合金的结构与结晶

时间
A 90 70 50

S
S
A
ab : 液相线 ab : 固相线 L : 液相区 S : 固相区 L+S:液固共存区
b
B
一）匀晶相图（固溶体结晶）
• 组成二元合金的两组元在液态和固态均能无 限互溶的合金所形成的相图称为二元匀晶相图。
1. 相图分析
温 度
L
2.杠杆定理只适合两相区，并 只能在平衡状态下使用
2 合金的平衡结晶过程及其组织
（1）固溶体合金（合金Ⅰ）

成分位于M点以左（即 wSn≤19%）或N点以右（即 wSn≥97.5%）的合金称为固 溶体合金 合金Ⅰ的冷却曲线和结晶过 程如图所示


液态合金缓冷至温度1，开始从L相中结果出α固 溶体。随温度的降低，液相的数量不断减少，α固 溶体的数量不断增加，至温度2合金全部结晶成α 固溶体。温度2~3范围内合金无任何转变，这是匀 晶转变过程。冷却至温度3时，Sn在α中的溶解度 减小，从α中析出β是二次相（βⅡ）。Α成分沿固 溶线MF变化，这一过程一直进行至室温，所以合 金Ⅰ室温平衡组织为（α+ βⅡ ）。
不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶 剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力 增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶 入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高 的现象，称为固溶强化。
固溶体中的晶格畸变示意图 a)间隙固溶体 b)置换固溶体



三、二元合金相图
合金
( alloy ) 组元 ( element ) 相 ( phase ) 显微组织 ( microscopic structure )
（一）、基本概念
1、合金 ( alloy ) 合金是指由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( element ) 组成合金的基本的物质单元称为组元。 3、合金系( alloy series ) 给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，构成 一个合金系。 4、相 ( phase ) 相是指合金中具有相同成分、相同晶体结构并与其他部分以 界面分开的均匀组成部分。 5、组织（structure ) 组织泛指用金相观察方法看到材料的微观形貌。
2、金属化合物
金属化合物是合金组元之间相互发生作用 而形成具有金属特性的一种新相，金属化合物也称为中
间相。 1、分类：按中间相形成时起主要作用的因素 （1）正常价化合物 两组元间电负性差起主要作用而形成的化合物（周期 表上相距远，电化学性质相差大） （2）电子化合物 电子浓度起主要作用。 （3）间隙化合物 尺寸因素起主要作用。一般由直径较大的过渡族金属（Fe Cr Mo W V等）和原子直径较小的非金属元素（C N B） 组成
合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、形 态、性能和各相的组合情况——组织所决定的。
合金的相结构
由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可 分为固溶体和金属化合物两大类。
1、固溶体
合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀 相称为 固溶体 。间隙固溶体，置换固溶体。保持溶剂 的晶格类型。

b 晶体结构：组元间晶体结构类型相同时，固溶度大，结构 类型相同是形成无限固溶休的必要条件。结构类型不同只能 形成有限固溶体。

c 电负性（化学亲和力）：元素周期表中位置靠近易形成固溶体。
d 电子浓度：价电子数/原子总数 不能超过极限电子浓度。
②间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂晶格各结点之间的空隙中形成的。
a
TL Tn TS
QS + QL = 1 acQS = bcQL QL=(ac／ab) 100% S
Qs QL
b a c b
B
QS=(bc／ab) 100%
A
3 匀晶系的不平衡结晶
晶内偏析：不平衡结晶的固溶体内部富 含高熔点组元，而后结晶的固溶体外部 富含低熔点组元，晶粒内部出现成分不 均匀的现象叫晶内偏析。 若固溶体是以树枝状结晶并长大的，则 枝干与枝间会出现成分差别，这种晶内 偏析称为枝晶偏析。
总结

1、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和 密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到另一 种的变化会引起体积的变化。 2、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着点缺 陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷对金属材料的热处理 过程极为重要。位错的存在以及位错密度的变化，对金 属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。金属 冷变形加工后的加工硬化，就是由于位错密度的增加所 致。点缺陷、晶界和亚晶界也与材料的力学性能有关。 3、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化 和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金 化是提高金属性能的方法之一。
①置换固溶体 溶质原子代替溶剂原子占据晶格结点的位置而形成的固 溶体。 置换固溶体 有限固溶体 无限固溶体 影响溶质在固溶体中溶解度的因素：（溶质原子溶剂原子） a 原子尺寸： 尺寸相当 r 易形成置换 溶度小。 很小r rA rB rA 固溶体，固溶度大。 尺寸相差太大，晶格易畸变，固


a 间隙相
简单结构，以典型的金属晶体结构构成晶格的化合物。 rx/rm（金属）〈 0.59 熔点极高，硬度极高，过渡族 金属的氧化物、氮化物、一部分碳化物。


b 间隙化合物
复杂结构的化合物。 rx/rm（金属）〉0.59
固溶体与化合物区别：固溶体软而韧，化 合物硬而脆。 间隙相与间隙固溶体区别：间隙相中金属 组元大多与原来的结构类型不同，间隙固 溶体中的金属组元仍保持自身的晶格结构。 间隙相与间隙化合物区别：前者熔点、硬 度更高，更稳定。


r质/r剂〈0.59时易形成间隙固溶体，通常小尺寸的非金属元素 作溶质（H O N C B），比较常见的过滤族金属作溶质。
（2）固溶体的性能 使合金的硬度、强度升高，塑性韧性有所下降。(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。实践表明，
适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、 硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性 能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。软而韧。
(2)共晶反应

