第四章 合金的结构和结晶
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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。
5 第四章 金属的凝固与固态相变
晶核形成： 自发形核（均匀形核）； 非自发形核（非均匀形核）。 晶核长大： 平面状长大； 树枝状长大。
9
4.1纯金属的结晶
形核与长大：
10
4.1纯金属的结晶
树枝状长大
11
4.1纯金属的结晶
影响形核和长大的因素：
过冷度 难熔杂质
12
4.1纯金属的结晶
晶粒度：单位体积或单位面积上的晶粒 数目/晶粒尺寸。晶粒 平衡结晶过程：
ＬＬ＋
25
1.匀晶相图
杠杆定律：结晶过程中的成分变化和两 相相对量的变化。 两相区中Q/QＬ＝ab/bc
26
1.匀晶相图
原因：固相中原子扩散速 度慢，跟不上结晶速度
晶内偏析（属于微观偏析）
枝晶偏析
消除办法：高温扩散退火
27
2.共晶相图
亚共晶合金
44
2.共晶相图
亚共晶合金L L+ (M+N )+ M L
L+
(M+N )+ M 冷却 曲线
45
2.共晶相图
亚共晶合金L L+ (M+N )+ M
( M+ N )
46
2.共晶相图
亚共晶合金L L+ (M+N )+ M 过共晶合金L L+ (M+N )+ N
液相线与固相线之间为 两相区，液相与固相平 衡共存
22
4.2.1二元合金相图与凝固（结晶）
相图的分类： 匀晶相图 共晶相图 包晶相图 其它相图
《金属材料与热处理》第四章铁碳合金
34
学习情境四：铁碳合金 4.3
4、在焊接方面的应用 焊接时由焊缝到母材各区域的温度是不同的，根据Fe－Fe3C 相图可知，受到不同加热温度的各区域在随后的冷却中可能 会出现不同的组织和性能。这需要在焊接之后采用相应的热 处理方法加以改善。 5、在热处理方面的应用
Fe－Fe3C相图是制订热处理工艺的依据。应用Fe－Fe3C相 图可以正确选择各种碳钢的退火、正火、淬火等热处理的 加热温度范围。由于含碳量的不同，各种碳钢热处理的加 热温度和组织转变也各不相同，都可从状态图中求得。
31
学习情境四：铁碳合金 4.4
1、在钢铁材料选用方面的应用
Fe－Fe3C相图反映了铁碳合金的组织、性能随成分的变化 规律，为钢铁材料的选用提供了依据。如各种型钢及桥梁、船 舶、各种建筑结构等，都需要强度较高、塑性及韧性好、焊接 性能好的材料，故一般选用含碳量较低（WC＜0.25％）的钢材； 各种机械零件要求强度、塑性、韧性等综合性能较好的材料， 一般选用碳含量适中（WC＝0.30％～0.55％）的钢；各类工具、 刃具、量具、模具要求硬度高，耐磨性好的材料，则可选用含 碳量较高（WC＝0.70％～1.2％）的钢。纯铁的强度低，不宜 用作工程材料。白口铸铁硬度高、脆性大，不能锻造和切削加 工，但铸造性能好，耐磨性高，适于制造不受冲击、要求耐磨、 形状复杂的工件，如冷轧辊、球磨机的铁球等。
29
学习情境四：铁碳合金 4.4
低碳钢：Wc=0.1-0.25% 中碳钢：Wc=0.25-0.6% 高碳钢：Wc=0.6-1.4% 随着Wc的增加，硬度、强度都增加。
30
学习情境四：铁碳合金 4.3
三、铁碳合金状态图的应用
1、在钢铁材料选用方面 2、在铸造生产上的应用 3、在锻造方面的应用 4、在焊接方面的应用 5、在热处理方面的应用
学习情境四：铁碳合金 4.3
4、在焊接方面的应用 焊接时由焊缝到母材各区域的温度是不同的，根据Fe－Fe3C 相图可知，受到不同加热温度的各区域在随后的冷却中可能 会出现不同的组织和性能。这需要在焊接之后采用相应的热 处理方法加以改善。 5、在热处理方面的应用
