1、合金的相結構合金的相結構與二元合金相圖與二元合金相圖6.1 6.1 合金的相結構合金的相結構6.2 6.2 二元合金相圖二元合金相圖6.3 6.3 二元相圖的應用二元相圖的應用第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖6.1 6.1 合金的相結構合金的相結構：導電性、導熱性好。但強度并不高，應用受限制：導電性、導熱性好。但強度并不高，應用受限制：工業上應用最多的是合金材料：工業上應用最多的是合金材料：是兩種或兩種以上金屬元素或金屬與非金屬元素制成：是兩種或兩種以上金屬元素或金屬與非金屬元素制成的金屬。的金屬。 由兩個組元組成的合金稱為由兩個組元組成的合金稱為。 由由：是

2、金屬或合金中具有同一化學成份，同一原子聚集狀態：是金屬或合金中具有同一化學成份，同一原子聚集狀態和性質的均勻連續組成體，不同和性質的均勻連續組成體，不同“相相”之間存在界面，稱為之間存在界面，稱為相界面。相界面。第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖6.1 6.1 合金的相結構合金的相結構是指相的原子排列規律。它比金屬晶體是指相的原子排列規律。它比金屬晶體結構復雜，但可歸為兩類，結構復雜，但可歸為兩類，。1 1、固固體體：固：固體與溶液一樣，有體與溶液一樣，有劑與劑與質之分。含量質之分。含量少的叫少的叫，含量多的叫，含量多的叫。l特點特點：劑組元保持它的晶格類型不變

3、，所以固劑組元保持它的晶格類型不變，所以固體的晶體的晶格類型就是格類型就是劑組元的晶格類型。劑組元的晶格類型。l分類分類：按：按質原子在質原子在劑晶格中所占位置的不同，可分為劑晶格中所占位置的不同，可分為和和。第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖6.1 6.1 合金的相結構合金的相結構1 1、固、固體體（ “ “Cu-NiCu-Ni合金合金”: Cu: Cu的面心立方晶格結點上的原子，可以的面心立方晶格結點上的原子，可以被溶質原子被溶質原子NiNi置換掉。置換掉。 按溶質組元的固溶度可分為按溶質組元的固溶度可分為和和； （當溶質組元濃度固溶度后，可形成另一（當溶質

4、組元濃度固溶度后，可形成另一新相）；新相）； （完全溶解（完全溶解100%100%溶質組元，但不改變溶劑的溶質組元，但不改變溶劑的晶格類型）。晶格類型）。第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖6.1 6.1 合金的相結構合金的相結構和和圖圖1 1 固溶體兩種類型示意圖固溶體兩種類型示意圖 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖6.1 6.1 合金的相結構合金的相結構 溶劑組元的晶格類型保持不變。溶質原子溶入到溶劑溶劑組元的晶格類型保持不變。溶質原子溶入到溶劑晶格的間隙中，這種固溶體稱為晶格的間隙中，這種固溶體稱為。：晶格間隙一般小于：晶格

5、間隙一般小于0.1nm0.1nm，只有，只有半徑較小的原子才可溶入間隙，如氫（半徑較小的原子才可溶入間隙，如氫（0.0460.046nmnm）、氧）、氧（0.0600.060nmnm）、碳（）、碳（0.0770.077nmnm）和硼（）和硼（0.0970.097nmnm）等。）等。： 當形成置換固當形成置換固體時，溶劑原子體時，溶劑原子半徑存在差別，故要產生晶格畸變；半徑存在差別，故要產生晶格畸變； 當形成間隙固當形成間隙固體時，因溶質原子半徑稍大于間隙半徑，也要產生畸變。體時，因溶質原子半徑稍大于間隙半徑，也要產生畸變。晶格畸變使晶格畸變使，這種由晶，這種由晶格畸變引起強、硬度上升的效應稱為

6、格畸變引起強、硬度上升的效應稱為。第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖6.1 6.1 合金的相結構合金的相結構l固固體性能的變化體性能的變化圖圖2 2 固溶體中大、小溶質原子所引起晶格畸變示意圖固溶體中大、小溶質原子所引起晶格畸變示意圖第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖6.1 6.1 合金的相結構合金的相結構：A、B兩組元組成合金時，由于溶解度的不同，除兩組元組成合金時，由于溶解度的不同，除形成有限固形成有限固體外，還有可能形成與體外，還有可能形成與A、B組元晶格類型組元晶格類型不同的新相，這種新相就稱為金屬間化合物。不同的新相，這

