合金的晶体结构
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合金的晶体结构.
合金的晶体结构合金是由两种或两种以上的金属元素与非金属组成的具有金属特性的物质。
例如碳钢是铁和碳组成的合金。
组成合金的最基本的、独立的物质称为组元,简称为元。
一般来说,组元就是组成合金的元素。
例如铜和锌就是黄铜的组元。
有时稳定的化合物也可以看作组元,例如铁碳合金中的Fe3C就可以看作组元。
通常,由两个组元组成的合金称为二元合金,由三个组元组成的合金称为三元合金。
相是指合金中成分、结构均相同的组成部分,相与相之间具有明显的界面。
通常把合金中相的晶体结构称为相结构,而把在金相显微镜下观察到的具有某种形态或形貌特征的组成部分总称为组织。
所以合金中的各种相是组成合金的基本单元,而合金组织则是合金中各种相的综合体。
一种合金的力学性能不仅取决于它的化学成分,更取决于它的显微组织。
通过对金属的热处理可以在不改变其化学成分的前提下改变其显微组织,从而达到调整金属材料力学性能的目的。
根据构成合金的各组元之间相互作用的不同,固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。
1.固溶体合金在固态下,组元间仍能互相溶解而形成的均匀相,称为固溶体。
形成固溶体后,晶格保持不变的组元称溶剂,晶格消失的组元称溶质。
固溶体的晶格类型与溶剂组元相同。
根据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同,可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种。
(1置换固溶体溶质原子代替溶剂原子占据溶剂晶格中的某些结点位置而形成的固溶体,称为置换固溶体。
置换固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两类。
形成置换固溶体时,溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于两者晶格类型、原子直径的差别和它们在周期表中的相互位置。
(2间隙固溶体溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体称为间隙固溶体。
由于晶格间隙通常很小,所以都是由原子半径较小的非金属元素(如碳、氮、氢、硼、氧等溶入过渡族金属中,形成间隙固溶体。
(3固溶体的性能由于溶质原子的溶入,固溶体发生晶格畸变,变形抗力增大,使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。
第2章 金属与合金的晶体结构和相图--定稿
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2、晶体缺陷
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3）面缺陷（晶界和亚晶界）
晶界 ：位向不同的相邻晶粒之间的接触界面，属于 面缺陷。
亚晶粒：每个晶粒可分为若干个位向相差很小(一般
θ<1～3o)的亚晶粒。
亚晶界：亚晶粒之间的边界叫亚晶界。
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3）面缺陷：
a）在常温下，晶界对滑移起阻碍作用，即表现为 晶界强度高。
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第2章 金属晶体结构和二元合金相图
金属材料有纯金属和合金两种。纯金属是由一种元素 组成的（如Fe、Cu、Al等）；合金则是以一种金属元素 作为基础，加入其它金属元素或非金属元素，经过熔合 而获得具有金属特性的材料（如碳钢、铜合金等）。因 为合金比纯金属有更好的力学性能和工艺性能，且成本 低，故常用于工业生产。
C（石墨）、Mg、Zn 等
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晶格常数
底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90
（3）密排六方晶格 hcp
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晶胞中的原子个数？ 致密度？
晶格常数：c/a≈1.633； 原子半径：r=1/2a
？
原子个数：12X1/6+2X1/2+3=6 致 密 度：0.74
二、多晶体结构与晶体缺陷
不同的纯金属与合金，由于其内部组织结构不同，性能 也不一样。为了了解金属和合金的性能，就必须了解其内 部构造。
本章要点： ➢ 金属的晶体结构
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➢ 铁和碳的合金称为铁碳合金，钢和铸铁都是 铁碳合金。 ➢ 要掌握各种钢和铸铁加工方法，必须首先了 解铁碳合金中化学成分、组织与性能之间的关 系。
