第2章.合金的相结构与二元合金相图
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第二章二元合金及其相图
二元合金相图的建立 有关相图的基本概念
➢ 相图（状态图）:用来表示合金系中合金在平衡条件下各相的存
在状态与温度、成分之间的解
➢ 平衡相图:相图上表示的组织都是在极其缓慢冷却的条件下所获得
的，都是接近平衡状态的组织，又叫做平衡图。
➢ 组织：在金相显微镜下观察到的具有某种形貌或形态特 征的组成部分。
➢ 相图的建立 （热分析法）
④熔点高、硬而脆
对合金性能的影响
➢ 机械混合物
§3—2 二元合金相图
合金在结晶之后，既可获得单相的固溶体组织，又有可 得到单相的化合物组织，还可得到由固溶体和化合物或 几种固溶体组成的多相组织。并且组元成分、温度还影 响到结晶后所获得的相的性质、数目和相对含量。为了 研究清楚这些问题，我们需要利用相图这一工具。
合金系：由两个或两个以上组元按不同的比例配制成 的一系列不同成分的合金，称为合金系，例如，PbSn系、Fe-Fe3C系；
§3—1固态合金相的种类及特点
合金的相结构
分类
固溶体 或
化合物
➢ 固溶体
固溶体 化合物 机械混合物
概念：在固态下，溶质原子以不同方式进入溶剂金属组元的晶格中 去，这样形成的新相。
化合物。
固溶体的形成对金属性能的影响
固溶强化
原因是：引起晶格畸变
➢ 化合物
概念
分类
金属化合物
非金属化合物
特点（金属化合物）：
①可以用化学式表示，但与普通化合物不同，不一定遵守化合价规律
正常价化合物
电子价化合物 间隙化合物 ②一定程度上具有金属的性质
间隙相 具有复杂结构的间隙化合物
③晶格结构完全不同于任一组元
分为α1，液相的成分为L1（即为合
二元合金相图
第二章二元合金相图纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。
合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。
合金相图正是研究这些规律的有效工具。
一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。
其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。
组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。
由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。
二元以上的合金称多元合金。
合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。
合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。
利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。
掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。
在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。
本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。
2.1 合金中的相及相图的建立在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。
液态物质为液相，固态物质为固相。
相与相之间的转变称为相变。
在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。
由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。
组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。
由不同组织构成的材料具有不同的性能。
合金的结构与二元合金相图
构和组织
• (二) 金属化合物 • 合金中的组元按一定原子数量比相互作用而形成的具有金属特性的新
相叫金属化合物.例如Ｍｇ (六方晶格) 与Ｓｉ (金刚石型晶格) 熔合. 可以形成Ｍｇ２Ｓｉ (立方晶格). 金属化合物一般可用分子式大致表 示其组成. • 金属化合物具有复杂的晶体结构. 熔点较高. 硬度高. 而脆性大. 当它 呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时. 将使合金的强度、硬度及耐 磨性明显提高. 这一现象称为弥散强化. 因此金属化合物在合金中常作 为强化相存在. 它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相.
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第二节 二元合金相图
• ２. 二元合金相图的一般识读 • (１) 相结构或组织状态符号. • Ｌ———液相. α、β、γ———不同的固溶体相结构或晶粒组织. Ｌ ＋
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第一节 合金的结构和组织
• 二、合金相结构的类型 • 在熔合合金中. 两组元的原子怎么熔合在一块呢? 研究发现. 合金中的
组元. 不论是二元或三元的. 原子要么以固溶方式相互熔合. 要么以化 合的方式相互熔合. 所谓固溶. 是一组元保留自己晶格类型. 另外的组 元以原子形式进入其中. 所谓化合. 则是指两组元的原子各以一定数量 比相互作用形成新的第三种晶格类型. • (一) 固溶体 • 以固溶方式形成的相结构叫固溶体. 其中保留了晶格的组元叫溶剂. 进 入它里面的其他组元原子叫溶质. 按溶质原子在溶剂晶格中位置的固 溶方式. 固溶体分为置换型和间隙型两大类.
