第3章 合金的结构及平衡相图 3.1 合金的结构合金的结构 3.2 平衡相图的概念平衡相图的概念 3.3 平衡相图的应用平衡相图的应用 3.4 铁铁碳平衡相图碳平衡相图 第3章 合金的结构及平衡相图 3.1.1 固溶体固溶体合金中的固溶体，是指组成合金的一种金属元素的晶格中包含其他元素的原子而形成的固态相如-Fe中溶入碳原子便形成称为铁素体的固溶体固溶体中含量较多的元素称为溶剂或溶剂金属；含量较少的元素称为溶质或溶质元素固溶体保持其溶剂金属的晶格形式按溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两类溶质原子置换部分溶剂晶格结点上原子而形成的固溶体称为置换固溶体(见图3-1(a)溶质原子位于溶剂晶格结点的晶隙中所形成的固溶体称为间隙固溶体(见图3-1(b)3.1 合合金金的的结结构构第3章 合金的结构及平衡相图 图3-1 固溶体的晶体结构示意图(a)置换固溶体；(b)间隙固溶体第3章 合金的结构及平衡相图 溶质原子溶入溶剂后会引起晶格的畸变，如图3-2所示由于这种畸变会使低抗塑性变形的能力提高，因此，固溶体的强度、硬度都比溶剂金属高因溶入溶质元素而使溶剂金属强度、硬度提高的现象称为固溶强化。
溶质元素溶入越多，溶质原子与溶剂原子直径相差越大，若以间隙形式溶入时，固溶强化效果也越大固溶强化是使金属材料强化的途径之一如加入溶质量适当，则可显著提高金属材料的强度和硬度的同时，仍保持相当好的塑性和韧性第3章 合金的结构及平衡相图 图3-2 形成固溶体时的晶格畸变第3章 合金的结构及平衡相图 3.1.2 金属化合物金属化合物组成合金的各组元的原子彼此按一定比例和一定位置关系相结合而形成的物质称为金属化合物金属化合物一般保留金属特性，而其晶格形式与组成此化合物的各组元的晶格形式完全不同其晶格形式比纯金属更复杂，故其熔点高、硬而脆，如铁和碳的化合物渗碳体(Fe3C)第3章 合金的结构及平衡相图 合金中出现金属化合物时，合金的强度、硬度和耐磨性都会提高，但其塑性和韧性会下降金属化合物是合金钢、硬质合金和许多有色金属的重要组成相值得注意的是，工业用合金的组织仅由化合物一相组成的情况是不存在的原因是化合物硬度虽高，但脆性太大，无法应用若化合物以极细小的球粒状均匀而弥散地分布于合金基体组织中，则合金的强度、硬度和耐磨性会大大提高，同时由于化合物的脆性而引起的塑性、韧性降低的不利影响则会大大减小这种利用细小弥散的稳定质点提高合金强度的方法称为弥散强化。
第3章 合金的结构及平衡相图 3.1.3 机械混合物机械混合物组成合金的各组元在固态下既不相互溶解，又不形成化合物，而是按一定重量比、以混合方式存在，其结构形式称为机械混合物机械混合物中各组元的原子仍按各自原来的晶格类型结晶成晶体，在显微镜下可以区别出各组元的晶粒机械混合物可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合物，也可以是它们的混合物机械混合物不是单相组织，其性能介于组成相之间，且随组成相的形状、大小、数量及分布而变如钢中由片状渗碳体分布在铁素体中的机械混合物(珠光体)的硬度及塑性等性能介于铁素体和渗碳体之间第3章 合金的结构及平衡相图 3.2.1 平衡相图平衡相图由两个或两个以上组元按不同比例配制的一系列不同成分的合金称为合金系，如Fe-Fe3C系、Al-Si系等而用来表示合金系中合金状态、温度和成分之间关系的图解称为相图相图所表示的是温度在十分缓慢变化的条件下，合金组织变化的规律，故又称平衡相图相与相之间的转变称为相变相图可作为制定铸造、压力加工、焊接及热处理工艺的重要依据，也是分析合金组织、研究合金组织及相变化的有效工具3.2 平衡相图的概念平衡相图的概念第3章 合金的结构及平衡相图 3.2.2 冷却曲线对具有固定成分的材料冷却曲线进行观察，可获得材料结晶过程的大量信息。