b）容易满足固态相变所需的能量起伏，新相往往 在晶界处形核。
合金的晶体结构与相图
固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。 随温度下降， 固溶体重量增加， 液相重量减少。同 时，液相成分沿液 相线变化，固相成
分沿固相线变化。
１﹑二元匀晶相图
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。
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
2.金属化合物
金属化合物主要性能：
（1）具有一定程度的金属性质 （2）具有较高的熔点 （3）硬度较高 （4）脆性高
3.机械混合物
机械混合物：纯金属，固溶体，金属化合物均是组成合金 的基本相，有两相或两相以上组成的多相组织。 性能： 1）﹑介于各组成相性能之间，各组成相晶格类型和 性能不变。 2）﹑和单一固溶体合金相比，强度﹑硬度高，但塑 性﹑可锻性低。
固溶体类型
置 换 固 溶 体 Z
置换原子
Z
间 隙 固 溶 体
间隙原子
Y Y
X X
2.金属化合物
金属化合物：是合金各组元原子按一定整数比形成 的具有金属性质的一种新相。
结构特点：具有原子整数倍的关系，可用分子式表
示：如Fe3C。
溶剂A+溶质B = C bcc 例如： 3Fe 体心 HB δ 80 50% fcc + C 六方 3 0% cph = Fe3C 复杂结构 800 0%
x x1 Qα x 2 x1
这种在一个晶粒内化学成分不均匀的现象，叫晶内偏析。 因为金属通常以枝晶方式结晶，先形成的主干和后形成的支 干就会有化学成分之差，所以也称枝晶偏析。
（２）枝晶偏析： 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。 消除枝晶偏析的措施： 均匀化退火（扩散退火）:把有枝晶偏析的合金放在低于固相 线100～200℃的温度下进行较长时间的加热，通过原子的相互 扩散而使成分趋于均匀。
三章合金的晶体结构与结晶ppt课件
原子半径：r
已知：
3 4
a
晶胞原子数 2
体心立方结构的原子半径
3
晶胞体积为a3， 晶胞内含有2个原子
K 2 34π
3 4
a
0.68
a3
所以它的致密度是：
第一节 金属与合金的晶体结构
晶格常数：a(a=b=c)
3 原子半径：4
a
原子个数：2
致密度：0.68
属于该类晶格的常见金属有α-Fe(<912oC)、δ-Fe
单晶体：其内部晶格方位完 全一致的晶体。 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构 晶粒：实际使用的金属材料 是由许多彼此方位不同、外形 不规则的小晶体组成.
第一节 金属与合金的晶体结构 单晶体的各向异性
❖ 同一晶体的不同晶面和晶向上的性能不同
铁的单晶体及其各方向上弹性模量
（E）示意图
第一节 金属与合金的晶体结构
第一节 金属与合金的晶体结构
3、晶格常数 以棱边长度
a、b、c
和棱面夹角
来表示晶胞的形状和大小 。
、、r
第一节 金属与合金的晶体结构
（三）、金属中常见晶格 由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故 大多数金属属于以下三种晶格类型。
1、体心立方晶格(bbc)
第一节 金属与合金的晶体结构
第一节 金属与合金的晶体结构
固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当
控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同 时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结 构材料，都是以固溶体为基体的合金。
2、金属化合物
金属化合物的晶格类型与形成 化合物各组元的晶格类型完全不 同，一般可用化学分子式表示。 钢中渗碳体（Fe3C）是由铁原子 和碳原子所组成的金属化合物， 它具有复杂的晶格形式。
第四章 合金的晶体结构与结晶
A 点为纯铅的熔点（ 327℃）； B 点 为纯锡的熔点（232℃）；C 点为共晶点； D点为α 固溶体的最大溶解度点；E点为 β 固溶体的最大溶解度点。 AC 线和 BC 线为液相线，液态合金在 冷却到AC线温度时开始结晶出α 固溶体， 冷却到BC线温度时开始结晶出β 固溶体。 AD线和BE 线为固相线，合金在冷却到 AD 线温度时 α 固溶体结晶终了，冷却到BE 线温度时β 固溶体结晶终了。 DCE 线称为共晶线，液相在冷却到共晶线温度（ 183℃）时将发生共晶 转变，形成由 α 固溶体和β 固溶体组成的两相机械混合物组织，称为共晶 体或共晶组织。C点所对应的温度和成分分别称为共晶温度和共晶成分。DF 线和EG线为溶解度线，分别表示 α 固溶体和β 固溶体的溶解度随温度变化 的规律。 上述相界线将Pb–Sn二元合金相图分成三个单相区 L、α 、β ，三个两 相区L+α 、L+β 、α +β 及一个三相区L+α +β （共晶线DCE）。
