第5章 二元合金

1、工程材料及機械制造基礎(chǔ)工程材料及機械制造基礎(chǔ)討討 論論 q 你所知道的合金有哪些？q 什么叫杠桿定律？ 機機 械械 工工 程程 材材 料料第第5 5章章 二元合金二元合金概述概述5.15.1合金相結(jié)構(gòu)合金相結(jié)構(gòu)5.25.2二元合金相圖二元合金相圖5.35.35.45.4合金性能與相圖的關(guān)系合金性能與相圖的關(guān)系 機機 械械 工工 程程 材材 料料合金合金 由兩種或兩種以上的金屬元素由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬和非金屬元素組成的具有金或金屬和非金屬元素組成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)。屬性質(zhì)的物質(zhì)。 二元合金二元合金由兩種元素組成的合金。由兩種元素組成的合金。 5.1 概述概述 機機 械械 工工 程程

2、 材材 料料相相 凡是化學成分相同、晶體結(jié)構(gòu)凡是化學成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同，與其它部分有明顯分界的均相同，與其它部分有明顯分界的均勻組成部分。合金中有兩類基本的勻組成部分。合金中有兩類基本的相結(jié)構(gòu)，固溶體和金屬間化合物。相結(jié)構(gòu)，固溶體和金屬間化合物。 5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料組織組織 一般系指用肉眼或在一般系指用肉眼或在顯微鏡下所觀察到的材料內(nèi)部顯微鏡下所觀察到的材料內(nèi)部所具有的某種形態(tài)特征或形貌所具有的某種形態(tài)特征或形貌圖像，實質(zhì)上它是一種或多種圖像，實質(zhì)上它是一種或多種相按一定方式相互結(jié)合所構(gòu)成相按一定方式相互結(jié)合所構(gòu)成的整體的總稱。的整體的總稱

3、。 5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料相和組織的區(qū)別相和組織的區(qū)別 “ “相相” ” 實質(zhì)上是晶體結(jié)構(gòu)相同狀態(tài)。因此，相相 與組織組織的區(qū)別就是結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與組織組織的區(qū)別，結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)描述的是原子尺度，而組織組織則指的是顯微尺度。 “相”構(gòu)成了“組織” ，合金的組織可由單相固溶體或化合物組成，也可由一個固溶體和一個化合物或兩個固溶體和兩個化合物等組成。正是由于這些相的形態(tài)、尺寸、相對數(shù)量和分布的不同，才形成各式各樣的組織。即組織組織可由單相單相組成，也可由多相多相組成。組織是材料性能的決定組織是材料性能的決定性因素。性因素。 在相同條件下，不同的組織對應(yīng)著不同的性能

4、。 5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料1 1、固溶體、固溶體 組元通過溶解形成一種組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為與組元之一相同的固相稱為固溶體固溶體A A（B B）。）。 5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料固溶體的分類固溶體的分類分類方法種 類a.溶質(zhì)原子的位置 置換固溶體：晶格類型相同,原子半徑相差不大,電化學性質(zhì)相近間隙固溶體：原子半徑較小 b.溶解度 有限固溶體無限固溶體c.分布有序度 有序固溶體無序固溶體5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程

5、程 材材 料料v置換固溶體：溶質(zhì)原子置換溶劑晶格結(jié)點上的溶劑原子而形成的固溶體稱為置換固溶體。 v間隙固溶體：當溶質(zhì)原子在溶劑晶格中不占據(jù)晶格結(jié)點位置，而是嵌入各結(jié)點間的間隙中，稱為間隙固溶體。 v有限固溶體：在一定條件下，溶質(zhì)組元在固溶體中的濃度有一定的限度，超過了這個限度就不在溶解了，這個限度稱為溶解度，這種固溶體稱為有限固溶體。 v無限固溶體：溶質(zhì)能以任意比例溶入溶劑，溶解度可達100%，這種固溶體稱為無限固溶體。無限固溶體只可能是置換固溶體。 5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料置換固溶體置換固溶體溶質(zhì)原子置換溶劑晶格結(jié)點上的溶劑原子而溶質(zhì)原子置換溶劑晶