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第二节 二元合金相图
• 上述合金结晶的特点告诉我们. 对于一个合金系. 仅用一个冷却曲线图 是无法表达清楚的. 必须用更复杂的图形. 这就出现了二元合金相图. 所谓二元合金相图. 是表示二元合金系内相结构或组织状态与温度、 成分之间变化关系的坐标图形. 相图如果是在平衡条件(等温、等压、 等容) 下测定的. 又叫平衡图. 不平衡状态下的相图与平衡状态下的相 图有一定区别.
• (二) 金属化合物 • 合金中的组元按一定原子数量比相互作用而形成的具有金属特性的新
相叫金属化合物.例如Ｍｇ (六方晶格) 与Ｓｉ (金刚石型晶格) 熔合. 可以形成Ｍｇ２Ｓｉ (立方晶格). 金属化合物一般可用分子式大致表 示其组成. • 金属化合物具有复杂的晶体结构. 熔点较高. 硬度高. 而脆性大. 当它 呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时. 将使合金的强度、硬度及耐 磨性明显提高. 这一现象称为弥散强化. 因此金属化合物在合金中常作 为强化相存在. 它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相.
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第二节 二元合金相图
• ２. 二元合金相图的一般识读 • (１) 相结构或组织状态符号. • Ｌ———液相. α、β、γ———不同的固溶体相结构或晶粒组织. Ｌ ＋
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第一节 合金的结构和组织
• 二、合金相结构的类型 • 在熔合合金中. 两组元的原子怎么熔合在一块呢? 研究发现. 合金中的
组元. 不论是二元或三元的. 原子要么以固溶方式相互熔合. 要么以化 合的方式相互熔合. 所谓固溶. 是一组元保留自己晶格类型. 另外的组 元以原子形式进入其中. 所谓化合. 则是指两组元的原子各以一定数量 比相互作用形成新的第三种晶格类型. • (一) 固溶体 • 以固溶方式形成的相结构叫固溶体. 其中保留了晶格的组元叫溶剂. 进 入它里面的其他组元原子叫溶质. 按溶质原子在溶剂晶格中位置的固 溶方式. 固溶体分为置换型和间隙型两大类.
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第二节 二元合金相图
• 上述合金结晶的特点告诉我们. 对于一个合金系. 仅用一个冷却曲线图 是无法表达清楚的. 必须用更复杂的图形. 这就出现了二元合金相图. 所谓二元合金相图. 是表示二元合金系内相结构或组织状态与温度、 成分之间变化关系的坐标图形. 相图如果是在平衡条件(等温、等压、 等容) 下测定的. 又叫平衡图. 不平衡状态下的相图与平衡状态下的相 图有一定区别.
二元合金结构与相图
相结构与相图
相： 合金中具有一样成分和一样构造〔聚集 状态〕并以界面分开的、均匀的组成局部。 固态金属一般是一个相，而合金那么可 能是几个相。由于形成条件不同，各相可以 不同的数量、形状、大小组合。在显微镜下 观察，可以看到不同的组织。
固态合金的相可分成两类：
固溶体：假设相的晶体构造与某一组成元素 的晶体构造一样，这种固相称为固溶体；
〔1〕置换固溶体
〔2〕间隙固溶体
〔3〕固溶体的溶解度
〔4〕固溶体的性能
相结构与相图
〔1〕置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位
置而形成的固溶体。 形成条件：
溶剂与溶质原子尺 寸相近。
溶质原子 溶剂原子
置换固溶体
相结构与相图
〔2〕间隙固溶体
溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而形 成的固溶体。
形成条件：
L
垂线与相线的交点
做出冷却速度曲线
Ni
时间
相结构与相图
〔1〕单相区中，不管温度怎么变化 单相的成份=合金的成份， 单相的重量=合金的重量。
〔2〕两相区中的两个相随温度变化会 发生两个变化： ①两个相的成分随温度变化分别沿各 自的相线变化〔水平温度线〕 ②两个相的相对重量随温度变化也要 发生变化〔杠杆定律〕
求合金Ⅰ在温度t3下 两个相的相对重量
L
t3
QXQaQQLLXL 1 X0
Q
QL
QL
(
X0 XL
Xa Xa
) 1 0 0%
Q
( XL XL
X0 Xa
) 1 0 0%
A
Xa X0 XL B
