1、学习要求和难点学习重点：学习重点：1.匀晶体相图特点、结晶过程匀晶体相图特点、结晶过程。2.杠杆定律及其应用。杠杆定律及其应用。3.运用相图分析合金的性能。运用相图分析合金的性能。学习难点：学习难点：杠杆定律及其应用杠杆定律及其应用。合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。质。组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。与纯金属比，合金的力学性能高得多且种类多。与纯金属比，合金的力学性能高得多且种
2、类多。组元：组成合金独立的、最基本的单元。组元：组成合金独立的、最基本的单元。组元包括组元包括 二元合金：由两个组元组成的合金。二元合金：由两个组元组成的合金。合金的组成元素合金的组成元素稳定化合物：固定的熔点和成分，不易分解。稳定化合物：固定的熔点和成分，不易分解。所谓所谓相相是指金属或合金中凡是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成它部分有界面分开的均匀组成部分。部分。显微组织显微组织实质上是指在显微实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。布的组
3、合。固态合金中的相固态合金中的相分为固溶体分为固溶体和金属化合物两类。和金属化合物两类。单相单相合金合金两相两相合金合金 固溶体固溶体 固溶体：合金组元通过溶解形成固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相。习惯以元之一相同的固相。习惯以、表示。表示。与合金晶体结构相同的元素称溶与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。剂。其它元素称溶质。固溶体是合金的重要组成相，实际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固溶体合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。为基的合金。固溶体的溶解度：溶质原子在固固溶体的溶
4、解度：溶质原子在固溶体中的极限浓度。溶体中的极限浓度。Cu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-C间隙固溶体间隙固溶体固溶体的分类：固溶体的分类：a、置换固溶体：溶质原子取代溶剂原子的位置，、置换固溶体：溶质原子取代溶剂原子的位置，但整个结构仍然是溶剂的晶体结构。但整个结构仍然是溶剂的晶体结构。b、间隙固溶体：溶质原子位于溶剂原子的间隙、间隙固溶体：溶质原子位于溶剂原子的间隙 位置中。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的位置中。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族等，而溶剂元素一般是过渡族元素。元素。a、有限固溶体：在一定的条件
5、下，溶质在固溶体中存在一、有限固溶体：在一定的条件下，溶质在固溶体中存在一极限浓度，如超过此浓度则有其它相形成。极限浓度，如超过此浓度则有其它相形成。b、无限固溶体：溶质可以任意比例溶入到溶剂中，最高可、无限固溶体：溶质可以任意比例溶入到溶剂中，最高可达达100%。（只能是置换固溶体只能是置换固溶体）组成元素原子半径、组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。能形成无限固溶体。a、有序固溶体：溶质原子在固溶体中有规律的分布。、有序固溶体：溶质原子在固溶体中有规律的分布。（只能是置换固溶体只能是置换固溶体）
6、b、无序固溶体：溶质原子在固溶体中无规律的分布。、无序固溶体：溶质原子在固溶体中无规律的分布。置换固溶体置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。的称有序固溶体。黄铜置换固溶体组织黄铜置换固溶体组织 间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如属元素，如C、N、B等，等，而
