【VIP专享】第7章 合金的相结构与结晶
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材料科学基础-第7章-三元相图
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平衡两相浓度变化规律（蝴蝶形规律） 图7-57 平衡两相浓度变化规律（蝴蝶形规律） （a）匀晶转变时 （b）三相平衡转变之前 （c）脱溶转变时 ） ） ）
C
5
B
（2）已知成分确定点 标出 75%A+10%B+15%C 70 的合金 60
B% 50 40 30 20 10 A 90 80 70
6
90 80
10 20 30 40 50 C% 60 70 80 90
60
50 40 ← A%
30
20
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6
C
2.两条特例线 两条特例线
（1）与某一边平行的直线，含对角组元浓度相等。 与某一边平行的直线，含对角组元浓度相等。 B B%=Aa/AB=定值 定值 C%
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7.8.4 三元共晶相图 应用： 应用：
可确定合金在该温度下的相组成； 可确定合金在该温度下的相组成； 可运用杠杆定律 重心法则确定合金中各相 杠杆定律和 可运用杠杆定律和重心法则确定合金中各相 的成分及其含量。 的成分及其含量。
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7.8.4三元共晶相图 三元共晶相图
2.垂直截面与投影图 垂直截面与投影图 b1
A
4
B
B%
C%
O C
4
← A%
B
练习：确定合金I 练习：确定合金I成分
I 点：
80
90
10 20 30 40 50 C% 60
A%=60% B%=30% C%=10%
70 60 B% 50 40 30 20 I
70 80 90
10 A 90 80 70 60 5 50 40 ← A% 30 20 10
合金的结构和相图优秀课件
2、金属化合物（看书）
金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成
具有金属特性的一种新相。金属化合物的晶格类型 不同于组成它的任一组元，具有复杂的晶格类型。 根据形成条件及晶体结构可以分成三种： 1）正常价化合物：化学式符合化合价，象Mg2Si 2）电子化合物： 不符合化合价规律而是按照一定
的电子浓度组成。象β电子化合 物CuZn的含锌量为36.8～56.5％。
三、二元合金相图
• 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。
•
利用相图可以表示不同成分的合金、在不同
温度下，由哪些相组成、以及合金在加热或冷却
过程中可能发生的转变等。
•
目前使用的相图几乎都是通过实验测定的。
实验的方法很多，有热分析法、膨胀法、X射线
溶质原子溶于固溶体中的量，称为固溶体的浓度 在一定条件下溶质元素在固溶体中的极限浓度叫做溶 质在固溶体中的溶解度
根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置不同， 可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。
1）置换固溶体 溶质原子部分地占据溶剂晶格节点 的位置而形成的固溶体。
置换固溶体的形成和溶解度与二组元的负电性，
3、机械混合物
由两种或两种以上的组元、固溶体或金 属化合物按一定重量比例组成的均匀物质称为 机械混合物。 （珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，莱
氏体是奥氏体和渗碳体的混合物）
混合物中各组成部分仍按自己原来的晶格 形式结合成晶体，如铁素体和渗碳体形成珠光 体。混合物的性能取决于组成混合物的各部分 的性能，及其数量、大小、分布和形态。
例. 碳钢中的铁素体和奥氏体就是碳原子 溶入了α – Fe（溶解度为0.0218％)和γ – Fe（溶解度为2.11%)中形成两种间隙固溶 体。
--合金的晶体结构及结晶
定义：当冷却速度较快时，晶粒中先结晶的（高熔点）树 枝晶轴成分和后结晶（低熔点）的树枝晶成分上存在差异 的现象。
影响：枝晶偏析对材料的力学性能、抗腐蚀性能及工艺性 能都不利。
影响因素：
(1)冷却速度 (2)结晶温区（液相与固相的垂直距离）
解决措施：把合金加热到高温（低于固相线100℃左右，并 进行长时间保温，使原子充分扩散，从而获得成分均匀的 固溶体——扩散退火
具体方法： （1）确定两平衡相的成分（浓度） 做通过某点温度的水平线，与液相线交点即 为L相成分；与固相线交点即为α相成分。 （2）确定两平衡相相对含量
T,C
1500
1400
1300
1200
1100 1000
a
Cu
（2）
QL
X1
X
20 b 40 60
Ni%
1455
c
Qα
（1）
T1
X2
Ni 80 100
凝固过程：
水（液相）
水+冰 （双相）
冰（固相）
铁素体（ F ）白色
Fe3 C
Fe-C合金 中的相— —F+Fe3 C
组织—— 相的形状、分布、组合状态。
双相组织（F+ Fe3 C）
单相组织（F）
合金中两类基本相：
固溶体 —— 合金在固态下由组元间相互溶解而形成 的晶体结构与某一组员相同的新相称为固溶体，其中 与合金的晶体结构相同的组元称为溶剂，其余的称为 溶质。
பைடு நூலகம்