所谓冷却曲线，是以温度作为时间的函数画出的冷却循环曲线，相变点在曲线上以特征点形式出现对于铅锡合金系，在图3-3中给出了六条不同成分的冷却曲线曲线表示纯铅由液态开始冷却，在液态时观察到一光滑曲线当达到结晶点a时，开始结晶由于结晶潜热的放出，出现a-a温度保持线从开始，刚生成的固相继续冷却，温度沿一光滑曲线下降这种曲线的特点是纯金属及具有确定熔点物质的共同特性，如曲线所示的纯锡冷却曲线第3章 合金的结构及平衡相图 图3-3 铅-锡合金系的冷却曲线绘制的平衡相图第3章 合金的结构及平衡相图 对于61.9%Sn的合金，可观察到一个如图中曲线所确定的熔点与纯金属的区别在于自合金液中同时结晶出两种成分且结构不同的固相形成的机械混合物，此过程称为共晶反应，即第3章 合金的结构及平衡相图 应指出，共晶反应在固定温度发生，且反应中，合金液及结晶后两固相成分固定图3-3中曲线是40%Sn合金的冷却曲线合金液连续冷却到k点，液相中开始形成Sn在Pb中的固溶体()的小晶粒，并释放出能量，因而曲线斜率突然减小这些小晶粒的形成，使得剩下的合金液中Sn浓度增大，从而结晶点下降为了继续形成新的固相，必须继续冷却第3章 合金的结构及平衡相图 更多的固相不断生成使得剩余合金液中Sn浓度更高，使结晶点进一步下降，因此出现了一凝固温度范围，相应的上特征温度为始结晶温度，下特征温度为终结晶温度。
当温度达到k点时，剩余合金液成分达到E点(61.9%Sn)成分，所以，此时发生共晶反应，剩余合金液结晶成两成分且结构不同的固相形成的机械混合物，冷却曲线上亦可观察到一段等温保持线随后，固相混合物继续冷却图3-3中冷却曲线与相似，分析方法亦相同，区别在于先析出的是Pb在Sn中的固溶体第3章 合金的结构及平衡相图 图3-3中曲线是13%Sn合金的冷却曲线曲线h“以上与曲线相似，而自h”开始，曲线斜率突然下降，这是由于自h“开始，从固溶体中析出二次相固溶体，同时放出能量所引起的现在可以把各相变点按冷却曲线上相同的温度转移到温度成分坐标上，并将物理意义相同的特征点连成曲线，便得到图3-3所示的铅锡相图图中A-E-B为所有合金处于液态时的最低温度，叫做液相线；A-C-E-D-B线是所有合金处于固态的最高温度，叫做固相线液相线和固相线之间，液、固两相共存，称为液固两相区第3章 合金的结构及平衡相图 3.2.3 溶解度的研究溶解度的研究上述冷却曲线的讨论，实际上是在成分固定的条件下，对相图进行垂直观察那么，如在恒温条件下对相图进行水平观察，又将得到哪些信息呢？对于不同成分进行等温观察，通常要用射线技术、显微镜或其他方法对试样进行分析，以确定发生相变时的成分。
等温观察由纯金属开始，遇到的第一条线(假定观察温度在固相区内)A-C-F表示Sn在固溶体中的溶解度，称为固溶线同理，Pb在固溶体中的固溶线为B-D-G可见，在相图两端可以看出一种金属在另一种金属中的溶解度因此，通过等温观察，可以得到所研究材料系统溶解度的全部信息第3章 合金的结构及平衡相图 3.2.4 几个特例几个特例至此，我们已介绍了平衡相图的概念，下面我们将由简到繁地观察几个相图1.在液态和固态下完全互溶在液态和固态下完全互溶如果两种金属在液态及固态均能完全互溶，则其平衡相图较简单图3-4为Cu-Ni系完全溶解的平衡相图，在温度超过液相线时，不管成分如何，两组元均能形成液态溶液当温度低于固相线时，两组元在任何成分下亦可形成固溶体在液相线及固相线之间是液相和固相共存的两相区这类相图称为匀晶相图第3章 合金的结构及平衡相图 图3-4 铜镍系完全溶解的平衡相图第3章 合金的结构及平衡相图 2.固态部分互溶固态部分互溶许多物质在固态下相互间既不是完全溶解，也不是完全不溶解这类合金系中，每一组元在另一组元中都存在一定的溶解度或饱和点，且溶解度是温度的函数图3-3即为这种平衡相图由图3-3可知，在固态时，锡在铅中的最大溶解度为19.2%(质量比，后同)，类似地，铅在锡中的最大溶解度为2.5%。
