《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)晶過程

教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)：

二元合金相圖建立與結(jié)晶過程

教學(xué)過程：

（-）復(fù)習(xí)提問

1、晶粒大小對金屬力學(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，從而使合金對塑性變

形的抗力增加。這種通過溶入溶質(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，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韌性會降低。

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。混合

物中各相仍保持自己原來的晶格。

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?。煌獠織l件

指溫度和壓力，它們決定原子或分子熱運(yùn)動的強(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，它不反映時間因素的影響。另外，通常相圖是在常壓下

測定的，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。

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，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）

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，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，說明Cu-Ni合金的結(jié)

晶是在一個溫度范圍內(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)晶過程

（五）課堂作業(yè)

1.何謂合金？試舉例說明。

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)過程：

（一）復(fù)習(xí)提問

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)無限互溶，在固態(tài)也無限互溶時，形成勻晶相圖。

它是所有基本相圖中最簡單的一種，僅由兩條線（液相線和固相線）所分隔開的兩

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

二、合金的結(jié)晶過程

現(xiàn)以成分為X的合金（見圖4-6）為例討論其結(jié)晶過程及產(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)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，并發(fā)生共晶反應(yīng)時,

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

三個單相區(qū)為L液相區(qū)，a相區(qū)和夕相區(qū)。在單相區(qū)之間有三個雙相區(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)對應(yīng)的溫度）下，共晶成分（c點(diǎn)成分）的液體合金,

同時結(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)無限互溶、在固態(tài)有限互溶，并發(fā)生包晶反應(yīng)時,

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，有三個單相區(qū)：L,?,}a

和用是有限固溶體。有三個雙相區(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,

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、