7、種新相就稱為金屬間化合物。：金屬間化合物根據形成條件，可分為下列三種類型，：金屬間化合物根據形成條件，可分為下列三種類型，即正常價化合物、電子化合物、間隙化合物。即正常價化合物、電子化合物、間隙化合物。（1）正常化合物）正常化合物l這類化合物按正常的原子價規律組成，具有一定的化學成這類化合物按正常的原子價規律組成，具有一定的化學成分，可用化學分子式來表示其組成，例如：分，可用化學分子式來表示其組成，例如：Mg2Si 、Mg2Sn等。其特點是硬度高，脆性大。等。其特點是硬度高，脆性大。 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖6.1 6.1 合金的相結構合金的相結構l這

8、類化合物的組成不遵守原子價規律，而是按一定的電子濃度這類化合物的組成不遵守原子價規律，而是按一定的電子濃度組成。組成。l如電子濃度如電子濃度=2/3時，銅鋅可形成體心立方的時，銅鋅可形成體心立方的CuZn中間相中間相；當電當電子濃度子濃度=21/13時，則形成復雜立方結構的時，則形成復雜立方結構的Cu5Zn8中間相。中間相。（3）間隙化合物）間隙化合物l這類化合物是由過渡族金屬與原子半徑較小的非金屬元素，如這類化合物是由過渡族金屬與原子半徑較小的非金屬元素，如C、N、O、B等形成的金屬化合物。等形成的金屬化合物。l可按原子半徑比值分類可按原子半徑比值分類 59. 0金屬非金屬rr59. 0金屬

9、非金屬rr第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖一概述二二元合金相圖的制作三勻晶相圖三勻晶相圖五包晶相圖六其它二元相圖 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖l定義定義：相圖是表示合金系中所有合金，在非常緩慢冷卻：相圖是表示合金系中所有合金，在非常緩慢冷卻（或加熱）條件下，在各個溫度下存在的相或其組織的圖（或加熱）條件下，在各個溫度下存在的相或其組織的圖解。解。l作用作用：通過相圖知道各種成分的合金在任一溫度下存在的：通過相圖知道各種成分的合金在任一溫度下存在的相及相成分。加熱或冷卻過程中的相變及相變溫度、室溫相及相成分。加熱或冷卻過程中

10、的相變及相變溫度、室溫下合金的平衡組織及性能，為制定熱處理規范提供依據。下合金的平衡組織及性能，為制定熱處理規范提供依據。 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖 1、以、以Cu-Ni二元合金系為例，用二元合金系為例，用來繪制相圖。來繪制相圖。 LL+ 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖2 2、二元合金相圖特征點、線的意義、二元合金相圖特征點、線的意義 ltA銅的熔點ltB鎳的熔點ltAatB液相線ltAbtB固相線ltAatB線上為一液相區 LltAbtB線下為一固相區 Sl兩線之間為液固相區 L+S 第六章第六章 合金的相結構與二

11、元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖1合金的平衡結晶過程示意圖L 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖l平衡結晶是合金在過程中，原子能夠充分擴散，隨時達到相平衡的結晶過程。l當合金從高溫緩慢地冷卻到與液相線相交的t t1 1溫度并稍過冷時，開始從液相L1中結晶出成分為的1 1 固溶體。固相成分沿著固相線變化，液相成分沿著液相線變化。當然隨著結晶的進行，液相量逐漸減少，固相量逐漸增加。在t t2 2到t t3 3溫度間，結晶繼續進行，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化，并在溫度 t t3 3 時結晶完畢，得到成分為 3 3（含60%Ni60%Ni）的單相固溶

12、體，由一顆顆的晶粒組成。 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖l當合金在某一溫度處于相圖中的兩相區時，從相圖中不僅可知兩平衡相的成分，還可應用“杠桿定律”求出兩個平衡相的重量比。現以圖6銅鎳合金中含x%Ni的合金為例，來說明杠桿定律極其應用。 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖 在平衡溫度時，合金的兩個平衡相為：液相的成分以在平衡溫度時，合金的兩個平衡相為：液相的成分以a點表示，即含點表示，即含y%Ni, 固固溶溶體的成分以體的成分以c點表示，即含點表示，即含z%Ni。設液、固兩相的重量分別為設液、固兩相的重量分別為WL 和和Wa