7、溶剂元素一般是过渡而溶剂元素一般是过渡族元素。族元素。形成间隙固溶体的一形成间隙固溶体的一般规律为般规律为r质质/r剂剂0.59。间隙固溶体都是无序间隙固溶体都是无序固溶体和有限固溶体。固溶体和有限固溶体。固溶体的性能固溶体的性能 随溶质含量增加随溶质含量增加,固溶体的固溶体的强度、硬度增加强度、硬度增加,塑性、韧性下塑性、韧性下降降固溶强化。固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质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原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。的钉扎作用。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其
8、硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。故固溶体的综合力学性能较好，多为合金的基体相。故固溶体的综合力学性能较好，多为合金的基体相。金属化合物金属化合物 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。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可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。用分子式表示其组成。铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3C 金属化合物也是合金的重金属化合物也是合金的重要组成相。要组成相。弥散强化：金属化合物弥散强化：金属化合物硬而
9、脆，当其以极小的粒子硬而脆，当其以极小的粒子均匀分布在固溶体基体上时，均匀分布在固溶体基体上时，使合金的强度、硬度增加，使合金的强度、硬度增加，而塑性、韧性降低不多的现而塑性、韧性降低不多的现象。象。故金属化合物多为合金故金属化合物多为合金的强化相（也称第二相）。的强化相（也称第二相）。a.间隙相：间隙相：r非非/r金金 0.59时形时形 成的具有简单晶格结构的间隙成的具有简单晶格结构的间隙化合物。化合物。如如M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)等。等。间隙相具有金属特征和极高间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。的硬度及熔点，非常稳定。部分碳
10、化物和所有氮化物属部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。于间隙相。VC的的结结构构 如如FeB、Fe3C、Cr23C6等。等。Fe3C称渗碳体，是钢中重要组称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。成相，具有复杂斜方晶格。化合物也可溶入其它元素原化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶子，形成以化合物为基的固溶体。体。Fe3C的晶格的晶格高温合金中的高温合金中的Cr23C6合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析.相图相图（平衡图、状态图）：平衡条件下，合金的相（平衡图、状态图）：平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。是制订
11、熔炼、铸造、状态与温度、成份间关系的图形。是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。热加工及热处理工艺的重要依据。根据组元数根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。分为二元相图、三元相图和多元相图。合金系合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。一系列不同成分的合金。在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系。间的关系。f=c-p+2当系统的压力为常数时当系统的压力为常数时(恒压下恒压下)：，f=c-p+1f：自由度数，能改变系统状态的、独立可变的因素：自由度数，
