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1、第第3章章 二元合金及相图二元合金及相图3.1 合金及其种类合金及其种类3.2 二元合金相图及杠杆定理二元合金相图及杠杆定理3.3常见相图常见相图3.4其他二元合金相图其他二元合金相图3.5 合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系3.1 合金及其种类合金及其种类 组元组元：组成合金的最基本的独立物质。：组成合金的最基本的独立物质。组元组元：组成合金的最基本的独立物质。：组成合金的最基本的独立物质。合金根据其组元的多少来命名，例如，由两个组元组成的合金合金根据其组元的多少来命名，例如，由两个组元组成的合金称为二元合金，三个组元组成的合金称为三元合金。合金中化学成称为二元合金，三个组元组成的
2、合金称为三元合金。合金中化学成分和晶体结构均相同，且有界面分开的均匀组成部分称为分和晶体结构均相同，且有界面分开的均匀组成部分称为相相。固态。固态金属的相按其结构和特点可以分为金属的相按其结构和特点可以分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两类。两类。3.1.1 固溶体固溶体 固溶体固溶体：一种元素的晶格中包含有其他元素的合金相，包含元：一种元素的晶格中包含有其他元素的合金相，包含元素和被包含元素分别称为素和被包含元素分别称为溶剂元素溶剂元素和和溶质元素溶质元素。1.固溶体的分类固溶体的分类 按照溶质原子在固溶体中的位置，可以将固溶体分为按照溶质原子在固溶体中的位置，可以将固溶体分为间隙固溶
3、间隙固溶体体和和置换固溶体置换固溶体两大类两大类3.1 合金及其种类合金及其种类 间隙固溶体间隙固溶体：无论是前述章节中所讲述的三种常见晶格类型：无论是前述章节中所讲述的三种常见晶格类型还是其他类型的晶格，在其原子间都存在有一定的间隙，如果晶还是其他类型的晶格，在其原子间都存在有一定的间隙，如果晶格原子直径较大，那么原子间隙也较大，此时在这个间隙上便可格原子直径较大，那么原子间隙也较大，此时在这个间隙上便可能存在有其他尺寸较小的原子，基于此所形成的固溶体称为间隙能存在有其他尺寸较小的原子，基于此所形成的固溶体称为间隙固溶体，即溶质原子嵌入到溶剂原子晶格中所形成的固溶体。固溶体，即溶质原子嵌入到
4、溶剂原子晶格中所形成的固溶体。置换固溶体置换固溶体：溶剂晶格中的部分原子被溶质原子代替所形成：溶剂晶格中的部分原子被溶质原子代替所形成的固溶体。按溶解度的不同，置换固溶体可以分为两类，即的固溶体。按溶解度的不同，置换固溶体可以分为两类，即有限有限置换固溶体置换固溶体和和无限置换固溶体无限置换固溶体。间隙固溶体和置换固溶体分别如图间隙固溶体和置换固溶体分别如图3-1和和3-2所示所示。3.1 合金及其种类合金及其种类影响固溶体溶解度的因素：影响固溶体溶解度的因素：（1）原子大小。原子的大小对两种固溶体溶解度的影响不一）原子大小。原子的大小对两种固溶体溶解度的影响不一样。对于间隙固溶体来说，样。对
5、于间隙固溶体来说，D溶质溶质/D溶剂溶剂0.59，并且比值越小溶解度，并且比值越小溶解度就越大；对于置换固溶体来说，溶质原子与溶剂原子直径越接近就越大；对于置换固溶体来说，溶质原子与溶剂原子直径越接近溶解度越大。溶解度越大。（2）晶格类型。如果溶质原子和溶剂原子的晶格类型相同，）晶格类型。如果溶质原子和溶剂原子的晶格类型相同，那么固溶体的溶解度增大。需要指出的是，晶格类型相同是形成那么固溶体的溶解度增大。需要指出的是，晶格类型相同是形成无限置换固溶体的必要条件。无限置换固溶体的必要条件。（3）负电性。如果元素的负电性相近，那么溶解度增加；反）负电性。如果元素的负电性相近，那么溶解度增加；反之溶
6、解度减小。之溶解度减小。3.固溶强化和固溶体的性质固溶强化和固溶体的性质 固溶强化：因溶质元素的加入，导致固溶体的滑移变形较之固溶强化：因溶质元素的加入，导致固溶体的滑移变形较之前更难以进行，此时若要实现变形，需增大外力，也就是说固溶前更难以进行，此时若要实现变形，需增大外力，也就是说固溶现象增大了合金的强度。现象增大了合金的强度。晶格畸变几率越大，变形程度也就越大，固溶强化作用也就晶格畸变几率越大，变形程度也就越大，固溶强化作用也就越显著，在固溶强化时合金的塑性和韧性也都得到了提升。越显著，在固溶强化时合金的塑性和韧性也都得到了提升。3.1 合金及其种类合金及其种类固溶体的特点：固溶体的特点
