第三章 合金的结构与二元状态图
合金的结构与二元状态图
§ 1 合金中的相结构
§ 2 二元合金状态图
§ 1 合金中的相结构
一、合金的基本概念及实用意义
二、合金中的相结构
?1．固溶体
? 置换固溶体
? 间隙固溶体
? 固溶体的性能
?2．化合物
一、合金的基本概念
合金
?通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金
属元素同一种或几种其它元素结合在一起
所形成的具有金属特性的新物质，称为合
金。
? 组元
?组成合金的最基本的、独立的物质称为
组元
合金中的相结构相关概念
相
?在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并
与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均
称之为相
? 组织
?在金属和合金中，在显微镜下能观察到的微
观形貌、图象称为组织，它是由单相物质或
多相物质组合成的，具有一定形态特征的聚
合体
二、合金中的相结构
?固溶体
? 置换固溶体
? 间隙固溶体
? 固溶体的性能
?化合物
两种类型的固溶体
置换固溶体 间隙固溶体
置换固溶体
溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固
溶体称置换固溶体。
溶质原子在溶剂晶格结点上呈无序分布的置换固溶体称
为无序固溶体；溶质原子在溶剂晶格结点上按一定秩序
排列的置换固溶体称有序固溶体。显然，只有当溶质原
子和溶剂原子成一定比例时，才有可能形成有序固溶体。
此外，按照溶解度的大小，置换固溶体，又可分为无限
置换固溶体和有限置换固溶体。
间隙固溶体
溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间
隙固溶体，间隙固溶体仍保持着溶剂金属的晶格类型。
已有研究表明，当溶质元素的原子直径与溶剂元素的原
子直径之比小于 0.59时，易于形成间隙固溶体，而在直
径大小差不多的元素之间易于形成置换固溶体。且溶质
原子在间隙固溶体中只能呈统计分布，形成无序固溶体，
而且当溶剂晶格间隙被溶质原子填充到一定程度后就不
能再继续溶解，多余的溶质原子将以新相出现，因此，
间隙固溶体的溶解总是有限的，间隙固溶体总是有限固
溶体。
固溶体的性能
无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质
原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不
同于原纯金属。
当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶
剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体
的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、
硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻
率升高，导电性逐渐下降等。
化合物
若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相是组
成无素间相互作用而生成的一种新物质，属于化合物，
如碳钢中的 Fe3C，黄铜中的 β相（ CuZn）以及各种钢
中都有的 FeS,MnS等等，都是化合物。
在这些化合物中,Fe3C和 β相均具有相当程度的金属键
及一定的金属性质，是一种金属物质，称为金属化合
物，而 FeS,MnS具有离子键，没有金属性质，属于一
般的化合物，因而又称为非金属化合物。在合金中，
金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，而非金
属化合物是合金原料或熔炼过程带来的，数量少且对
合金性能影响很坏，因而一般称为非金属夹杂。
金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而
脆。当合金中出现金属间化合物时，通常能提高合金
的强度、硬度和耐磨性。
§ 2 二元合金状态图
一、相图的意义及相关概念
二、二元合金状态图的建立
三、平衡相组成的分析
四、二元状态图的基本类型分析
一、相图的意义及相关概念
相图的意义
相关概念
?组元
?合金系
?相图
相图的相关概念
1,组元,
通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的
物质称为组元。但在所研究的范围内既不分解也不发
生任何化学反应的稳定化合物也可称为组元，如 Fe3C
看作一组元。
2,合金系
由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不
同成分的合金, 称为合金系 。
3,相图
用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称
为相图，又称状态图或平衡图。
相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得
的，都是接近平衡状态的组织 。
二、二元合金状态图的建立
目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合
金状态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。
以 Cu— Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及
步骤,
（ 1）配制不同成分的合金试样，如 Ⅰ 纯铜；
Ⅱ 75%Cu+25%Ni； Ⅲ 50%Cu+50%Ni；合金 Ⅳ
25%Cu+75%Ni； Ⅴ,纯 Ni。
（ 2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界
点；
（ 3）将各临界点绘在温度 — 合金成分坐标图上；
（ 4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到
Cu,Ni合金相图。
用热分析法测定 Cu,Ni相图
a）冷却曲线 b）相图
三、平衡相组成的分析
1．平衡相成分的确定
2．平衡相相对重量的确定：（杠杆定律）
平衡相成分分析示意图
平衡相相对重量的确定
（杠杆定律）
mn
mk
mn
mX
M ?