12、能改变系统状态的、独立可变的因素（包括温度、成分等）的数目。（包括温度、成分等）的数目。fmin=0。c：组元数。：组元数。p：相数。：相数。由公式可知：由公式可知：fmin=c-pmax+1故：故：pmax=c-fmin+1=c-0+1 相律的应用相律的应用 利用相律可以解释金属和合金结晶过程中的很多利用相律可以解释金属和合金结晶过程中的很多现象现象。如纯金属结晶时存在两个相如纯金属结晶时存在两个相(固、液共存固、液共存)P=2，纯，纯金属金属c1，代入相律表达式得，代入相律表达式得f1-2+1=0。这说。这说明纯金属结晶只能在恒温下进行。明纯金属结晶只能在恒温下进行。相律的作用：相律的作用
13、：对于二元合金，在两相平衡条件下对于二元合金，在两相平衡条件下P2，c=2,f=1。这说明此时还有一个可变因素。因此二。这说明此时还有一个可变因素。因此二元合金，一般是在一定温度范围内结晶。元合金，一般是在一定温度范围内结晶。建立相图最常用方法是建立相图最常用方法是。它是通过测量相变时的热。它是通过测量相变时的热效应（即相变时放出热量或吸收热量）来确定相变时的临界度效应（即相变时放出热量或吸收热量）来确定相变时的临界度。二元合金相图的建立二元合金相图的建立TemperatureTimeLiquidTwo PhaseSolid热分析法实验原理热分析法实验原理二元合金相图的绘制步骤二元合金相图的绘
14、制步骤 Cu-NiCu-Ni合金的冷却曲线和相图的绘制合金的冷却曲线和相图的绘制150014001300120011001000CuNi80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni温度温度/温度温度/时间时间Ni%Cu 20 40 60 80 NiLL+由相图确定某成分合金在某温度时的相由相图确定某成分合金在某温度时的相由相图确定给定合金的相变温度由相图确定给定合金的相变温度由相图某成分合金在某温度时的两个平衡相的成分和相对质量由相图某成分合金在某温度时的两个平衡相的成分和相对质量杠杆定律杠杆定律 两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的相图称为相图称为匀晶
15、相图匀晶相图。TemperatureXY%Y addedLiquidSolidTwo PhaseEquilibrium Phase Diagram-Mg0-Fe010001200140016001800200022002400260028003000020406080100Wt%FeOTemperature(C)Equilibrium Phase Diagram-Nb-W24002500260027002800290030003100320033003400020406080100Weight%WTemperature(C)温度温度/ABB%LL+液相线液相线固相线固相线B熔点熔点A熔点熔点
16、与纯金属的结与纯金属的结晶过程不同，固晶过程不同，固溶体合金的结晶溶体合金的结晶是在一定的是在一定的温度温度范围范围内完成的。内完成的。相图相图由由两条线两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为相图被两条线分为三个相区三个相区，液相线以上为，液相线以上为液相区液相区L L，固相线以下为固相线以下为 固溶体区固溶体区，两条线之间为两相共存的，两条线之间为两相共存的两相区两相区（L+L+）。）。以以Cu-NiCu-Ni合金合金为例进行分析。为例进行分析。L L+合金的结晶过程合金的结晶过程 除纯除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以组元外，其它成
17、分合金结晶过程相似，以合金为例说明。合金为例说明。l这种从液相中结晶出单一固相的转变称为这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变匀晶转变或或匀晶反应匀晶反应。随温度下降，固随温度下降，固溶体重量增加，溶体重量增加，液相重量减少。液相重量减少。同时，同时，液相成分液相成分沿液相线变化，沿液相线变化，固相成分沿固相固相成分沿固相线变化线变化。成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t t3 3时，最后时，最后一滴一滴L L3 3成分的液体也转变为固溶体，此时成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又固溶体的成分又变回到合金成分变回到合金成分 3上来
