工程材料学-3合金的相结构与二元合金相图
第三章合金的结构与相图
硬质合金中的重要组成相。
构
如：W2C, VC, TiC, MoC, TiN, VN 等。
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② 间隙化合物
当（d非 /d过）>0.59时，形成
的间隙化合物一般具有复杂的 晶格结构。 如：Fe3C, dC/dFe =0.61, 正交 晶格 特点： 熔点、硬度更高
作用： 在钢中也起强化相作用。
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1. 根据溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同， 可将固溶体分为（ ）和（ ）。 2. 相是指合金中（ ）与（ ）均匀一致的组成部分。 3. 固溶体与金属间化合物在晶体结构和力学性能 方有何不同?
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特点与变化
晶粒的大小与形状无 明显的变化； 位错密度变化不大； 电阻明显降低； 强度硬度略有降低，
可能形成无限固溶体；
对于间隙固溶体，则只能形成有限固溶体。
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3 按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分
➢ 无序固溶体：溶质原子呈无序分布的固溶体； ➢ 有序固溶体：溶质原子呈有序分布的固溶体； ➢间隙固溶体都 是无序固溶体。
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（三）、影响固溶体结构形式和溶解度的因素
1. 原子大小
溶剂与溶质的原子直径差别：
铁原子 碳原子
通常固溶体不能用一个化学式表示
12
（一）. 溶质元素在固溶体中的溶解度
固溶体的浓度： 溶质原子溶于固溶体中的量，称为固溶体的浓度。
质量百分比： C=（溶质元素的质量/固溶体的质量）100% 原子百分比： C=（溶质元素的原子数/固溶体的总原子数）100%
固溶体的溶解度： 在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度称 为溶质元素在固溶体中的溶解度。
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1、金属间化合物的种类
第四章 合金的相结构与二元合金相图
E以上 结晶开始 E点 结晶终了 E以下
tE LE (M N)
Pb-Sn共晶组织
2007-05-12 30
机械工程材料精品课程
第四节 共晶相图
3、亚共晶合金（19%<WSn<61.9%）
tE
室温组织：α+βⅡ+(α+ β) 室温相组成： α+β
a
b
Cu-Ni合金相图的测绘 （a）冷却曲线 （b）Cu-Ni相图
2007-05-12 16
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相图分析工具
三、相律 相律：在平衡条件下，系统自由度f、组元数c 和相数p之 间的数学表达式： f=c-p+2 或 f=c-p+1 (常压) 自由度： 保持相数目不变的条件下，合金系中可以独立改变的内 部和外部因素的数目。 合金系的最大自由度数： 纯 金 属：fmax=1（成分固定不变0，温度1） 二元合金：fmax=2（成分独立变量1、温度1） 三元合金：fmax=3（成分独立变量2、温度1）
B
杠杆定律的力学比喻
ar w 100% ab rb 100% wL ab
以成分为支点，远离该相的线段代表该相。整个线段为总重量。
如ab代表总重量，ra和rb分别带到α 相和L相。
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相图分析工具
杠杆定律： ●本质：在质量守恒的系统中，系统的成分是各子系统 组元含量的加权平均值，其权重就是各子系统的相对数量。 ●应用杠杆定律，关键是正确选择杠杆的两个端点和支 点。杠杆的两个端点分别是组成该系统的两个子系统的成 分点，而杠杆的支点是这两个子系统成分的加权平均值。 男孩女孩共8人，来分 苹果40个。男孩一人分4 个，女孩一人分8个，求 男孩女孩各几个？
工程材料习题集参考答案(第四章)
习题集部分参考答案4合金的结构与相图思考题1.何谓合金？合金中基本的相结构有哪些？答：合金是指两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。
合金中基本的相结构有固溶体、金属化合物两类。
2.相组成物和组织组成物有何区别？答：相组成物是指组成合金中化学成分、结构和性能均匀一致的部分。
组织组成物是指显微组织中具有某种形貌特征的独立部分。
两者的区别在于相组成物是不涉及金相形态的。
3.固溶体合金和共晶合金的力学性能和工艺性能有什么特点？答：固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，但由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度、硬度提高，且大多固溶体还保持着良好的塑性。
