第三章二元合金的相结构与结晶
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第三章 合金的相结构和结晶
3.2 合金的相结构
固态合金中的相结构可分为固溶体和金属化 合物两大类。
3.2.1固溶体
合金的组元之间以不同比例相互混合后形 成的固相，其晶体结构与组成合金的某一组元 的相同，这种相称为固溶体。与固溶体结构相 同的组元为溶剂，另一组元为溶质。碳钢和合 金钢，均以固溶体为基体相。
一、固溶体的分类
1、按溶质原子在溶剂晶格中所占位置分类 置换固溶体和间隙固溶体
相图是表示在平衡条件下合金系中合金的状态与温 度、成分间关系的图解，也称为平衡图或状态图。 平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各 相的成分和质量分数不再变化所达到的一种状态。
一、二元相图的表示方法
合金存在的状态通常 由合金的成分、温度 和压力三个因素确定。 常压 表象点
二、二元合金相图的测定方法
第三章 二元合金的相结构与结晶
合金：指两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔 炼或烧结，或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。 纯金属和合金的比较： 纯金属强度一般较低，不适合做结构材料 因此目前应用的金属材料绝大多数是合金，如应用最广泛的 碳钢和铸铁就是铁和碳的合金，黄铜就是铜和锌的合金。 合金性能优良的原因： 合金的相结构 合金的组织状态：合金相图
2、固溶体合金的结晶需要一定的温 度范围
固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围内进行， 在此温度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数 量的固相。随着温度的降低，固相的数量增加，同 时固相和液相的成分分别沿着固相线和液相线而连 续地改变，直至固相的成分与原合金的成分相同时， 才结晶完毕。这就意味着，固溶体合金在结晶时， 始终进行着溶质和溶剂原子的扩散过程，其中不但 包括液相和固相内部原子的扩散，而且包括固相与 液相通过界面进行原子的互扩散，这就需要足够长 的时间，才得以保证平衡结晶过程的进行。
第三章合金的结构与相图本章重点1`固溶体与化合物及其特性
⑤ 温度
固溶体的溶解度受温度的影响较大， 一般温度越高，固溶体的溶解度越大。 如，奥氏体在727℃能溶解0.77%的碳， 而在1148℃则能溶解2.11%的碳。
3、固溶体的性能
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。随着溶质元素含量 的升高，固溶体的性能发生明显变化，表现 在强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降， →固溶强化。
金属间化合物
FeS, MnS 等
一般化合物
金属间化合物可以作为合金的组 成相（强化相），而非金属化合物在 合金中大多属于有害杂质。如FeS 在 钢中引起热脆。
1、金属间化合物的组织与性能特点
金属间化合物具有复杂的晶格结构， 熔点高，硬而脆，其在合金中的分布形 态对合金的性能影响很大，当金属间化 和物以大块状或成片状形态分布时，合 金的强度、塑性均很差；当金属间化合 物呈弥散状质点分布时，合金的强度高， 塑性、韧性较好。
范围内变化，电子化合物可以溶解一定量的组
元，形成以电子化合物为基的固溶体。
C、间隙化合物
由原子直径较大的过渡族元素与原子直径 很小的C、N、B等元素组成，过渡族元素的原 子占据晶格的正常位置，尺寸较小的非金属元 素原子有规则地嵌入晶格空隙中，形成间隙化 合物。
① 间隙相
当非金属元素原子与过渡族金属元素原 子直径的比值（d非/d过）<0.59时，形成的间 隙化合物具有比较简单的晶格结构，成为间 隙相。 如：W2C, VC, TiC, MoC, TiN, VN 等。
偏析的存在，会使金属强度下降，塑 性较差，耐腐蚀性降低，应采用均匀化退 火（扩散退火）予以消除。
第四节 二元共晶相图 当合金的二组元在液态时无限互溶， 在固态时有限互溶，且发生共晶反应， 此合金系的相图为二元共晶相图。
第三章 二元合金的相结构与结晶(包晶相图)4(16)-10-2剖析
α
包晶偏析：因包晶转变 不能充分进行而导致的 成分不均匀现象。
四、包晶转变的实际应用
包晶转变特点：
包晶转变的形成相依附在初生相上形成； 包晶转变的不完全性。（不彻底性）