Fe－Fe3C相图是制订热处理工艺的依据。应用Fe－Fe3C相 图可以正确选择各种碳钢的退火、正火、淬火等热处理的 加热温度范围。由于含碳量的不同，各种碳钢热处理的加 热温度和组织转变也各不相同，都可从状态图中求得。
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学习情境四：铁碳合金 4.4
1、在钢铁材料选用方面的应用
Fe－Fe3C相图反映了铁碳合金的组织、性能随成分的变化 规律，为钢铁材料的选用提供了依据。如各种型钢及桥梁、船 舶、各种建筑结构等，都需要强度较高、塑性及韧性好、焊接 性能好的材料，故一般选用含碳量较低（WC＜0.25％）的钢材； 各种机械零件要求强度、塑性、韧性等综合性能较好的材料， 一般选用碳含量适中（WC＝0.30％～0.55％）的钢；各类工具、 刃具、量具、模具要求硬度高，耐磨性好的材料，则可选用含 碳量较高（WC＝0.70％～1.2％）的钢。纯铁的强度低，不宜 用作工程材料。白口铸铁硬度高、脆性大，不能锻造和切削加 工，但铸造性能好，耐磨性高，适于制造不受冲击、要求耐磨、 形状复杂的工件，如冷轧辊、球磨机的铁球等。
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学习情境四：铁碳合金 4.4
低碳钢：Wc=0.1-0.25% 中碳钢：Wc=0.25-0.6% 高碳钢：Wc=0.6-1.4% 随着Wc的增加，硬度、强度都增加。
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学习情境四：铁碳合金 4.3
三、铁碳合金状态图的应用
1、在钢铁材料选用方面 2、在铸造生产上的应用 3、在锻造方面的应用 4、在焊接方面的应用 5、在热处理方面的应用
第四章金属及合金的塑性变形和再结晶2
（二） 晶粒大小对金属力学性能的影响 金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。 金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。 因为金属晶粒越 细，晶界总面积 越大， 越大，位错障碍 越多；需要协调 越多； 的具有不同位向 的晶粒越多， 的晶粒越多，使 金属塑性变形的 抗力越高。 抗力越高。
晶 粒 大 小 与 金 属 强 度 关 系
二、多相合金的塑性变形与弥散强化 当合金的组织由多相混合物组成时，合金的塑性变 当合金的组织由多相混合物组成时， 形除与合金基体的性质 有关外， 有关外， 还与第二相的性质、形 还与第二相的性质、 态、大小、数量和分布 大小、 有关。 有关。
固溶体第二相) α+β钛合金 固溶体第二相 β钛合金(固溶体第二相
应变
脆性 材料 塑性材料
通过细化晶粒来同时 提高金属的强度、 提高金属的强度、硬 度、塑性和韧性的方 法称细晶强化 细晶强化。 法称细晶强化。
三、合金的塑性变形
合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种. 合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种 单相固溶体 合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同 合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同.
