第2章合金的相结构与二元合金相图

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
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； 具有较高的熔点； 硬度较高； 脆性高。
加入1%镍 390MPa
70HBS
50%。
固态合金中的相结构
第二章
固溶强化
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，称为固溶 强化。
本质:溶质原子溶入晶格畸变位错滑移阻 力 金属塑性变形困难强度、硬度
固态合金中的相结构
三、中间相
第二章
两组元间的相对尺寸差、电子含量及电负性差都有
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：
按溶质原子在溶剂中的溶解度分类
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。
例: (1)Cu_Ni无限互溶；
有限型固溶体：溶质只能以一 (2)Cu_Zn溶解度有限；
定的溶解限量溶入到溶剂中 。
(3)Cu_Pb几乎不溶。
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。
4、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
固态合金中的相结构
第二章
（四）固溶体性能特点
固溶体性能特点：
1.当溶剂含量极少时，固溶体与溶剂的特性相似；
2.随着溶质%的↑强度、硬度，而塑性、韧性；电 阻率上升, 导电率下降, 磁矫顽力增大。
纯铜σb 220MPa, 硬度40HBS, 断面收缩率ψ70%。
当合金中出现金属间化合物时，可提高其强 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。
固态合金中的相结构
第二章
第二相质点强化（弥散强化） 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。
固溶体基体上
+
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。
匀晶相图
二、合金的平衡结晶过程
第二章
匀晶相图
第二章
Cu - 40% Ni合金的结晶过程
40 % Ni 45% Ni
52% ANlil Liquid
Almost 40% Ni
在整个过程中,结 晶出的α相的成分沿固 相线变化，即：
α1→ α2 → α3 → α4 剩余液相成分按
液相线变化：
l1 → l2 → l3 → l4
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。
二元合金相图的建立
第二章
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；
如：一杯冰水有两相 液相 固相
Liquid
Pressure
一碟椒盐也有两相 食盐 花椒
解方程组得
QL
x2 x x2 x1
xx
Q
1
α x2 x1
式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。
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。 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) 、 MX (TiC、VC、TiN)等。 MX2 fcc(TiC、VC、TiN)等。
固态合金中的相结构
f=c-p+2
其中系统的自由度数是指在保持合金系的相的数目 不变的情况下，合金系中可以独立改变的、影响合金 状态的内部及外部因素（成分、压力和温度）的数目。
当系统的压力为常数时，
f=c-p+1
利用Gibbs相律实例
1、确定系统中可能存在最多相数 一元体系为2（结晶过程） 二元系为3（共晶、共析反应）
2、解释纯金属和二元合金结晶时的差别 纯金属结晶时，相律为0 二元合金结晶时，为1或0
二元合金相图的建立
第二章
二、 二元合金相图的建立
建立相图最常用方法是热分析法。它是通过测量相 变时的热效应（即相变时放出热量或吸收热量）来确相 变时的临界度。
Liquid
Temperature
Two Phase Solid
固态合金中的相结构
（一）固溶体的结构与分类
第二章
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 位置。R质/R剂>0.59。Cu－Ni合金
间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格中结点间 的空隙位置。R质/R剂<0.59。铁素体(Fe-C)。
固态合金中的相结构
第二章
二元合金相图的建立
第二章
铜-镍合金的冷却曲线和相图
(a)不同成分合金冷却曲线
(b)铜镍合金相图
匀晶相图
§ 2.3 匀晶相图
第二章
两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的相图称为 匀晶相图。Cu-Ni，Fe-Cr,Au-Ag
Liquid
Two Phase
Solid
X
% Y added
Y
匀晶相图
一、匀晶相图分析
第二章
1. 正常价化合物—电负性 差别较大，符合化合的原 子价规律: Mg2Si、 SiC
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
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 —由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金
c）在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）是确 定的。
d)两相区内，温度一定，两相相对量一定。
e) 随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相
成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。
匀晶相图
三、二元相图杠杆定律及应用
第二章
