Fe2B等都是这类化合物。
形成间隙化合物的过渡族元素的d 层电子越少，与碳的亲 和力越强，所形成的化合物越稳定，熔点、硬度越高。见
表3-5、3-6
32
间隙相VC的结构 渗碳体( Fe3C )晶格结构示意图
第三章 合金的结构与相图
纯金属特点： 具有优良的导电性、导热性、化学稳定性，美丽的 金属光泽、很好的塑性； 工程材料除极少 强度、硬度、耐磨性等机 数特殊要求的采用 械性能较差， 纯金属外，绝大多 数采用合金。 成本高，数量有限；
合金：合金是两种或两种以上金属元素、或金属
元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合 而成并具有金属特性的物质。
2. 了解相图的基本概念及相图建立的一般方法。
3. 掌握匀晶相图、共晶相图、包晶相图、共析相图四
种基本相图；
包括：相图分析、典型合金的结晶过程以及能够用相 组成物和组织组成物进行填图。 4．学会使用杠杆定律计算相组成物、组织组组成物的 相对含量。

2.金属化合物的性能特点 具有不同于任一组元的，全新的晶体结构。
高熔点 高硬度 脆性大
分析：关公的大刀该有什么材料制成？
合金仅由金属化合物组成：虽然有很高的硬度，但脆性 太大，无法应用。
合金仅由固溶体组成：则往往强度、硬度等不够高，使 用受到一定限制。
绝大多数的工业合金，其组织为固溶体（基体）+ 少量 金属化合物（强化相）所构成的机械混合物（Mechanical Mixture），合金的性能就取决于它们的性质、形态、大小、 数量等。
60%Ni、20%Cu-80%Ni、100%Ni等6个合金。 （2）分别测定上述合金冷却曲线； （3）在冷却曲线上找出合金的各临界点，即：合金结晶开始和
结晶终了的温度点； （4）将各临界点标在相图相应的成分轴上（纵座标为温度，横
座标为成分）； （5）将性质相同的临界点分别连接起来，获得液相线、固相线。
第3章 合金的结构与相图
[目标] 1.了解二元合金状态图的建立、典型二元合金相图; 2.掌握二元合金相图及其与合金性能关系;
[重点] 1.相与组织概念； 2.二元合金相图的分析应用； 3.杆杆定律及其应用；
[难点]
1.相与组织概念；
2.杆杆定律及其应用。
3.1合金的基本概念
1.合金:以一种金属元素为主体，加入其他金属或非 金属元素后具有金属特性的物质。 2.组元:组成合金最基本、独立的物质（元）。有二 元合金、三元合金、多元合金。 3.合金系:一系列由两个或多个给定组元所组成的具 有不同成分的合金构成一个合金系。
4.相:合金中结构相同、成分和性能均一，并以界面相 互分开的组成部分。
合金性能与相的性质、数量、大小、形态及分布密 切相关。
5.组织：借助肉眼或显微镜所 观察到的金属材料内部各相及 其形貌。

与
相 图 的
这是因为主要混合物各相的变形能力不同，造成一相阻碍另一相的变 形，使塑性变形阻力增加，因而共晶体的压力加工性最差
关
系
第三章 二元合金与相图
作业
P59-60： 1、2、4、5
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
共晶相图
共晶合金 结晶过程
室温下合金Ⅱ的显微组织：a）相组成：α、β；b）组织组成：（α+β）
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
共晶相图
亚共晶合金 结晶过程
合金III的结晶过程：L→L+α→α+（α+β） →α+（α+β）+βII
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
共晶相图
亚共晶合金 结晶过程
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
基本知识 二元合金基本相图
匀晶相图 共晶相图 包晶相图 共析相图 稳定化合物相图
第三章 二元合金与相图
第二节 二元合金相图
匀晶相图
两组元在液态时无 限互溶，在固态时 也无限互溶，且形 成单相固溶体，所 构成的相图
I：纯铜；II：75%Cu+25%Ni III：50%Cu+50%Ni
液固相线距离愈小，结晶温 度范围愈小→合金的流动性好
关 →有利于浇注

