《金屬工藝學(xué)(第2版)》教學(xué)講義 第4章合金的相結(jié)構(gòu)與相圖

課題：合金的組織二元合金相圖

授課時(shí)數(shù)：2

教學(xué)目的、要求：

1.理解組元、相的含義2.熟悉合金的組織類型

3.掌握二元合金相圖的建立與結(jié)晶過(guò)程

教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：

二元合金相圖建立與結(jié)晶過(guò)程

教學(xué)過(guò)程：

（-）復(fù)習(xí)提問(wèn)

1、晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響

2、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

（二）導(dǎo)入新課、授新課

合金是一種金屬元素與其他金屬元素或非金屬元素通過(guò)熔煉或其他方法結(jié)合

而成的具有金屬特性的材料。

組成合金的最基本的獨(dú)立物質(zhì)稱為組元，簡(jiǎn)稱元。組元可以是金屬元素、非金

屬元素或穩(wěn)定化合物。根據(jù)組元數(shù)目的多少，合金可分為二元合金、三元合金和多

元合金。

在合金中成分、結(jié)構(gòu)及性能相同的組成部分稱為相。相與相之間具有明顯的界

面。數(shù)量、形態(tài)、大小和分布方式不同的各種相組成合金組織。

4.1合金的組織

根據(jù)合金中各組元之間結(jié)合方式的不同，合金的組織可分為固溶體、金屬化合

物和混合物三類。

一、固溶體

固溶體是一種組元的原子溶入另一組元的晶格中所形成的均勻固相。溶入的元

索稱為溶質(zhì)，而基體元素稱為溶劑。固溶體仍然保持溶劑的晶格類型。

根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所處位置的不同，固溶體可分為間隙固溶體和置換

固溶體兩類。

1.間隙固溶體

溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙之中而形成的固溶體，稱為間隙固溶體。由于溶

劑晶格的空隙有限，所以間隙固溶體能溶解的溶質(zhì)原子數(shù)量也是有限的。

2.置換固溶體

溶質(zhì)原子置換了溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上某些原子而形成的固溶體，稱為置換固溶體。

有限固溶體的溶解度與溫度有密切關(guān)系，一般說(shuō)溫度越高，溶解度越大。

在固溶體中由于溶質(zhì)原子的溶入而使溶劑晶格發(fā)生畸變，從而使合金對(duì)塑性變

形的抗力增加。這種通過(guò)溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬材料強(qiáng)度、硬度升高的

現(xiàn)象，稱為固溶強(qiáng)化。

二、金屬化合物

合金組元間發(fā)生相互作用而形成一種具有金屬特性的物質(zhì)稱為金屬化合物。金

屬化合物的組成一般可用化學(xué)式來(lái)表示。金屬化合物的晶格類型不同于任一組元，

一般具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)。其性能特點(diǎn)是熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大。當(dāng)合金中出現(xiàn)

金屬化合物時(shí)，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韌性會(huì)降低。

三、混合物

兩種或兩種以上的相按一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成的物質(zhì)稱為混合物?；旌衔镏械慕M成

部分可以是純金屬、固溶體或化合物各自的混合，也可以是它們之間的混合?；旌?/p>

物中各相仍保持自己原來(lái)的晶格。

混合物的性能取決于各組成相的性能，以及它們分布的形態(tài)、數(shù)量及大小。

工業(yè)上絕大多數(shù)合金是屬于機(jī)械混合物組織的，如鋼、生鐵、鋁合金、青銅、

軸承合金等。山機(jī)械混合物構(gòu)成的合金往往比單一固溶體具有更高的強(qiáng)度和硬度。

4.2二元合金相圖

一、相圖概述

相圖是一種簡(jiǎn)明的示圖，它清楚地表明了合金系中各種合金相的平衡條件以及

相與相之間的關(guān)系。

隨內(nèi)、外條件的不同，合金中可以形成不同結(jié)溝的相或組織。內(nèi)部條件指合金

的化學(xué)組成，它決定合金組元原子或分子之間的結(jié)合形式、性質(zhì)和大??；外部條件

指溫度和壓力，它們決定原子或分子熱運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱程度，因而決定相的穩(wěn)定性界限。