6、格結(jié)點上的溶劑原子而形成的固溶體稱為置換固溶體形成的固溶體稱為置換固溶體 。5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料置換固溶體的濃度、溶解度和影響因素濃度：溶質(zhì)原子溶入固溶體中的量濃度：溶質(zhì)原子溶入固溶體中的量溶解度：在一定條件下，溶質(zhì)元素在固溶體中的極溶解度：在一定條件下，溶質(zhì)元素在固溶體中的極限濃度。限濃度。影響溶質(zhì)原子溶于固溶體的溶解度的因素：影響溶質(zhì)原子溶于固溶體的溶解度的因素： 晶格類型晶格類型 原子直徑的相對大小原子直徑的相對大小 負電性差負電性差 電子濃度電子濃度5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料一般而言一般而言，若兩

7、者晶格類型若兩者晶格類型相同、電子結(jié)構(gòu)相似、原子相同、電子結(jié)構(gòu)相似、原子半徑差別小，周期表中位置半徑差別小，周期表中位置近，則溶解度大近，則溶解度大相似相相似相溶。溶。 5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料間隙固溶體（必為有限固溶體）間隙固溶體（必為有限固溶體） 溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙之間而溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙之間而形成的固溶體，稱為間隙固溶體。形成的固溶體，稱為間隙固溶體。5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料固溶強化固溶強化 由于溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生由于溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸變而造成材料強度和硬度升高晶格畸

8、變而造成材料強度和硬度升高的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 溶質(zhì)原子溶入溶質(zhì)原子溶入晶格畸變晶格畸變位錯位錯遠動阻力上升遠動阻力上升金屬塑性變形困難金屬塑性變形困難強度、硬度升高。強度、硬度升高。5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料2、金屬間化合物 金屬間化合物是合金的組元相互作用而形成的具有金屬特性，而晶格類型和特性又完全不同于任一組元的化合物。 特點： 除有離子鍵和共價鍵作用外，還有一定程度的金屬鍵作用，從而使化合物具有明顯的金屬特性晶格復(fù)雜，熔點、硬度高，脆性大。 5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料化合物化合物正常價化合物（Mg2Si，M

9、g2Sn），金屬與、 族電子價化合物（CuAl，Cu3Zn），金屬或過渡族與 間隙化合物，過度族與原子半徑小的C、N、H、B間隙相（半徑比小于 0.59，VC，VN）復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合物，F(xiàn)e3C，Cr7C35.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料v 1、正常價化合物v 周期表中相距較遠、電化學性質(zhì)相差較大的兩種元素形成正常價化合物,如Mg2Si、Mg2Pb等。v 正常價化合物具有很高的硬度和脆性。在合金中如果能彌散分布于固溶體中，則將使合金強化，起強化相的作用，如Al-Mg-Si合金中的Mg2Si就是一個強化相。5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程

10、程 材材 料料v2、電子化合物v這類化合物是由第I族元素、過渡族元素與第II至第V族元素結(jié)合而成。它們與正常價化合物不同，它不遵循原子價規(guī)律，而是按照一定的電子濃度形成的化合物。電子濃度不同，所形成的化合物晶格類型也不同。v電子化合物雖然可以化學式表示，但實際上是一個成分可以在一定范圍類變動的相，可以溶解一定量的組元，形成以電子化合物為基的固溶體。電子化合物為金屬鍵結(jié)合，具有明顯的金屬性。它的熔點和硬度都很高，但塑性差。電子化合物和固溶體適當配合，可以使合金強化。5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料v3、間隙化合物v間隙化合物的形成主要受組元原子尺寸的控制，一般

11、是由原子直徑較大的過渡族金屬元素（Fe、Cr、Mo、W、V等）和原子直徑較小的非金屬元素（C、N、B、H等）所組成。v根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)特點，間隙化合物又可分為間隙相（又稱簡單結(jié)構(gòu)的間隙化合物）和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料v間隙相v當非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值小于0.59時，將形成具有簡單結(jié)構(gòu)的間隙化合物，稱為間隙相。過渡族金屬的氮化物、氫化物及鎢、鉬、釩、鈦、鈮等的碳化物，都是簡單結(jié)構(gòu)的間隙化合物。v在這類化合物中，過渡族金屬元素的原子形成與它本身晶格類型不同的簡單晶格結(jié)構(gòu)，非金屬原子位于晶格的間隙中。 v間隙相具有極高的熔點

