平衡组织
枝晶偏析组织
二元相图分析
共晶相图
温度（℃）
• 当两组元在液态 下完全互溶，在 固态下有限互溶, 并发生共晶反应 时所构成的相图 称作共晶相图。
• 以 Pb-Sn 相图为 例进行分析。
Pb
成分（wt%Sn）
Sn
Pb-Sn合金相图
共晶相图
• 相图分析
• ① 相：相图中有L、、 三种相, 是溶质Sn在 A
② 电子化合物—符合电子 浓度规律。如Cu3Sn。 电子浓度为价电子数与 原子数的比值。
③ 间隙化合物—由过渡族 元素与C、N、B、H等小 原子半径的非金属元素 组成。
Al-Mg-Si合金中的Mg2Si Pb基轴承合金中的电子化合物
金属化合物
• a. 间隙相：r非/r金0.59时形 成的具有简单晶格结构的间 隙化合物。如
l 液固相线不仅是相区 分界线, 也是结晶时两 相的成分变化线；匀 晶转变是变温转变。
二元相图分析
• 杠杆定律 • 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的
成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。 • 现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律： • ① 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成
H
共晶相图
l 由 析出的二次 用Ⅱ 表示。
l 随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线变
化， Ⅱ的重量增加。 室温下Ⅱ的相对重量百分比为： Q Ⅱ
F4 FG
100%
• 由于二次 相析出温
度较低， 一般十分
细小。
Q
QⅡ
共晶相图
• Ⅰ合金室温组织
为 + Ⅱ 。
A C
F
B l 成分大于 D点合金结晶
• M4X (Fe4N)、 • M2X (Fe2N、 W2C)、 • MX (TiC、VC、TiN)等。 • 间隙相具有金属特征和极高
的硬度及熔点，非常稳定。 • 部分碳化物和所有氮化物属
于间隙相。
VC的结构
金属化合物
• b. 具有复杂结构的间隙化合物
• 当r非/r金>0.59时形成复杂结构间 隙化合物。
合金平均成分
匀晶相图
l 从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀 晶反应。
• 随温度下降，固溶 体重量增加，液相 重量减少。
• 液相成分沿液相线 变化，固相成分沿 固相线变化。
匀晶相图
• 成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时 ，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时固溶 体的成分又变回到合金成分3上来。
• 不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 • 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 • 枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。
l 生产上常将铸件加热到固相 线以下100-200℃长时间保温， 以使原子充分扩散、成分均 匀，消除枝晶偏析，这种热 处理工艺称作扩散退火。
枝晶偏析 Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
• 在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种
直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。
.2
共晶相图
• 温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶格 不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相— 相。
由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。 • 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。
元, 如Fe-C合金中的Fe3C。
Cu
成分（wt %Ni）
Ni
Cu-Ni合金相图
二元合金状态图的建立
• 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温 度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处 理工艺的重要依据。
• 根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
二元相图的建立
共晶体长大示意图
共晶相图
• 具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡 成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共
晶点以右的合金称
A
过共晶合金。
l 凡具有共晶线成分 的合金液体冷却到
L+
B
C
D
共晶温度时都将发
生共晶反应。
共晶相图
• 合金的结晶过程 • ① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程
• 组织 一种或多种相按一定方式 相互结合所构成的整体。
• 显微组织 是指在显微镜下观察 到的金属中各相或各晶粒的形态 、数量、大小和分布的组合。
• 固态合金中的相分为固溶体和金 属化合物两类。
两相 合金
合金的相结构
• 固溶体 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构