18、上来。液固相线不仅是相区分界液固相线不仅是相区分界线线,也是结晶时两相的也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变成分变化线；匀晶转变是是。在一个枝晶范围内或在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作不均匀的现象称作枝枝晶偏析晶偏析。合金的结晶只有在合金的结晶只有在缓慢缓慢冷却条件冷却条件下才能得到下才能得到成分均匀的固溶体成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中但实际冷速较快，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的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如（如Cu-NiCu-Ni合金中的合金中的NiNi）,后结晶后结
19、晶的枝晶间含有较多的低熔点元素的枝晶间含有较多的低熔点元素(如如Cu-NiCu-Ni合金中的合金中的Cu)Cu)。Cu-30%NiCu-30%Ni合金的平衡合金的平衡组织与组织与枝晶偏析组织枝晶偏析组织影响影响因素因素冷却速度冷却速度给定成分合金的液相线给定成分合金的液相线与固相线的垂直距离与固相线的垂直距离距离越大距离越大偏析相对越严重偏析相对越严重速度越大速度越大偏析相对越严重偏析相对越严重对合金性对合金性能的影响能的影响加工性能加工性能力学性能力学性能耐腐蚀性能耐腐蚀性能解决方法解决方法将铸件加热到固相线以下将铸件加热到固相线以下100-200长时间长时间保温来消除枝晶偏析，称为扩散退火
20、保温来消除枝晶偏析，称为扩散退火可使原子充可使原子充分扩散，使分扩散，使成分均匀成分均匀 生产上常将铸件加热到生产上常将铸件加热到固相线以下固相线以下100-200100-200长时长时间保温，以使原子充分扩散、间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作这种热处理工艺称作扩散退扩散退火。火。消除枝晶偏析的办法消除枝晶偏析的办法 大型铝合金铸造板材的扩散大型铝合金铸造板材的扩散退火退火难点：难点：杠杆定律证明杠杆定律证明 设合金的质量为设合金的质量为Q合金合金,其中其中 Ni质量分数为质量分数为b%,在在 T1温度时温度时,L相中的相中的 Ni质
21、量分数为质量分数为a%,相中相中的的Ni质量分数为质量分数为c%。c-b为线段为线段 bc的长度的长度;b-a为线段为线段 ab的长度。的长度。故得：故得：或或 这个式子与力学中的杠杆定律相似这个式子与力学中的杠杆定律相似,因而亦被称作杠杆因而亦被称作杠杆定律。由杠杆定律不难算出合金中液相和固相在合金中所定律。由杠杆定律不难算出合金中液相和固相在合金中所占的质量分数（即相对质量）分别为：占的质量分数（即相对质量）分别为：例：求例：求30%30%NiNi合金在合金在1280 1280 时时 相的相对量相的相对量CuNiNi%T,C204060801001000110012001300140015
22、0010831455L L+ac30a1b1c11280 C解：作成分线和温度线解：作成分线和温度线如图。如图。6618根据杠杆定律推论，根据杠杆定律推论，Q /QH=a1b1/a1c1=12/48=1/4答：所求答：所求合金在合金在1280 时时 相的相对质量为相的相对质量为1/4。当当两两组元在液态下完全互溶，在固态下有限组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶互溶,并发生并发生共晶反应共晶反应时所构成的相图称作时所构成的相图称作共晶相共晶相图图。温度（温度（）PbSn成分（成分（wt%Sn）相图分析相图分析 相相：相图中：相图中有有L L、三种三种相相,是溶质是溶质SnSn在在 PbPb中
23、的固中的固溶体，溶体，是溶质是溶质PbPb在在SnSn中的中的固溶体。固溶体。相区相区：相图中有：相图中有三个单相区三个单相区：L L、；三个两相区三个两相区：L+L+、L+L+、+；一个三相区一个三相区：即：即水平线水平线CEDCED。AB 固溶线固溶线:溶解度点的连溶解度点的连线线称称固溶线固溶线。相图中相图中的的CFCF、DGDG线分别为线分别为 SnSn在在 PbPb中和中和 PbPb在在 SnSn中的中的固溶线。固溶线。固溶体的溶解度随温固溶体的溶解度随温度降低而下降。度降低而下降。AB 共晶线共晶线：水平线水平线CEDCED叫做叫做共晶线共晶线。共晶线对应的温度下（共晶线对应的温度