eg. 求某含 Ni的量为 X%铜镍 合金，在 T1温度下 液相的重 量为QL 与 α相的 重量为Q α。
（1）做T1温度的水平线，则其与液相线的交点
合金的相结构
教学课题合金的相结构教学课时 2教学目的让学生了解合金相的概念掌握合金相的分类教学难点合金相的分类教学重点合金相的分类教学方法讲解法教具准备教材教学过程§2.1 固溶体固溶体：以合金某一组元为溶剂，在其晶格中溶入其他组元原子（溶质）后所形成的一种合金相，其特征是仍保持溶剂晶格类型，结点上或间隙中含有其他组元原子。
主要讨论溶剂为纯金属的固溶体。
一、固溶体的分类根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置：置换固溶体和间隙固溶体；根据溶质原子在溶剂中的固溶能力：有限固溶体和无限固溶体。
固溶度（溶解度）：在一定温度和压力下，溶质在固溶体中的浓度有一定限度，该浓度极限称为固溶度。
根据溶质原子在固溶体中的分布是否有规律：无序固溶体和有序固溶体。
二、置换固溶体影响置换固溶体固溶度的主要因素1．晶体结构因素晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件。
2．原子尺寸因素指溶剂、溶质原子半径之差与溶剂原子半径之比，即△r = ∣r A-r B∣/ r A , A-溶剂，B-溶质，△r越小，即组元间原子半径越接近，固溶度越大。
△r<0.14-0.15时，固溶度较大，或形成无限固溶体。
3．电负性因素电负性：原子接受电子形成负离子的能力，即元素得失电子的能力。
易得电子，电负性大。
在周期表中，同一周期元素的电负性从左到右递增；同一族元素的电负性从下到上递增。
两元素电负性越相近，固溶度越大。
两元素电负性相差大，化学亲和力越强，易形成化合物。
4．电子浓度因素电子浓度：各组元价电子总数e与原子总数a之比，即C电子= e/a=[V A(100-X)+V B X]/100V A-溶剂原子价; 100-X-溶剂原子百分数;V A(100-X)-溶剂价电子数;V B-溶质原子价; X-溶质原子百分数; V B X-溶质价电子数.电子浓度对固溶度的影响: 溶剂为一价FCC金属,不同溶质元素的最大固溶度所对应的极限电子浓度均为1.36左右; 溶剂为一价BCC金属,其极限电子浓度约为1.48. 所以,溶质的原子价越高,其固溶度越低. 举例总之，组元元素的晶格类型相同，原子半径相差不大，在周期表中的位置邻近时，固溶度较大，甚至形成无限固溶体。
合金的结晶与相图
缩孔与缩松 偏析
二元合金
基本概念：
合金：以金属为基，添加其它有益元素 组元：组成元素 相：成分相同、结构相同、与其它相有相界。
合金的相结构ຫໍສະໝຸດ 固溶体： 不改变基体金属(溶剂)的晶格类型 合金原子（溶质）弥散分布 有一定溶解度。
化合物：
形成新的晶格 原子配比固定。
固溶体的分类
金属的同素异构性
金属在一定温度下 只能有一种晶体结 构，但有些金属在 不同温度下具有不 同的晶体结构。 铁的同素异构体：
同素异构转变过程
形核与长大的过程
α 铁
γ -铁 α-铁晶核
金属铸锭的组织特点
钢锭的组织特点
表层细晶粒层 中间柱状晶粒层 心部粗大等轴晶 粒层
铸锭的组织对其 性能的影响 铸锭内部的缺陷
钢：
白口铸铁：
铁碳合金的成分与性能的关系
对碳钢来说，含碳 量越高，其强度和 硬度越高，但其塑 性和韧性越差 过共析钢由于网状 碳化物的析出造成 其强度的下降。
碳钢
常存杂质对碳钢性能的影响：
锰：含量少时影响不大 硅：含量少时影响不大 硫：造成热脆性 磷：造成冷脆性
计算过程
共晶温度下：
相组成： L+ α 成分：L为62% α 为18% 假设： α的重量百分比为x%, 则L相的重量百分比为(1-x)% 溶质总量不变： 18x+62(1-x)=40 X=50%
比重偏析
产生原因：
第七章回复与再结晶
§6-2 回复
回复的定义及特点
1 定义：冷变形后的金属在加热温度不高时，其光学显微组织
未发生明显改变时所产生的某些亚结构和性能的变化过程。 2 特点：
① 加热T低：T回 = (0.25~0.3)T熔； ② 显微组织无明显变化：仍保留拉长、畸变的晶粒。 ③ 晶粒内部亚结构发生变化（电子显微镜）： a 低温回复，点缺陷↓↓；主要指空位 b 高温回复，位错密度↓ (异号位错的合并；同号位错的规整
拉应力场和压应力场重叠而抵消一部分应变能。P197+9
滑移
攀 移 多边形化前 多边形化后
回复亚晶的形成 ——“多边形化” 过程
缠结 位错
位错 伸直
冷加工态
位错 网络
回复0.1h 大的稳 定网格
回复50h
回复300h
④ 性能变化： HB、ζ 略 ↓ ，δ 、ψ 略↑；
R↓↓；耐腐蚀性提高 原因：晶格畸变↓
热加工实质：是否有再结晶软化过程
衡量依据：T再
例：W 在1000℃非热加工； Sn、Pb 在室温为热加工； 动态回复和 动态再结晶
原晶粒
变形晶粒
所形成的小晶粒
全部新晶粒
残留的变形晶粒
金属在热轧时变形和再结晶的示意图
热加工对组织、性能的影响
热加工：钢材的热锻与热轧 1 消除铸态组织缺陷
⑴ 压合铸件中的疏松、气孔等缺陷，提高组织致密度和机械
再结晶应用——再结晶退火
再结晶退火的目的：
① 中间退火：消除加工硬化，有利于进一步冷变形；
如：冷拔铁铬铝电阻丝生产中： 氢气保护再结晶退火 ② 无相变金属的细晶强化(如Al、Cu等)： 冷塑变 + 再结晶退火→细化的再结晶晶粒
再结晶图的应用
合金的相结构与结晶
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17.5
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In