13、，合金的總重量為合金的總重量為W。則則 WL+Wa=W （2-1） 由于液、固兩相中含鎳量的和等于合金總的含鎳量，即由于液、固兩相中含鎳量的和等于合金總的含鎳量，即 WLy%+Waz%=Wx% （2-2） 將（將（2-1）式代入（）式代入（2-2）式并移項，則）式并移項，則 Wa(z%-x%)=WL(x%-y%) （2-3） 所以（所以（2-3）式可寫為）式可寫為 WL（ab）=Wa（bc） 或或 WL/Wa = bc/ab （2-4） 如果把如果把abc看作一根杠桿，（看作一根杠桿，（2-4）式中）式中WL/W恰好與它們的杠桿臂成反比恰好與它們的杠桿臂成反比關系。這個關系符合力學中的杠桿定律

14、，所以把式（關系。這個關系符合力學中的杠桿定律，所以把式（2-4）的關系也稱為）的關系也稱為杠桿杠桿定律定律。（。（2-4）式也可換寫成下列形式：）式也可換寫成下列形式：l 液相的重量百分數液相的重量百分數 l 固溶體的重量百分數固溶體的重量百分數 l 必須指出，杠桿定律只能在兩相區應用。在三相共存區，不能應用。必須指出，杠桿定律只能在兩相區應用。在三相共存區，不能應用。%100acbcWL%100acabWa 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖l在實際生產中，由于冷卻速度較快，合金在結晶過程中，在實際生產中，由于冷卻速度較快，合金在結晶過程中，固相中的原子都來

15、不及進行充分擴散而結晶；固相中的原子都來不及進行充分擴散而結晶；l這種結晶過程稱為這種結晶過程稱為不平衡結晶不平衡結晶。 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖三勻晶相圖三勻晶相圖4、合金的不平衡結晶與樹狀偏析、合金的不平衡結晶與樹狀偏析l如圖如圖7所示，在不平衡結晶過程中，開始結晶所示，在不平衡結晶過程中，開始結晶出來的樹枝狀固溶體晶體，其成分為出來的樹枝狀固溶體晶體，其成分為1（含高（含高溶點組元鎳較多），隨著溫度的下降，在它的溶點組元鎳較多），隨著溫度的下降，在它的外面又形成一層層成分為外面又形成一層層成分為2、2、3 的的固固溶溶體（高溶點組元鎳的含量逐層減

16、少）。由體（高溶點組元鎳的含量逐層減少）。由于各層之間的原子來不及充分擴散，這種成分于各層之間的原子來不及充分擴散，這種成分不均勻現象可保持到結晶完畢，直至室溫。不均勻現象可保持到結晶完畢，直至室溫。 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖三勻晶相圖三勻晶相圖4 4、合金的不平衡結晶與樹狀偏析、合金的不平衡結晶與樹狀偏析l由于樹枝狀晶體各次晶軸的成分不同，由于樹枝狀晶體各次晶軸的成分不同，其金相試樣經磨平拋光及浸蝕后，可其金相試樣經磨平拋光及浸蝕后，可顯現出樹枝狀晶體（見圖顯現出樹枝狀晶體（見圖8 8）。）。 l具有枝晶偏析的合金，其塑性、韌性具有枝晶偏析的合金，其

17、塑性、韌性顯著下降，給合金的壓力加工帶來困顯著下降，給合金的壓力加工帶來困難。為此，生產上難。為此，生產上通常在高溫下（通常在高溫下（）長時間加熱，使原子）長時間加熱，使原子充分擴散，以消除枝晶偏析。這種熱充分擴散，以消除枝晶偏析。這種熱處理工藝處理工藝稱為稱為擴散退火擴散退火或或均勻化退火。均勻化退火。 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖4、合金的不平衡結晶與樹狀偏析、合金的不平衡結晶與樹狀偏析圖圖9 Cu-Ni9 Cu-Ni合金鑄態組織合金鑄態組織 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖四共晶相圖四共晶相圖 1.1.共晶相圖的特征