第二节 合金的晶体结构
如果将合金加热到熔化状态，组成合金的各个组元可以相互溶解形成 均匀的、单一的液相，但经冷却结晶后，由于各个组元之间的相互作用不 同，在固态合金中将形成不同的相，其原子排列方式也不相同。相的晶体 结构称为相结构，合金中的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。 一、固溶体 当合金由液态结晶为固态时，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相称为 固溶体。固溶体的晶体结构与其中某一组元的晶体结构相同，而其它组元的 晶体结构将消失。能够保留晶体结构的组元称为溶剂，晶体结构消失的组元 称为溶质。固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体两种。 1．间隙固溶体 若溶质原子在溶剂晶格中并不占据结点位置，而是处于各结点间的空隙 中，则这种形式的固溶体称为间隙固溶体，如图4–1a所示。 2．置换固溶体 若溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格中的某些结点位置， 则这种形式的固溶体称为置换固溶体，如图4–1b所示。
第三章 合金的晶体结构与相图[精]
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什么是合金？
合金是通过什么方法获得？工业中为什么要大量熔炼合金， 以及合金与纯金属在性能上有什么特点？
名称
用途
十分广泛，比如说各种导 电体、传热器、以及许多 纯金属 装饰品、各种器皿、防护 层等。大多是由纯铜、纯 铝以及金、银、铂等纯金 属制成。约79种。
目前人们配制的合金的应 用要比纯金属广泛得多。 合金 合金种类上万种。
1.固溶体的分类：
（1）根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置不同，可将固溶体 分为置换固溶体与间隙固溶体两种。
置换固溶体：溶剂晶格结点上的部分原子被溶质原子所取 代的固溶体。
间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体。
一般规律是溶质元素的 原子直径与溶剂原子直 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。
第三章 合金的晶体结构与相图
一、讲授内容
(P30)
1、固溶体、金属间化合物
2、二元合金相图的建立
二、教学目的及要求（学生掌握、了解的要点）
1、掌握固溶体的概念及其分类
2、掌握金属间化合物的概念及其分类
三、教学重点
1、固溶体的概念及其分类、金属间化合物的概念及
其分类
2、二元合金相图的建立
四、教学难点
固溶体、金属间化合物、二元合金相图的建立
根据组元相互作用不同，固态合金的相结构可分为两大类： 1.固溶体
2.金属化合物
二﹑固溶体
①固溶体：合金的组元间以不同的比例相互混合，混合后 形成的晶体结构与某一组元的晶体结构相同，这种相就是 固溶体，这种组元叫溶剂，其他的组元叫溶质。 ②溶剂：与固溶体晶格相同的组元，一般在合金中含量较 多。 ③溶质：以原子状态分布在溶剂晶格中，一般含量较少。
第三章合金相的晶体结构
相成分判定方法
单相区: 实际座标点
两相区: 液(固)相成
分在温度水平线 与液(固)相线的 交点处
液(固)相线的意义
(1) 表征了各成 分合金的结晶 起始(终止)温度
(2) 表征了各温 度下液固两相达 到平衡时液(固) 相的成分
4 相律
相律表示在平衡条件下，系统的自由度数、 组元数和相数之间的关系
二 合金的相结构
（一）固溶体
1、固溶体的分类
置换固溶体
** 按溶质原子在晶格中所占的位置分类
（1）置换固溶体— 溶质原子占据溶剂晶格结 点所形成的固溶体——又称代位固溶体
90％ Cu-10％Ni合金
（2）间隙固溶体
—— 溶质原子填入溶剂晶格的 空隙位置所形成的固溶体
间隙固溶体
例： C 固溶于α－Fe中形成间隙固溶体 ┗ 铁素体
4 固溶体的性能
(1) 固溶体强硬度高于组成它的纯金属， 塑韧性低于组成它的纯金属 （2）物理性能方面，随着溶质原子量↑， 固溶体的电阻率↑，电阻温度系数↓，导热性 ↓
什么是固溶强化？
——固溶体中随着溶质原子的加入，强度、 硬度升高，塑性、韧性降低的现象 ——金属材料的主要强化手段或途径之一 例如：采用廉价的16Mn (1.2%~1.6%Mn)，抗 拉强度较相同碳含量的普通碳素钢提高60％
金属 化合物
正常价化合物
电子化合物 间隙化合物
间隙相
间隙式金属 化合物
§ 2 二元合金相图的建立
给定的合金系究竟以什么状态(相)存在，包 含哪些相，这由内、外因条件决定，外因是温度 和压力，内因则是化学成分 ——用相图来表示它们之间的关系
