第三章 合金的结构与相图讲解
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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
2、二元合金相图的建立方法 3、二元匀晶、共晶、包晶、
共析相图分析
本章难点：二元相图分析
纯金属具有优良的导电性、导热性、 化学稳定性，美丽的金属光泽，但强度、 硬度、耐磨性等机械性能较差，且成本 高，数量有限，因此工程材料除极少数 特殊要求的采用纯金属外，绝大多数采 用合金。
C、间隙化合物
2、固溶体
固态时溶质原子（离子或分子）溶入 溶剂的晶格中所形成的相，称为固溶体。
固溶体的晶体结构即是溶剂的晶体结构。
溶质原子溶入溶剂晶格中的方式有两种：
a、溶质原子替换溶剂原子的位置形成的固溶体 →置换固溶体
b、溶质原子填入溶剂晶格间隙中形成的固溶体 →间隙固溶体
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3、化合物
合金组元之间发生化学反应，形成晶体结构 不同于任一组元的新相，称为化合物。 一般化合物—离子键 金属间化合物—金属键
二、固溶体的特性
1、溶质元素在固溶体中的溶解度
溶质元素的质量
固溶体的浓度：C=
× 100%
固溶体质量
质量百分比
溶质元素的原子数
或 C=
× 100%
固溶体的总原子数
原子百分比
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。
根据溶质元素在固溶体中的溶解度， 可把固溶体分为：
因此，固溶体只能稳定在一定的电子浓度 范围内，如对于溶剂为1 价金属的固溶体，若 固溶体具有面心立方晶格，则极限电子浓度值 为1.36；若固溶体具有体心立方晶格，则极限 电子浓度值为1.48。
④ 晶体结构
一般情况下，晶格结构相同的元素 之间具有较大的溶解度，而晶格结构不 同的元素之间溶解度较小。
同样，形成间隙固溶体时，只能引起 固溶体晶格产生正畸变，显然，溶质原子 的尺寸越小，溶剂晶格的间隙尺寸越大， 形成间隙固溶体时所造成的晶格畸变和畸 变能越小，间隙固溶体越容易形成，其溶 解度也就越大。
反之，不易形成间隙固溶体。当溶 质原子尺寸较大时，完全不能形成间隙 固溶体。
② 负电性
负电性是指原子从其他原子夺取电子 变为负离子的能力。
固溶强化的机理：溶质原子溶入后， 引起溶剂金属的晶格畸变，使位错运动 受到阻碍。
淬火，就是对金属加热后通过快速 冷却，获得过饱和的固溶体，从而强化 金属。
三、金属间化合物
合金组元之间发生化学反应，形成晶
体结构不同于任一组元的新相，称为化合
物。
金属键
离子键
如：Fe3C, CuZn, Cu5Sn, FeS, MnS 等
① 原子大小
d溶剂-d溶质
溶剂与溶质的原子直径差别：
×100%
d溶剂
当二者差别较小时，即溶剂与溶质的 原子直径相近，易形成置换固溶体，且二 者的尺寸差别越小，所形成的固溶体的溶 解度越大，当尺寸差别小于某一数值时， 将形成无限固溶体。
而当原子尺寸差别大于15%时，不大 可能形成置换固溶体。因为原子尺寸差别 较大时，形成固溶体所造成的晶格畸变 （无论是正畸变还是负畸变）较大，晶格 畸变能也较大，固溶体晶格结构的稳定性 较差。
2、金属间化合物的种类
a、正常价化合物：服从原子价规律，负电性 因素起主要 作用，这类化合物成份固定， 不能形成化合物基固溶体。 如：Mg2Si, Mg2Sn, Mg2Pb 等。
b、电子化合物：不遵守原子价规律，而服从电 子浓度规律，即当合金的电子浓度达到某一 数值时，便形成具有某种结构的化合物。
有限固溶体
无限固溶体
很显然：
只有在溶质与溶剂元素间形成置 换固溶体时，才有可能形成无限固溶 体；而对于间隙固溶体，则只能形成 有限固溶体。