?
?
?
''
'
?
mn
kn
mn
Xn
M L ?
?
?
?
''
'
四、二元状态图的基本类型分析
1.二元匀晶相图
2.二元共晶相图
3.二元包晶相图
4.形成稳定化合物的相图
5.具有共析转变的相图
6.合金的性能与相图的关系
1.二元匀晶相图
1．相图的组成及特征
2．合金平衡结晶过程及组织
3．枝晶偏析及其消除
Cu-Ni二元均晶相图
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
枝晶偏析及其消除
由于实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。
扩散过程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡
的条件下进行的。这使得先结晶出来的固溶体合金含
高熔点组元较多，合金的熔点较高，构成晶体的树枝
状骨架，后结晶出的部分含高熔点组元较少，熔点较
低，填充于枝间。
这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析或
称晶内偏析。
出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能
和加工工艺性能变坏。
出现枝晶偏析后，可通过扩散退火予以消除。一般采
用将铸件加热到低于固相线 100～ 200℃ 的温度，进行
长时间保温，使偏析元素进行充分扩散，成分均匀化。
2.二元共晶相图
1．相图的组成分析
2．典型合金平衡结晶过程分析
二元共晶相图
1．相图的组成分析
共晶相图中有三个单相区：液相区 L，固
相 α和 β相区；
三个两相区,L+α区,L+β区,α+β区；
一个三相共存点,C点
共晶合金结晶过程示意图
亚共晶合金结晶过程示意图
2点 温度(
结束时)
点以下
L
α
L
1～ 2之 间
L
α
接近2点
α
α + β
α + β
α
β 11
合金 Ⅳ 的结晶过程示意图
点以上 1 - 2 之间 2 - 3 之间 3 以下
L
αα
L
α
β Ⅱ
3.二元包晶相图
1．相图的组成分析
2．典型合金平衡结晶过程分析
二元包晶相图
1．相图的组成分析
在二元包晶相同中，有三个单相区：液
相区 L、固相区 α和 β相区；
三个两相区,L+α,L+β,α+β；
一个三相共存点,e点（ L,α,β共存）
合金 I结晶过程示意图
合金 Ⅱ 结晶过程示意图
合金 Ⅲ 结晶过程示意图
4.形成稳定化合物的相图
合金系中两组元之间还可能形成稳定的金属化合
物，其组成可用通式 AmBn表示，它具有固定的成
分和一定的熔点，可把它看成独立的组元。它的分
析可作为两个简单相图进行。
5.具有共析转变的相图
共析转变
共析转变属于固态相变的一种类型。和共晶反
应一样是由一个相分解为两个相的三相平衡等
温转变。共析转变的特点是：由特定成分的单
相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新
的，具有一定晶体结构的固相。其反应式可表
达为,反应产物和的相对重量有一固定的比例,
由于共析反应是在固态下进行的，其原子扩散
条件很差，晶核成长速度很小，所以共析转变
物的组织是比较细密的两相相间的机械混合物。
5.合金的性能与相图的关系
（ 1）合金的使用性能与相图的关系
由图可见，当合金形成单相固溶体时，随
溶质溶入量的增加，合金的硬度、强度升高，
而电导率降低，呈透镜形曲线变化，在合金性
能与成分的关系曲线上有一极大值或极小值。
当合金形成两相混合物时，其性能是两相性能
值的算术平均值。随着成分的变化，合金的强
度、硬度、导电率等性能在两组成相的性能间
呈线性变化，对于共晶成分或共析成分的合金，
其性能还与两组成相的致密程度有关，组织愈
细，性能愈好。当合金形成稳定化合物时，在
化合物处性能出现极大值或极小值。
（ 2）合金工艺性能与相图的关系
合金的工艺性能与相图也有密切的
联系。如铸造性能（包括流动性、缩孔
分布、偏析大小）与相图中液相线和固
相线之间的距离密切相关。相图中液相
线与固相线的距离愈宽，形成枝晶偏析
的倾向越大，同时先结晶出的树枝晶阻
碍未结晶液体的流动，则流动性愈差，
分散缩孔愈多。
合金的流动性、缩孔性质
与相图之间的关系
合金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。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处理。
合金的结构与二元状态图
§ 1 合金中的相结构
§ 2 二元合金状态图
§ 1 合金中的相结构
一、合金的基本概念及实用意义
二、合金中的相结构
?1．固溶体
? 置换固溶体
? 间隙固溶体
? 固溶体的性能
?2．化合物
一、合金的基本概念
合金
?通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金
属元素同一种或几种其它元素结合在一起
所形成的具有金属特性的新物质，称为合
金。
? 组元
?组成合金的最基本的、独立的物质称为
组元
合金中的相结构相关概念
相
?在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并
与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均
称之为相
? 组织
?在金属和合金中，在显微镜下能观察到的微
观形貌、图象称为组织，它是由单相物质或