几个概念： 相图: 表示合金系中的状态(相)与温度，成分
金属和合金的晶体结构.pptx
其最外层的电子数很 少，一般为1～2个， 不超过3个。
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价电子
§1.1 金属原子间的键合特点
结合力
当原子靠近到一定程 度时，原子间会产生 较强的作用力。
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§1.1 金属原子间的键合特点
外 层 稳定的八电子排布结构 电 子 接受或释放额外电子 作 用 共有电子 形 式
材料的原子排列
非晶态
原子排列短程有序或无序
非晶体的特点是：①结 构无序；②物理性质表 现为各向同性；③没有 固定的熔ຫໍສະໝຸດ ；④热导率 （导热系数）和膨胀性 小；
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§1.2 金属晶体典型结构
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§1.2 金属晶体典型结构
晶体
基元在三维空间呈规律性排列
长程有序 单个的原子、离子、分子或彼此
堆垛方式
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§1.12.材2 金料属的晶原体典子型排结列构
晶向
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§1.12.2材金料属的晶体原典子型排结列构
晶向指数
晶向指数的确定方法 ①建立以晶胞的边长作为单 位长度的右旋坐标系。 ②定出该晶向上任两点的坐 标。 ③用末点坐标减去始点坐标。 ④将相减后所得结果约成互 质整数，加一方括号。
第16页/共125页
§1.1 金属原子间的键合特点
结合键的特性
结构特点
离子键 方向性不明显，配位数大
共价键
方向性明显， 配位数小，密度小
金属键
无方向性，配位 数大，密度大
力学性能 热力性质 电学性质 光学性质
强度高，劈裂性良好，硬度大 强度高，硬度大
有各种强度，有 塑性
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第二章 金属的结构与结晶
第三节 合金的结构与结晶 二、合金的结构 由两相或多相按固定比例构成的组织称为机械混合物。 工业上使用的大多数合金属于机械混合物，如钢、生铁、 铝合金、黄铜、青铜等。
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第二章 金属的结构与结晶
第三节 合金的结构与结晶 三、合金的结晶 遵循形核与长大的规律，结晶过程有潜热释放。 合金的结晶过程在某一温度范围内进行，结晶过程中各相 的成分还不断发生变化。
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第二章 金属的结构与结晶
第三节 合金的结构与结晶 三、合金的结晶 遵循形核与长大的规律，结晶过程有潜热释放。 合金的结晶过程在某一温度范围内进行，结晶过程中各相 的成分还不断发生变化。 合金状态图是用图解的方式表示在十分缓慢的冷却条件 （平衡条件）下，合金组织、成分与温度之间的关系,又称合金 相图或合金平衡图。
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第5 讲
【教学内容】
合金的结构与结晶 、 铁碳合金的基本组织
1、金的基本概念、结构与结晶； 2、铁碳合金的基本组织及其性能
【教学要求】
了解合金的结构与结晶，铁碳合金的基本组织与性能， 能分辨铁碳合金基本组织。
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第二章 金属的结构与结晶
第三节 合金的结构与结晶 一、合金的基本概念 1、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组 成的具有金属特性的物质 2、组元 组成合金最基本的，独立的物质称为组元。 3、合金系 由若干给定组元可以按不同比例配制成一系列成分不同的 合金，构成一个合金系统，简称合金系。
钢中的珠光体组织
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第二章 金属的结构与结晶
第三节 合金的结构与结晶 二、合金的结构 1、固溶体 固溶体是指合金在固态下，组元间能互相溶解而形成的均 匀相。 溶剂的概念 溶质的概念
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第二章 金属的结构与结晶
第三节 合金的结构与结晶 二、合金的结构 1、固溶体 （1）置换固溶体 溶质原子占据部分溶剂晶格的结点位置而形成的固溶体称 为置换固溶体。 无限固溶体：例Cu-Ni合金 有限固溶体：例Cu-Zn合金