组织设计：如轴承合金需要的软基体上分布硬质点的组织。 首先形成硬质点，包晶反应形成软固溶体包于其外层
晶粒细化。 包晶反应生成细小化合物，异质形核。
包晶反应的推广
包晶反应（Peritectic） L + 包析反应（Peritectoid） + 合晶反应（Syntectic） L1 + L2
第三章 二元合金的相结构与结晶
§3-1 合金中的相 §3-2 合金的相结构 §3-3 二元合金相图的建立 §3-4 匀晶相图及固溶体的结晶 §3-5 共晶相图及其合金的结晶 §3-6 包晶相图及其合金的结晶 §3-7 其它类型的合金相图 §3-8 二元相图的分析及使用
§3-6 包晶相图及其合金的结晶
室温组织组成：β+αⅡ
室温相组成： α+β
三、不平衡结晶及其组织
原因 新生β相依附于α相生核长大， β相将α相包围
液体和α相反应形成β相，须 通过β相层进行扩散
原子在固体中的扩散低于液体， 包晶转变缓慢
冷却速度快．包晶转变被抑制 不能完全进行
剩余的液体在低于包晶转变温 度直接转变为β
保留下来的α，以及形成的β 相成分都不均匀。
(2) 线：
液相线： ACB，固相线:APDB。 固溶线：PE、DF线分别为中的固溶线（溶解度曲线）。
包晶线：水平线PDC
一、相图分析
(3)相区：
三个单相区： L、、； 三个两相区：L+、L+、+； 一个三相区：即水平线PDC； L + + 。
第三章 二元合金的相结构与结晶
第五节
共晶相图及其合金的结晶
• 两组元在液态时相互无限互溶，在固态时 相互有限互溶，发生共晶转变，形成共晶 组织的二元系相图，称为二元共晶相图。
一、相图分析
• 右图为Pb－Sn二元共晶 相图，图中AEB为液相线 AMENB为固相线，MF为 Sn在Pb中的溶解度曲， 也叫固溶度曲线，NG为Pb 在Sn中的溶解度曲线。 • 相图中有三个单相区：液相L、固溶体α 相和固溶体β 相。 • 各个单相区之间有三个两相区：L＋α 、L+β 和 α ＋β 。在L＋ α 、L+β 和α ＋β 两相区之间的水平线MEN 表示α ＋β ＋L三相共存区。
第三节
二元合金相图的建立
• 相图是表示在平衡条件下合金系中合金的 状态与温度、成分间关系的图解，又称为 状态图或平衡图。
一、二元相图的表示方法
• 由于合金的熔炼、加工处 理等都是在常压下进行， 所以合金的状态可由合金 的成分和温度两个因素确 定。对于二元系合金来说， 通常用横坐标表示成分， 纵坐标表示温度（右图）。 E点表示合金成分为wB＝ 40％，wA＝60％，温度为 500℃。
2.按固溶度分类
• （1）有限固溶体 在一定条件下，溶质组 元在固溶体中的浓度有一定的限度，超过 这个限度就不再溶解了，这一限度称为溶 解度或固溶度，这种固溶体就称为有限固 溶体。大部分固溶体都属于这一类。 • （2）无限固溶体 溶质能以任意比例溶入 溶剂，固溶体的溶解度可达100％，这种固 溶体就称为无限固溶体。
• 下图是含Sn10％的Pb-Sn合金Ⅰ平衡结晶过程示 意图。
（二）共晶合金
• 共晶合金Ⅱ中，含锡量为 61.9％，其余为铅。当合 金Ⅱ缓慢冷却至温度tE （183℃）时，发生共晶转 变： LE≒α M＋β N • 这个转变一直在183 ℃进 行，直到液相完全消失为 止。 • 右图是Pb-Sn共晶合金的显 微组织，其中黑色的为α 相，白色的为β 相。 α 和 β 呈层片状交替分布。
二元合金的相结构与结晶相图建立与匀晶相图2258103
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律，其含义为 合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远 的成分线段之比。
9
在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端
点是所求的两个平衡相的成分。
例（如图）
0.53 0.45 Q 100% 61.5% 0.58 0.45 0.58 0.53 QL 100% 38.5% 0.58 0.45
3
4
三、相律及杠杆定律
（一） 相律及其应用
相律：表示平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。 表达式：
F=C-P+2 （压力：不等） F=C-P+1 （压力：常数） C－组元数（component）； P－相数（phase）； F－自由度数（free） 平衡系统的自由度数：平衡系统的独立、可变的因素数。 （在保持合金系的相数不变的条件下，合金系中可改变的、影 响合金状态的内部因素和外部因素的数目） （成分、温度、压力）