在合金系统中，通常按顺序（固 溶体的浓度或固溶体稳定存在的温度 范围）由低到高，用α、β、γ、δ、 ε、θ等表示不同类型的固溶体。
2、影响固溶体结构形式和溶解度的因素
合金：由两种或两种以上的金属或金属 与非金属元素熔合在一起组成具 有金属特性的物质。
合金相图是研究合金系的温度、成份、相 变规律关系的有用工具。对于材料工作者，相 图十分重要，必须很好掌握。
第一节 固态合金中的相结构
一、基本概念 1、相
在一个体系中，性质相同的均匀部分。
相与相之间有明显的界面，但有界面分开 的不一定是两相。
当两种元素在周期表中的位置相距越 远，其负电性相差越大，它们之间的化学 亲和力越强，越倾向于形成化合物，而不 利于形成固溶体，所形成的固溶体的溶解 度也越小。
③ 电子浓度
合金中，价电子数目e与原子数目a之比， 称为电子浓度e/a。
当溶质原子对固溶体贡献的价电子数与溶 剂不同时，随着溶质原子的进入，将使固溶体 晶格中的电子浓度以及电子云结构发生变化， 显然溶质原子所占的比率越高，固溶体晶格的 电子浓度改变越大，达到一定程度时，固溶体 晶格就不稳定，易形成新的相。
金属间化合物 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。
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，固溶体的来自百度文库能发生明显变化，表现 在强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降， →固溶强化。
一般：
电子浓度=3/2（21/14），形成体心立方晶格的β相
电子浓度=21/13，
形成复杂立方晶格的γ相
电子浓度=7/4（21/12），形成密排六方晶格的ε相
但电子浓度不是决定电子化合物结构的唯 一因素，组成元素的原子大小及其电化学性质， 对其结构也有影响。
电子化合物的成分不是固定的，而在一定 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。
本章重点：1、固溶体与化合物及其特性
2、二元合金相图的建立方法 3、二元匀晶、共晶、包晶、
共析相图分析
本章难点：二元相图分析
纯金属具有优良的导电性、导热性、 化学稳定性，美丽的金属光泽，但强度、 硬度、耐磨性等机械性能较差，且成本 高，数量有限，因此工程材料除极少数 特殊要求的采用纯金属外，绝大多数采 用合金。
C、间隙化合物
2、固溶体
固态时溶质原子（离子或分子）溶入 溶剂的晶格中所形成的相，称为固溶体。
固溶体的晶体结构即是溶剂的晶体结构。
溶质原子溶入溶剂晶格中的方式有两种：
a、溶质原子替换溶剂原子的位置形成的固溶体 →置换固溶体
b、溶质原子填入溶剂晶格间隙中形成的固溶体 →间隙固溶体
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3、化合物
合金组元之间发生化学反应，形成晶体结构 不同于任一组元的新相，称为化合物。 一般化合物—离子键 金属间化合物—金属键
二、固溶体的特性
1、溶质元素在固溶体中的溶解度
溶质元素的质量
固溶体的浓度：C=
× 100%
固溶体质量
质量百分比
溶质元素的原子数
或 C=
× 100%
固溶体的总原子数
原子百分比
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。
根据溶质元素在固溶体中的溶解度， 可把固溶体分为：
因此，固溶体只能稳定在一定的电子浓度 范围内，如对于溶剂为1 价金属的固溶体，若 固溶体具有面心立方晶格，则极限电子浓度值 为1.36；若固溶体具有体心立方晶格，则极限 电子浓度值为1.48。
④ 晶体结构
一般情况下，晶格结构相同的元素 之间具有较大的溶解度，而晶格结构不 同的元素之间溶解度较小。