12、和硬度，是高合金工具鋼及硬質(zhì)合金的重要組成相。5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料VC的晶體結(jié)構(gòu)示意圖 5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料v 復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物v 當非金屬原子半徑與金等屬原子半徑的比值大于0.59時，則形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。例如碳鋼中Fe3C，合金鋼中的Cr23C6、Cr7C3、FeB、Fe2B等均屬于這一類。v 這類化合物主要是金屬鍵結(jié)合，也有很高的熔點和硬度，這類化合物也是高合金工具鋼的重要組成相。5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料Fe3C的晶體結(jié)構(gòu)示意圖5.2

13、合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料混合物 兩種或兩種以兩種或兩種以上的相按一定質(zhì)量分數(shù)組上的相按一定質(zhì)量分數(shù)組成的物質(zhì)稱為混合物。成的物質(zhì)稱為混合物。 混合物的性能取決于混合物的性能取決于各組成相的性能，以及它各組成相的性能，以及它們分布的形態(tài)、數(shù)量。們分布的形態(tài)、數(shù)量。 5.2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 機機 械械 工工 程程 材材 料料5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖一、合金相圖概述 （1 1）相圖）相圖 描述平衡條件下，描述平衡條件下，相和相變與溫度、成份、相和相變與溫度、成份、壓力之間的關(guān)系圖稱為壓力之間的關(guān)系圖稱為相圖相圖平衡圖。平衡圖。 機機 械械 工

14、工 程程 材材 料料（2 2）組元組元 組成合金的最簡單、組成合金的最簡單、最基本能夠獨立存在的最基本能夠獨立存在的物質(zhì)?？梢允窃兀参镔|(zhì)?？梢允窃?，也可以是穩(wěn)定的化合物。可以是穩(wěn)定的化合物。5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料（3 3）平衡）平衡 合金中參與結(jié)晶或相變的各相合金中參與結(jié)晶或相變的各相之間的相對量和濃度不再改變的狀之間的相對量和濃度不再改變的狀態(tài)。態(tài)。5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料二、相圖的建立 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料熱分析法建立二元相圖步驟 配不

15、同成分的合金配不同成分的合金 測繪每種成分合金的測繪每種成分合金的C C曲線曲線 找出各找出各C C曲線的臨界點（轉(zhuǎn)折點）曲線的臨界點（轉(zhuǎn)折點） 將各臨界點標在以溫度為縱坐標、以將各臨界點標在以溫度為縱坐標、以成分為橫坐標的坐標圖中，并連接相同含成分為橫坐標的坐標圖中，并連接相同含義的臨界點義的臨界點 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料：純銅：純銅 ：75%75%Cu+25%Ni Cu+25%Ni ：50%Cu+50%Ni 50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni 25%Cu+75%Ni ：純純NiNi 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機

16、械械 工工 程程 材材 料料 機機 械械 工工 程程 材材 料料ab : 液相線液相線ab : 固相線固相線L : 液相區(qū)液相區(qū)S : 固相區(qū)固相區(qū)L+S:液固共存區(qū)液固共存區(qū)abLL + SSAB溫度5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料三、二元合金相圖的種類及特點1、勻晶相圖 2、共晶相圖 3、包晶相圖 4、共析相圖 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料（1）勻晶相圖勻晶相圖 兩組元在液態(tài)無限互溶，兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)也無限互溶，冷卻時在固態(tài)也無限互溶，冷卻時發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變的合金系所構(gòu)發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變的合金系所構(gòu)成的相

17、圖（成的相圖（LL），），egeg：Cu-NiCu-Ni，F(xiàn)e-Cr, Au-AgFe-Cr, Au-Ag 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料Cu-Ni合金相圖結(jié)晶過程 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料相： L， L+， 液相線： a1b，表示合金開始結(jié)晶的溫度 固相線： a2b，表示合金結(jié)晶終止的溫度相圖分析相圖分析 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料勻晶轉(zhuǎn)變的結(jié)晶過程：勻晶轉(zhuǎn)變的結(jié)晶過程：LL+a a LL+a a 勻晶轉(zhuǎn)變的特點：勻晶轉(zhuǎn)變的特點： a. a.形核、長大形核、