如 Cu-Ni，Fe-Cr, Au-Ag Cu-Ni合金相图
15
一、相图分析
两个点——Cu和Ni的熔点
两条线——上面是液相线，
下面是固相线。
L
三个区——液相区L ，
固相区 ，
+
L
固液共存的两相区（L+ ）。
16
二、固溶体合金的平衡结晶过程
平衡结晶——极缓慢的冷却条件下进行的结晶过程
§3-3 二元合金相图的建立
相图 (phase diagram) ：表示在平衡条件下合金的状态与温度、 成分之间关系的图解，又称为平衡图或状态图。（工具）
9
在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端
点是所求的两个平衡相的成分。
例（如图）
0.53 0.45 Q 100% 61.5% 0.58 0.45 0.58 0.53 QL 100% 38.5% 0.58 0.45
3
4
三、相律及杠杆定律
（一） 相律及其应用
相律：表示平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。 表达式：
F=C-P+2 （压力：不等） F=C-P+1 （压力：常数） C－组元数（component）； P－相数（phase）； F－自由度数（free） 平衡系统的自由度数：平衡系统的独立、可变的因素数。 （在保持合金系的相数不变的条件下，合金系中可改变的、影 响合金状态的内部因素和外部因素的数目） （成分、温度、压力）
如 Cu-Ni，Fe-Cr, Au-Ag Cu-Ni合金相图
15
一、相图分析
两个点——Cu和Ni的熔点
两条线——上面是液相线，
下面是固相线。
L
三个区——液相区L ，
固相区 ，
+
L
固液共存的两相区（L+ ）。
16
二、固溶体合金的平衡结晶过程
平衡结晶——极缓慢的冷却条件下进行的结晶过程
§3-3 二元合金相图的建立
相图 (phase diagram) ：表示在平衡条件下合金的状态与温度、 成分之间关系的图解，又称为平衡图或状态图。（工具）
第三章二元合金的相结构与结晶
共晶反应的推广
共晶反应（Eutectic）
L
共析反应（Eutectoid）
偏晶反应（Monotectic） 熔晶反应（Metatectic）
L1 L2
L
共晶团
（二）共晶合金（合金Ⅱ） 组织组成物(α＋β) ； 相组成物α+β 共晶线上两相的相对量计算
wM
wN
EN 97.5 61.9 100 % 100 % 45.4% MN 97.5 19
ME 61.9 19 100 % 100 % 54.6% MN 97.5 19
过共晶合金的平衡结晶过程
（四）过共晶合金(合金Ⅳ)
• 组织组成物β＋（α＋β） ＋αⅡ • 相组成物α+β • 计算室温组织相对量和共晶线上两相的相对量 αII β
(α+β)
合金的显微组织
（四）过共晶合金(合金Ⅳ)
• 共晶转变完成后，共晶线上两相的相对量计算
2N 97. 5 - 70 ×100% = M N 97. 5 - 19 M 2 70 - 19 wβ = ×100% = M N 97. 5 - 19 wα =
如：含锡量为30%的亚共晶合金在183℃共晶转变结束后， 相的百分含量
2N 97. 5 - 30 ×100% = = 86% M N 97. 5 - 19 M 2 30 - 19 wβ = ×100% = = 14% M N 97. 5 - 19 wα =
(四)过共晶合金(合金Ⅳ)
冷却曲线
L→ L+β →（α+β）+ β → β+αⅡ+（α+β）
共晶转变完成后，组织组成物百分含量计算
第三章 二元合金的相结构与结晶
第三章二元合金的相结构与结晶一、填空题1. Cr、V在γ-Fe中将形成固溶体。
C、N则形成固溶体。
2. 与间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要一些。
3. 固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的熔点组元。
4. 共晶反应的特征是，其反应式为。
5. 匀晶反应的特征是，其反应式为。
6. 共析反应的特征是，其反应式为。
7. 合金固溶体按溶质原子所处位置可分为和，按原子溶入量可以分为和。
8. 合金的相结构有和两种，前者具有较高的性能，适合于做相；后者有较高的性能，适合于做相。
9.间隙固溶体的晶体结构与相同，而间隙相的晶体结构与不同。
10.接近共晶成分的合金，其性能较好。
11.共晶组织的一般形态是。
12.固溶体合金，在铸造条件下，容易产生_______ 偏析，用__________ 方法处理可以消除。