24、下（183 183），），E E点成分的合金同时结晶出点成分的合金同时结晶出C C点成分的点成分的 固溶体固溶体和和D D点成分的点成分的 固溶体，形成这固溶体，形成这两个相的机两个相的机械混合物械混合物：L LE E (C C+D D)AB 共晶反应的产物，即共晶反应的产物，即两相的机械混合物称两相的机械混合物称共晶共晶体或共晶组织体或共晶组织。发生共晶。发生共晶反应的温度称反应的温度称共晶温度共晶温度。代表共晶温度和共晶成分代表共晶温度和共晶成分的点称的点称共晶点共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶体长大示意图共晶体长大示意图 Sn原子原子扩散扩散Pb原子原子扩散扩散 具有共晶成分的合金
25、称具有共晶成分的合金称共晶合金共晶合金。在共晶线上，凡。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金亚共晶合金，位于共，位于共 晶点以右的合金晶点以右的合金称称过共晶合金过共晶合金。l凡具有共晶线成凡具有共晶线成分的合金液体冷分的合金液体冷却到共晶温度时却到共晶温度时都将发生共晶反都将发生共晶反应。应。L+CDAB.2合金的结晶过程合金的结晶过程 含含SnSn量小于量小于C C点合金点合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程 在在3 3点以前为匀晶转变，结晶出单相点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种直接从液固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称相中结晶出的固相
26、称一次相一次相或或初生相初生相。温度降到温度降到3 3点以下，点以下，固溶体固溶体被被SnSn过饱和，由于晶格不稳，过饱和，由于晶格不稳，开始开始析出析出（相变过程也称析出）新相（相变过程也称析出）新相 相。相。由已有固相析由已有固相析出的新固相称出的新固相称二次相二次相或或次生相次生相。形成二次相的过程称形成二次相的过程称二次析出二次析出,是固态相变的一种。是固态相变的一种。由于二次相由于二次相析出温度较析出温度较低，一般十低，一般十分分细小细小。Q Q合金室温组织合金室温组织为为:+ABCDEFG 共晶合金共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程 液态合金冷却液态合金冷却到到E E 点时同
27、时点时同时被被PbPb和和SnSn饱和饱和,发生共晶反应发生共晶反应：L LE E (C C+D D)19.2wt%Sn温度温度 1 析出过程中析出过程中两相相间形核两相相间形核、互相促进、共同长大，因而互相促进、共同长大，因而共晶组织共晶组织较细，较细，呈呈片片、棒棒、点点(球球)等形状等形状。共晶组织形态层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)Pb-Sn共晶组织共晶组织条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）在共晶转变过程中在共晶转变过程中，L L、三相共存三相共存,三个相的量在不断三个相的量在不断变化，但它们各自成分是固定变化，但它们各自成分是固定的
28、。的。共晶组织中的相称共晶组织中的相称共晶相共晶相。共共晶转变结束时，晶转变结束时，和和 相的相相的相对重量百分比为：对重量百分比为：%6.54%100%4.45%1002.195.979.615.97%100 QQCDEDQE(61.9)D(97.5)C(19.2)共晶结束后，随温度下降，共晶结束后，随温度下降，和和 的成分分别沿的成分分别沿CFCF线和线和DGDG线变线变化，并从共晶化，并从共晶 中析出中析出 ，从共晶，从共晶 中析出中析出 ，由于共晶组，由于共晶组织细，织细，与共晶与共晶 结合，结合，与共晶与共晶 结合，共晶合金的室温组结合，共晶合金的室温组织仍为织仍为 (+)共晶体共晶
29、体。Pb-Sn共晶合金组织共晶合金组织室温下两相的相对重量百分比是多少？室温下两相的相对重量百分比是多少？FGFEQFGGEQ,亚共晶合金亚共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程 合金液体在合金液体在2 2点以前为匀晶转变。冷却到点以前为匀晶转变。冷却到2 2点，固相成点，固相成分分变化变化到到C C点，液相成点，液相成分分变化变化到到E E点点,此时此时两相的相对重量为：两相的相对重量为：%1002%,1002)(CEEQCECQQEL 在在2 2点，具有点，具有E E点成分的剩余液体发生共晶反应：点成分的剩余液体发生共晶反应：L L (+)，转变为转变为共晶组织共晶组织，共晶体的重量与转