的重要组成相。
10/29
铁碳合金中的Fe3C
3.合金的组织：
合金的组织是是由合金的相组成的。 多数工业合金均为固溶体和少量化合物 所构成的混合物。通过调整固溶体的溶 解度和其中的化合物的形态、数量、大 小及分布，可使合金的力学性能在一个 相当大的范围内变动，从而满足不同性 能的要求。
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三、合金的结晶与二元合金相图
图3-7 Pb-Sn合金二元合金共晶相图
26/29
4.二元包晶相图
• 通常把在一定温度下，已结晶的一定成分的固相与剩余的一定成分的 液相发生转变生成另一固相的过程称为包晶转变。合金系的两组元在 液态下无限互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶转变的相图称为二 元包晶相图，如图3-8所示。
• 现以Pt-Ag合金相图(见图3-8)为例进行分析。在图3-8中，ACB为液相线，PE 和DF线分别为Ag在Pt中的α 固溶体和Pt在Ag中的β 固溶体的溶解度曲线。水 平线PDC就是包晶转变线，D点是包晶点，所有的成分在PC范围内的合金在此 温度都会发生三相平衡的包晶转变：LC + αP→βD • Pt-Ag和Ag-Sn等合金有包晶相图，常见的Fe-C，Cu-Zn,Cu-Sn等合金相图中 也包含这类相图。
18/29
图3-5 Cu-Ni 合金的相图与冷却曲线 固溶体合金的结晶与纯金属的结晶不同点： 1）固溶体合金的结晶不是在恒温下进行； 2）结晶过程中，温度降低，液相不断减少， 固相不断增多，最后结晶任何比例互溶的无 限固溶体合金。 3）结晶过程中平衡的两个相的成分沿液（固） 相线不断变化。
• ⑵ 杠杆定律
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5.共析相图
• 在恒定的温度下，一个特有成分的固相 分解成另外两个与母相成分不同的固相 的转变称为共析转变，发生共析转变的 相图称为共析相图。共析转变与共晶转 变非常类似，所不同的是反应相不是液 相而是固相。这类相图的分析方法与共 晶相图相同。 • 如图3-9是一种包括共析转变的相图。 在水平线PSK上将发生共析转变：

液、固两相的自由能随温度变化 示意图
结论：结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度。
工程材料 第3章 第 41 页
4、结晶的过程
结晶过程:孕育－形核－长大
形核
工程材料 第3章 第 42 页
长大
（1）形核：自发形核、非自发形核
（2）长大：平面长大、树枝状长大 平面长大 树枝状长大
密集面 非密集面
属于此类结构的 金属有：Al、Cu、贵 重金属、γ-Fe、Ni、 Pb、Pd、Pt以及奥氏 体不锈钢等。
FCC刚球模型
工程材料 第3章 第 23 页
(3) 密排六方晶胞HCP ----Hexagonal Close-Packed
晶胞
晶体学参数
a=b≠c, c/a=1.633, a=b=90o,g =120o
c
(110)
b a
a
b [110]
工程材料 第3章 第 16 页
4．三种典型的金属晶体晶胞(图)
体心立方晶胞bcc 属于此类结构的 金属有：碱金属、难 溶金属（V、Nb、Ta、 Cr、Mo、W）a-Fe等。
面心立方晶胞fcc 属于此类结构的金 属的有：Al、 Cu、贵 重金属、γ-Fe、Ni、 Pb、Pd、Pt以及奥氏 体不锈钢等。
工程材料 第3章 第 44 页
（3）控制晶粒度的因素
①提高过冷度 过冷度△ T适当↑，N↑↑，G↑——N/G增大，细化。
②变质处理 在液态金属中加入高熔点或难熔的孕育剂或变质剂 作为非自发晶核的形核核心，以细化晶粒和改善组织的 方法。
(3) 表面及晶体缺陷 晶格畸变→高能态原子→激活能小(体扩散的0.6-0.7) →扩散快100-1000倍
工程材料 第3章 第 36 页