13.K0<1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越小，成分偏析越____ , 提纯效果越_____；而K0>1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越大，成分偏析越____ , 提纯效果越_____。
二、判断题1.共晶反应和共析反应的反应相和产物都是相同的。
( )2.铸造合金常选用共晶或接近共晶成分的合金，要进行塑性变形的合金常选用具有单相固溶体成分的合金。
( )3.合金的强度与硬度不仅取决于相图类型，还与组织的细密程度有较密切的关。
( )4.置换固溶体可能形成无限固溶体，间隙固溶体只可能是有限固溶体。
( )5.合金中的固溶体一般说塑性较好，而金属化合物的硬度较高。
( )6.共晶反应和共析反应都是在一定浓度和温度下进行的。
( )7.共晶点成分的合金冷却到室温下为单相组织。
( )8.初生晶和次生晶的晶体结构是相同的。
( )9.根据相图，我们不仅能够了解各种合金成分的合金在不同温度下所处的状态及相的相对量，而且还能知道相的大小及其相互配置的情况。
( )10.亚共晶合金的共晶转变温度与共晶合金的共晶转变温度相同。
第03章 结晶相图
第二节 纯金属的结晶
八、铸件晶粒大小的控制
决定晶粒尺寸的要素： 从液体凝固后，每个晶核生长成一个晶 粒，晶核多晶粒的尺寸自然就小。凝固理论分析表明晶粒尺寸决 定于N/G，即形核率高晶粒细小，而长大速度快，晶粒尺寸增大。 控制原理与方法：生产过程通常希望材料得到细小的尺寸，为此 控制晶粒尺寸的方法有：第一，降低浇注温度和加快冷却速度， 如金属模、或加快散热，尽管形核率和长大速度都提高，但形核 率的提高快得多，所得到的晶粒将细化，可是快冷却速度会增加 零件的内应力有时甚至可能造成开裂，有时因生产环境和零件尺 寸达不到快速冷却。第二，加变质剂即人为加入帮助形核的其它 高熔点细粉末，如在铜中加少量铁粉或铝中加Al2O3粉等，以非 均匀方式形核并阻碍长大。第三，铸件凝固中用机械或超声波震 动等也可细化晶粒尺寸。若希望晶粒粗大，如用于高温的材料， 对这些因素进行相反的操作。
组织：人们用肉眼或借助某种工具（放大镜、光学显微镜、电子 显微镜等）所观察到的材料形貌。它决定于组成相的类型、 形状、大小、数量、分布等。 组织组成物：组织中形貌相同的组成部分。
第三节
材料的相结构
二、固溶体
1. 固溶体：
当材料由液态结晶为固态时，组成元素间会象溶液那样 互相溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其它元 素原子的新相，称为固溶体。与固溶体的晶格相同的组成元 素称为溶剂，在固溶体中一般都占有较大的含量；其它的组 成元素称为溶质，其含量与溶剂相比为较少。固溶体即一些 元素进入某一组元的晶格中，不改变其晶体结构，形成的均 匀相。
凝结－蒸发 凝固－熔化 凝华－升华
意义：材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用 冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才 得到固态，固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过 程有关，从而也影响材料的性能。
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原子形成偏聚。 当异种原子间的结合力较大时，溶质原子倾向于按一定规
则呈有序分布，称之为短程有序。
a) 完全无序
b) 偏聚
c) 部分有序 d) 完全有序
第二节 合金的相结构
固溶体中溶质原子的短程无序分布
第二节 合金的相结构
固溶体中溶质原子的偏聚分布
第二节 合金的相结构
固溶体中溶质原子的短程有序分布
第二节 合金的相结构
（三）间隙相与间隙化合物
➢受组元的原子尺寸因素控制，通常由过渡金属与原子半径 很小的H、N、C、B所组成。非金属元素与金属元素的半 径比＜0.59时，形成具有简单结构的间隙相；＞0.59时， 形成具有复杂结构的间隙化合物。
1. 间隙相
具有简单的晶体结构，分子式一般为M4X、M2X、MX、MX2 间隙相不但可以溶解组元元素，还可以溶解其他间隙相。 间隙相与间隙固溶体的本质区别在于间隙相是一种化合物，具
点表示合金成分为wB＝ 40％，wA＝60％，温度
为500℃。
第三节 二元合金相图的建立
二、二元相图的测定方法