多相物质组合成的，具有一定形态特征的聚
合体
二、合金中的相结构
?固溶体
? 置换固溶体
? 间隙固溶体
? 固溶体的性能
?化合物
两种类型的固溶体
置换固溶体 间隙固溶体
置换固溶体
溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固
溶体称置换固溶体。
溶质原子在溶剂晶格结点上呈无序分布的置换固溶体称
为无序固溶体；溶质原子在溶剂晶格结点上按一定秩序
排列的置换固溶体称有序固溶体。显然，只有当溶质原
子和溶剂原子成一定比例时，才有可能形成有序固溶体。
此外，按照溶解度的大小，置换固溶体，又可分为无限
置换固溶体和有限置换固溶体。
间隙固溶体
溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间
隙固溶体，间隙固溶体仍保持着溶剂金属的晶格类型。
已有研究表明，当溶质元素的原子直径与溶剂元素的原
子直径之比小于 0.59时，易于形成间隙固溶体，而在直
径大小差不多的元素之间易于形成置换固溶体。且溶质
原子在间隙固溶体中只能呈统计分布，形成无序固溶体，
而且当溶剂晶格间隙被溶质原子填充到一定程度后就不
能再继续溶解，多余的溶质原子将以新相出现，因此，
间隙固溶体的溶解总是有限的，间隙固溶体总是有限固
溶体。
固溶体的性能
无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质
原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不
同于原纯金属。
当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶
剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体
的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、
硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻
率升高，导电性逐渐下降等。
化合物
若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相是组
成无素间相互作用而生成的一种新物质，属于化合物，
如碳钢中的 Fe3C，黄铜中的 β相（ CuZn）以及各种钢
中都有的 FeS,MnS等等，都是化合物。
在这些化合物中,Fe3C和 β相均具有相当程度的金属键
及一定的金属性质，是一种金属物质，称为金属化合
物，而 FeS,MnS具有离子键，没有金属性质，属于一
般的化合物，因而又称为非金属化合物。在合金中，
金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，而非金
属化合物是合金原料或熔炼过程带来的，数量少且对
合金性能影响很坏，因而一般称为非金属夹杂。
金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而
脆。当合金中出现金属间化合物时，通常能提高合金
的强度、硬度和耐磨性。
§ 2 二元合金状态图
一、相图的意义及相关概念
二、二元合金状态图的建立
三、平衡相组成的分析
四、二元状态图的基本类型分析
一、相图的意义及相关概念
相图的意义
相关概念
?组元
?合金系
?相图
相图的相关概念
1,组元,
通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的
物质称为组元。但在所研究的范围内既不分解也不发
生任何化学反应的稳定化合物也可称为组元，如 Fe3C
看作一组元。
2,合金系
由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不
同成分的合金, 称为合金系 。
3,相图
用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称
为相图，又称状态图或平衡图。
相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得
的，都是接近平衡状态的组织 。
二、二元合金状态图的建立
目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合
金状态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。
以 Cu— Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及
步骤,
（ 1）配制不同成分的合金试样，如 Ⅰ 纯铜；
Ⅱ 75%Cu+25%Ni； Ⅲ 50%Cu+50%Ni；合金 Ⅳ
25%Cu+75%Ni； Ⅴ,纯 Ni。
（ 2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界
点；
（ 3）将各临界点绘在温度 — 合金成分坐标图上；
（ 4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到
Cu,Ni合金相图。
用热分析法测定 Cu,Ni相图
a）冷却曲线 b）相图
三、平衡相组成的分析
1．平衡相成分的确定
2．平衡相相对重量的确定：（杠杆定律）
平衡相成分分析示意图
平衡相相对重量的确定
（杠杆定律）
mn
mk
mn
mX
M ?