18、長大 ，樹枝狀長大，樹枝狀長大 b. b.變溫過程變溫過程 c. c. 某一配比合金，相區(qū)內(nèi)，溫某一配比合金，相區(qū)內(nèi)，溫度一定，成分確定度一定，成分確定 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料杠桿定律杠桿定律 杠桿定律的力學證明 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料 在結(jié)晶過程中，液、固兩相的成在結(jié)晶過程中，液、固兩相的成分分別沿液相線與固相線變化。分分別沿液相線與固相線變化。5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料杠桿定律的證明杠桿定律的證明證明：證明：Q Q合金，其合金，其NiNi含量含量

19、b%b%，T T1 1溫度時溫度時, , L L相中相中Ni%=a%Ni%=a%，相中相中Ni%=c%Ni%=c% Q QNiNi=Q=Q合金合金* * b%=Qb%=QL L* *a%+Qa%+Q* *c%c% 又因為又因為Q Q合金合金= =Q QL L+Q+Q，故（故（Q QL L+Qa +Qa ）* * b%=Q b%=QL L * * a%+Qa%+Q* * c% c% 所以，所以， Q Q/ Q/ QL L= = （b%- a%b%- a%）/ /（ c% c% - b%b%）=AB/BC=AB/BC5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料枝晶偏析（

20、晶內(nèi)偏析）枝晶偏析（晶內(nèi)偏析） 勻晶轉(zhuǎn)變時冷速太快快，勻晶轉(zhuǎn)變時冷速太快快，以至原子擴散不充分，造成以至原子擴散不充分，造成結(jié)晶產(chǎn)物成分不均的現(xiàn)象。結(jié)晶產(chǎn)物成分不均的現(xiàn)象?？赏ㄟ^擴散退火消除?？赏ㄟ^擴散退火消除。 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料枝晶偏析的原因枝晶偏析的原因5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料(2)(2)共晶相圖共晶相圖 兩組元在液態(tài)無限互溶，兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，在結(jié)晶時在固態(tài)有限互溶，在結(jié)晶時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的相圖，稱為共晶相圖。織的相圖，稱為共晶相

21、圖。如：如：Pb-Sn,Al-Si,Ag-CuPb-Sn,Al-Si,Ag-Cu 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料共晶相圖L勻晶相圖 L液相線液相線固相線固相線液相線液相線固相線固相線5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料f固溶線固溶線固溶線固溶線LL+L+L+L+三相共存的水平線三相共存的水平線共晶點共晶點5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料相圖分析相圖分析 液相線：液相線：adbadb固相線：固相線：acdebacdeb三個單相區(qū)：三個單相區(qū)：L L、（相是錫相是錫（SnSn）溶于

22、溶于PbPb的固溶體，的固溶體，相是鉛相是鉛（PbPb）溶于溶于SnSn的固溶體。的固溶體。、是是有限固溶體），三個兩相區(qū)：有限固溶體），三個兩相區(qū)：L+ L+ 、L+L+、+。5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料共晶點：共晶點：d, d, 共晶成分的合金冷卻到此點共晶成分的合金冷卻到此點所對應(yīng)的溫度（共晶溫度），共同結(jié)晶所對應(yīng)的溫度（共晶溫度），共同結(jié)晶出出C C、e e共晶反應(yīng)線：共晶反應(yīng)線：cdecde（三相共存的水平線）三相共存的水平線）固溶線（溶解度線）：固溶線（溶解度線）：cfcf，egeg，TT過過飽和固溶體析出另一相飽和固溶體析出另一相5.3

23、 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料共晶條件 f f點以左的合金，結(jié)晶完畢時，點以左的合金，結(jié)晶完畢時，都是都是固溶體；固溶體；g g點以右的合金，結(jié)晶點以右的合金，結(jié)晶完畢時，都是完畢時，都是固溶體；成分在固溶體；成分在c c與與e e點點之間的合金，在結(jié)晶溫度達到水平線之間的合金，在結(jié)晶溫度達到水平線cdecde時，將發(fā)生恒溫轉(zhuǎn)變。即共晶轉(zhuǎn)變：時，將發(fā)生恒溫轉(zhuǎn)變。即共晶轉(zhuǎn)變：d d5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料共晶反應(yīng)：共晶反應(yīng)：成分為d的液相Ld同時結(jié)晶出兩種成分和結(jié)構(gòu)皆不相同的固相，這種轉(zhuǎn)變稱為共晶轉(zhuǎn)變，d點稱為共