QL X0 Xa Q XL X0
相结构与相图
例：求含Ni60%的Cu-Ni合金，冷却至温度
第2章合金的相结构与二元合金相图
缓冷
有序变化：导致合金硬度、脆性增加，塑性、电阻率下降。
固态合金中的相结构
完全无序
第二章
偏聚
部分有序
完全有序
固态合金中的相结构
第二章
（二）溶质元素在固溶体中的溶解度
c
溶质元素的质量 固溶体的总质量
100％
质量分数
c
溶质元素的原子数 固溶体的总原子数
100％
摩尔百分数
固态合金中的相结构
第二章
（三）影响固溶体结构和溶解度的因素
第二章
（2）具有复杂结构的间隙化 合物
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要 组成相，具有复杂斜方晶格。
化合物也可溶入其它元素原
Fe3C的晶格
子，形成以化合物为基的固
溶体。
高温合金中的Cr23C6
（3） 拉弗斯相： 组元间的原子尺寸之差处于间隙化合 物与电子化合物之间。
第二章
3、电子含量因素（原子价因素）: 电子含量：各组成元素的价电子数的总和与原子数的比值。 如溶质的摩尔分数为 x ％ ，则电子含量表示为：
c e a [xv u(100 x)]/100 一定形式的固溶体，能稳定地存在于一定的电子含量范围内。 一价金属溶剂，bcc电子极限含量1.36
fcc电子极限含量1.48
固态合金中的相结构
第二章
4.相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面 分开的物质均匀组成部分，称之为相。
5.组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大 小、方向、形状、分布及相互结合状态。
(a)纯铁单相显微组织
(b)Al+Cu两相显微组织
固态合金中的相结构
第二章
在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分， 可分为固溶体和中间相两大类。
有序变化：导致合金硬度、脆性增加，塑性、电阻率下降。
固态合金中的相结构
完全无序
第二章
偏聚
部分有序
完全有序
固态合金中的相结构
第二章
（二）溶质元素在固溶体中的溶解度
c
溶质元素的质量 固溶体的总质量
100％
质量分数
c
溶质元素的原子数 固溶体的总原子数
100％
摩尔百分数
固态合金中的相结构
第二章
（三）影响固溶体结构和溶解度的因素
第二章
（2）具有复杂结构的间隙化 合物
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要 组成相，具有复杂斜方晶格。
化合物也可溶入其它元素原
Fe3C的晶格
子，形成以化合物为基的固
溶体。
高温合金中的Cr23C6
（3） 拉弗斯相： 组元间的原子尺寸之差处于间隙化合 物与电子化合物之间。
第二章
3、电子含量因素（原子价因素）: 电子含量：各组成元素的价电子数的总和与原子数的比值。 如溶质的摩尔分数为 x ％ ，则电子含量表示为：
c e a [xv u(100 x)]/100 一定形式的固溶体，能稳定地存在于一定的电子含量范围内。 一价金属溶剂，bcc电子极限含量1.36
fcc电子极限含量1.48
固态合金中的相结构
第二章
4.相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面 分开的物质均匀组成部分，称之为相。
5.组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大 小、方向、形状、分布及相互结合状态。
(a)纯铁单相显微组织
(b)Al+Cu两相显微组织
固态合金中的相结构
第二章
在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分， 可分为固溶体和中间相两大类。
第二节 二元合金相图
α+β
Pb 无论从何处开始, 无论从何处开始
LE⇔ α 体系点达到共晶线 M
液相组成达到E点 液相组成达到 点
+ βN
共晶反应要点
• • • • 共晶转变在恒温下进行。 共晶转变在恒温下进行。 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。
f 4
X1
冷却曲线 t
(3)X2合金结晶过程分析
共晶合金） （共晶合金）
L T,°C L
T,°C °
(α+ β) α
L
183
α
L+ α
M
L
E
L+ β
Nβ
L→(α+ β) 共晶体 α