密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。 密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。 体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生 孪生变形。面心立方晶格金属， 孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变 形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原 但常发现有孪晶存在， 子重新排列时发生错排而产生的， 退火孪晶。 子重新排列时发生错排而产生的，称退火孪晶。
钛合金六方相中的形变孪晶
奥氏体不锈钢中退火孪晶
二、多晶体金属的塑性变形
单个晶粒变形与单晶体相似 多晶 单个晶粒变形与单晶体相似,多晶 体变形比单晶体复杂。 体变形比单晶体复杂。 ㈠晶界及晶粒位向差的影响 1、晶界的影响 、 当位错运动到晶界附近时，受到 当位错运动到晶界附近时， 晶界的阻碍而堆积起来,称位错的 晶界的阻碍而堆积起来 称 塞积。要使变形继续进行 塞积。要使变形继续进行, 则必 须增加外力, 须增加外力 从而使金属的变形 抗力提高。 抗力提高。
二元合金的相图
+ Ⅱ
组织组成物
Ⅱ
冷却曲线
t
组织中，由一定的相构成 的，具有一定形态特征的 组成部分。
X2合金结晶过程分析 （共晶合金）
T,C
L
T,C
L
(+ )
183
L+
M
L
E
L
L+
N
L(+ ) 共晶体
(+ )
+
Pb Sn X2
冷却曲线
t
(+ )
铅锡共晶合金的显微组织
液固相线距离愈小， 结晶温度范围愈小，则流 动性好，不易形成分散缩 孔，铸造性能好。 共晶成分的合金铸造 性能最好。
锻造、轧制性能：
单相固溶体合金， 变形抗力小，变形均匀， 不易开裂，锻造、轧制性 能最好。
T,C
T,C L
1
L L+(+ )+
L+
183
L+
M
E
+
L+ N
2
(+ )+
(+ )+ + Ⅱ
Sn
Pb
X3
t
亚共晶合金的平衡结晶过程
(+ )+ + Ⅱ
β II
α
α+β
WSn50%的Pb-Sn合金的显微组织
(+ )+ + Ⅱ
L
T,C
3 F 4 X1
L+
M
c
LEL+ 来自L L+
e
N
第四章 二元合金
2.1.2置换固溶体： 2..1.2.1形成置换固溶体造成的后果－固溶强化； 固溶强化：当溶质原子溶入溶剂晶格时，将 造成晶格畸变，如图所示，使强度、硬度增 加的现象；
2.1.2.2影响固溶度的因素： ①原子尺寸因素：组元间的原子半径越接近，则 固溶体的固溶度越大。 原因：晶格畸变；
2
• 当温度缓冷到 3点，温度冷 却到t3时，结 晶结束，得到 与原合金成分 相同的α固溶 体。
结晶规律： ①在温度不断下降过程中，液相的成分不断的沿着 液相线变化， α相的成分不断的沿着固相线变化； ② α相的数量不断增多，液相的数量不断减少，在 一定温度下，两相的相对含量可以用杠杆定律计 算。
•综上所述，形成无限固溶体的必要条件： ①晶体结构相同； ②电化学性质（负电性）相近； ③原子尺寸相近； ④溶质元素的原子价要小；
2.1.3间隙固溶体：原子半径很小的溶质原子溶入到 溶剂中时，不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而 是填入到晶格的间隙中，形成间隙固溶体。
说明：
①间隙固溶体只能是有限固溶体； ②形成条件：
3.3杠杆定律（只适用于两相区） 杠杆定律适用于二元系合金中，在两相区中确 定相的相对含量。 在Cu-Ni二元合金 中，Ni的含量为C% 的合金Ⅰ在温度t1时， 两相平衡 L 通过温度t1作一水平 线段arb，CL、Cα分 别表示液、固两相 的成分。
下面计算液相和固相的相对含量。设合金的总 质量为1，液相的质量为WL，固相的质量为Wα， 则WL+ Wα=1
• 宏观组织：用肉眼或放大镜观察到的组织；
• 微观组织：用显微镜观察到的组织；
• 电子显微组织：用电子显微镜观察到的组织；
2、相的分类
根据相的晶体结构特点分为两大类：固溶体和 金属化合物。
第四章金属及合金的塑性变形和再结晶1
⑵ 滑移常沿晶体中原 子密度最大的晶面和 晶向发生。 晶向发生 。 因原子密 度最大的晶面和晶向 之间原子间距最大， 之间原子间距最大 ， 结合力最弱， 结合力最弱 ， 产生滑 移所需切应力最小。 移所需切应力最小。 沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和 沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移 滑移面 方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。 方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。
5万吨水压机 万吨体金属的塑性变形 单晶体受力后， 单晶体受力后，外力在 任何晶面上都可分解为 正应力和切应力。 正应力和切应力。正应 力只能引起弹性变形及 解理断裂。 解理断裂。只有在切应 力的作用下金属晶体才 能产生塑性变形。 能产生塑性变形。
外 力 在 晶 面 上 的 分 解 切 应 力 作 用 下 的 变 形 锌 单 晶 的 拉 伸 照 片
一个滑移面 和其上的一 个滑移方向 构成一个滑 构成一个滑 移系。 移系。
三种典型金属晶格的滑移系
