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2 二元相图


第二章 合金的结构与结晶
河北工业大学材料学院 李国彬 教授

本章主要讲述合金二元 相图, 合金的成分、组织结构、 性能之间的关系。
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纯金属与合金
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纯金属在工业中得到一定的应用。例如:利用 Cu、Al的导电性、导热性制作导线。但纯金 属成本很高,力学性能(

强度、硬度、耐磨 性等)一般都比较差;工业中广泛应用不是 纯金属,而是合金。

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合金: 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 属特性的物质称为合金。
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例如:碳素钢、碳素铸铁(为Fe-C组成的合金) 又例如:黄铜(Cu-Zn合金) 我们又称其中的Fe、C、Cu、Zn元素为组元。

组元:组成合金的最基本、独立的物
质称为组元。
二元合金:由两种组元组成的合金; 三元合金:由三种组元组成的合金; 多元合金:由三种以上组元组成的合金。

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第一节 固态合金中的相结构
引出一个新概念:相。什么叫相?

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相的定义:在金属或合金中,凡是成分、结构相同、 性能均匀一致的部分,叫相。相间由界面分开。

?固溶体 相的分类? ?化合物
固溶体:两种或两种以上组元,在固态下互相溶 解时,形成新相的结构与其中一种组元的晶格 结构相同时,这种新相叫固溶体。 化合物:两种或两种以上组元,在固态下互相溶 解时,形成新相的结构与组元的晶格结构均不 相同时,这种新相叫化合物
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二、固溶体 1.固溶体的分类:
?间隙固溶体 Fe-C 1)按溶质原子的位置分类? ?置换固溶体 Cu-Ni

?有限固溶体 Fe-C 2)按溶解度大小分类? ?无限固溶体 Cu-Ni

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?有序固溶体 3)按溶质原子的分布分类? ?无序固溶体

(a) CuAu

(b)Cu3Au

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2.固溶体的特性
1)固溶强化:当溶质溶入溶剂晶格中,而 使强度↑,硬度↑的现象叫固溶强化。 (原因:晶格畸变,柯氏气团)

2)电阻增加。
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三、金属化合物
1.分类
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正常价化合物:电负性相差较大的组元 形成,符合化合价规律(离子、共价键); 化合价比例决定结构,如NaCl 电子化合物:电子浓度决定晶体结构; 间隙相与间隙化合物:尺寸因素决定晶 体结构。小原子位于大原子晶格间隙
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2.特性
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一定浓度范围,有分子式; 晶体结构、结合键不同于组元; 多为硬脆相,熔点高。 结构材料的增强相

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第二节 合金相图的建立
相图:表明体系中,各合金相的平衡条件 (成份、温度、压力等)和相与相之间 的关系的简明示图叫相图,又称:状态 图或 平衡图。 相图的建立方法:1)热分析法; 2)膨胀法; 3)X-射线分析法。
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相图的建立步骤
(1)配制不同成分的Pb-Sn合金 100%Pb, 0% Sn 95% Pb, 5% Sn; 87% Pb, 13% Sn; 60% Pb, 40% Sn; 38.1% Pb, 61.9% Sn; 20 %Pb , 80% Sn; 0%Pb, 100% Sn。 配制的合金数目愈多,试验数据之间间隔愈小,测制出来的合金相图 就愈精确. (2)测出每个合金的冷却曲线,找出各冷却曲线上的临界点(转折点或 平台〉的温度。 (3)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。 (4)将具有相同意义的点连接成线,标明各区域内所存在的相。
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热分析法举例
以Pb-Sn为例

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第三节 匀晶相图
一、匀晶相图分析匀晶转变:由液体析出单相固溶体
的过程称匀晶转变。 对应的相图为匀晶相图

相:L,α

点:A、B合金的熔点
线:液相线A1B、 固相线A2B 相区:1)两个单相区:L、α 2)一个双相区:L+α
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二、匀晶合金的平衡结晶过程
在液、固两相并存时,固相的成分沿着固相线变化,液 相的成分沿着液相线变化。

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三、杠杆定律
x’ x’ x’’ k x’’ kx’’ Qα

x’k
QL

x’

k x’’

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在液、固两相并存时,固相的成分沿着固相线变化,液相的成分沿着 液相线变化。故对图3~13(α)中的合金,若想知道它在 x 温度时,固、 液两相的化学成分,可通过K合金的成分垂线作一条代表x温度的水平 线,令其与液、固相线相交,两个交点( x’、x’’)的横坐标就分别代表x 温度时液、固两平衡相的成分。那么,在x温度下液、固两相的数量又 是多少呢?这个问题可以通过如下的简单运算得到答案。
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?