24、晶點，成分對應(yīng)于共晶點的合金稱為共晶合金；成分位于cd 之間的合金稱為亞共晶合金，成分位于de之間的合金稱為過共晶合金。d點對應(yīng)的溫度稱為共晶溫度，cde線稱為共晶線。5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料共晶轉(zhuǎn)變過程及相對量共晶轉(zhuǎn)變過程及相對量L-L+(L-L+(c c+e e)-)-c c+e e-f f+ + IIII + +g g + + IIII 室溫下：相組成物：室溫下：相組成物： ， 組織組成物：（組織組成物：（+）共晶體（共晶體（+）%=100% %=100% 5.3 二元

25、合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料合金合金I I的結(jié)晶過程的結(jié)晶過程 L-L+-L-L+-+IIII 室溫時，相組成物：室溫時，相組成物：,室溫時，組織組成物：室溫時，組織組成物：,相相對量：相相對量： 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料亞共晶合金組織結(jié)晶過程亞共晶合金組織結(jié)晶過程 L-L+aL-L+a初初-L+aL+a初初+ +（c c+b+be e)-)-初初+ +（c c+b+be

26、e)-+b)-+bIIII+ +（ + +）亞共晶合金組織亞共晶合金組織 室溫下，相組成物：室溫下，相組成物：， 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料室溫下：組織組成物：室溫下：組織組成物：，IIII ，（，（ + + ）在共晶溫度時在共晶溫度時 ： 室溫下：室溫下：a a初初-+ + IIII 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料 綜合上述分析可知，雖然綜合上述分析可知，雖然fgfg點之間的合金點之間的合金均由均由和和兩相所組成，但是由于合金成分和兩相所組成，但是由于合金成分和結(jié)晶過程的變化，相的大小、數(shù)量和分布狀況，結(jié)

27、晶過程的變化，相的大小、數(shù)量和分布狀況，即合金的組織差別很大，甚至完全不同。即合金的組織差別很大，甚至完全不同。 在在fcfc成分范圍內(nèi)，合金的組織為成分范圍內(nèi)，合金的組織為，； 亞共晶合金的組織為亞共晶合金的組織為，共晶組織，共晶組織（+）；）； 共晶小結(jié)共晶小結(jié)5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料 共晶合金完全為共晶組織（共晶合金完全為共晶組織（+）；）； 過共晶合金的組織為過共晶合金的組織為，和和共晶共晶組織（組織（+），）， 在在egeg點之間的合金組織為點之間的合金組織為， 。 其 中 的其 中 的、 、及及（+ +）在顯微組織中均能清楚地區(qū)分開，

28、）在顯微組織中均能清楚地區(qū)分開，是組成顯微組織的獨立部分，稱之為組織是組成顯微組織的獨立部分，稱之為組織組成物。組成物。 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料Pb-Sn合金亞共晶組織 Pb-Sn合金過共晶組織5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料 為了分析研究組織的方便，常常把合金平衡結(jié)晶后的組織直接填寫在合金的相圖上，這樣，相圖上所表示的組織與顯微鏡下觀察到的顯微組織能相互對應(yīng)，以便于了解合金系中任一合金在任一溫度下的組織狀態(tài)，以及該合金在結(jié)晶過程中的

29、組織變化。 無論是合金的組織組成物，還是相組成物，它們的相對含量都可以用杠桿定律來計算。 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料Pb-SnPb-Sn共晶組織標注相圖共晶組織標注相圖5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料課堂練習課堂練習 計算含錫量為計算含錫量為Wsn=30%Wsn=30%的亞共晶合金在的亞共晶合金在183183共晶共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，先共晶相轉(zhuǎn)變結(jié)束后，先共晶相和共晶組織（和共晶組織（+）的含）的含量及相組成物量及相組成物和和相的含量。相的含量。191997.597.55.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械