7、：（1）固溶体的晶格类型与溶剂元素相同，但晶格常数发生了）固溶体的晶格类型与溶剂元素相同，但晶格常数发生了改变。改变。（2）固溶体中溶质原子越多，固溶体的溶解度越大，晶格畸）固溶体中溶质原子越多，固溶体的溶解度越大，晶格畸变越严重，因此固溶强化的效果也就越显著。变越严重，因此固溶强化的效果也就越显著。（3）溶质原子溶于溶剂原子后固溶体的成分可能会有所改变，）溶质原子溶于溶剂原子后固溶体的成分可能会有所改变，但其变化范围不大，也就是说溶入的原子数可多可少。但其变化范围不大，也就是说溶入的原子数可多可少。3.1.2金属化合物金属化合物 金属化合物：合金组元之间发生相互作用而形成的一种新的金属化合物
8、：合金组元之间发生相互作用而形成的一种新的固相物质。固相物质。金属化合物可以分为以下几种：金属化合物可以分为以下几种：（1）正常价化合物）正常价化合物 （2）电子价化合物）电子价化合物 （3）间隙化合物）间隙化合物3.1 合金及其种类合金及其种类金属化合物的特点：金属化合物的特点：金属化合物的晶格类型与原组成元素的晶格类型不同，它的金属化合物的晶格类型与原组成元素的晶格类型不同，它的晶格类型比较复杂，结构也比较复杂，滑移系、滑移方向和滑移晶格类型比较复杂，结构也比较复杂，滑移系、滑移方向和滑移面都比较少，强度、硬度和塑性都比较大，另外熔点和电阻也比面都比较少，强度、硬度和塑性都比较大，另外熔点
9、和电阻也比较高，它们一般以硬质点的形式存在于合金材料中，起到了强化较高，它们一般以硬质点的形式存在于合金材料中，起到了强化材料的作用，一般不能作为金属材料的机体，实际使用中可以根材料的作用，一般不能作为金属材料的机体，实际使用中可以根据不同的需要添加合适的物质来改变金属的性能。金属化合物对据不同的需要添加合适的物质来改变金属的性能。金属化合物对金属性能起着至关重要的作用，虽然它们的含量并不多。金属性能起着至关重要的作用，虽然它们的含量并不多。3.2 二元合金相图及杠杆定理二元合金相图及杠杆定理 二元合金相图二元合金相图：以温度为纵坐标、材料成分为横坐标绘制曲：以温度为纵坐标、材料成分为横坐标绘
10、制曲线。线。二元合金相图的建立过程：二元合金相图的建立过程：（1）选择元素含量不同的合金；）选择元素含量不同的合金；（2）利用热力分析法测出所选的几种合金的结晶开始温度和）利用热力分析法测出所选的几种合金的结晶开始温度和终了温度，将它们绘制在温度终了温度，将它们绘制在温度-时间坐标系中；时间坐标系中；（3）绘制温度）绘制温度-成分坐标系，其与温度成分坐标系，其与温度-时间坐标系对齐；时间坐标系对齐；（4）通过温度）通过温度-时间坐标系中的结晶开始温度点和终了温度时间坐标系中的结晶开始温度点和终了温度点向右作水平线，每条水平线都与温度点向右作水平线，每条水平线都与温度-成分坐标系中竖直成分线成分
11、坐标系中竖直成分线有有2个交点；个交点；（5）将竖直成分线上意义相同的交点连接起来。结晶开始温）将竖直成分线上意义相同的交点连接起来。结晶开始温度点连接而成的曲线称为度点连接而成的曲线称为液相线液相线，结晶终了温度点连接而成的曲，结晶终了温度点连接而成的曲线称为线称为固相线固相线。3.2.1 二元合金相图的建立二元合金相图的建立3.2 二元合金相图及杠杆定理二元合金相图及杠杆定理3.2.2 相图分析相图分析 相相：在金属或合金中成分相同、结构相同并：在金属或合金中成分相同、结构相同并与其他部位有明显界限分开的均匀组成部分。与其他部位有明显界限分开的均匀组成部分。（1）L相相：液相液相，由铜和镍
12、组成的液体，在，由铜和镍组成的液体，在高温下才能存在。高温下才能存在。（2）相相：固相固相，由铜和镍互相溶解而组成，由铜和镍互相溶解而组成的固溶体。的固溶体。（3）L+相相：固液共存相固液共存相，既有固相的物质，既有固相的物质，又有液相的物质。又有液相的物质。（4）ALB相线相线：液相线，表示合金结晶的开：液相线，表示合金结晶的开始温度，在它之上的合金的状态为液相。始温度，在它之上的合金的状态为液相。（5）AB相线相线：固相线固相线，表示合金结晶的终，表示合金结晶的终了温度，在它之下的合金的状态为固相。了温度，在它之下的合金的状态为固相。3.2 二元合金相图及杠杆定理二元合金相图及杠杆定理3.