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共晶转变： 共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固 相的转变。 相的转变。 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。（液态无限互溶、 。（液态无限互溶 共晶相图：具有共晶转变特征的相图。（液态无限互溶、 固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。 固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。) 共晶组织：共晶转变产物（是两相混合物） 共晶组织：共晶转变产物（是两相混合物） 。
3 合金的平衡结晶及其组织 （以Pb-Sn相图为例） Pb-Sn相图为例） 相图为例
第二章金属与合金的晶体结构和二元合金相图
第二章 金属与合金的晶体结构 和二元合金相图
金属的性能取决于组织，组织取决于 成分与加工工艺。因此，必须研究金 属与合金的内部组织结构及他们与成 分、温度及加工方法等因素之间的相 互关系。
金属原子是通过正离子与自由电子的 相互作用而结合的，称为金属键。
金属原子趋向于紧密排列。 金属具有良好的导热性、导电性、延
5、晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。 6、配位数：晶格中与任
一原子距离最近且相等的 原子数目。 7、致密度：晶胞中原子 本身所占的体积百分数。
致密度越大，原子排列越紧密。因此，当晶体从面 心立方晶格转变为体心立方晶格时，由于致密度减小而 体积膨胀。 8、晶面：在金属晶体中，经过一系列原子所构成的平面。 9、晶向：通过两个以上原子的直线，表示某一原子在空 间的位置。 10、晶面（晶向）指数：表示不同位相的晶面或晶向的符 号。(111);[110]
致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
三、实际金属的晶体结构
1、单晶体和多晶体 单晶体：其内部晶格方位完 全一致的晶体。 多晶体： 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，这些小晶体称为晶粒。变 形金属晶粒尺寸约1~100m，铸造金属可达几mm。
面心立方的四面体和八面体间隙 体心立方的四面体和八面体间隙
③ 置换原子： 取代原来原子位置的外来原 子称置换原子。
点缺陷破坏了原子的平衡状 态，使晶格发生扭曲，称晶
格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
空位
间隙原子
小置换原子
大置换原子
⑵ 线缺陷—晶体中的位错 位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生 局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称 作位错。有刃型位错和螺型位错两种类型。
金属的性能取决于组织，组织取决于 成分与加工工艺。因此，必须研究金 属与合金的内部组织结构及他们与成 分、温度及加工方法等因素之间的相 互关系。
金属原子是通过正离子与自由电子的 相互作用而结合的，称为金属键。
金属原子趋向于紧密排列。 金属具有良好的导热性、导电性、延
5、晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。 6、配位数：晶格中与任
一原子距离最近且相等的 原子数目。 7、致密度：晶胞中原子 本身所占的体积百分数。
致密度越大，原子排列越紧密。因此，当晶体从面 心立方晶格转变为体心立方晶格时，由于致密度减小而 体积膨胀。 8、晶面：在金属晶体中，经过一系列原子所构成的平面。 9、晶向：通过两个以上原子的直线，表示某一原子在空 间的位置。 10、晶面（晶向）指数：表示不同位相的晶面或晶向的符 号。(111);[110]
致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
三、实际金属的晶体结构
1、单晶体和多晶体 单晶体：其内部晶格方位完 全一致的晶体。 多晶体： 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，这些小晶体称为晶粒。变 形金属晶粒尺寸约1~100m，铸造金属可达几mm。
面心立方的四面体和八面体间隙 体心立方的四面体和八面体间隙