30、械 工工 程程 材材 料料%4 .74%100199 .61309 .61%1002cddWa%6 .25%100199 .611930%1002)(cdcWa%14%100195.971930%1002%86%100195.97305.97%1002cecWceeWa先共晶相先共晶相和共晶組織（和共晶組織（+）的含量：）的含量：相組成物相組成物和和相的含量：相的含量：5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料另類共晶相圖另類共晶相圖5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料比重偏析 因比重不同而造成的化學成分不均勻的因比重不同而造成

31、的化學成分不均勻的現(xiàn)象，稱為比重偏析。現(xiàn)象，稱為比重偏析。 合金在結(jié)晶時，如果結(jié)晶出來的晶體的比重合金在結(jié)晶時，如果結(jié)晶出來的晶體的比重與剩余液相的比重相差較大，則這些晶體便會上與剩余液相的比重相差較大，則這些晶體便會上浮或下沉，從而導致鑄件上、下部分的化學成分浮或下沉，從而導致鑄件上、下部分的化學成分不一樣。在亞共晶或過共晶合金結(jié)晶時，如果形不一樣。在亞共晶或過共晶合金結(jié)晶時，如果形成的初晶的比重與液相的比重差別較大，則將形成的初晶的比重與液相的比重差別較大，則將形成比重偏析。成比重偏析。 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料比重偏析的影響因素 1 1、合

32、金組元的比重相差愈大，初晶與剩余液相、合金組元的比重相差愈大，初晶與剩余液相的成分差別愈大，則初晶愈剩余液相的比重相差的成分差別愈大，則初晶愈剩余液相的比重相差也愈大，因而合金的比重偏析愈嚴重。也愈大，因而合金的比重偏析愈嚴重。2 2、結(jié)晶時冷卻速度愈小，則初晶在液相中有更、結(jié)晶時冷卻速度愈小，則初晶在液相中有更多的時間上浮或下沉，也將增加比重偏析的程度。多的時間上浮或下沉，也將增加比重偏析的程度。 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料比重偏析的危害 比重偏析使鑄件各部分的成分、組織和性能比重偏析使鑄件各部分的成分、組織和性能不同，影響鑄件的使用。不同，影響

33、鑄件的使用。 比重偏析不能通過熱處理來減輕或消除，為比重偏析不能通過熱處理來減輕或消除，為了減輕或消除比重偏析，應(yīng)控制合金的成分，或了減輕或消除比重偏析，應(yīng)控制合金的成分，或在澆注時進行攪拌以及增加結(jié)晶時的冷卻速度。在澆注時進行攪拌以及增加結(jié)晶時的冷卻速度。 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料（3） 包晶相圖 兩組元在液態(tài)下互相無限兩組元在液態(tài)下互相無限溶解，在固態(tài)下相互有限溶解，溶解，在固態(tài)下相互有限溶解，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為包并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為包晶相圖晶相圖。 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料5.3 二

34、元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料相圖分析相圖分析 鉑（鉑（PtPt）銀（銀（AgAg）相圖如圖所示，相圖如圖所示，aeb aeb 為液相線，為液相線，acdbacdb為固相線，為固相線，cfcf及及dgdg分分別為別為AgAg溶于溶于PtPt和和PtPt溶于溶于AgAg的溶解度曲線。的溶解度曲線。 相圖中有三個相，液相相圖中有三個相，液相L L、固相固相及及，為為AgAg溶于溶于PtPt的固溶體，的固溶體，為為PtPt溶于溶于AgAg的固溶體。的固溶體。 5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料 相圖中有三個單相區(qū)，相圖中有三個單相

35、區(qū)，L L、及及，三個兩相區(qū)，三個兩相區(qū)，L+L+、L+L+、+。還還有一個三相區(qū)，有一個三相區(qū)，L L、及及共存的水平共存的水平線，即線，即cdecde線。線。 在在cdecde水平線所對應(yīng)的溫度下，成水平線所對應(yīng)的溫度下，成分相當于分相當于c c點點的固溶體和成分相當于的固溶體和成分相當于e e點的液相作用，形成一個成分相當于點的液相作用，形成一個成分相當于d d 點固溶體點固溶體 ，即：，即：decL5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料 這種在一定的溫度下由一定成分的這種在一定的溫度下由一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另一固相與一定成分的液相作