13、2.3杠杆定理杠杆定理 杠杆定理能够表示出在某一温度时合金中的成分及各成分的杠杆定理能够表示出在某一温度时合金中的成分及各成分的含量。含量。杠杆定理杠杆定理：两相的质量之比是与两相成分点到合金成分点的距离两相的质量之比是与两相成分点到合金成分点的距离的反比的反比。3.3常见相图常见相图常见的相图有常见的相图有匀晶相图匀晶相图和和共晶相图共晶相图2种。种。3.3.1 匀晶相图匀晶相图 匀晶相图匀晶相图：组成二元合金的组元在固态和液态时均能无限互：组成二元合金的组元在固态和液态时均能无限互溶的合金的相图。溶的合金的相图。相图和结晶过程分别如图相图和结晶过程分别如图3-5（a）和（）和（b）所示）所
14、示。3.3常见相图常见相图3.3.2 共晶相图共晶相图 共晶反应共晶反应：一定温度下，一定成分的液相同时结晶出两个成：一定温度下，一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变过程。分和结构都不相同的新固相的转变过程。相图和结晶过程分别如图相图和结晶过程分别如图3-7和和3-8所示所示。3.4其他二元合金相图其他二元合金相图3.4.1包晶相图包晶相图 包晶反应包晶反应：当合金凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成：当合金凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的（旧）固相与剩余液相（有确定成分）发生反应生成另一种分的（旧）固相与剩余液相（有确定成分）发生反应生成另一种（新）固相的恒温
15、转变过程。（新）固相的恒温转变过程。相图和结晶过程分别如图相图和结晶过程分别如图3-11（a）和（）和（b）所示。）所示。3.4其他二元合金相图其他二元合金相图3.4.2共析相图共析相图 共析反应共析反应：自某一种均匀一致的固相中同时析出两种化学成：自某一种均匀一致的固相中同时析出两种化学成分和晶格结构完全不同的新固相的转变过程。分和晶格结构完全不同的新固相的转变过程。相图如图相图如图3-2所示。所示。3.5 合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系3.5.1 机械性能与相图的关系机械性能与相图的关系 如果合金的组织为两相机械混合物，如果合金的组织为两相机械混合物，那么其性能与合金成分呈正
16、（或反）比例那么其性能与合金成分呈正（或反）比例关系，并且数值为两相性能的算术平均值关系，并且数值为两相性能的算术平均值 如果合金的组织为固溶体，那么随着如果合金的组织为固溶体，那么随着溶质元素含量的增加，发生固溶强化现象，溶质元素含量的增加，发生固溶强化现象，合金的强度和硬度也增大。如果是无限互合金的强度和硬度也增大。如果是无限互溶的合金，那么当溶质含量为溶的合金，那么当溶质含量为50%左右时，左右时，合金的强度和硬度最高。合金的强度和硬度最高。如果合金的组织为固溶体，那么随着如果合金的组织为固溶体，那么随着溶质元素含量的增加，发生固溶强化现象，溶质元素含量的增加，发生固溶强化现象，合金的强度和硬度也增大。如果是无限互合金的强度和硬度也增大。如果是无限互溶的合金，那么当溶质含量为溶的合金，那么当溶质含量为50%左右时，左右时，合金的强度和硬度最高。合金的强度和硬度最高。3.5 合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系3.5.2铸造性能与相图的关系铸造性能与相图的关系 合金的液相线和固相线间的距离越合金的液相线和固相线间的距离越（水平距离和数值距离）大，合金的流（水平距离和数值距离