晶格 滑移面 {110} {110} {111} 滑移 方向 滑移系 体心立方晶格 {111} 面心立方晶格 密排六方晶格
滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大， 滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也 越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。 越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。 因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格 因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格, 体心立方晶格好于密排六方晶格。 体心立方晶格好于密排六方晶格。
韧性断口
脆性解理断口
塑性变形的形式：滑移和孪生。 塑性变形的形式：滑移和孪生。 金属常以滑移方式发生塑性变形。 金属常以滑移方式发生塑性变形。 ㈠ 滑移 滑移是指晶体的一部分沿一定的晶 滑移是指晶体的一部分沿一定的晶 面和晶向相对于另一部分发生滑动 位移的现象。 位移的现象。
第四章二元合金
⒍结构：
原子尺度的材料形貌（晶格类型、晶胞 尺寸等）用射线确定。
第一节 合金的相结构
一、 固溶体 合金在固态时，组元间会相互溶解， 形成一种在某种组元的晶格中包含有其它组元 的新相称为固溶体。
晶格与固溶体相同的组元－溶剂。 晶格与固溶体不同的组元－溶质。 固溶体又划分为：置换固溶体，间隙固溶体。
（一） 置换固溶体： 溶质的原子，对溶剂晶格上某些结点位置的 原子置换而形成的，见图4－1。 这种置换引起： ⒈ 固溶强化：“置换”，使溶剂晶格畸变，引 起 固溶体强度、硬度提高，物理性能变化。这是 提高合金机械性能的重要手段之一。 见图 4－2：
一、 化合物：
⒈ 定义： 合金中，当溶质含量超过溶解度时，将 析出新相，当新相的晶格与合金任一组元都不同， 则新相为化合物。 当新相的晶格与合金的另一组元（溶质）相同， 则为新固溶体。 ⒉化合物分类： 正常价化合物，电子价化合物，间隙化 合物，复杂结构间隙化合物见图4－6。
⒊ 化合物特点：
具有复杂晶格结构，熔点极高、高硬脆。 如能“弥散”于合金中是“强化相”。 是 很 多合金的重要组成相。
' 1
t ② 温度由t 1 降至 2 ，液态合金中继续生新核， 原有的核长大。固相量不断增多，液相量不断 减少，但总重量仍为1。 此时新 相核，含Ni为X X ，数量增多。 ' 原含Ni为 1 的核，其含Ni 量由于原子扩散作 X ‘ 用变为 X 2 。而剩余液相含Ni量变为 2 。 X 固相量进一步增多，液相量进一步减少， 但总量仍为1。 但：此时合金含镍量仍 为K 。
第二节 二元合金相图
⒈ 几个名词、术语： 合金系： 由给定组元配制成的一系列成分不同 的合金，即合金系。 例： 二个组元—二元合金系。 三个组元—三元合金系。 多个组元－多元合金系。 平衡（相平衡）： 合金中参与结晶或相变过程的各相浓度 不再改变时的状态。
EM4 金属的结晶与相图
工程材料 机械制造基础 -Ⅰ
第四章 合金的结晶与相图
退 出
武汉理工大学 机电工程学院 金工学部 王志海
第四章 合金的结晶与相图
( Crystal and Phase Diagram of Alloy )
基本概念
2013年8月 18日星期日
合金在固态下的相结构及性能
二元合金相图的建立与结晶过程分析
共晶相图
温 度
L
+ SA
L +
m℃
L
SB
SA+SB
n%
SA+(SA+SB)
SB +(SA+SB)
100%B
100%A
成分
3.共析相图
温 度
Sn
m℃
SA+SB
S
+ SA
S +
m℃
S
SB
SA+SB
n%
SA+(SA+SB)
SB +(SA+SB)
100%B
100%A
成分
共析相图
2013年8月 18日星期日
2013年8月 18日星期日
退 出
二.相图的建立
名称 晶格类型 熔点 合金1 合金2 合金3 …….. 合金9 合金10 合金11 A金属 bcc 高 100% 90% 80% …….. 20% 10% 0% B金属 bcc 低 0% 10% 20% ……. 80% 90% 100%
2013年8月 18日星期日
例如: Au - Cu
置换固溶体结构示意图
2013年8月 18日星期日
退 出
置换固溶体的分类
无限固溶体
第四章 合金的结晶与相图
退 出
武汉理工大学 机电工程学院 金工学部 王志海
第四章 合金的结晶与相图
( Crystal and Phase Diagram of Alloy )
基本概念
2013年8月 18日星期日
合金在固态下的相结构及性能
二元合金相图的建立与结晶过程分析
共晶相图
温 度
L
+ SA
L +
m℃
L
SB
SA+SB
n%
SA+(SA+SB)
SB +(SA+SB)
100%B
100%A
成分
3.共析相图
温 度
Sn
m℃
SA+SB
S
+ SA
S +
m℃
S
SB
SA+SB
n%
SA+(SA+SB)
SB +(SA+SB)
100%B
100%A
成分
共析相图
2013年8月 18日星期日
2013年8月 18日星期日
退 出
二.相图的建立
名称 晶格类型 熔点 合金1 合金2 合金3 …….. 合金9 合金10 合金11 A金属 bcc 高 100% 90% 80% …….. 20% 10% 0% B金属 bcc 低 0% 10% 20% ……. 80% 90% 100%