而共晶合金组织为二相混合物时，合金的性能与成分呈直线关系。
当共晶组织十分细密时，硬度和强度会偏离直线关系而出现峰值。
共晶合金熔点低，流动性好，易形成集中缩孔，不易形成分散缩孔，铸造性能较好。
4.合金的结晶必须满足哪几个条件？答：合金的结晶需要满足结构、能量和化学成分三个条件（或者叫三个起伏）。
5.纯金属结晶与合金结晶有什么异同？答：相同点：形成晶核、晶核长大；能量和结构条件。
不同点：合金结晶还需要“化学成分条件”；从结晶的自由度看，纯金属结晶是一个恒温过程，而合金的结晶常常在某个温度范围内进行。
6.固溶体的主要类型有哪些?影响固溶体的结构形式和溶解度的因素有哪些？答：按溶质原子在固溶体(溶剂)晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体；按固溶度可分为有限固溶体和无限固溶体；置换固溶体按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点可分为无序固溶体和有序固溶体。
影响固溶体的结构形式和溶解度的因素很多，目前比较公认的有①原子尺寸因素；②晶体结构因素；③电负性因素；④电子浓度因素。
7、试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理，并说明三者的区别。
答：固溶强化是由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度和硬度增加。
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。
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。
第四章 二元合金相图与合金凝固参考答案
第四章二元合金相图与合金凝固一、本章主要内容：相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律；二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼；二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面；共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶；二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶反应的应用铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭中的偏析其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变二元相图总结及分析方法二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图，相图与合金性能的关系相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图二、1.填空1 相律表达式为___f=C-P+2 ___。
2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有___成分_______起伏。
3. 按液固界面微观结构，界面可分为____光滑界面_____和_______粗糙界面___。
4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是______垂直长大机制_____，光滑界面晶体的长大机制是____二维平面长大____和_____依靠晶体缺陷长大___。
5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生__枝晶____偏析，用____均匀化退火___热处理方法可以消除。
6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈___平直状___状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为______树枝___状。
7. 靠近共晶点的亚共晶或过共晶合金，快冷时可能得到全部共晶组织，这称为____伪共晶__。
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6、体心立方晶格原子密度最大的晶面和晶向分别是(
)。
A、{111}、<110>； B、{110}、<111>； C、{100}、<111>
7、在立方晶格中, 晶向指数 [UVW] 与晶面指数 (hkl) 满足 hU + kV + lW = 0 时, 则
此晶面与晶向(
)。
A、平行； B、垂直； C、成 45°夹角
3、面心立方晶格{100}、{110}、{111}晶面的原子密度分别是＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿、