因此控制合金的成分、溫度和壓力，可以控制不同合金中的相或組織。

相圖中的相是平衡相，它不反映時(shí)間因素的影響。另外，通常相圖是在常壓下

測(cè)定的，不存在壓力的作用。所以合金在一定成分和一定溫度下的相狀態(tài)、以及當(dāng)

成分和溫度改變時(shí)相狀態(tài)的變化，可以用溫度一成分坐標(biāo)系的特殊示圖，明確而系

統(tǒng)地表示出來(lái)。

1.純金屬的相圖純金屬在不同溫度和壓力下具有不同相狀態(tài)，圖4-3為純鐵

的7—P相圖。在不同的溫度和壓力下，純鐵可以有三種相狀態(tài)，即體心立方晶格

的a相；面心立方晶格的7相；密排六力晶格的￡相。如果壓力為常壓時(shí)，則溫度

縱軸就可認(rèn)為是純鐵相圖。

Ni%

圖4-3純鐵T—P相圖圖4.4Cu?Ni合金相圖

2.二元合金相圖兩組元按不同比例組成一系列不同成分的合金，這些合金統(tǒng)

稱為該兩組元組成的二元合金系。與純金屬相比，二元合金系的成分是可變的。二

元合金的相狀態(tài)決定于溫度、壓力和成分三個(gè)基本因素，但一般情況下壓力的影響

不大，所以二元合金的相圖可用溫度一成分兩坐標(biāo)組成的平面圖表達(dá)。圖4-4為

Cu-Ni二元合金的相圖。它是一種最簡(jiǎn)單的二元合金相圖。

二、二元合金相圖的建立

以熱分析法建立Cu-Ni相圖為例，建立相圖的具體步驟如下。

（1）.配制不同成分的Cu-Ni合金。

例如：合金I100%Cu

合金n75%Cu+25%Ni

合金HI50%Cu+50%Ni

合金IV25%Cu+75%Ni

合金V100%Ni

配制的合金越多，則作出的相圖越精確。

（2）.作出合金的冷卻曲線，并找出各冷卻曲線上的臨界點(diǎn)（即轉(zhuǎn)折點(diǎn)和平臺(tái)）

的溫度值。

（3）.畫出溫度一成分坐標(biāo)系，在各合金成分垂線上標(biāo)出臨界點(diǎn)溫度。

（4）.將臨界點(diǎn)溫度中的同名點(diǎn)（即物理意義相同的點(diǎn)）連起來(lái)，就得到Cu-Ni

合金相圖。

圖4-5為按上述步驟建立Cu-Ni合全相圖過(guò)程的示意圖。

圖4-5電立Cu-Ni相圖的示意圖

a，b分別為Cu和Ni的熔點(diǎn)。alb線為液相線，aah為固相線，在固相線和液

相線之間的區(qū)域是液相和固相共存的兩相區(qū)。兩相區(qū)的存在，說(shuō)明Cu-Ni合金的結(jié)

晶是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，這一點(diǎn)不同于在恒溫下結(jié)晶的純金屬。合金結(jié)晶溫

度區(qū)間的大小和溫度的高低是隨成分改變的。

（三）課堂練習(xí)

略

（四）歸納小結(jié)

1.合金、組元、相

2.合金的組織的種類

3.相圖

4.二元合金相圖的建立步驟及方法

5.合金的結(jié)晶過(guò)程

（五）課堂作業(yè)

1.何謂合金？試舉例說(shuō)明。

2?試述元、相的暇念。

3.合金組織有哪幾種類型？它們的晶格特點(diǎn)是什么？

課題：勻晶相圖共晶相圖包晶相圖和共析相圖

授課時(shí)數(shù)：2

教學(xué)目的、要求：

1.了解勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖、共析相圖的形成條件

2.熟悉勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖、共析相圖組成

3.掌握勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖、共析相圖特點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：

共晶相圖、共析相圖特點(diǎn)

教學(xué)過(guò)程：

（一）復(fù)習(xí)提問(wèn)