➢首先配制一系列成分不同的合金； ➢测定合金的相变临界温度，并标在温度－成分坐标图上； ➢把各相同意义的点连成线； ➢这些线就在坐标图中划分出一些区域，这些区域称为相区， 将各相区所存在的相的名称标出，相图建立即完成。
F＝C－P＋1
此时，合金的状态由成分和温度两个因素确定。
单元系：C=1，P=C-F+1，F=0时，最大 P=2。 二元系：C=2，P=C-F+1，F=0时，最大
第三节 二元合金相图的建立
（二）杠杆定律
当合金在某一温度下处于两相区时，由相图不仅可以知道 两平衡相的成分，而且还可以用杠杆定律求出两平衡相的 相对重量百分比。
2. 电负性因素
电负性：元素的原子获得或吸引电子的相对倾向。
➢ 两元素在元素周期表中的位置相距越远，电负性差值越大，则越不 利于形成固溶体，而易于形成金属化合物。
➢ 若两元素间的电负性差值越小，则形成的置换固溶体的固溶度越大
3. 电子浓度因素
• 合金的电子浓度是指合金晶体结构中的价电子总数与 原子总数之比，及e/a。它与合金中溶质原子的摩尔百分
第二节 合金的相结构
（三）间隙固溶体
一些原子半径小于0.1nm的非金属元素如H，O，N，C， B等受原子尺寸因素的影响，不能与过渡族金属元素形成置换 固溶体，却可处于溶剂晶格结构中的某些间隙位置，形成间 隙固溶体。而且只有当溶质与溶剂原子的半径比＜0.59时， 才有可能形成间隙固溶体。
固溶度与溶质原子的大小和溶剂的晶格类型有关。 ➢面心立方晶格固溶度大于体心 ➢八面体间隙大于四面体间隙
4. 晶体结构
溶质与溶剂原子的晶体结构相同，是置换固溶体形成无 限固溶体的必要条件。 晶体类型相同的组元间即使不能形成固溶体，其固溶度 也将大于晶格类型不同的组元间的固溶度。
当上述四个因素都有利时，所形成的固溶体的固 溶度可能较大，甚至形成无限固溶体。
此外，固溶度除与上述四个因素有关外，还与温度有关。
自由度数 组元数
相数
第三节 二元合金相图的建立
➢相律的含义是：在只受外界温度和压力影响的平衡系统 中，它的自由度数等于系统的组元数和相数之差再加上2 。平衡系统的自由度数是指平衡系统的独立可变因素（如 温度、压力、成分等）的数目，这些因素可在一定范围内 任意地改变而不会影响到原有的共存相数。
当系统的压力为常数时，相律可表达为：
数r，溶剂原子和溶质原子的价电子数VA、VB有关，即
e / a VA (100 r) VBr 100
第二节 合金的相结构
➢ 溶质在溶剂中的固溶度受电子浓度的控制，固溶体的电子浓度有一极限 值，超过此极限，固溶体就不稳定，而要形成另外的相。
➢ 电子浓度的极限值与晶体结构有关，面心立方固溶体的极限值为1.36， 体心立方固溶体的极限值为1.48。
第三节 二元合金相图的建立
➢ 两个点： 纯铜的熔点 纯镍的熔点 ➢ 两条线： 液相线 固相线 ➢ 三个相区： L α L+α
第三节 二元合金相图的建立
三、相律及杠杆定律 （一）相律及其应用
➢相律是表示在平衡条件下，系统的自由度数、组 元数和相数之间的关系，是系统的平衡条件的数学 表达式。
F＝C－P＋2
第二节 合金的相结构
（五）固溶体的性能 一种重要的强化机制——固溶强化
➢ 固溶强化：随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度 提高，而塑性韧性有所下降的现象。
无论是置换固溶体还是间隙固溶体，均能引起固溶体的 硬度、强度升高。对置换固溶体，溶质原子与溶剂原子 的尺寸差别越大，溶质原子的浓度越高，起强化效果越 显著；对间隙固溶体，溶质原子的半径与间隙的半径差 别越大，强化效果越显著。
或放大镜观察到的形貌图像称为显微组织。 组织由相组成。 同样的相，当它们的形态及分布不同时， 会出现不同的组织，使材料表现不同的性能。
第二节 合金的相结构
组元
合金
相
固溶体
金属化合物
一、固溶体
合金的组元之间以不同比例相互混合后形成的固 相，其晶体结构与组成合金的某一组元的相同，这种 相就称为固溶体，这种组元称为溶剂，其他的组元即 为溶质。工业上所使用的金属材料，绝大部分以固溶 体为基体，有的甚至完全由固溶体所组成。
碳钢的组元：铁和碳 黄铜的组元：锌和铜
根据组元数可以将合金分为： 二元合金，如碳钢 三元合金，如硬铝（Al-Cu-Mg
） 多元合金，如超硬铝
第一节 合金中的相➢相 合金 Nhomakorabea结构相同、成分和性能均一并以界面相
互分开的组成部分。 如：固相、液相；铁碳合金中的相、相等
第一节 合金中的相
➢组织 是一个与相紧密相关的概念。通常，将用肉眼