30、变前的液相共晶体的重量与转变前的液相重量相等重量相等,即即Q QE E=Q=QL L 反应结束后，在共晶温度下反应结束后，在共晶温度下、两相的相对重量百分比为：两相的相对重量百分比为：%1002%,1002 CDCQCDDQ 温度继续下降，将从一次温度继续下降，将从一次 和和共晶共晶 中析出中析出，从共晶，从共晶 中中析出析出。其其室温组织室温组织为为+(+(+)+)+。亚共晶合金亚共晶合金的结晶过程的结晶过程 如何求室如何求室温下三种组织温下三种组织组成物的相对组成物的相对重量？重量？亚共晶合金结晶过程示意图 2点温度(结束时)点以下LL12之间L接近2点+11 过共晶合金结晶过程过共晶合金
31、结晶过程 与亚共晶合金相似，不同的是一与亚共晶合金相似，不同的是一次次相相为为 ,二次相为二次相为。室温组织为室温组织为+(+(+)+)+。Pb-Sn合金的结晶过程4.3.3 4.3.3 组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注 组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。组织组成物之间的差别主要在形态上。组织组成物之间的差别主要在形态上。如如 、和和共晶共晶 的的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。组织组成物。将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下
32、观将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。察到的组织一致。Pb-Sn亚共晶组织亚共晶组织 两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。反应时所构成的相图称作包晶相图。以以Pt-Ag相图为例简要分析相图为例简要分析L+L+L+相图分析相图分析 相：相图中有相：相图中有L、三种相三种相,是溶是溶质质Ag在在 Pt中的固溶体，中的固溶体，是溶质是溶质Pt在在Ag中的固溶体。中的固溶体。相区：相图中有三个单相区：相区：相图中有三个单相区：L、；三个两相区：；三个两相区：L+、L+、
33、+；一；一个三相区：即水平线个三相区：即水平线PDC。点：点：A、B分别为分别为Pt、Ag的熔点。的熔点。相线：相线：液相线液相线ACB，固相线，固相线APDB。固溶线固溶线:相图中的相图中的PE、DF线分别为线分别为 Ag在在 Pt中和中和 Pt在在 Ag中的固溶线。固溶体的溶解度随温度降低而中的固溶线。固溶体的溶解度随温度降低而下降。下降。水平线水平线PDC称包晶线，与该线成分对应的合金在称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：该温度下发生包晶反应：LC+P D。该反应是液。该反应是液相相L包着固相包着固相,新相新相 在在L与与的界面上形核，并向的界面上形核，并向L和和 两个
34、方向长大。两个方向长大。在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。合金的结晶过程合金的结晶过程 包晶成分合金：匀晶包晶成分合金：匀晶包晶包晶二次析出。二次析出。室温组织为室温组织为+II PD成分成分合金：匀晶合金：匀晶包晶包晶二次析出。二次析出。室温组织为室温组织为 +II+II时间温度 DC成分成分合金：匀晶合金：匀晶包晶包晶匀晶匀晶二次析出二次析出室温组织为室温组织为+II时间温度 稳定化合物是指在熔化前不发稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物生分解的化合物(如如Mg-S
35、i系的系的Mg2Si和和Fe-C系的系的Fe3C)。其成。其成分固定，在相图中是一条垂线分固定，在相图中是一条垂线(代代表一个单相区表一个单相区)。垂足是其。垂足是其成分成分,顶点是其熔点顶点是其熔点,结晶过程同纯金结晶过程同纯金属属。分析这类相图时，可把稳定。分析这类相图时，可把稳定化合物当作纯组元看待，将相图化合物当作纯组元看待，将相图分成几个部分进行分析。分成几个部分进行分析。Mg2SiMg2Si+SiMg+Mg2SiSiL+Mg2SiL+SiL+Mg2SiL+Mg一、相图与合金的力学、物理性能一、相图与合金的力学、物理性能 合金的使用性能决定于合金的成分和组织，而合合金的使用性能决定于