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假设:合金的总重量为1,液相的重量为QL,固 相α 的重量为Qa。 若已知液相中的含Ni量为X’,固相中含Ni量 为X " ,合金的含Ni量为k,则可写出: (1) (2) 解方程(1)(2)得:
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四、枝晶偏析
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实际结晶时往往冷却速度较快,固溶体 中的扩散难以充分进行,而形成成分不 均匀的固溶体。 这种晶粒内部的化学成分不均匀现象称 为枝晶偏析(晶内偏析)。 枝晶偏析对材料的机械性能、抗腐蚀性 能、工艺性能等都不利。 工业上常采用扩散退火的方法予以消除。
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第四节 共晶相图
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共晶转变:由均匀液相同时析出两种不同 成分固相的转变。如Al-Si,Pb-Sn 一、相图分析

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相:L、 α为Pb(Sn), β为Sn(Pb)
αβ均为有限臵换固溶体。

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点:熔点,共晶点 线:液相线、固相线、溶解度线、共晶线 相区:单相区:L、α、β
双相区:L+α、L+β、α+ β, 三相区(水平线):L+α +β
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二、典型合金的平衡结晶过程

图3-5 共晶合金的结晶过程、组织 及冷却曲线
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(一)共晶成分合金(合金Ⅱ)
1.T=Td 温度时,发生二元共晶反应生成二元共晶组织(α +β ),反应式为: Ld = (αc +βe )
183℃

2.当T<Td 温度时,α成分沿cf 线变化,由α析出βⅡ , (α+βⅡ )

β成分沿 eg 线变化,由β 析出α
( βⅡ
,α Ⅱ



, (β +αⅡ)

为二次相)

3.室温组织:由于二次相不易观察故忽略不计
室温组织为(α+β) 室温组织中共晶两相α和β的相对重量为:

Wα =d’g/fg×100%, Wβ =fd’/fg ×100%

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(二)亚共晶合金(合金Ⅲ)

图3-3 亚共晶合金的结晶过程分析、 组织及冷却曲线

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1 当T在T1~T2之间时,由L→α



, 随T↓,L↓, α %↑。

2 当T=Td温度时,剩余L发生共晶反应:
L → (α +β )。至液相消失。 此时组织为:α
初+(α

+β )


3 当T<Td温度时,α 成分(初晶和共晶)沿cf线变化,由α →β
(共晶)成分沿eg线变化由β →α 室温组织:(α
初+βⅡ) +(α Ⅱ。

,β

+β )

(二次相βⅡ忽略不计) 室温组织中组织组成物的相对重量为:

Wα 初 = Wα =

×100%

W(α +β ) =
×100%

×100%

室温组织中相组成物的相对重量为: ×100% , Wβ =

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过共晶合金(合金Ⅲ) 室温组织:β 初+(α +β )-分析略 边际固溶体-α+βⅡ 、β+αⅡ 分析略

图3-4 过共晶合金室温组织

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第五节 包晶相图
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定义:一个液相包着一个固相形成另一个固相 。

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包晶反应:L+α=β
相图分析:
点:a:Pt熔点;b:Ag熔点;c:α极限溶解度; f:室温Pt溶Ag的溶解度;g:室温Ag溶Pt的溶解度。 线: abd :液相线; aceb :固相线; cde :包晶线; cf:α固溶线;dg:β固溶线 区:单相区: L相区;α相区,β相区 双相区:(L+α), (L+β), (α+β)。 三相区: (L+α+β)

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结晶过程 (1)包晶合金的结晶过程

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(2)亚包晶合金的结晶过程

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(3)过包晶合金的结晶过程

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第六节 相图与合金性能
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相图不仅表明了合金成分与组织间的关 系。 合金的使用性能取决于它们的成分和组 织,而合金的某些工艺性能则取决于其 结晶特点。 零握这些规律,便可利用相图大致判断 合金的性能,作为配制合金,选择材料 和制定工艺的参考。
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合金使用性能与相图的关系

合金的铸造性能与相图的关系
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当形成两相混合物时 1.力学性能:强度、硬度是两相的 平均值,共晶成分的合金强度、 硬度达到最大值。 2.铸造性能:共晶成分的合金的流 动性、枝晶偏析最小不易形成疏 松,而易行成集中缩孔。但压力 加工性能较差。
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