处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可 用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。
合金的结构：
由不同的相组成（化学成分、晶体结构）
固态合金中的相结构
一、基本概念
第二章
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。
2. 合金：由两种或两种以上的金属、金属与非金 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。
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。如Fe-C，Zn-Al等。
第2章 合金的相结构与 二元合金相图
§ 2.1 固态合金中的相结构 § 2.2 二元合金相图的建立 § 2.3 匀晶相图 § 2.4 二元共晶相图 § 2.3 二元包晶相图
固态合金中的相结构
§ 2.1 固态合金中的相结构
第二章
纯金属的结构：
晶体结构类型（fcc,bcc,hcp)＋缺陷状态（点、线、 面）
匀晶相图
第二章
液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。 匀晶结晶有下列特点：
a）与纯金属一样，α固溶体从液相中结晶出来的过程中，也 包括有生核与长大两个过程。
b）纯金属结晶需要能量起伏和结构起伏，固溶体还需要成分 起伏。固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶 过程，纯金属是在一定温度下恒温进行。
1、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。
Cu-Ni无限固溶体
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 不利于形成固溶体。
固 溶 体
化 合 物 Cu-Zn有限固溶体
固态合金中的相结构
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
Time
二元合金相图的建立
第二章
热分析法实验原理
二元合金相图的建立
第二章
下面以Cu-Ni合金为例，说明用热分析法建立相图的步骤： 1）首先，配制不同成分的Cu-Ni合金。 2）将合金熔化后，测定它们的冷却曲线，并找出曲线上临界 点（即转折点和平台）。
3）将上述数据引入相应成分的温度-成分坐标图中。 4）将物理意义相同的临界点连成曲线，即得Cu-Ni合金相图。
第二章
液相线 L
B熔点
A熔点
L+α
α 固相线
与纯金属的结 晶过程不同，固溶 体合金的结晶是在 一定的温度范围内 完成的。
A
B%
B
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相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。
相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ ）。
注意：相邻两相区相数差为1
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，对于 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：
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。 有序固溶体（超结构）：溶质原子排列有一定 的规律性。 有序 升温 无序
二元合金相图的建立
§ 2.2 二元合金相图的建立
第二章
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 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 金的总称。如Fe-C，Zn-Al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 均匀组成部分，称之为相。
第二章
铁素体（F）+渗碳体
珠光体（组织）
过共析钢平衡组织 （珠光体＋渗碳体）
珠光体 共析钢平衡组织
（珠光体）
二元合金相图的建立
第二章
相图：表示合金系中合金的相的性质、数目、相对 量与温度、压力、成分之间关系的图解。我们经常 见到的相图是平衡相图。
Gibbs相律：表示在平衡条件下，系统的自由度数、 组元数和相数之间的关系。
Solid Gas
Temperature
二元合金相图的建立
相的辨别:成分、结构。
组织鉴别：形态。
以铁碳合金为例：
α-Fe（bcc）
间隙固溶体
纯Fe
＋C
γ-Fe （fcc）
第二章
铁素体（F 相）（bcc） 奥氏体（A 相）（fcc）
纯Fe＋C
金属间 化合物
渗碳体（Fe3C 相)（复杂间隙相化合物）
二元合金相图的建立
一定溶限，溶质原子含量超过此溶限形成的一种新 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。
金属化合物具有一般仍具有一定的金属特性。较高的 熔点、硬度和脆性，有些还具有特殊的物理、化学 性能。并可用AmBn表示其组成。
正常价化合物、电子化和物、尺寸因素化合物
固态合金中的相结构
① 确定两平衡相的成分：设合金成
分为x，过x做成分垂线。在成分
垂线相当于温度t 的o点作水平线， t
其与液固相线交点a、b所对应的
成分x1、x2即分别为液相和固相的
成分。
1
2
匀晶相图
第二章
② 确定两平衡相的相对重量 设合金中液相百分含量为QL，固相百分含量为Q。
则 QL + Q =1
QL x1 + Q x2 =x
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。
固态合金中的相结构
二、固溶体
第二章
固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀 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。 如： α – Fe + C = F ( 铁素体 ) 体心 六方 体心
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。
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。