2013年8月 18日星期日
例如: Au - Cu
置换固溶体结构示意图
2013年8月 18日星期日
退 出
置换固溶体的分类
无限固溶体
第4章 铁碳合金相图和碳钢
珠光体中的渗碳体称共析 渗碳体。S点以下，共析 中析出Fe3CⅢ，与共析Fe3C
结合不易分辨。室温组织
为P。
珠光体
2、共析钢的结晶过程
室温下，珠光体中两相的 相对质量百分比是多少？
1 2
4L Q QL 6.69 0.77 88.5% 6.69 0.0008 Q Fe 3C 100% 88.5% 11.5%
石墨（G）： Fe-─C合金中游离存在的碳； 石墨的强度、塑性、硬度都很低。 由于碳在-Fe中的溶解度很 小，因而常温下碳在铁碳合金 中主要以Fe3C或石墨的形式存 在。
钢中的渗碳体
渗碳体组织金相图
铸铁中的石墨
4、珠光体（P）
1）共析转变：恒温下，一种固相同时析出两种不同成分固 相的机械混合物（共析体）。
三、典型成分铁碳合金的结晶过程
（一）铁碳合金的分类（P46） 1、工业纯铁 Wc≤0.0218% 2、碳素钢 0.0218%＜ Wc≤2.11%
1）共析钢 Wc=0.77% 2）亚共析钢 0.0218%＜ Wc＜0.77% 3）过共析钢 0.77%＜ Wc≤2.11%
3、白口铸铁 2.11% ＜ Wc ＜6.69%
第四章 铁碳合金相图和碳钢 (P42)
第一节 纯铁﹑铁碳合金的组织结构 及其性能
第二节 铁碳合金相图
第三节 碳钢
第一节 纯铁﹑铁碳合金的组织结 构及其性能（P42）
一、纯铁及其同素异构转变
同素异构转变：物质在固态下，晶 体结构随温度变化的现象。 同素异构转变属于相变之一—固态 相变。 1、铁的同素异构转变： 铁在固态冷却过程中有两次晶体 结构变化，其变化为：
都是体心立方间隙固溶体。铁素体的 溶碳能力很低,在727℃时最大为 0.0218%，室温下仅为0.0008%。
结合不易分辨。室温组织
为P。
珠光体
2、共析钢的结晶过程
室温下，珠光体中两相的 相对质量百分比是多少？
1 2
4L Q QL 6.69 0.77 88.5% 6.69 0.0008 Q Fe 3C 100% 88.5% 11.5%
石墨（G）： Fe-─C合金中游离存在的碳； 石墨的强度、塑性、硬度都很低。 由于碳在-Fe中的溶解度很 小，因而常温下碳在铁碳合金 中主要以Fe3C或石墨的形式存 在。
钢中的渗碳体
渗碳体组织金相图
铸铁中的石墨
4、珠光体（P）
1）共析转变：恒温下，一种固相同时析出两种不同成分固 相的机械混合物（共析体）。
三、典型成分铁碳合金的结晶过程
（一）铁碳合金的分类（P46） 1、工业纯铁 Wc≤0.0218% 2、碳素钢 0.0218%＜ Wc≤2.11%
1）共析钢 Wc=0.77% 2）亚共析钢 0.0218%＜ Wc＜0.77% 3）过共析钢 0.77%＜ Wc≤2.11%
3、白口铸铁 2.11% ＜ Wc ＜6.69%
第四章 铁碳合金相图和碳钢 (P42)
第一节 纯铁﹑铁碳合金的组织结构 及其性能
第二节 铁碳合金相图
第三节 碳钢
第一节 纯铁﹑铁碳合金的组织结 构及其性能（P42）
一、纯铁及其同素异构转变
同素异构转变：物质在固态下，晶 体结构随温度变化的现象。 同素异构转变属于相变之一—固态 相变。 1、铁的同素异构转变： 铁在固态冷却过程中有两次晶体 结构变化，其变化为：
都是体心立方间隙固溶体。铁素体的 溶碳能力很低,在727℃时最大为 0.0218%，室温下仅为0.0008%。
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• 第二节 二元合金相图 • 相图又称状态图，它表明金属的相结构或 状态随温度、压力及成分的改变而发生变 化的情况。
14
第四章 合金的结构和结晶
第二节 二元合金相图 一、合金的相图 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。
7
第四章 合金的结构和结晶
• 由于溶剂晶格的间隙有限，所以，间隙固溶体只能有限 溶解溶质原子，同时只有在溶质原子与溶剂原子半径的 比值小于0.59时，才能形成间隙固溶体。间隙固溶体的 溶解度与温度、溶质与溶剂原子半径比值以及溶剂晶格
• 无论是置换固溶体，还是间隙固溶体，异类原子的插入 都将使固溶体晶格发生畸变，增加位错运动的阻力，使 固溶体的强度、硬度提高。 • ♦通过溶入溶质原子形成固溶体，使合金强度、硬度升
18
第四章 合金的结构和结晶
• • • • • • １、亚共晶合金 成分位于Ｍ点到Ｅ点之间的合金。 ２、过共晶合金 成分线位于Ｅ和Ｎ之间的合金。 ３、密度偏析（比重偏析） 在合金结晶过程中，如果结晶的晶体密度与其余的液体 密度相差较大，则这些晶体会上浮或下沉，使最后凝固 的合金出现上、下部成分不同，这种现象。 • 密度偏析不能用热处理来消除或减轻，只能控制成分或 在凝固时采取措施，如增加结晶的冷却速度或搅拌等。
第一节 合金中的相结构 二、合金的结构 1、固溶体 固溶体是指合金在液态和固态下，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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第四章 合金的结构和结晶
第一节 合金中的相结构 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