③ 置换原子： 取代原来原子位置的外来原 子称置换原子。
点缺陷破坏了原子的平衡状 态，使晶格发生扭曲，称晶
格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
空位
间隙原子
小置换原子
大置换原子
⑵ 线缺陷—晶体中的位错 位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生 局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称 作位错。有刃型位错和螺型位错两种类型。
第二章 二元合金的相结构与相图
第二章二元合金的相结构与相图由于纯金属的机械性能比较低，很难满足机械制造业对材料性能的要求，尤其是一些特殊性能如高强度、耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等的要求，加上它冶炼困难，价格昂贵，所以在工业生产中广泛使用的金属材料主要是合金。
合金的性能比纯金属的优异，主要是因为合金的结构与组织与纯金属不同，而合金的组织是合金结晶后得到的，合金相图就是反映合金结晶过程的重要资料，也是制订各种热加工工艺的重要理论依据，所以本章着重介绍合金的结构与相图。
§2.1 合金的相结构相指具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相，合金在室温时只有一个相组成的合金称为单相合金，由两个相组成的合金称为两相合金。
由多个相组成的合金称为多相合金。
组织指用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像，一般用肉眼观察到的称为宏观组织，用显微镜放大后观察到的组织称为微观组织。
材料的组织是由相组成的，当组成相的数量、大小、形态和分布不同时，其组织也就不同。
从而导致其性能不同，因此可以通过改变合金的组织来改变合金的性能。
合金系由给定的若干组元按不同的比例配制成的一系列不同成分的合金，为一个合金系统，简称为合金系。
如由A、B两个组元配制成的称为A-B二元系，同样由三个组元或多个组元配制成的称为三元系合金或多元系合金，本章主要介绍二元系合金的有关知识。
由于组成合金的各组元的结构和性质不同，因此它们在组成合金时，它们之间的相互作用也就不同，所以它们之间可以形成许多不同的相。
但按这些相的结构特点，可以将它们分为两大类：即固溶体和金属间化合物。
固溶体的主要特点是：其晶体结构与溶剂组元的相同；而金属间化合物的主要特点是其晶体结构与两组元的结构均不相同，而是一种新的晶体结构。
一. 固溶体1. 固溶体由两种或两种以上组元在固态下相互溶解，而形成得具有溶剂晶格结构的单一的、均匀的物质。
1) 溶剂：固溶体中含量较多的并保留原有晶格结构的组元称为溶剂。
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固态合金中的相结构
第二章
第二相质点强化（弥散强化） 第二相质点强化（弥散强化） 定义： 定义： 固溶体的综合机械性能较好 中间相熔点和硬度较高，稳定，脆性大。 中间相熔点和硬度较高，稳定，脆性大。
固溶体基体上 + 强度、硬度及耐磨性↑ 强度、硬度及耐磨性↑ 弥散分布的 金属间化合物颗粒
本质：第二相粒子阻碍位错运动，提高变形强度。 本质：第二相粒子阻碍位错运动，提高变形强度。
第二章
二、固溶体
固溶体： 固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。 的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。其 实质是固态溶液。 实质是固态溶液。 α – Fe + C = F ( 铁素体 ) 如： 体心 六方 体心 溶剂：保留本身晶体结构的组元为溶剂， 溶剂：保留本身晶体结构的组元为溶剂，在固溶体中 含量较多。 含量较多。 溶质：解散本身的结构以原子的形式分散到晶格中， 溶质：解散本身的结构以原子的形式分散到晶格中， 在固熔体中含量较少。 在固熔体中含量较少。
二元合金相图的建立
第二章
§ 2.2 二元合金相图的建立
一、 相图的基本知识