Pb-Sn共晶相图
Al-In偏晶相图
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第7章 相 图
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相图：表示平衡条件下材料系统中相的状态与温度及 成分之间关系的一种图形。又称状态图或平衡图。
相图的用途：
由相图可以知道材料的凝固
或熔化温度及系统中可能发生 的固态相变或其他转变； 材料的性能与相图有一定关 系，掌握了有关相图的知识， 就可以通过相图预测材料的某 些性能。 相图是材料科学工作者必 不可少的 重要工具。
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(3) 合金中有两类基本相 —— 固溶体 和 化合物 二、合金的相结构 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。如，Fe(C)固溶体。 （1）固溶体的分类 1）置换固溶体：若溶质原子代替一部分溶剂 原子而占据溶剂中的某些结点位置，称为置换 固溶体 。 2）间隙固溶体：溶质原子在溶剂晶格中并不 占据晶格结点的位置，而是在结点间的空隙中， 这种形式的固溶体称为间隙固溶体。
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固溶体分类
置 换 固 溶 体 Z
置换原子
Z
合金的结构和结晶
γS 727 °C αP Fe3C
合金的结构和结晶
相图与合金性能的关系 相图与合金使用性能的关系 利用相图可以大致判断合金在平衡状态下的力学性能 和物理性能2。. 相图与压力加工性能的关系 ➢相图与铸造性能的关系 ➢相图与切削加工性能 ➢相图与切削加工性能的关系 ➢相图与热处理性能的关系的关系
机械工程材料
图3.3 固溶体中的晶格畸变
合金的结构和结晶
金属化合物的分类 合金中的相结构
1.正常价化合物
2.电子化合物
3.间隙化合物
间隙相
间隙化合物
合金的结构和结晶
合金中的相结构
金属化合物的性能 金属化合物虽然种类繁多，晶体结构或简单或复杂 ，但它们都具有共同的特点：高的熔点和硬度，高 的化学稳定性和较大的室温脆性。
固溶体合金的平衡结晶过程
合金的结构和结晶
二元合金相图
固溶体合金的不平衡结晶 由固溶体合金的平衡结晶过程可知，固溶体合金的结晶 过程是和液相及固相内的原子扩散过程密切相关的，只 有在极其缓慢的冷却条件下，而在平衡结晶条件下，才 能使每个温度下的扩散过程进行完全，使液相或固相的 整体处处均匀一致。
合金的结构和结晶
写上数字、字母和各相区所存在的相或组织的名称。
Cu-Ni合金相图的建立
合金的结构和结晶
二元合金相图
二元匀晶相图
相图分析 Cu-Ni合金相图如图3.7所示，该相图是典型的二元匀晶相图。相图中有两 条曲线把坐标平面分成三个区域。上面是液相线，表示Cu-Ni合金在冷却过 程中开始结晶或加热过程中熔化终了的温度；下面是固相线，表示Cu-Ni合 金在冷却过程中结晶终了或加热过程中开始熔化的温度。液相线以上的区 域是液相区，即合金在此区域所处的状态都使液态（L）；固相线以下的区 域是固相区，是Cu和Ni组成的无限固溶体（ α）；液相线和固相线之间的 区域是液固共存的两相区（L+ α）。
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固溶强化形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象
正常晶格
晶格畸变
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晶格畸变
小原子置换引起的 晶格畸变
间隙原子引起的 晶格畸变
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4 2、金属间化合物（intermetallic compound) (8) • 金属间化合物是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相， 其晶格类型和性能不同于其中任一组元，因此性能也不同于组
实验法：热分析法，金相组织法，X射线分析法，硬度法， 电阻法，热膨胀法，磁性法。
配制一系列成分 的合金－测冷 却曲线－确定 转变温度－填 入坐标－绘出 曲线。
Cu 30 50 70 Ni
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金属结晶的条件和过程
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§4.1 相、相平衡及相图制作
系，掌握了有关相图的知识， 就可以通过相图预测材料的某 些性能。
➢相 图 是 材 料 科 学 工 作 者 必
不可少的 重要工具。
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§7.2 相、相平衡及相图制作
7.1.3 相图的表示与测定 横坐标：成分 纵坐标：温度 点图中任一：状态点 • 状态与成分表示法
质量分数(w)和摩尔分 数(x)
(ln) 70 80 90 100
In
Al-In偏晶相图
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第7章 相 图
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相图：表示平衡条件下材料系统中相的状态与温度及 成分之间关系的一种图形。又称状态图或平衡图。