第一节 合金中的相结构 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。 由于合金的性能取决于组 织，而组织又首先取决于合金中的相，所以，为了掌握合金的 组织和性能，首先必须了解合金晶体的结构。
钢中的珠光体组织
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第四章 合金的结构和结晶
9
10
第四章 合金的结构和结晶
第一节 合金中的相结构 二、合金的结构 2、金属化合物（中间相） 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。
21
第五章 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。
22
第五章 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。
11
第四章 合金的结构和结晶
第一节 2、金属化合物
正常价化合物
合金中的相结构
电子化合物
间隙化合物
12
• 金属化合物具有与其构成组元晶格截然不 同的特殊晶格，熔点高，硬而脆。合金中 出现金属化合物时，通常能显著地提高合 金的强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性 也会明显地降低。
13
第四章 合金的结构和结晶
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溶解度主要取决于组元间的晶格类型、 原子半径和原子结构。实践证明，大 多数合金只能有限固溶，且溶解度随 着温度的升高而增加。只有两组元晶 格类型相同，原子半径相差很小时， 才可以无限互溶，形成无限固溶体。
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第四章 合金的结构和结晶
第一节 合金中的相结构 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。
• 实践证明：只要适当控制固溶体中溶质的含量，就能 在显著提高金属材料强度的同时仍然使其保持较高的塑 性和韧性。
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第四章 合金的结构和结晶
第一节 合金中的相结构 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”。 固溶强化是提高金属材料力 学性能的重要途径之一。
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第五章 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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第五章 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，低温莱氏体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℃以下的莱氏体称为低温莱氏体（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。
2
第四章 合金的结构和结晶
第一节 合金中的相结构 一、合金和相的基本概念 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。 例如，在铁碳合金中α－Fe为一个相，Fe3C为一个相；水和冰 虽然化学成分相同，但其物理性能不同，故为两个相。
结晶前的氯化铵水溶液
氯化铵正在结晶
3
第四章 合金的结构和结晶
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第四章 合金的结构和结晶
（一）匀晶相图 两组元在固态时形成 无限固溶体，且液态 时又能完全互溶的合 金相图。
见Ｐ５０
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第四章 合金的结构和结晶
（二）共晶相图 两组在液态无限互溶，在固态相互有限溶解或 不溶解且发生共晶转变的相图。见Ｐ５２ 沉淀硬化： 利用固溶体溶解度随 温度下降的这种性质， 可采用工艺方法，使 第二相呈片状、颗粒 状或弥散点状分布的 基体上，以提高材料 的硬度和强度。
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第五章 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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第五章 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。
第四章
【教学内容】
合金的结构和结晶
1、合金的基本概念、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。
1
第四章 合金的结构与结晶
第一节 合金中的相结构 一、合金和相的基本概念 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。