组元：组成材料最基本、独立的物质。可以是元素，也可以 组元：组成材料最基本、独立的物质。可以是元素， 是化合物。 是化合物。 合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合 合金系： 金的总称。 金的总称。如Fe-C，Zn-Al等。 ， 等 相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的物质 凡成分相同、 均匀组成部分，称之为相。 均匀组成部分，称之为相。 组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大小、方向、 组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大小、方向、 形状、分布及相互结合状态。 形状、分布及相互结合状态。
c = e = [ xv + u (100 x)] / 100 a 一定形式的固溶体，能稳定地存在于一定的电子含量范围内。 一定形式的固溶体，能稳定地存在于一定的电子含量范围内。 一价金属溶剂， 电子极限含量1.36 一价金属溶剂，bcc电子极限含量 电子极限含量 fcc电子极限含量 电子极限含量1.48 电子极限含量
固态合金中的相结构
第二章
正常价化合物— 1. 正常价化合物—电负性 差别较大， 差别较大，符合化合的原 子价规律: 子价规律: Mg2Si、 SiC Si、 电子化合物— 2. 电子化合物—符合电子 浓度规律。 Sn。 浓度规律。如Cu3Sn。 电子浓度为价电子数与 原子数的比值。 原子数的比值。
AB2 ， da/db＝1.225 MgCu2、 MgZn2、 MgNi2
固态合金中的相结构
第二章
4、 金属间化合物的主要性能 具有一定程度的金属性质； 具有一定程度的金属性质； 具有较高的熔点； 具有较高的熔点； 硬度较高； 硬度较高； 脆性高。 脆性高。 当合金中出现金属间化合物时， 当合金中出现金属间化合物时，可提高其强 硬度和耐磨性，但降低塑性。 度、硬度和耐磨性，但降低塑性。 金属间化合物也是合金的重要组成相。 金属间化合物也是合金的重要组成相。
固态合金中的相结构
第二章
（一）固溶体的结构与分类 固溶体的分类1 固溶体的分类1： 按溶质原子在溶剂晶格中位置分类 置换固溶体：溶质原子代替部分溶剂晶格结点 置换固溶体： 位置。 位置。R质/R剂>0.59。Cu－Ni合金 。 － 合金 间隙固溶体： 间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格中结点间 的空隙位置。 的空隙位置。R质/R剂<0.59。铁素体 。铁素体(Fe-C)。 。
摩尔百分数
固态合金中的相结构
第二章
（三）影响固溶体结构和溶解度的因素
1、尺寸因素: 对于置换固溶体，溶质、 尺寸因素: 对于置换固溶体，溶质、 溶剂原子间的尺寸相差越小， 溶剂原子间的尺寸相差越小，溶解度越 对于间隙固溶体，溶质原子越小， 大。对于间隙固溶体，溶质原子越小， 溶解度越大。 溶解度越大。 置换固溶体引起正、 置换固溶体引起正、负畸变 间隙固溶体引起正畸变 2、电负性因素: 电负性相差越大，越 电负性因素: 电负性相差越大， 不利于形成固溶体。 不利于形成固溶体。
升温 缓冷
无序
有序变化：导致合金硬度、脆性增加，塑性、电阻率下降。 有序变化：导致合金硬度、脆性增加，塑性、电阻率下降。
固态合金中的相结构
第二章
完全无序
偏聚
部分有序
完全有序
固态合金中的相结构
第二章
（二）溶质元素在固溶体中的溶解度
溶质元素的质量 c= ×100％ 固溶体的总质量
质量分数
溶质元素的原子数 c= × 100％ 固溶体的总原子数
固态合金中的相结构
第二章
4.相 凡成分相同、 4.相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面 分开的物质均匀组成部分，称之为相。 分开的物质均匀组成部分，称之为相。 5.组织： 5.组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大 组织 方向、形状、分布及相互结合状态。 小、方向、形状、分布及相互结合状态。
(a)纯铁单相显微组织 (a)纯铁单相显微组织
(b)Al+Cu两相显微组织 (b)Al+Cu两相显微组织
固态合金中的相结构
第二章
在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分， 在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分， 可分为固溶体 中间相两大类 固溶体和 两大类。 可分为固溶体和中间相两大类。
固态合金中的相结构
固态合金中的相结构
第二章
固溶强化 定义： 定义：通过溶入某种溶质原子形成固溶体而 使金属的强度、硬度升高的现象， 使金属的强度、 硬度升高的现象 ，称为固溶 强化。 强化。 本质:溶质原子溶入晶格畸变 本质:溶质原子溶入晶格畸变位错滑移阻 金属塑性变形困难强度、硬度↑ 力↑ 金属塑性变形困难强度、硬度↑