成分位于（E）点的合金，在温度达到水平线 MEN所对应的温度（tE=183℃）时，将同时结晶出成 分为M点的α相及成分为N点的β相。其转变式为：

这种在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出一 定成分的两个固相的转变过程，称为共晶转变或共晶 反应。共晶转变的产物（αM+βN）是由两个固相组成 的机械混合物，称为共晶组织
二）.共晶相图
• 组成二元合金的两组元在液态时无限互溶， 在固态不能无限互溶的合金所形成的相图称为 二元共晶相图。

Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si合金相图 均属于这类相图
共晶相图(简化相图)
温 度 SA
L
+
L
L
LX L
L
Y℃
（SA+SB ）
L
+
Y℃
SA SA
SA SA+(SA+SB)
（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%
热 分 析 法
（二）.相图的建立
温 度 温 度 温 度



从共晶温度继续冷却时，αM、βN将分别析 出β Ⅰ、αⅡ，共晶组织的二次析出如前所 述可忽略不计。所以，合金Ⅲ冷却至室温 时其平衡组织为α+（α+β）+βⅠ
亚共晶合金显微组织
α+（α+β）+βⅡ
4）过共晶合金（合金Ⅳ）

成分位于E、N点之间（即 wSn=61.9~97.5%之间）的合金为过共晶 合金，其结晶过程与亚共晶合金相似， 不同的是初生相是β固溶体，二次相是αⅡ。 所以，合金Ⅳ的室温平衡组织为β+αⅡ+ （α+β），其组织组成物有三，即β、αⅡ、 （α+β）；相组成物仍为两种，即α相β相

共晶合金显微组织
（α+β）
3）亚共晶合金（合金Ⅲ）

成分位于M、E点之间（即 wSn=19~61.9%之间）的合金 即为亚共晶合金

以wSn=50%的合金Ⅲ为例，分 析亚共晶合金的结晶过程及 其组织
合金Ⅲ的冷却曲线及结晶过 程如图所示


液态合金缓冷至温度1时开始从液相中结晶出初生的α固溶 体 随着温度下降α相不断增加，温度1~2范围内的结晶过程与 合金Ⅰ的匀晶转变完全相同。L相不断减少，α的成分沿 固相线AM变化；L的成分沿液相线AE变化 冷至温度2（即tE=183℃）时，α相为M点处成分，L相则 为E点处成分。液相tE发生共晶转变形成共晶组织 （α+β），αM固溶体保持不变。所以合金在共晶转变刚结 束时，其组织为αM+（αM+βN）
第2章 合金的晶体结构与相图
合金的基本概念
由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属 元素组成的具有金属特性的物质，称为合金。 组成合 金的最基本的、独立的物质叫做组元。组元通常是纯元素， 但也可以是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少， 合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。
合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫 做相。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都 为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为单相合金， 由两个以上固相组成时称为多相合金。

金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全 不同，一般可用化学分子式表示。钢中渗碳体（Fe3C）是由铁原 子和碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶格形式。
金属化合物的性能不同于任一组元，其熔点一般较高、硬而
脆。 3、机械混合物 绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的机 械混合物，其性质取决于固溶体与金属化合物的数量、大小、形 态和分布状况。当金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体 上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为 弥散强化。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。

4 晶内偏析对材料性能的影响

严重的晶内偏析使合金强度降低，特别 是塑韧性下降，也使合金的抗蚀性降低。 退火可以消除或改善晶内偏析。

固溶体结晶与纯金属结晶的不同之处

1、固溶体结晶是在一个温度范围内完成的， 纯金属结晶是在恒温下完成的

2、固溶体结晶出的固相与共存液相成分不同， 而纯金属结晶时，固相与液相成分始终相同。
SB
100%A
X%
SA+SB
成分
SB +(SA+SB)
100%B
1 相图分析
（1）图中的点和线

Pb-Sn相图 tA为Pb的熔点，tB为Sn的熔点，E点为 共晶点。AEB为液相线， AMENB为固 相线、MEN线为共晶线、MF为Sn在Pb 中的溶解度曲线，NG为Pb在Sn中的溶解 度曲线，这两条曲线也称为固溶线。

相图：合金系在平衡条件下，合金的状态与成分、 温度与相之间相互关系的图形。 平衡：即相平衡，指合金在相变过程中，原子能 充分扩散，各相的成分相对质量保持稳定，不随 时间改变的状态。 ★利用相图可以研究在平衡状态下不同成分合金 在不同温度下其组织状态的变化规律。


• ★生产实践中，合金相图可作为制定铸、锻、焊 及热处理等加工工艺的重要依据。
2）共晶合金（合金Ⅱ）

成分为 wSn=61.9%的合 金Ⅱ即为共晶合 金，其冷却曲线 和结晶过程如图 所示

合金缓冷至温度1（即tE=183℃）时，发生共晶转变，在 恒温下进行，所以冷却曲线上相应温度出现一水平线段。 共晶转变完成后合金全部成为共晶组织（αM+βN）。继续 冷却，随着温度下降α、β相的成分将分别沿固溶度曲线 MF、NG变化，α将析出βⅡ，β相则析出αⅡ。由于αⅡ、βⅡ 与共晶组织中的α、β连接在一起且量小难以分辨。所以共 晶组织的二次析出一般可忽略不计。所以共晶合金的室温 平衡组织为共晶组织（α+β）。其组织组成物只有1个，即 共晶体，相组成物有两个，即α相和β相
过共晶合金显微组织
β+（α+β）+αⅡ
3。组织组成图

Pb-Sn合金系有三个基本相，L是Pb与Sn两组 元形成的均匀的液相，α是Sn溶于Pb的固溶体， β是Pb溶于Sn的固溶体 相图中有三个单相区，即L、α、β相区。在这 些单相区之间，相应的有三个两相区，即L+α、 L+β、α+β相区。在三个两相区之间有一根水 平线MEN，是L+α+β三相并存区