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第三章 铁碳合金状态图
铁碳合金状态图是表示在平衡状态下，不同成分的铁碳合 金，在不同温度时所具有的状态或组织的一种图形。
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第三章 铁碳合金状态图
第一节 铁碳合金的基本组织 一、铁素体（F） 铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶 格。 其性能是强度、硬度很低，塑性、韧性好。 显微组织是明亮的多边形晶粒。
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第二章 金属的结构Байду номын сангаас结晶
第三节 合金的结构与结晶 二、合金的结构 2、金属化合物 金属化合物是指金属组元间相互作用而生成的具有金属特 性的一种新相。 其晶格类型不同于它的任一组元；其性能特点是熔点高、 硬而脆。 当金属化合物细小均匀分布在固溶 体上时，能显著提高合金的强度、硬度 和耐磨性这种现象称为弥散强化。
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第三章 铁碳合金状态图
第一节 铁碳合金的基本组织 二、奥氏体（A） 奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶 格。 其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。 其晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。
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第三章 铁碳合金状态图
第一节 铁碳合金的基本组织 三、渗碳体（Fe3C） 渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含量是6.69％，具 有复杂的晶体结构。 其硬度很高，塑性和韧性很差，δ、Ak接近于零，脆性很大。
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第二章 金属的结构与结晶
第三节 合金的结构与结晶 一、合金的基本概念 4、相 指金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分。
结晶前的氯化铵水溶液
氯化铵正在结晶
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第二章 金属的结构与结晶
第三节 合金的结构与结晶 一、合金的基本概念 5、组织 泛指用金相观察的方法看到的由形态、尺寸不同和分布方 式不同的一种或多种相构成的总体。
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第三章 铁碳合金状态图
第一节 铁碳合金的基本组织 四、珠光体（P） 珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 铁素体与渗碳体片层状交替排列，平均碳含量为0.77％。 性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有 一定的塑性。
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第三章 铁碳合金状态图
第一节 铁碳合金的基本组织 五、莱氏体（高温莱实体ld，变态莱氏体ld'） 莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物,平均碳含量 4.3％。 存在于1148～727℃的莱氏体称为高温莱氏体(Ld);存在于 727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体（ld‘），它是由渗碳体基 体与珠光体组成。 莱氏体的力学性能与渗碳体相 近硬度很高、塑性很差。
溶剂 溶质
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第二章 金属的结构与结晶
第三节 合金的结构与结晶 二、合金的结构 1、固溶体 （2）间隙固溶体 溶质原子分布在溶剂晶格间隙处而形成的固溶体。
溶剂 溶质
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第二章 金属的结构与结晶
第三节 合金的结构与结晶 二、合金的结构 1、固溶体 应该指出，溶质原子溶入溶剂晶格中导致固溶体的晶格畸 变使合金强度、硬度升高，这种现象称为“固溶强化”。