1.合金、組元、相

2.合金的組織的種類

3.相圖

（二）導(dǎo)入新課、授新課

4.3勻晶相圖

一、相圖特征及形成條件

兩組元組成的合金系，在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)也無(wú)限互溶時(shí)，形成勻晶相圖。

它是所有基本相圖中最簡(jiǎn)單的一種，僅由兩條線（液相線和固相線）所分隔開(kāi)的兩

個(gè)單相區(qū)（液相區(qū)和固相區(qū)）和一個(gè)雙相區(qū)（液相和固相共存區(qū)）組成。

二、合金的結(jié)晶過(guò)程

現(xiàn)以成分為X的合金（見(jiàn)圖4-6）為例討論其結(jié)晶過(guò)程及產(chǎn)物。

4.4共晶相圖

一、相圖特征及形成條件

1、形成條件

兩組元組成的合金系，在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)有限互溶，并發(fā)生共晶反應(yīng)時(shí),

形成共晶相圖。

2、相圖特征

圖4-8為共品相圖。

?'J(OB/%*"

圖4-8共晶相圖

共晶相圖中共有三種相，即液相L、。相和夕相。a相是以A組元為溶劑，B

組元為溶質(zhì)的有限固溶體。4線表示在a固溶體中B組元的溶解度線。溶解度隨

溫度的降低而減小，在a相中最大溶B量為d點(diǎn)在橫軸上的投影。夕相是以8組元

為溶劑，A組元為溶質(zhì)的有限固溶體。eg線為A組元在“相中的溶解度線，A組元

的溶解量也隨溫度的降低而減少。e點(diǎn)是A組元在6相中的最大溶解度。相圖中的

三個(gè)單相區(qū)為L(zhǎng)液相區(qū)，a相區(qū)和夕相區(qū)。在單相區(qū)之間有三個(gè)雙相區(qū)，即（L+a）

區(qū)、（L+4）區(qū)、（a+f）區(qū)。

二、共晶反應(yīng)

在一定的共晶溫度（。點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度）下，共晶成分（c點(diǎn)成分）的液體合金,

同時(shí)結(jié)晶出兩種一定成分的固相3/點(diǎn)成分的a相和c?點(diǎn)成分的夕相），形成兩相

復(fù)合的共晶組織。這種組織又叫做共晶體。反應(yīng)式為：

「恒溫、Q

三、相圖與組織組成物

在圖4-8中的7點(diǎn)左邊成分的合金，在室溫下具有單相a組織；g點(diǎn)右邊成分

的合金在室溫下具有單相P組織；/一g之間成分的合金在室溫下為。相和P相組

成的兩相組織。

4.5包晶相圖和共析相圖

一、包晶相圖

1、形成條件

兩組元組成的合金系，在液態(tài)無(wú)限互溶、在固態(tài)有限互溶，并發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí),

則形成包晶相圖。

圖4?13包晶相圖

2、相圖特征

圖4-13為包晶相圖。包晶相圖與共晶相圖相似，有三個(gè)單相區(qū)：L,?,}a

和用是有限固溶體。有三個(gè)雙相區(qū)：（L十a(chǎn)）,（L+仍,（a+4）。有一三相共存的

水平線加C。在該線上進(jìn)行包晶反應(yīng)。所有d-C范圍內(nèi)成分的合金從液態(tài)冷卻時(shí),

其成分垂線都要與dec相交，都要發(fā)生包晶反應(yīng)。

包晶反應(yīng)是指d點(diǎn)成分的a相和c點(diǎn)成分的液相，在恒溫下相互作用，轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

e點(diǎn)成分的夕相的過(guò)程。

二、共析相圖

1、形成條件

圖4-14中的下半部為共析相圖。共析反應(yīng)與共晶反

應(yīng)非常相似，都是?種相在恒溫下轉(zhuǎn)變成另外兩種固相。

但又與共晶反應(yīng)有所不同。共析反應(yīng)前的母相不是液相,

而是在高溫下經(jīng)過(guò)勻晶或包晶反應(yīng)形成的某種固相。

2、共析反應(yīng)

共析反應(yīng)為：

恒溫、C

小.一%十月

3、