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第四章 合金的结构和结晶
第三节 合金的结构与结晶 一、合金的相图 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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第四章 合金的结构和结晶
• （三）包晶相图 • 两个组元在液态无限互溶，在固态形成有 限固溶体并发生包晶反应的相图。 • （四）具有稳定化合物的二元相图 • 稳定化合物：熔化前既不分解也不产生任 何化学反应的化合物。
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第四章 合金的结构和结晶
• 第三节 相图与合金性能的关系 • 一、力学性能与相图的关系 • 合金的成分决定了合金的组织，而合金的组织又决 定了合金的性能。 • 二、合金铸造性能与相图的关系 • 铸造性能主要表现在流动性、偏析、缩孔等方面， 主要决定于液相线与固相线之间的温度间隔。 • 距离越大，在结晶过程中树枝状晶体越发达，从而 它越能阻碍液体流动，流动性差。 • 偏析与严重，容易形成较多的分散缩孔。
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第四章 合金的结构和结晶
第二节 二元合金相图 一、合金的相图 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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第四章 合金的结构和结晶
• 由于溶剂晶格的间隙有限，所以，间隙固溶体只能有限 溶解溶质原子，同时只有在溶质原子与溶剂原子半径的 比值小于0.59时，才能形成间隙固溶体。间隙固溶体的 溶解度与温度、溶质与溶剂原子半径比值以及溶剂晶格
• 无论是置换固溶体，还是间隙固溶体，异类原子的插入 都将使固溶体晶格发生畸变，增加位错运动的阻力，使 固溶体的强度、硬度提高。 • ♦通过溶入溶质原子形成固溶体，使合金强度、硬度升
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第四章 合金的结构和结晶
• • • • • • １、亚共晶合金 成分位于Ｍ点到Ｅ点之间的合金。 ２、过共晶合金 成分线位于Ｅ和Ｎ之间的合金。 ３、密度偏析（比重偏析） 在合金结晶过程中，如果结晶的晶体密度与其余的液体 密度相差较大，则这些晶体会上浮或下沉，使最后凝固 的合金出现上、下部成分不同，这种现象。 • 密度偏析不能用热处理来消除或减轻，只能控制成分或 在凝固时采取措施，如增加结晶的冷却速度或搅拌等。
第一节 合金中的相结构 二、合金的结构 1、固溶体 固溶体是指合金在液态和固态下，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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第四章 合金的结构和结晶
第一节 合金中的相结构 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
第一节 合金中的相结构 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。 由于合金的性能取决于组 织，而组织又首先取决于合金中的相，所以，为了掌握合金的 组织和性能，首先必须了解合金晶体的结构。
钢中的珠光体组织
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第四章 合金的结构和结晶
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第四章 合金的结构和结晶
第一节 合金中的相结构 二、合金的结构 2、金属化合物（中间相） 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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第五章 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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第五章 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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第四章 合金的结构和结晶
第一节 2、金属化合物
正常价化合物
合金中的相结构
电子化合物
间隙化合物
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• 金属化合物具有与其构成组元晶格截然不 同的特殊晶格，熔点高，硬而脆。合金中 出现金属化合物时，通常能显著地提高合 金的强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性 也会明显地降低。
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第四章 合金的结构和结晶
27