相同。 这种成分不均匀的现象称为偏析
消除偏析的措施：扩散退火
加热到固相线以下100～200℃，长时间 保温
§3-4共晶相图
一、相图分析 相：
α相：Sn溶于Pb形成 的固溶体
β 相：Pb溶于Sn形成 的固溶体
点： 1）a、b点：Pb和Sn的熔点 2）e点：共晶点
共晶成分为e的合金在 共晶温度发生共晶反应 Le→αc+βd 共晶反应的产物叫“共晶体” 3）c、d点：α和β相的最大溶解度点 4）f、g点：在室温下，α和β相的极限溶解 度点
二、二元合金相图的建立 通过实验方法建立
以Pb-Sn合金为例
步骤：1）配置一系列不同成分的合金 2）作出每个合金的冷却曲线 并找出临界点 3）作温度—成分坐标，将临界点标
上 4）将相同意义的点连成线
冷却曲线出现平台： 冷却曲线出现转折点： 固相线： 液相线：
★相图中的数据是在无限缓慢的条件下测 得的
铸造性能
二、当合金刑场两相混合物时
第三章 合金的结构与相图
纯金属因机械性能不好，不适宜用于制造 机械零件。 在生产中用途更广泛的是合金 合金：通过熔炼、焙烧或其它的方法，将
一种金属元素同一种或几种其它 元素结合在一起所形成的具有金属 特性的物质
§3-1固态合金中的相结构
由于合金中含有两种或两种以上的元素， 它们之间相互发生作用，形成一种或多种相 相的概念：在合金中，凡成分相同、结构相
依据：液相的成分沿液相线变化，固相的 成分沿固相线变化
已知：合金成分为K 温度为tx
可知：液相成分x’ 固相成分x”
假设：合金总量为1 液相重量为QL； 固相重量为Qα
K可写出 解方程得
（1） （2）
上式可以写成：

第三章 合金的结构及铁碳相图
•
§3-2 合金的结构
• 一、合金的基本概念
• 1、合金：由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。
• 2、组元：组成合金的最基本的、独立的物质。
• 3、相：合金中具有同一聚集状态，成分和性能均一，并
以界面互相分开的组成部分。
• 4、组织：组成合金的各相成分、结构、形态、性能和各
• 在两相区内, 温度一定时,
两相的成分(即L相中Ni的质 T1 量分数和α相中Ni的质量分 数)确定。
a1 c1
1
•
过温度T1作水平线, 交液相线和固相线于a1、c1。
a1、c1点在成分轴上的投影点即为L相和α相中Ni的质
量分数。
•
随着温度的下降, 液相成分（ Ni浓度）沿液相线
变化, 固相成分（ Ni浓度）沿固相线变化。 2020/9/29
2020/9/29
WL
bc ac
100
%
W
ab ac
100
%
上一级
• 四、二元共晶相图
• （共晶相图的绘制P27图3-3） • 共晶相图——凡是二元合金系中两组元在液态能完全互
溶，而在固态有限溶解，并发生共晶转变。
• 1、一般共晶相图
2020/9/29
I a
α
L+α c
II
L
d
III b
L+β β
e
Pb
f
α+β
亚共晶 共晶 过共晶 Pb-Sn 合金相图
g Sn
上一级
• d点为共晶点, 表示d点成分(共晶成分)的液 相合金冷却到d点温度(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。

化学工业出版1社6
（二）含碳量与工艺性能间的关系 1.铸造性能 2.锻压性能 3.焊接性能 4.切削加工性能 5.热处理性能
化学工业出版1社7
第五节 碳 素 钢 碳素钢（碳钢）是指wC≤2.11%，并含有少量锰、硅、 硫、磷等杂质元素的铁碳合金。
一、杂质元素对碳钢性能的影响 （一）锰的影响 钢中的一种有益元素。 （二）硅的影响 钢中的有益元素。 （三）硫的影响 产生热脆性。可改善钢的切削加工性能。 （四）磷的影响 产生冷脆现象。改善钢的切削加工性利。 （五）非金属夹杂物的影响
化学工业出版社3
第二节 铁碳合金相图
铁碳合金相图：表示在平衡条件下，不同成分的铁 碳合金、在不同温度下与组织或状态之间关系的图形。
温度/ ℃
1600A
L+δ
δ δ+A
H
B
L
J
D
1400
1394℃
L+A
1200
A
1148℃
L+Fe3CⅠ F
E
C
1000 G 912℃
F+A
A+Fe3CⅡ
A+Fe3CⅡ+Ld
Q255、Q275钢 强度较高，可代替30、40钢制造较重 要的某些零件。
化学工业出版社5
二、铁碳合金的分类 分为工业纯铁、钢和白口铸铁。 （一）工业纯铁 wC＜0.0218%的铁碳合金，其室温组织：铁素体。 （二）钢 0.0218~2.11%C的铁碳合金。 1.共析钢 成分为0.77%C的铁碳合金，室温组织： 珠光体； 2.亚共析钢 成分为0.0218~0.77%C的铁碳合金，室 温组织：铁素体+珠光体； 3.过共析钢 成分为0.77~2.11%C的铁碳合金，室温 组织：珠光体+二次渗碳体。