36、合金的成分和组织，而合金的结晶特点又影响了其工艺性能。由于相图是表金的结晶特点又影响了其工艺性能。由于相图是表示合金的结晶特点及成分、温度及组织之间的关系示合金的结晶特点及成分、温度及组织之间的关系的，因此，相图和合金性能之间存在着一定的联系。的，因此，相图和合金性能之间存在着一定的联系。掌握这些规律，对选用和配制合金是必要的。掌握这些规律，对选用和配制合金是必要的。u3.根据相图判断合金的性能根据相图判断合金的性能:相图与合金硬度、强度及导电性之间的关系相图与合金硬度、强度及导电性之间的关系 u当合金的组织为两相组成的混合物时，其性能与合金当合金的组织为两相组成的混合物时，其性能与合金的成分
37、呈直线关系，它的强度、硬度和导电性一般介于的成分呈直线关系，它的强度、硬度和导电性一般介于两组成相之间，大致为两组成相性能的算术平均值。两组成相之间，大致为两组成相性能的算术平均值。u当合金的组织为单相固溶体时，其性能与合金的成分当合金的组织为单相固溶体时，其性能与合金的成分呈曲线关系，固溶体合金的强度、硬度一般均高于纯金呈曲线关系，固溶体合金的强度、硬度一般均高于纯金属，并随溶质组元浓度的增加而增加；但导电性低于纯属，并随溶质组元浓度的增加而增加；但导电性低于纯金属，并随溶质浓度的升高而降低。金属，并随溶质浓度的升高而降低。u当合金系中形成稳定化合物时，在合金系的性能一成当合金系中形成稳定化
38、合物时，在合金系的性能一成分线上出现奇异点（即升高点或降低点）。分线上出现奇异点（即升高点或降低点）。u两相合金在不平衡凝固时，由于凝固速度越快，两组两相合金在不平衡凝固时，由于凝固速度越快，两组成相越细小，因此其强度、硬度越高。成相越细小，因此其强度、硬度越高。二、相图与合金的铸造工艺性能二、相图与合金的铸造工艺性能合金的铸造性能主要表现为流动性、缩孔、裂纹、偏析等。合金的铸造性能主要表现为流动性、缩孔、裂纹、偏析等。这些性能主要取决于相图上液相线与固相线之间的垂直距这些性能主要取决于相图上液相线与固相线之间的垂直距离和水平距离，即结晶的温度范围和成分范围。由图可见，离和水平距离，即结晶的温
39、度范围和成分范围。由图可见，在恒温下结晶的共晶合金，不仅结晶温度一定，而且结晶在恒温下结晶的共晶合金，不仅结晶温度一定，而且结晶温度最低，所以具有最好的流动性，并在结晶时易形成集温度最低，所以具有最好的流动性，并在结晶时易形成集中缩孔。固溶体合金的固相线与液相线距离越大，越容易中缩孔。固溶体合金的固相线与液相线距离越大，越容易产生偏析；在结晶过程中，若结晶树枝比较发达，则会阻产生偏析；在结晶过程中，若结晶树枝比较发达，则会阻碍液体流动，从而流动性变差，并会在枝晶内部与枝晶之碍液体流动，从而流动性变差，并会在枝晶内部与枝晶之间产生分散缩孔，这对铸造性不利。结晶温度范围小时，间产生分散缩孔，这对铸
40、造性不利。结晶温度范围小时，流动性提高，并可得到集中缩孔。流动性提高，并可得到集中缩孔。u合金的铸造性能主要是指合金的铸造性能主要是指合金的流动性（即液体充合金的流动性（即液体充填铸型的能力）和缩孔性。填铸型的能力）和缩孔性。合金的铸造性能与合金相合金的铸造性能与合金相图上的液、固相线距离图上的液、固相线距离（是指水平距离和垂直距（是指水平距离和垂直距离，即凝固时的成分间隔离，即凝固时的成分间隔与温度间隔）有很大关系，与温度间隔）有很大关系，若合金的液、固相线距离若合金的液、固相线距离越大越大,合金的流动性越差。合金的流动性越差。图 相图与合金铸造性能之间的关系 合金的性能与相图的关系小结合金
41、的性能与相图的关系小结 固溶体中溶质含量越高，铸造性能愈差；共晶成分的合金固溶体中溶质含量越高，铸造性能愈差；共晶成分的合金铸造性能最好，即流动性好，分散缩孔少，偏析程度小，铸造性能最好，即流动性好，分散缩孔少，偏析程度小，所以铸造合金的成分常选共晶成分或接近共晶成分。又如所以铸造合金的成分常选共晶成分或接近共晶成分。又如压力加工性能好的合金是单相固溶体。因为固溶体的塑性压力加工性能好的合金是单相固溶体。因为固溶体的塑性变形能力大，变形均匀；而两相混合物的塑性变形能力差。变形能力大，变形均匀；而两相混合物的塑性变形能力差。再如相图中的单相合金不能进行热处理，只有相图中存在再如相图中的单相合金不能进行热处理，只有相图中存在同素异构转变、共析转变、固溶度变化的合金才能进行热同素异构转变、共析转变、固溶度变化的合金才能进行热处理。处理。