36、用，形成另一個一定成分的固相的轉(zhuǎn)變過程，稱為包個一定成分的固相的轉(zhuǎn)變過程，稱為包晶轉(zhuǎn)變。晶轉(zhuǎn)變。 相圖中的相圖中的d d點稱為包晶點，點稱為包晶點，d d點所對點所對應(yīng)的溫度稱為包晶溫度，應(yīng)的溫度稱為包晶溫度，cdecde線稱為包線稱為包晶線。晶線。 包晶轉(zhuǎn)變5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料v（2）、典型合金的結(jié)晶過程1、合金I（d點成分）結(jié)晶過程 當溫度下降至1點，液相中便開始有a相析出，溫度繼續(xù)下降，a相逐漸增多，液相逐漸減少，兩相成分分別沿固相線ac、液相線ae變化。當溫度降至包晶溫度時，ac和Le發(fā)生包晶反應(yīng)，形成成分相當于d點的固溶體。反應(yīng)結(jié)束

37、后，參加反應(yīng)的液相和a固溶體全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w。在繼續(xù)降溫的過程中，由于Pt在固溶體中的溶解度隨溫度下降而減小，故不斷有aII二次相的析出。合計I的室溫組織組成物為+ aII 。5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料v2、合金II（成分在c、d之間）的結(jié)晶過程 當溫度降至1點，液相中便開始有a相析出。隨著溫度下降，a相逐漸增多，液相逐漸減少，兩相成分分別沿固相線ac、液相線ae變化。當溫度降至包晶溫度時，發(fā)生包晶反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，a相有剩余，合金由a和兩相組成。合金繼續(xù)冷卻時，將分別從a和固溶體中析出II與aII。合金II的最終室溫組織組成物為a+II+aII

38、。5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料v3、合金III（成分在d、e之間）的結(jié)晶過程 當溫度降至1點時，開始結(jié)晶，冷至包晶溫度2時，a相與液相的成分分別相當于c點和e點的成分。在此溫度下，發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變。在包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時，液相有剩余。繼續(xù)冷卻時，液相不斷結(jié)晶出固溶體，當合金冷卻至3點時，合金凝固完畢，稱為單一的相，當冷卻到4點溫度時，將從相中析出aII，合金III的最終室溫組織組成物為+aII 。5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料( (4)4)共析相圖

39、共析相圖5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料從一個固相中同時析出成分和晶體結(jié)構(gòu)完全不同的兩種新的固相轉(zhuǎn)變過程，稱為共析轉(zhuǎn)變。圖中A、B為二組元，合金凝固后獲得r固溶體，rc在恒溫下進行共析轉(zhuǎn)變： rc ad + e（ad+e）稱為共析體，c點為共析點，dce為共析線，對應(yīng)的溫度為共析溫度。5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工 程程 材材 料料v共析反應(yīng)產(chǎn)物也是兩相機械混合物，稱為共析組織或共析體。共析反應(yīng)與共晶反應(yīng)不同的是，共析反應(yīng)的母相是固相，而不是液相，因而共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)相變，和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變一樣，固態(tài)相變又稱二次結(jié)晶或重結(jié)晶，它有著與結(jié)晶不同的特點：v （1）、發(fā)生固態(tài)轉(zhuǎn)變時，形核一般在某些特定部位發(fā)生（如晶界、晶內(nèi)缺陷、特定晶面等），因為這些部位或與新相結(jié)構(gòu)相近，或原子擴散容易。v （2）、由于固態(tài)下擴散困哪，因而固態(tài)轉(zhuǎn)變的過冷度大，與共晶體相比，共析體組織較細而均勻。v （3）、固態(tài)轉(zhuǎn)變往往伴隨著體積變化，因而易產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，使材料發(fā)生變形或開裂。v 共析轉(zhuǎn)變對合金的熱處理強化具有重大意義，鋼鐵和鈦合金的熱處理就是建立在共析轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)上的。5.3 二元合金的相圖二元合金的相圖 機機 械械 工工