相同的固相。习惯以、、表示。 l 与合金晶体结构相同的元素称溶
l枝晶偏析
• 合金的结晶只有在缓慢冷却 条件下才能得到成分均匀的 固溶体。但实际冷速较快， 结晶时固相中的原子来不及 扩散，使先结晶出的枝晶轴 含有较多的高熔点元素（如 Cu-Ni合金中的Ni）, 后结晶 的枝晶间含有较多的低熔点 元素(如Cu-Ni合金中的Cu)
枝晶偏析
• 在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的 现象称作枝晶偏析。
E
D
过程与Ⅰ合金相似，室
温组织为 + Ⅱ 。
G
共晶相图
• ② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 • 液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共
晶反应：LE ⇄(C+D) 。
1’ 19.2
wt%Sn
共晶相图
• 析出过程中两相相间形核 、互相促进、共同长大， 因而共晶组织较细，呈片 、棒、点球等形状。
固溶体
• ④ 固溶体的性能 • 随溶质含量增加, 固溶体的
强度、硬度增加, 塑性、韧 性下降—固溶强化。 • 产生固溶强化的原因是溶 质原子使晶格发生畸变及 对位错的钉扎作用。 l 与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧 性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性 和韧性则要高得多。
合金的相结构
Qα
x x1 x2 x1
杠杆定律
• 因此两相的相对重量
百分比为：
QL
xx 2 x1x 2
ob ab
Q
x1x x1x 2
ao ab
两相的重量比为：
QL Q
xx 2 x1x
(
ob ao
)
或Q
L
x1x
Q xx2
杠杆定律
• 上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆
定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温
共晶相图
共晶组织形态
Pb-Sn共晶组织
层片状(Al-CuAl2定向凝固)
条棒状(Sb-MnSb横截面)
螺旋状（Zn-Mg）
• 相图被两条线分为 三个相区，液相线 以上为液相区L ， 固相线以下为 固 溶体区，两条线之 间为两相共存的两 相区（L+ ）。
L
液相线 L +
固相线
Cu
成分（wt%Ni）
Ni
匀晶相图
• 合金的结晶过程
• 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合 金为例说明。
l 当液态金属自高温冷
L
却到 t1温度时，开始 结晶出成分为1的固 溶体，其Ni含量高于
B
线分别为 Sn在 Pb
中和 Pb在 Sn中的
固溶线。
• 固溶体的溶解度随 温度降低而下降。
共晶相图
• ⑤ 共晶线：水平线CED叫做共晶线。
• 在共晶线对应的温度下（183 ℃），E点成分的合金
同时结晶出C点成分的 固溶体和D点成分的 固溶
体，形成这两个相的机械混
合物：LE ⇄(C + D)
A
• 几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是 热分析法。
• 二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] • 1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，
找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。 • 2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。 • 3. 将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的
• ⑵ 金属化合物 • 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同
的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点 、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。
l 当合金中出现金属化合 物时，可提高其强度、 硬度和耐磨性，但降低 塑性。
l 金属化合物也是合金的 重要组成相。
铁碳合金中的Fe3C
金属化合物
① 正常价化合物—符合正 常原子价规律。如Mg2Si
剂。其它元素称溶质。
l 固溶体是合金的重要组成相，实 际合金多是单相固溶体合金或以
Cu-Ni置换固溶体
固溶体为基的合金。
l 按溶质原子所处位置分为置换固 溶体和间隙固溶体。
Fe-C间隙固溶体
固溶体
• ① 置换固溶体 • 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。 • 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称
在一定温度下，由一定
B
成分的液相同时结晶出
两个成分和结构都不相
同的新固相的转变称作
共晶转变或共晶反应。。
共晶相图
• 共晶反应的产物，即两 相的机械混合物称共晶 体或共晶组织。发生共 晶反应的温度称共晶温 度。代表共晶温度和共 晶成分的点称共晶点。
Pb原子 扩散
Sn原子 扩散
Pb-Sn共晶组织
工程材料与机械制造基础
第四章 铁碳合金
海洋科学与技术学院 贾 非
Dalian University of Technology
*
主要内容
l 合金的相结构
固溶体
金属化合物
l 二元合金状态图的建立
二元相图的建立
杠杆定律
共晶相图
共析相图