固态合金中的相结构
第二章
置换固溶体
间隙固溶体
固态合金中的相结构
第二章
固溶体的分类2： 固溶体的分类2 按溶质原子在溶剂中的溶解度分类 无限型固溶体： 无限型固溶体：溶质和溶剂 两种晶体可以按任意比例无 限制地相互固溶。 限制地相互固溶。
例:
(1)Cu_Ni无限互溶； 无限互溶； 无限互溶
有限型固溶体： 有限型固溶体：溶质只能以一 (2)Cu_Zn溶解度有限； 溶解度有限； 溶解度有限 定的溶解限量溶入到溶剂中 。
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第二章
三、中间相
两组元间的相对尺寸差、 两组元间的相对尺寸差、电子含量及电负性差都有 一定溶限， 一定溶限，溶质原子含量超过此溶限形成的一种新 具有一定金属特性，亦称为金属间化合物。 相。具有一定金属特性，亦称为金属间化合物。 中间相的结构不同于此相中的任一组元。 中间相的结构不同于此相中的任一组元。 金属化合物具有一般仍具有一定的金属特性。 金属化合物具有一般仍具有一定的金属特性。较高的 一般仍具有一定的金属特性 熔点、硬度和脆性，有些还具有特殊的物理、 熔点、硬度和脆性，有些还具有特殊的物理、化学 性能。 可用A 表示其组成。 性能。并可用 mBn表示其组成。 正常价化合物、电子化和物、 正常价化合物、电子化和物、尺寸因素化合物
Pb基轴承合金中的电子化合物 Pb基轴承合金中的电子化合物 Al-Mg-Si合金中的 2Si 合金中的Mg 合金中的
固态合金中的相结构
第二章
3. 尺寸因素化合物－间隙化合物 尺寸因素化合物－间隙化合物 由过渡族元素与C —由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金 属元素组成。 属元素组成。 （1）间隙化合物：具有简单晶格结构的间隙化合物。 间隙化合物：具有简单晶格结构的间隙化合物。 大尺寸金属元素占据晶格正常位置， 大尺寸金属元素占据晶格正常位置，小尺寸非金属元素占 据间隙位置 M4X fcc (Fe4N) 、 M2X hcp (Fe2N、W2C) 、 (TiC、VC、TiN)等 MX (TiC、VC、TiN)等。 fcc(TiC、VC、TiN)等 MX2 fcc(TiC、VC、TiN)等。
Fe3C的晶格 的晶格
（3） 拉弗斯相： 组元间的原子尺寸之差处于间隙化合 拉弗斯相：
物与电子化合物之间。 物与电子化合物之间。 借大小原子排列的配合而实现的密排结构，较小的B 借大小原子排列的配合而实现的密排结构，较小的B原 子围绕A 较大的A 子围绕A原子组成小四面体 ，较大的A原子位于这些 小四面体的间隙
(3)Cu_Pb几乎不溶。 几乎不溶。 几乎不溶
固态合金中的相结构
第二章
A B% B
形成无限固溶体的原子置换示意图
只有置换固熔体才能形成无限固熔体， 只有置换固熔体才能形成无限固熔体，对于 间隙固溶体，只能形成有限固溶体。 间隙固溶体，只能形成有限固溶体。
固态合金中的相结构
第二章
固溶体的分类3 固溶体的分类3： 按溶质原子在溶剂中的排列分类 无序固溶体：溶质原子呈无序排列。 无序固溶体：溶质原子呈无序排列。 有序固溶体（超结构）：溶质原子排列有一定 有序固溶体（超结构）：溶质原子排列有一定 ）： 的规律性。 有序
合金的结构： 合金的结构：
由不同的相组成（化学成分、晶体结构） 由不同的相组成（化学成分、晶体结构）
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第二章
一、基本概念
组元：组成材料最基本、独立的物质。 1. 组元：组成材料最基本、独立的物质。可以是 元素，也可以是化合物。 元素，也可以是化合物。 合金：由两种或两种以上的金属、 2. 合金：由两种或两种以上的金属、金属与非金 经熔炼、 属，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金 属性的物质称合金。 属性的物质称合金。 合金系： 3. 合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系 列不同成分合金的总称。 FeZn-Al等 列不同成分合金的总称。如Fe-C，Zn-Al等。
第2章 合金的相结构与 二元合金相图
§ § § § § 2.1 2.2 2.3 2.4 2.3 固态合金中的相结构 二元合金相图的建立 匀晶相图 二元共晶相图 二元包晶相图