如温度从最大溶解度点下降，则固溶体的溶解度通常要下降因此，如锡在铅中固溶体由183开始冷却，则合金由单相区转成两相区，一些富锡的第二相()将从固溶体中析出这一特性可用来控制许多工程合金的性质第3章 合金的结构及平衡相图 3.3.1 表象点的研究表象点的研究相图中每一点代表某成分合金在某温度下所处的状态，称为表象点利用表象点可获得三个基本信息，下面以匀晶相图为例来进行讨论1)存在的相找出要研究的表象点在相图中所处的相区，就能判定存在的相3.3 平衡相图的应用平衡相图的应用第3章 合金的结构及平衡相图(2)各存在相的成分若表相点位于单相区，则相的成分即为所研究合金的成分，由表象点直接决定若表象点位于两相区，则通过该点作一条水平等温连线，该线与相邻两相区边界线的交点的成分即为两相混合物中各相的成分例如考察图3-5中的o点，通过此点的等温线为aob点a是等温线与固相线的交点，因此在两相混合物中，固相具有a点的成分；同理，液相具有b点的成分第3章 合金的结构及平衡相图(3)各存在相的数量若表象点位于单相区，则此时所研究的合金全部以此相存在；若表象点位于两相区，则两相混合物中各相所占比例可由杠杆定律确定。
杠杆定律把等温线(aob)看做是两端各挂一个相的杠杆，杠杆的支点在表象点o的垂直成分线上如研究图3-5中o点处存在的两相的比例，则有mlbo=mLloa式中，m为固溶体相对量；mL为液相相对量；lbo、loa分别为线段bo、oa的长度第3章 合金的结构及平衡相图 因此，t2温度处，液、固相比例为同样，此温度下液、固两相相对量亦可确定：其中，lba为线段ba的长度第3章 合金的结构及平衡相图 图3-5 在液体及固体中都完全互相溶解的两种金属的平衡相图(a)平衡相图；(b)杠杆模型第3章 合金的结构及平衡相图 其他方面应用涉及到整个平衡相图或合金的临界点位置如根据平衡相图，则很容易确定使任一成分合金处于指定相区所需的温度，并可以预测已知材料在缓慢加热或缓慢冷却时可能出现的变化事实上，现在大家已能回答3.2节开头所提出的大多数问题了第3章 合金的结构及平衡相图 3.3.2 合金的结晶合金的结晶运用上面讨论的方法，现在来追踪图3-5中具有o点的成分的合金的结晶过程就变得比较简单了当温度为t1时，首先生成具有b0点的化学成分的少量固相，随温度降低，生成的固相增多，而生成的固相成分沿固相线变化，剩余液相成分沿液相线变化，最后在温度t3凝固完毕，得到的单一固相的成分就是合金在o点的成分。
第3章 合金的结构及平衡相图 由此可见，最后生成的固溶体和最初生成的固溶体成分不同若冷却足够缓慢(接近平衡条件)，则扩散充分，整个固相物质的成分将趋于均匀一致成分的差异是通过扩散现象消除的，在高温能量的激发下，成分不均匀处的原子在晶格内部从一个结点迁移到另一个结点若冷却速度快，扩散条件不满足，则由于最初形成的固溶体和最后形成的固溶体保持成分差异而可能形成不均匀的固溶体，这种现象叫做晶内偏析第3章 合金的结构及平衡相图 3.3.3 三相反应三相反应图3-3所示相图的明显特征是有一水平直线，且此线上发生三相平衡反应，简称三相反应，如共晶反应下面我们进一步根据合金在反应前后的状态及与此水平线相交的是形还是倒形来确定反应类型图3-3所示相图中发生的共晶反应是常见的三相平衡反应之一现在通过杠杆定律可进一步理解此反应第3章 合金的结构及平衡相图 现考察含锡量为19.6%97.5%之间的任何成分合金在温度刚好高于180等温线的情况此时，合金含有的不是富铅固溶体和剩余液相，就是富锡固溶体和剩余液相，且不论合金成分如何，此温度下剩余液相含锡量均为61.9%如我们只考虑液相，并使它冷却到恰好低于183，则含锡61.9%的剩余液相转变为含锡19.2%的富铅固溶体和含锡97.5%的富锡固溶体的机械混合物，即发生共晶反应。
该水平线称为共晶线共晶反应前为液相，反应后为两种成分、结构不同的固相，两固相的。