溶解度主要取决于组元间的晶格类型、 原子半径和原子结构。实践证明，大 多数合金只能有限固溶，且溶解度随 着温度的升高而增加。只有两组元晶 格类型相同，原子半径相差很小时， 才可以无限互溶，形成无限固溶体。
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第四章 合金的结构和结晶
第一节 合金中的相结构 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。
• 实践证明：只要适当控制固溶体中溶质的含量，就能 在显著提高金属材料强度的同时仍然使其保持较高的塑 性和韧性。
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第四章 合金的结构和结晶
第一节 合金中的相结构 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”。 固溶强化是提高金属材料力 学性能的重要途径之一。
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第五章 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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第五章 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，低温莱氏体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℃以下的莱氏体称为低温莱氏体（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。
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第四章 合金的结构和结晶
第一节 合金中的相结构 一、合金和相的基本概念 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。 例如，在铁碳合金中α－Fe为一个相，Fe3C为一个相；水和冰 虽然化学成分相同，但其物理性能不同，故为两个相。
结晶前的氯化铵水溶液
氯化铵正在结晶
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第四章 合金的结构和结晶
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第四章 合金的结构和结晶
（一）匀晶相图 两组元在固态时形成 无限固溶体，且液态 时又能完全互溶的合 金相图。
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第四章 合金的结构和结晶
（二）共晶相图 两组在液态无限互溶，在固态相互有限溶解或 不溶解且发生共晶转变的相图。见Ｐ５２ 沉淀硬化： 利用固溶体溶解度随 温度下降的这种性质， 可采用工艺方法，使 第二相呈片状、颗粒 状或弥散点状分布的 基体上，以提高材料 的硬度和强度。
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第五章 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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第五章 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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【教学内容】
合金的结构和结晶
1、合金的基本概念、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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第四章 合金的结构与结晶
第一节 合金中的相结构 一、合金和相的基本概念 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。
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第四章 合金的结构和结晶
第三节 合金的结构与结晶 一、合金的相图 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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第四章 合金的结构和结晶
• （三）包晶相图 • 两个组元在液态无限互溶，在固态形成有 限固溶体并发生包晶反应的相图。 • （四）具有稳定化合物的二元相图 • 稳定化合物：熔化前既不分解也不产生任 何化学反应的化合物。
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第四章 合金的结构和结晶
• 第三节 相图与合金性能的关系 • 一、力学性能与相图的关系 • 合金的成分决定了合金的组织，而合金的组织又决 定了合金的性能。 • 二、合金铸造性能与相图的关系 • 铸造性能主要表现在流动性、偏析、缩孔等方面， 主要决定于液相线与固相线之间的温度间隔。 • 距离越大，在结晶过程中树枝状晶体越发达，从而 它越能阻碍液体流动，流动性差。 • 偏析与严重，容易形成较多的分散缩孔。