＿＿＿＿＿＿； <100>、<110>、<111>晶向的原子密度分别是＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿、
＿＿＿＿＿＿。 可见, ＿＿＿＿＿＿＿晶面和＿＿＿＿＿＿＿晶向的原子密度最大。
4、与理想晶体比较, 实际金属的晶体结构是＿＿＿晶体, 而且存在＿＿＿＿＿＿。
5、三种典型金属晶格中, ＿＿＿＿＿＿＿＿、＿＿＿＿＿＿＿＿晶格的原子排列是最
紧密的。
6、晶格常数为 a 的面心立方晶胞, 其原子数为＿＿＿＿＿＿, 原子半径为＿＿＿＿
＿ , 配位数为＿＿＿＿＿, 致密度为＿＿＿＿＿＿＿。
7、实际金属中最常见的点缺陷是＿＿＿＿＿＿和＿＿＿＿＿； 线缺陷是＿＿＿＿＿； 面
第一章 金属的晶体结构
一、 名词概念解释
1、金属键、晶体、非晶体 2、晶格、晶胞、晶格常数、致密度、配位数 3、晶面、晶向、晶面指数、晶向指数 4、晶体的各向异性、伪各向同性 5、晶体缺陷、空位、位错、柏氏矢量 6、单晶体、多晶体、晶粒、亚晶粒 7、晶界、亚晶界、相界
二、 思考题
1、常见的金属晶体结构有哪几种? 试画出晶胞简图, 说明其晶格常数特点。 2、α-Fe、γ-Fe、Cu 的晶格常数分别是 2.066A° 、3.64A°、3.6074A°, 求 (1) α-Fe 与 γ-Fe 的原子半径及致密度； (2) 1mm3 Cu 的原子数。 3、画出下列立方晶系的晶面及晶向 (1) (100)、(110)、(111)及[100]、[110]、[111] (2) (101)、(123)及[101]、[123]
二元合金相图与铁碳合金课件
图3-8 杠杆定律的应用
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3.2.2 二元共晶相图
共晶转变——二元合金系中，一定成分的液相，在一定温度下同 时结晶 出两种不相同的固相的转变，称为共晶转变。
二元共晶相图——凡二元合金系中两组元在液态下能完全互溶， 在固态下形成两种不同固相，并发生共晶转变的 的相图属于二元共晶相图。
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3.2.2 二元共晶相图
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3.2 二元合金相图的基本类型
3.2.1 匀晶相图及杠杆定律 3.2.2 共晶相图 3.2.3 包晶相图 3.2.4 具有共析反应的相图 3.2.5 含有稳定化合物的相图
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3.2.1 匀晶相图及杠杆定律
n 凡是二元合金系中两组元在液态下可以任何比例均匀相互溶解，在固态 下能形成无限固溶体时，其相图属于二元匀晶相图。例如Cu-Ni、Fe-Cr、 Au-Ag等合金系都属于这类相图。 由液相结晶出均一固相的过程就称为 匀 晶 转 变 。 下 面 就 以 Cu- Ni合 金 相 图 为 例 ， 对 匀 晶 相 图 进 行 分 析。
这样就获得了Cu-Ni合金相图，如图3-3b所示。
图中各开始结晶温度连成的相界线tA LtB线称为液相线，各
终了结晶温度连成的相界线tAαtB线称为固相线。
5
3.1.1 二元合金相图的建立
图3-3 用热分析法测定Cu-Ni合金相图
6
3.1.1 二元合金相图的建立
(3) 相律 n 按照热力学条件，这种限制可用吉布斯相律表示，即：
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3.2.2 二元共晶相图
合金中相组成物和组织组成物的相对量，均可利用杠杆定律来计算。 合金Ⅲ在183℃ (共晶转变结束后) 时由α、β两相组成，其相对量为：
合金Ⅲ在183℃ (共晶转变结束后) 时由初晶αD与共晶体 (αD+βB) 两 种组织组成物组成，其相对量为：
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格结构的间隙化合物。如 M4X (Fe4N)、 M2X (Fe2N、 W2C)、 MX (TiC、VC、TiN)等。 间隙相具有金属特征和极高的硬 度及熔点，非常稳定。 部分碳化物和所有氮化物属于间 隙相。
VC的晶体结构
§3.1 固态合金中的相结构
3. 金属间化合物的主要性能
具有一定程度的金属性质； 具有较高的熔点； 硬度较高； 脆性高。
5. 学习难点：
准确区分相、组织、相组成物、组织组成物。
§3.1 固态合金中的相结构
3.1.1 相的概念
1. 合金:
是指由两种或两种以上元素组成的 具有金属特性的物质。
2. 合金系:
黄铜
由给定的两个或两个以上的组元按
不同比例配制成的合金总称。
组成合金的元素可以是全部是金属，也 可是金属与非金属。
Pressure
Liquid
Solid Gas
Temperature
水的相图
§3.1 固态合金中的相结构
固态合金中的相分为固溶体和金属间化合物两类。
黄铜置换固溶体组织
铁碳合金中的Fe3C
§3.1 固态合金中的相结构
