前言 钎料合金一般为多元合金、多相组织，其中一相往往是脆性相，而对钎料的性能要求，除使用上必须有满意的熔化特性和机 械性能外，还必须具有良好的加工性能，有时对色泽也有要求，因此设计和制造优良的钎料合金，难度相当大。通常，开发一个 新的钎料合金常用正交法，或优选法进行配方设计，再通过大量的试验和测试工作，才能初步确定一个新的配方，工作量巨大， 开发周期长。 以合金相图为依据，从相图上可以读解所需合金的成分范围、相组成及相的相对量关系，由此可以大致估计出合金的性能， 将大大减少研制工作量，缩短开发周期，因此用相图指导生产实际，具有极高的使用价值和经济价值。 21世纪初我国出版了许多非常完整且重要的相图集：昆明理工大学戴永年院士主编的《二元合金相图集》，昆明贵金属研 究所何纯孝教授等编著的《贵金属合金相图及化合物结构参数》，中南大学唐仁政、田荣璋教授编著的《二元合金相图及中间相 晶体结构》，北京大学张启运、庄鸿寿教授编著的《三元合金相图手册》，北京有色金属研究总院郭青蔚教授总译审的《金属二 元系相图手册》等，这些相图集是以组元数或以金属属性为主线进行编写的。本书根据钎料合金种类和被焊金属材料所含元素， 作为选录合金相图的组元依据，以钎料合金研制的需要作为编写主线，选录相关的二元、三元、四元等合金系相图，既有普通常 用的金属元素相图，也有贵金属和稀有金属元素的相图。 为了使更广泛的读者掌握相图使用要点，在书中简明地介绍了合金、相图及晶体结构最基本最实用的知识，内容叙述尽可能 联系钎料研制实际；详尽地分析了Cu-Zn、Cu-Sn、Ag-Cu-Zn等复杂而钎料制造中最常用的合金相图；根据实践经验列举了相 图应用实例。为了相图使用方便，本书尽可能选录以质量分数表达成分坐标的相图，对于组元的相对原子质量相差很大的相图， 选录用摩尔分数表达成分坐标的相图。 本书在编写过程中承蒙张启运教授、何纯孝教授、刘安生教授、田荣璋教授的指导，致以衷心感谢；所有参考文献和相图原 始参考文献的作者为本书编写创造了极为有利的条件，在此向各位作者致以衷心感谢。 本书出版得到广州钧益合丰有色金属合金有限公司张守利总经理的支持和帮助，尤其是得到机械工业出版社的大力支持，特 此致以深切谢意。 编者以几十年从事钎料工作经验和使用相图心得编写此书，谨以此书奉献给有色金属工作者特别是钎焊行业工作者作为便于 查阅的工具书。本书内容理论和实践性都比较强，编者虽竭尽所能，欲使编写联系实际，力求无误无错，但限于编者水平等原 因，与所求仍有差距，书中不足之处，恳请读者批评指正。 湖南大学　虞觉奇于广州 2013年12月 第1章　合金相图的概念 1.1　合金及相图所谓合金是指两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素的熔合体，通常具有金属特性的物质。钎料绝大多数是合金， 是由二元、三元、四元甚至更多元素熔合而成的合金，除纯铜以外，用纯金属作钎料的很少见。 相图是用来描述合金的状态与温度及成分之间关系的简明图形。在某一合金系中，欲知任一成分的合金在某一温度时的状 态，只要在该相图上找出相应的标象点，根据标象点所在的位置，就可了解此时合金中存在哪些相，各相的成分及其相对量，再 从各相的相对量及各相的性质，可估计该合金的大致性能，但相图不能确定一个合金的具体结构状态，如相结构、晶粒大小与形 状、相的分布状况和弥散程度等。生产实践中相图常作为合金成分设计，铸造、压力加工、热处理、焊接等热加工方法制订工艺 规程的重要依据，钎料合金配方设计更离不开合金相图。 第1章　合金相图的概念 1.1　合金及相图 所谓合金是指两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素的熔合体，通常具有金属特性的物质。钎料绝大多数是合金， 是由二元、三元、四元甚至更多元素熔合而成的合金，除纯铜以外，用纯金属作钎料的很少见。 相图是用来描述合金的状态与温度及成分之间关系的简明图形。