同样，形成间隙固溶体时，只能引起 固溶体晶格产生正畸变，显然，溶质原子 的尺寸越小，溶剂晶格的间隙尺寸越大， 形成间隙固溶体时所造成的晶格畸变和畸 变能越小，间隙固溶体越容易形成，其溶 解度也就越大。
反之，不易形成间隙固溶体。当溶 质原子尺寸较大时，完全不能形成间隙 固溶体。
② 负电性
负电性是指原子从其他原子夺取电子 变为负离子的能力。
固溶强化的机理：溶质原子溶入后， 引起溶剂金属的晶格畸变，使位错运动 受到阻碍。
淬火，就是对金属加热后通过快速 冷却，获得过饱和的固溶体，从而强化 金属。
三、金属间化合物
合金组元之间发生化学反应，形成晶
体结构不同于任一组元的新相，称为化合
物。
金属键
离子键
如：Fe3C, CuZn, Cu5Sn, FeS, MnS 等
① 原子大小
d溶剂-d溶质
溶剂与溶质的原子直径差别：
×100%
d溶剂
当二者差别较小时，即溶剂与溶质的 原子直径相近，易形成置换固溶体，且二 者的尺寸差别越小，所形成的固溶体的溶 解度越大，当尺寸差别小于某一数值时， 将形成无限固溶体。
而当原子尺寸差别大于15%时，不大 可能形成置换固溶体。因为原子尺寸差别 较大时，形成固溶体所造成的晶格畸变 （无论是正畸变还是负畸变）较大，晶格 畸变能也较大，固溶体晶格结构的稳定性 较差。
2、金属间化合物的种类
a、正常价化合物：服从原子价规律，负电性 因素起主要 作用，这类化合物成份固定， 不能形成化合物基固溶体。 如：Mg2Si, Mg2Sn, Mg2Pb 等。
b、电子化合物：不遵守原子价规律，而服从电 子浓度规律，即当合金的电子浓度达到某一 数值时，便形成具有某种结构的化合物。
有限固溶体
无限固溶体
很显然：
只有在溶质与溶剂元素间形成置 换固溶体时，才有可能形成无限固溶 体；而对于间隙固溶体，则只能形成 有限固溶体。
在合金系统中，通常按顺序（固 溶体的浓度或固溶体稳定存在的温度 范围）由低到高，用α、β、γ、δ、 ε、θ等表示不同类型的固溶体。
2、影响固溶体结构形式和溶解度的因素
合金：由两种或两种以上的金属或金属 与非金属元素熔合在一起组成具 有金属特性的物质。
合金相图是研究合金系的温度、成份、相 变规律关系的有用工具。对于材料工作者，相 图十分重要，必须很好掌握。
第一节 固态合金中的相结构
一、基本概念 1、相
在一个体系中，性质相同的均匀部分。
相与相之间有明显的界面，但有界面分开 的不一定是两相。
当两种元素在周期表中的位置相距越 远，其负电性相差越大，它们之间的化学 亲和力越强，越倾向于形成化合物，而不 利于形成固溶体，所形成的固溶体的溶解 度也越小。
③ 电子浓度
合金中，价电子数目e与原子数目a之比， 称为电子浓度e/a。
当溶质原子对固溶体贡献的价电子数与溶 剂不同时，随着溶质原子的进入，将使固溶体 晶格中的电子浓度以及电子云结构发生变化， 显然溶质原子所占的比率越高，固溶体晶格的 电子浓度改变越大，达到一定程度时，固溶体 晶格就不稳定，易形成新的相。
金属间化合物 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。
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，固溶体的来自百度文库能发生明显变化，表现 在强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降， →固溶强化。
一般：
电子浓度=3/2（21/14），形成体心立方晶格的β相
电子浓度=21/13，
形成复杂立方晶格的γ相
电子浓度=7/4（21/12），形成密排六方晶格的ε相
但电子浓度不是决定电子化合物结构的唯 一因素，组成元素的原子大小及其电化学性质， 对其结构也有影响。
电子化合物的成分不是固定的，而在一定 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。