3.1.2 固溶体（Solid Solution）
与液态的溶液一样，我们可以把一种金属元素原子“溶解” 入另一种固态金属中。
b. 具有复杂结构的间隙化合物
—当r非/r金>0.59时形成复杂 结构间隙化合物。
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子， 形成以化合物为基的固溶体。
Fe3C的晶格
高温合金中的Cr23C6
§3.1 固态合金中的相结构
合金在固态时,组元之间相互溶解，形成在某一组元的晶 格中包含有其他组元原子的新相称为固溶体。
与合金晶体结构相同的元素称溶剂；其它元素称溶质。
§3.1 固态合金中的相结构
3.1.2 固溶体（Solid Solution）
按溶质原子在晶格中所处位置分 为置换固溶体和间隙固溶体。
固溶体是合金的重要组成相，实 际合金多是单相固溶体合金或以 固溶体为基的合金。
组成合金的元素相互作用可形成不同的相。
两合相金
§3.1 固态合金中的相结构
相的基本属性
一致的晶体结构和原子排列方式； 相同的物理、化学性能； 与周围的非同相物质之间有确定的界面； 不同的相可予以机械性分离。
§3.1 固态合金中的相结构
一杯冰水有两相 液相 固相
一碟椒盐也有两相 食盐 花椒
形成间隙固溶体的溶质元素是原 子半径较小的非金属元素，如C、N、B 等，而溶剂元素一般是过渡族元素。
§3.1 固态合金中的相结构 体心立方晶格的八面体间隙
§3.1 固态合金中的相结构
间隙固溶体的结构示意图
形成间隙固溶体的一般规律为:
r质/r剂<0.59
C、N、H、 B、O
§3.1 固态合金中的相结构
Cu-Ni置换固溶体 Fe-C间隙固溶体
§3.1 固态合金中的相结构
1. 置换固溶体：
溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称 有序固溶体。
黄铜置换固溶体组织
§3.1 固态合金中的相结构
2. 间隙固溶体:
溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形 成的固溶体。
2. 电子化合物—符合电子浓度 规律。如Cu3Sn。 电子浓度为价电子数与原子 数的比值。
Al-Mg-Si合金中的Mg2Si Pb基轴承合金中的电子化合物
§3.1 固态合金中的相结构
3. 间隙化合物
—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。
碳 化 钒 的 结 构
§3.1 固态合金中的相结构
Al-Cu两相合金
§3.1 固态合金中的相结构
3. 相(Phase):
单合相金
是指金属或合金中成分、结构
和性能相同，并与其它部分有界面
分开的均匀组成部分。
4. 显微组织(Microstructure): 是指在显微镜下观察到的材料
内部所具有的形态特征，即金属中 各相或各晶粒的形态、数量、大小 和分布的组合。
3. 固溶体的溶解度:
溶质原子在固溶体中的极限浓度。
c
溶质元素的质量 固溶体的总质量
100％
例:
(1)Cu_Ni无限互溶；
溶解度有限度的固溶体称有限固溶体。(2)Cu_Zn溶解度有限； 组元无限互溶的固溶体称无限固溶体。(3)Cu_Pb几乎不溶。
§3.1 固态合金中的相结构
化合物 固溶体
影响固溶体溶解度的主要因素：
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，溶解度越大。 对于间隙固溶体，溶质原子越小，溶解 度越大。
电负性因素: 电负性相差越大，越不利 于形成固溶体。
晶体结构因素：晶格类型相同的置换固 溶体，才有可能形成无限固溶体。
间隙固溶体都是有限固溶体。
Cu-Ni无限固溶体 Cu-Zn有限固溶体
工程材料学
第三章 合金的相结构与二元合金相图
§3.1 固态合金中的相结构 §3.2 二元合金相图的建立 §3.3 匀晶相图及平衡结晶过程 §3.4 二元共晶相图 §3.5 二元包晶相图 §3.6 其他类型的二元合金相图 §3.7 相图与性能的关系
学习要求和难点
学习重点：
1. 固态合金的相结构分类、形成条件和特点。 2. 三种典型二元合金相图特点、结晶过程。 3. 杠杆定律及其应用。 4. 运用相图分析合金的性能。
§3.1 固态合金中的相结构
3.1.3 金属间化合物（Intermetallic Compound）
合金中其晶体结构与组 成元素的晶体结构均不相同 的固相称金属化合物。金属 化合物具有较高的熔点、硬 度和脆性，并可用分子式表 示其组成。
铁碳合金中的Fe3C
§3.1 固态合金中的相结构
1. 正常价化合物—符合正常原 子价规律。如Mg2Si
§3.1 固态合金中的相结构
形成无限固溶体的原子置换示意图
§3.1 固态合金中的相结构
4. 固溶体的性能
随溶质含量增加, 固溶体的强 度、硬度增加, 塑性、韧性下 降—固溶强化。
产生固溶强化的原因是溶质 原子使晶格发生畸变及对位 错的钉扎作用。
与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但 与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。