衡状态下使用。
（5）固溶体结晶时成分是变化的，缓慢冷却时由于原子
的扩散能充分进行，形成的是成分均匀的固体。 晶内偏析（或枝晶偏析）：晶体内化学成分不均匀的现象。 晶内偏析的弊端：严重影响合金的机械性能和抗蚀性,对
加工工艺性也有损害。 措施：采用扩散退火或均匀化退火处理. 即将铸件加热到低于固相线100~200℃的温度，进行较 长时间的保温，使偏析元素进行充分扩散，以达到成分均
分数）是确定的。 （4）在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。
根据杠杆定律：在1200 ℃温度时， 两相的质量比为 QL/Qα=bc/ab
பைடு நூலகம்
合金中液相和固相在合金中所占的相对质量（即质量分数） 分别为： QL/Q合金=bc/ac Qα/ Q合金=ab/ac
注意：杠杆定律只适用于相图中的两相区，并且只能在平
合金系主要有Cu-Ni 、Cu-Au 、Au-Ag 、Fe-Ni 、W-Mo
温度
α α
L
α
α
杠杆定律的力学比喻
(一) Cu-Ni合金相图分析： AB上弧线为液相线，代表各种成分的合金在冷却过程中 开始结晶或在加热过程中熔化终了的温度； AB下弧线为固相线，代表各种成分的合金在冷却过程中
结晶终了或在加热过程中开始熔化的温度。 L—液相区； α—固相区； L+α—液、固两相并存区；
100 %
合金的组织组成物为：初生相（或一次相）α、βⅡ（次
生相或二次相）和共晶体（α+β）
它们（组织组成物）的相对质量为：Q(α+β)= Qα=
2e ce c g fg 100 %
c2 ce
100 %
QβⅡ=
2e ce

材料种类
纯Cu Cu+19%Ni 单相固溶体
σb(MPa) 220 390
HBS 44 70
Ψ(%) 70 50
(二)、金属化合物
1 正常价化合物
形成条件——金属元素与周期表中非金属性较强的第Ⅳ、 V、Ⅵ族元素所组成，服从原子价规律. 结合键——金属键与离子键、共价键。
①组元之间的电负性差决定了结合键类型和稳定性。 电负性差越大越稳定——离子键结合； 电负性差越小越不稳定——金属键结合。
② 可用分子式表达，有AB、 AB2(或A2B)、A3B2等类型。 包括从离子键、共价键过渡到金属键为主的一系列化合 物。
(二)、金属化合物
晶体结构——通常对应于同类分子式的离子化合物的晶 体结构类型。
如：NaCl型、ZnS型、CaF2型
应用：——如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、MnS 等，
二、二元相图的建立
热分析法； 金相法；
膨胀法；
电阻法等。
热分析法
三、 相图的计算
Gibbs自由能和平衡
GHTS
相平衡的条件：
GP,T mG iP n,T
相平衡关系的描述—相图
相图描述的是热力学平衡状态，其基本任务是求出 各个温度下体系达到平衡后各相的平衡成分。
依据热力学原理，体系在恒温恒压下达到平衡的条件是： 体系总摩尔吉布斯自由能G达最小：
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%)）
什么是组元？、什么是合金系？
组元——组成合金最基本的、能独立存在的物质。
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。