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M L ?
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四、二元状态图的基本类型分析
1.二元匀晶相图
2.二元共晶相图
3.二元包晶相图
4.形成稳定化合物的相图
5.具有共析转变的相图
6.合金的性能与相图的关系
1.二元匀晶相图
1．相图的组成及特征
2．合金平衡结晶过程及组织
3．枝晶偏析及其消除
Cu-Ni二元均晶相图
Cu-Ni合金枝晶偏析示意图
枝晶偏析及其消除
由于实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。
扩散过程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡
的条件下进行的。这使得先结晶出来的固溶体合金含
高熔点组元较多，合金的熔点较高，构成晶体的树枝
状骨架，后结晶出的部分含高熔点组元较少，熔点较
低，填充于枝间。
这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析或
称晶内偏析。
出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能
和加工工艺性能变坏。
出现枝晶偏析后，可通过扩散退火予以消除。一般采
用将铸件加热到低于固相线 100～ 200℃ 的温度，进行
长时间保温，使偏析元素进行充分扩散，成分均匀化。
2.二元共晶相图
1．相图的组成分析
2．典型合金平衡结晶过程分析
二元共晶相图
1．相图的组成分析
共晶相图中有三个单相区：液相区 L，固
相 α和 β相区；
三个两相区,L+α区,L+β区,α+β区；
一个三相共存点,C点
共晶合金结晶过程示意图
亚共晶合金结晶过程示意图
2点 温度(
结束时)
点以下
L
α
L
1～ 2之 间
L
α
接近2点
α
α + β
α + β
α
β 11
合金 Ⅳ 的结晶过程示意图
点以上 1 - 2 之间 2 - 3 之间 3 以下
L
αα
L
α
β Ⅱ
3.二元包晶相图
1．相图的组成分析
2．典型合金平衡结晶过程分析
二元包晶相图
1．相图的组成分析
在二元包晶相同中，有三个单相区：液
相区 L、固相区 α和 β相区；
三个两相区,L+α,L+β,α+β；
一个三相共存点,e点（ L,α,β共存）
合金 I结晶过程示意图
合金 Ⅱ 结晶过程示意图
合金 Ⅲ 结晶过程示意图
4.形成稳定化合物的相图
合金系中两组元之间还可能形成稳定的金属化合
物，其组成可用通式 AmBn表示，它具有固定的成
分和一定的熔点，可把它看成独立的组元。它的分
析可作为两个简单相图进行。
5.具有共析转变的相图
共析转变
共析转变属于固态相变的一种类型。和共晶反
应一样是由一个相分解为两个相的三相平衡等
温转变。共析转变的特点是：由特定成分的单
相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新
的，具有一定晶体结构的固相。其反应式可表
达为,反应产物和的相对重量有一固定的比例,
由于共析反应是在固态下进行的，其原子扩散
条件很差，晶核成长速度很小，所以共析转变
物的组织是比较细密的两相相间的机械混合物。
5.合金的性能与相图的关系
（ 1）合金的使用性能与相图的关系
由图可见，当合金形成单相固溶体时，随
溶质溶入量的增加，合金的硬度、强度升高，
而电导率降低，呈透镜形曲线变化，在合金性
能与成分的关系曲线上有一极大值或极小值。
当合金形成两相混合物时，其性能是两相性能
值的算术平均值。随着成分的变化，合金的强
度、硬度、导电率等性能在两组成相的性能间
呈线性变化，对于共晶成分或共析成分的合金，
其性能还与两组成相的致密程度有关，组织愈
细，性能愈好。当合金形成稳定化合物时，在
化合物处性能出现极大值或极小值。
（ 2）合金工艺性能与相图的关系
合金的工艺性能与相图也有密切的
联系。如铸造性能（包括流动性、缩孔
分布、偏析大小）与相图中液相线和固
相线之间的距离密切相关。相图中液相
线与固相线的距离愈宽，形成枝晶偏析
的倾向越大，同时先结晶出的树枝晶阻
碍未结晶液体的流动，则流动性愈差，
分散缩孔愈多。
合金的流动性、缩孔性质
与相图之间的关系
合金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。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处理。