式中rA、rB分别为A、B两组元的原子半径。 ➢ r 越小，固溶度越大； r 越大，固溶度越小。 ➢ 有利于大量固溶的原子尺寸条件是r ≤15% ➢ 对于铁基固溶体，r ＜8%且两者的晶体结构相 同时，才有可能形成无限固溶体。 ➢ 对于铜基固溶体，只有r ＜ 10%~11%才有可能 形成无限固溶体。
正常价化合物具有较高的硬度，脆性较大。
（二） 电子化合物
IB族或过渡族金属与IIB、IIIA、IVA族元素形成的化合 物，不符合化合价规律，而是按一定电子浓度的比值形 成化合物，电子浓度不同，形成的化合物的结构也不同 。电子化合物的结合键为金属键，熔点一般较高，硬度 高，脆性大，是金属中的重要强化相。
对于工业上应用最广泛的结构材料和工具材料， 由于金属化合物一般均具有较高的熔点、硬度和脆 性，当合金中出现金属化合物时，将使合金的强度 、硬度、耐磨性及耐热性提高（但塑性和韧性有所 降低），因此金属化合物已是这些材料中不可缺少 的合金相。
第二节 合金的相结构
（一）正常价化合物
两种电负性相差较大的元素按通常的化学价形成的化合物。主 要是金属元素与IVA-VIA族元素形成的化合物。具有严格的化合 比，成分固定不变，可用化学式表示。化合物包括从离子键，共 价键过渡到金属键为主的一系列化合物，如MgS、Mg2Sn等。
c r
xL
xS
s
第三节 二元合金相图的建立
1）两平衡相及其成分的确定 若成分为x的Cu-Ni合金， 在T1温度时处在两相区，则通过温度T1做水平线 水平线与液相线的交点在成分坐标轴上的投影xL即为液相 的成分 水平线与固相线的交点在成分坐标轴上的投影xS即为固相 的成分。
例如Cr23C6具有复杂立方结构，包含92个金属原子，24个碳原 子。
第三节 二元合金相图的建立
•相图是表示在平衡条件下合金系中合金的状态与温度、成分 间关系的图解，又称为状态图或平衡图。
一、二元相图的表示方法
• 由于合金的熔炼、加工 处理等都是在常压下进 行，所以合金的状态可 由合金的成分和温度两 个因素确定。对于二元 系合金来说，通常用横 坐标表示成分，纵坐标 表示温度（右图）。E
有与组元完全不同的晶体结构，而间隙固溶体仍然保持着溶剂 组元的晶格类型。 间隙相具有极高的熔点和硬度，具有明显的金属特性。 是合金工具钢及硬质合金的主要强化相。
第二节
2. 间隙化合物
合金的相结构
• 具有复杂的晶体结构。
• Cr、Mn、Fe的碳化物均属此类。如M3C、M7C3、 M23C6
• 有很高的熔点和硬度，但比间隙相的要低，而且加热时也 较易分解。
3.按溶质原子与溶剂原子的相对分布分类
（1）无序固溶体 溶质原子统计地或随机地分布于溶剂 的晶格中，它或占据着与溶剂原子等同的一些位置，或占 据着溶剂原子间的间隙中，看不出有什么次序性或规律性 ，这类固溶体叫做无序固溶体。 （2）有序固溶体 当溶质原子按适当比例并按一定顺序和 一定方向，围绕着溶剂原子分布时，这种固溶体就叫有序 固溶体。
1. 晶格畸变
奥氏体的晶格常数与 含碳量的关系
晶格畸变的大小可由晶格常数的变化所反映。
对置换固溶体来说，当溶质原子较溶剂原子大时， 晶格常数增加；反之，当溶质原子较溶剂原子小时 ，则晶格常数减小。
形成间隙固溶体时，晶格常数总是随着溶质原子的 溶入而增大。
第二节 合金的相结构
2. 偏聚与有序
溶质原子在固溶体中的分布，存在着分布的不均匀性： 当同种原子间的结合力大于异种原子间的结合力时，溶质
第二节 合金的相结构
（一）固溶体的分类
1.按溶质原子在晶格中所占位置分类
（1）置换固溶体 溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固 溶体，犹如这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换一样，因此称之 为置换固溶体。 （2）间隙固溶体 溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是 填入溶剂原子间的一些间隙中，形成间隙固溶体。
当溶质原子（间隙原子）溶入溶剂 后，将使溶剂的晶格常数增加，并 使晶格发生畸变，溶入的溶质原子 越多、尺寸越大，引起的晶格畸变 越大，当畸变量达到一定数值后， 溶剂晶格将变得不稳定。
则呈有序分布，称之为短程有序。
a) 完全无序
b) 偏聚
c) 部分有序 d) 完全有序
第二节 合金的相结构
固溶体中溶质原子的短程无序分布
第二节 合金的相结构
固溶体中溶质原子的偏聚分布
第二节 合金的相结构
固溶体中溶质原子的短程有序分布
第二节 合金的相结构
（三）间隙相与间隙化合物
➢受组元的原子尺寸因素控制，通常由过渡金属与原子半径 很小的H、N、C、B所组成。非金属元素与金属元素的半 径比＜0.59时，形成具有简单结构的间隙相；＞0.59时， 形成具有复杂结构的间隙化合物。