相图的用途：
➢由相图可以知道材料的凝固
或熔化温度及系统中可能发生 的固态相变或其他转变；
➢材料的性能与相图有一定关
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合金与相 （alloy and phase)
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2 相(phase) （1）相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分。 （如单相、两相、多相合金。）
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
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间隙固溶体与间隙相的区别
间隙固溶体
间隙相
晶格畸变
晶格改变
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晶格畸变 间隙固溶体
晶格类型
间隙相
晶格改变
间隙化合物
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第7章 相 图
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rx 0.59 rM
间隙相
根据半径的比值
rx 0.59 rM
间隙化合物
间隙化合物中分为两类，一类是具有简单晶格 形式的间隙化合物。如VC、WC、TIC等
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另一类是具有复杂结构的间隙 化合物，如Fe3C、Cr23C6、 Cr7C3、Fe4W2C等
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置 换 固 溶 体
Z
固溶体分类
间
隙
固
溶
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体
置换原子
(5) 间隙原子
Y Y
X
X
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（2）固溶体的性能
• 由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，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 。
• 当溶质的质量分数适当时，固溶体不仅有着较纯金属高的 强度6/16
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合金中有两类基本相 —— 固溶体 和 化合物 二、合金的相结构 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。如，Fe(C)固溶体。 （1）固溶体的分类 1）置换固溶体：若溶质原子代替一部分溶剂 原子而占据溶剂中的某些结点位置，称为置换 固溶体 。 2）间隙固溶体：溶质原子在溶剂晶格中并不 占据晶格结点的位置，而是在结点间的空隙中， 这种形式的固溶体称为间隙固溶体。
二元相图中的成分 按现在国家标准有两种 表示方法：质量分数和 摩尔分数。一般情况下， 如果没有特别注明，均 指质量分数。
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§7.2 相、相平衡及相图制作
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7.2.1 相图的表示与测定
• 状态与成分表示法
•相图的建立： 计算法：
测定合金的冷却（或加热）曲线
元。
（1）金属间化合物的分类
1）正常价化合物 ——这类金属化合物通常由金属元素与周期表 中第IV、V、Ⅵ族的元素组成的。例如Mg2S、MnS、Mg2Si等， 其分子式符合原子价规律，并且成分是固定不变的。
2) 电子化合物 ——这类金属化合物是按一定电子浓度组成的具 有一定晶格类型的化合物 。
3) 间隙化合物 ——间隙化合物一般是由原子直径较大的过渡族 金属元素（Fe、Cr、Mo、W、V等）与原子直径较小的非金属 元素（H、C、N、B等）组成 。
(19)
7.2.2 相图的表示与测定
由凝固开始温度连
接起来的相界线称为液
相线，由凝固终结温度 连接起来的相界线称为 固相线。
图4-2 用热分析建立Cu-Ni 相图。(a)冷却 曲线， (b)相图。
相图中由相界线划分出来的区域称为相区，表明 在此范围内存在的平衡相类型和数目。在二元相图中 有单相区和两相区。在相图中，任意一点都叫“表象 点”。一个表象点的坐标值反映一个给定合金的成分 和温度。在相图中由表象点所在的相区可以判定在该 温度下合金由哪些相组成。
(Phase diagram)
Pb-Sn共晶相图
0 1000
In, at%
5
10
20
30 40 50 60 80 100
900
800
Tempe7r00 ature, ℃
600
660℃ 17.5
639℃ 97
500
400
300
200
(Al) 100
0 10 20 30 Al
156℃
40 50 60 In, wt%
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Cooling Curves