在某一合金系中，欲知任一成分的合金在某一温度时的状 态，只要在该相图上找出相应的标象点，根据标象点所在的位置，就可了解此时合金中存在哪些相，各相的成分及其相对量，再 从各相的相对量及各相的性质，可估计该合金的大致性能，但相图不能确定一个合金的具体结构状态，如相结构、晶粒大小与形 状、相的分布状况和弥散程度等。生产实践中相图常作为合金成分设计，铸造、压力加工、热处理、焊接等热加工方法制订工艺 规程的重要依据，钎料合金配方设计更离不开合金相图。 1.2　合金相图中常用的名词 1.组元 通常把组成合金的最简单、最基本而且能独立存在的物质称为组元。在大多数情况下，组元就是元素；但在所研究的合金系 中，存在着既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物，在合金相图中也可看作是组元，如Fe-C系中的Fe 3 C，Cu-P系中的 Cu 3 P等，都可视为一个组元。 1.2　合金相图中常用的名词 1.组元通常把组成合金的最简单、最基本而且能独立存在的物质称为组元。在大多数情况下，组元就是元素；但在所研究的合金系 中，存在着既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物，在合金相图中也可看作是组元，如Fe-C系中的Fe 3 C，Cu-P系中的 Cu 3 P等，都可视为一个组元。 2.合金系 由两个或两个以上组元按不同比例配制成一系列成分的合金称为合金系；在钎料合金中如Cu-P系合金钎料、Ag-Cu-Zn系 合金钎料等。 3.合金中的相 在合金中那些成分均匀、结构相同、性能相同，并有界面彼此分开的均匀组成部分，称为合金中的相。通常两组元熔合后能 形成无限溶解的液体称为液相，是一个相。有时两组元熔化后不能无限溶解，形成两种互不相溶的两种液体并存状态，此时的液 体称为两相。例如，Al-Pb系、Fe-In系、Fe-Pb系，液态时都有两相共存现象。 4.相平衡 相平衡是基于物理及化学的一个概念，它表示两个过程方向相反大小相等的一种状态。所以，相平衡是指合金系中，参与结 晶或相变过程的各相之间的相对量和相的浓度不再改变时，所达到的一种状态。研究相平衡就是研究平衡体系中相的数目、状 态、性质与各个变量之间的关系 ［1］ 。 5.自由度 自由度是指在一个平衡系统中，保持相数目不变条件下，能独立变化的参变量数目。 6.相律 相律是判别相平衡的一个定律。它表示平衡体系内的自由度数、组元数和平衡相数三者之间的关系。其数学表达式如下 f=C-P+n　（1-1） 式中　f——自由度数； C——组元数；P——相数； n——外界条件（如温度、压力、磁场、电场等）。 通常研究的合金系，都处于凝聚状态，即液态和固态。在这种情况下，压力对平衡体系的影响可忽略不计，因此影响合金系 平衡的外界条件，主要是温度，此时n=1，则 f=C-P+1　（1-2） 文字表达式：自由度数＝组元数-相数+1。从式（1-2）中可见，零变量反应时，二元合金系中最多达到三相平衡，三元合 金系中最多为四相平衡。 7.液相线和固相线 固态合金加热时，升温到某一温度开始熔化析出液相，继续升温到某一温度全部转变为液相；熔融的均匀液态合金冷却时， 降温到某一温度开始析出固相，继续冷却到某一温度时全部转变为固相。加热时开始析出液相的温度或冷却时全部转变为固相的 温度称为固相点，冷却时开始析出固相的温度或加热时全部转变为液相的温度称为液相点。在合金系相图中，不同成分合金液相 点的连线称为液相线，高于液相线温度的合金处于液态；全部固相点的连线称为固相线，低于固相线温度的合金处于固态。 8.液相线和固相线的形状 从相图观察，大多数金属元素溶解其他合金元素之后，溶剂侧的液相线和固相线都有下降趋向，这一现象对钎料合金成分设 计极为重要。因为钎料配方设计时首先关注的是钎料的熔化特性，也就是加入溶质元素之后，期望获得尽可能低的液相线温度和 尽可能小的结晶温度区间。以Cu或Ag一价元素作为溶剂，在Cu中加入Zn、Ga、Ge、As等元素，在Ag中加入Cd、In、Sn、Sb 等元素，这些元素的原子尺寸因素都比较有利，即溶剂元素与溶质元素原子半径差小于10%~14%，溶质元素对溶剂元素纯溶剂 侧液相线的影响如图1-1和图1-2所示。图1-1　溶质原子与铜合金液相线温度的关系