1. 间隙相
具有简单的晶体结构，分子式一般为M4X、M2X、MX、MX2 间隙相不但可以溶解组元元素，还可以溶解其他间隙相。 间隙相与间隙固溶体的本质区别在于间隙相是一种化合物，具
点表示合金成分为wB＝ 40％，wA＝60％，温度
为500℃。
第三节 二元合金相图的建立
二、二元相图的测定方法
➢首先配制一系列成分不同的合金； ➢测定合金的相变临界温度，并标在温度－成分坐标图上； ➢把各相同意义的点连成线； ➢这些线就在坐标图中划分出一些区域，这些区域称为相区， 将各相区所存在的相的名称标出，相图建立即完成。
F＝C－P＋1
此时，合金的状态由成分和温度两个因素确定。
单元系：C=1，P=C-F+1，F=0时，最大 P=2。 二元系：C=2，P=C-F+1，F=0时，最大
第三节 二元合金相图的建立
（二）杠杆定律
当合金在某一温度下处于两相区时，由相图不仅可以知道 两平衡相的成分，而且还可以用杠杆定律求出两平衡相的 相对重量百分比。
2. 电负性因素
电负性：元素的原子获得或吸引电子的相对倾向。
➢ 两元素在元素周期表中的位置相距越远，电负性差值越大，则越不 利于形成固溶体，而易于形成金属化合物。
➢ 若两元素间的电负性差值越小，则形成的置换固溶体的固溶度越大
3. 电子浓度因素
• 合金的电子浓度是指合金晶体结构中的价电子总数与 原子总数之比，及e/a。它与合金中溶质原子的摩尔百分
第二节 合金的相结构
（三）间隙固溶体
一些原子半径小于0.1nm的非金属元素如H，O，N，C， B等受原子尺寸因素的影响，不能与过渡族金属元素形成置换 固溶体，却可处于溶剂晶格结构中的某些间隙位置，形成间 隙固溶体。而且只有当溶质与溶剂原子的半径比＜0.59时， 才有可能形成间隙固溶体。
固溶度与溶质原子的大小和溶剂的晶格类型有关。 ➢面心立方晶格固溶度大于体心 ➢八面体间隙大于四面体间隙
4. 晶体结构
溶质与溶剂原子的晶体结构相同，是置换固溶体形成无 限固溶体的必要条件。 晶体类型相同的组元间即使不能形成固溶体，其固溶度 也将大于晶格类型不同的组元间的固溶度。
当上述四个因素都有利时，所形成的固溶体的固 溶度可能较大，甚至形成无限固溶体。
此外，固溶度除与上述四个因素有关外，还与温度有关。
自由度数 组元数
相数
第三节 二元合金相图的建立
➢相律的含义是：在只受外界温度和压力影响的平衡系统 中，它的自由度数等于系统的组元数和相数之差再加上2 。平衡系统的自由度数是指平衡系统的独立可变因素（如 温度、压力、成分等）的数目，这些因素可在一定范围内 任意地改变而不会影响到原有的共存相数。
当系统的压力为常数时，相律可表达为：
数r，溶剂原子和溶质原子的价电子数VA、VB有关，即
e / a VA (100 r) VBr 100
第二节 合金的相结构
➢ 溶质在溶剂中的固溶度受电子浓度的控制，固溶体的电子浓度有一极限 值，超过此极限，固溶体就不稳定，而要形成另外的相。
➢ 电子浓度的极限值与晶体结构有关，面心立方固溶体的极限值为1.36， 体心立方固溶体的极限值为1.48。
第三节 二元合金相图的建立
➢ 两个点： 纯铜的熔点 纯镍的熔点 ➢ 两条线： 液相线 固相线 ➢ 三个相区： L α L+α
第三节 二元合金相图的建立
三、相律及杠杆定律 （一）相律及其应用
➢相律是表示在平衡条件下，系统的自由度数、组 元数和相数之间的关系，是系统的平衡条件的数学 表达式。
F＝C－P＋2
第二节 合金的相结构
（五）固溶体的性能 一种重要的强化机制——固溶强化
➢ 固溶强化：随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度 提高，而塑性韧性有所下降的现象。
无论是置换固溶体还是间隙固溶体，均能引起固溶体的 硬度、强度升高。对置换固溶体，溶质原子与溶剂原子 的尺寸差别越大，溶质原子的浓度越高，起强化效果越 显著；对间隙固溶体，溶质原子的半径与间隙的半径差 别越大，强化效果越显著。
或放大镜观察到的形貌图像称为显微组织。 组织由相组成。 同样的相，当它们的形态及分布不同时， 会出现不同的组织，使材料表现不同的性能。
第二节 合金的相结构
组元
合金
相
固溶体
金属化合物
一、固溶体
合金的组元之间以不同比例相互混合后形成的固 相，其晶体结构与组成合金的某一组元的相同，这种 相就称为固溶体，这种组元称为溶剂，其他的组元即 为溶质。工业上所使用的金属材料，绝大部分以固溶 体为基体，有的甚至完全由固溶体所组成。
碳钢的组元：铁和碳 黄铜的组元：锌和铜