18、共晶相圖的特征： LL 1) 圖中有一條水平線MEN稱為共晶線; 2) 線的兩端各與一個固相單相區相連; 3) 線上有一點E點稱為共晶點，與液相區相連。 L+L+ 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖四共晶相圖四共晶相圖 2 2典型合金的平衡結晶過程典型合金的平衡結晶過程 凡含錫量19%或97.5%的合金統稱為端部固溶體合金。現以 圖9中含10%Sn的合金為例來說明端部固溶體合金的結晶過程。 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖l合金在t t1 1溫度以上為液相，當冷到t t1 1溫度時，開始從液相中結晶出a a固溶體。在t t1 1

19、t t2 2溫度的冷卻過程中，從液相中不斷結晶出固溶體，液相成分沿液相線變化，a a固溶體成分沿固相線變化。在t t2 2溫度結晶完畢，得到單相a固溶體。在t t2 2t t3 3溫度之間為單相a a的冷卻。這個結晶過程與勻晶相圖的固溶體合金平衡結晶過程相同。當冷到t t3 3溫度以下直到室溫時，由于溶解度的限制，將從a a固溶體中不斷析出固溶體。這種析出的過程稱為。由a a固溶體中析出的相稱為，以IIII表示，以與從液相中結晶出來的相區別。l室溫組織：a aIIII 反應過程反應過程：勻晶反應二次結晶勻晶反應二次結晶 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖四共晶相

20、圖2典型合金的平衡結晶過程（2 2）共晶合金的結晶過程）共晶合金的結晶過程 圖9中成分通過E點（含61.9%Sn）的合金叫共晶合金共晶合金。 當合金從液態緩冷到E點溫度（tE=183 ）時，液相LE將同時結晶出M點成分的固溶體（M）和N點成分的固溶體（N）。 發生共晶反應： 產物為（ M M N N ）的兩相交互分布的混合物，稱或。 共晶體中M M相和N N相的相對量可應用杠桿定律計算如下：NMEL %.%.%44510019597961597100 MNENM%6 .54%100195 .97199 .61%100MNMEN 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖

21、四共晶相圖四共晶相圖2典型合金的平衡結晶過程（2）共晶合金的結晶過程 合金繼續冷卻到室溫時，共晶體中的相和相將分別沿及固溶度線析出次生的相及II相。但它們與共晶體中的同類相混在一起，在顯微組織中很難區分清楚，故通常認為其顯微組織特征不變。 室溫組織： 反應過程：共晶反應二次結晶 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖四共晶相圖2 2典型合金的平衡結晶過程（3 3）亞共晶合金的結晶過程 凡成分位于M ME E點之間的合金統稱為亞共晶合金。現以30%Sn30%Sn的Pb-Pb-SnSn合金為例，分析其平衡結晶過程。 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與

22、二元合金相圖四共晶相圖四共晶相圖Pb-SnPb-Sn共晶合金的組織共晶合金的組織 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖四共晶相圖四共晶相圖2 2典型合金的平衡結晶過程（3）亞共晶合金的結晶過程。第一， ： 是指合金由哪幾種組成。第二， ：是指合金試樣在顯微鏡下有哪幾種可以清楚區分 的。l例如，上述共晶合金和亞共晶合金的相組成物是一樣的，即均以a a相和相兩種相組成。但是，共晶合金和亞共晶合金的組織組成物則不一樣。共晶合金共晶合金的組織組成物只有一種，即由a a與相交替分布呈層片狀的共晶體。亞共晶合金亞共晶合金在顯微鏡下可區分出樹枝狀的初生a a相，少量次生IIII

23、相分布于初生a a相中，還有a a相與相呈交替分布的共晶體，故其組織組成物為等三種。 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖四共晶相圖四共晶相圖2典型合金的平衡結晶過程（4 4）過共晶合金的結晶過程）過共晶合金的結晶過程l圖9中凡成分介于E點到N點之間的合金統稱為合金。l過共晶合金的冷卻曲線及結晶過程與亞共晶合金的相似。所不同的，只是初生相為固溶體，在共晶溫度的共晶轉變后的繼續冷卻過程中，從初生相中析出次生aII相。 第六章第六章 合金的相結構與二元合金相圖合金的相結構與二元合金相圖五包晶相圖五包晶相圖lPt-Ag相圖是一種典型的包晶相圖。如圖13所示。l包晶轉變的特點： LlI、II