根据组元数可以将合金分为： 二元合金，如碳钢 三元合金，如硬铝（Al-Cu-Mg
） 多元合金，如超硬铝
第一节 合金中的相➢相 合金 Nhomakorabea结构相同、成分和性能均一并以界面相
互分开的组成部分。 如：固相、液相；铁碳合金中的相、相等
第一节 合金中的相
➢组织 是一个与相紧密相关的概念。通常，将用肉眼
式中rA、rB分别为A、B两组元的原子半径。 ➢ r 越小，固溶度越大； r 越大，固溶度越小。 ➢ 有利于大量固溶的原子尺寸条件是r ≤15% ➢ 对于铁基固溶体，r ＜8%且两者的晶体结构相 同时，才有可能形成无限固溶体。 ➢ 对于铜基固溶体，只有r ＜ 10%~11%才有可能 形成无限固溶体。
正常价化合物具有较高的硬度，脆性较大。
（二） 电子化合物
IB族或过渡族金属与IIB、IIIA、IVA族元素形成的化合 物，不符合化合价规律，而是按一定电子浓度的比值形 成化合物，电子浓度不同，形成的化合物的结构也不同 。电子化合物的结合键为金属键，熔点一般较高，硬度 高，脆性大，是金属中的重要强化相。
对于工业上应用最广泛的结构材料和工具材料， 由于金属化合物一般均具有较高的熔点、硬度和脆 性，当合金中出现金属化合物时，将使合金的强度 、硬度、耐磨性及耐热性提高（但塑性和韧性有所 降低），因此金属化合物已是这些材料中不可缺少 的合金相。
第二节 合金的相结构
（一）正常价化合物
两种电负性相差较大的元素按通常的化学价形成的化合物。主 要是金属元素与IVA-VIA族元素形成的化合物。具有严格的化合 比，成分固定不变，可用化学式表示。化合物包括从离子键，共 价键过渡到金属键为主的一系列化合物，如MgS、Mg2Sn等。
c r
xL
xS
s
第三节 二元合金相图的建立
1）两平衡相及其成分的确定 若成分为x的Cu-Ni合金， 在T1温度时处在两相区，则通过温度T1做水平线 水平线与液相线的交点在成分坐标轴上的投影xL即为液相 的成分 水平线与固相线的交点在成分坐标轴上的投影xS即为固相 的成分。
例如Cr23C6具有复杂立方结构，包含92个金属原子，24个碳原 子。
第三节 二元合金相图的建立
•相图是表示在平衡条件下合金系中合金的状态与温度、成分 间关系的图解，又称为状态图或平衡图。
一、二元相图的表示方法
• 由于合金的熔炼、加工 处理等都是在常压下进 行，所以合金的状态可 由合金的成分和温度两 个因素确定。对于二元 系合金来说，通常用横 坐标表示成分，纵坐标 表示温度（右图）。E
有与组元完全不同的晶体结构，而间隙固溶体仍然保持着溶剂 组元的晶格类型。 间隙相具有极高的熔点和硬度，具有明显的金属特性。 是合金工具钢及硬质合金的主要强化相。
第二节
2. 间隙化合物
合金的相结构
• 具有复杂的晶体结构。
• Cr、Mn、Fe的碳化物均属此类。如M3C、M7C3、 M23C6
• 有很高的熔点和硬度，但比间隙相的要低，而且加热时也 较易分解。
3.按溶质原子与溶剂原子的相对分布分类
（1）无序固溶体 溶质原子统计地或随机地分布于溶剂 的晶格中，它或占据着与溶剂原子等同的一些位置，或占 据着溶剂原子间的间隙中，看不出有什么次序性或规律性 ，这类固溶体叫做无序固溶体。 （2）有序固溶体 当溶质原子按适当比例并按一定顺序和 一定方向，围绕着溶剂原子分布时，这种固溶体就叫有序 固溶体。
1. 晶格畸变
奥氏体的晶格常数与 含碳量的关系
晶格畸变的大小可由晶格常数的变化所反映。
对置换固溶体来说，当溶质原子较溶剂原子大时， 晶格常数增加；反之，当溶质原子较溶剂原子小时 ，则晶格常数减小。
形成间隙固溶体时，晶格常数总是随着溶质原子的 溶入而增大。
第二节 合金的相结构
2. 偏聚与有序
溶质原子在固溶体中的分布，存在着分布的不均匀性： 当同种原子间的结合力大于异种原子间的结合力时，溶质
第二节 合金的相结构
（一）固溶体的分类
1.按溶质原子在晶格中所占位置分类
（1）置换固溶体 溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固 溶体，犹如这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换一样，因此称之 为置换固溶体。 （2）间隙固溶体 溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是 填入溶剂原子间的一些间隙中，形成间隙固溶体。
当溶质原子（间隙原子）溶入溶剂 后，将使溶剂的晶格常数增加，并 使晶格发生畸变，溶入的溶质原子 越多、尺寸越大，引起的晶格畸变 越大，当畸变量达到一定数值后， 溶剂晶格将变得不稳定。