第3章-二元合金的相結(jié)構(gòu)及結(jié)晶

1、 金屬學(xué)及熱處理沈陽(yáng)理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院沈陽(yáng)理工大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院第3章 二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶3.1 合金中的相3.2 合金的相結(jié)構(gòu)3.3二元合金相圖3.4勻晶相圖及固溶體的結(jié)晶3.5共晶相圖及合金的結(jié)晶3.6二元相圖的分析和使用 一、引言工程生產(chǎn)中的金屬材料不能用純金屬(強(qiáng)度低),而是用強(qiáng)度(性能)好的合金, 有必要研究合金結(jié)構(gòu) 二、正文二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 三、結(jié)論(包括作業(yè)、思考題或習(xí)題) 課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)一、引言工程生產(chǎn)中的金屬材料不能用純金屬(強(qiáng)度低),而是用強(qiáng)度(性能)好的合金, 有必要研究合金結(jié)構(gòu)-包括化學(xué)成分、合金相、晶體結(jié)構(gòu)、組織狀態(tài)等-相圖第一節(jié)第一節(jié) 合金中的相合金中的相合

2、金合金：由兩種或兩種以上的元素組成，其中至少有一種為金屬，：由兩種或兩種以上的元素組成，其中至少有一種為金屬，經(jīng)過(guò)熔煉燒結(jié)或其他方法組合形成具有金屬性的材料稱為合經(jīng)過(guò)熔煉燒結(jié)或其他方法組合形成具有金屬性的材料稱為合金。金。 例鋼鐵、黃銅、白銅等例鋼鐵、黃銅、白銅等組元組元：通常把組成材料的最簡(jiǎn)單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)：通常把組成材料的最簡(jiǎn)單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)稱為組元。稱為組元。組元大多數(shù)情況下是元素組元大多數(shù)情況下是元素；在研究的范圍內(nèi)既不；在研究的范圍內(nèi)既不分解也不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)的分解也不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定化合物穩(wěn)定化合物也可成為組元，例也可成為組元，例如碳鋼如碳鋼 。

3、合金系：由給定的組元配置成一系列成分不同的合金。合金系：由給定的組元配置成一系列成分不同的合金。二元合金二元合金: :三元合金三元合金: :多元合金多元合金: :相關(guān)概念相關(guān)概念 相相：凡成分均一、晶體結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有：凡成分均一、晶體結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開的物質(zhì)界面分開的物質(zhì)均勻組成部分，稱之為相。在合金中，按其晶格結(jié)構(gòu)的基本均勻組成部分，稱之為相。在合金中，按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性來(lái)分，可分為屬性來(lái)分，可分為固溶體固溶體和和金屬化合物金屬化合物兩大類。兩大類。組織組織：人們用肉眼或借助某種工具（放大鏡、光學(xué)顯微鏡、電子：人們用肉眼或借助某種工具（放大鏡、光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等

4、）所觀察到的材料形貌。它決定于組成相的顯微鏡等）所觀察到的材料形貌。它決定于組成相的類型、類型、形狀、大小、數(shù)量、分布形狀、大小、數(shù)量、分布等。等。相是組織的基本組成部分相是組織的基本組成部分。同樣的相同樣的相, ,當(dāng)當(dāng)它們的形態(tài)和分布不同時(shí)它們的形態(tài)和分布不同時(shí), ,就會(huì)有不同的組織就會(huì)有不同的組織. . 組織組成物組織組成物：組織中形貌相同的組成部分。：組織中形貌相同的組成部分。 純鐵中的相：純鐵中的相：-Fe 鋼中的相：鐵素體鋼中的相：鐵素體()滲碳體滲碳體(Fe3C)純鐵純鐵0.45%C 鋼鋼相相相相Fe3C 相相純鐵、鋼中的相純鐵、鋼中的相 20 20 mm Cu-30Ni-20Cr

5、 Cu-30Ni-20Cr第二節(jié)第二節(jié) 合金中的相結(jié)構(gòu)合金中的相結(jié)構(gòu)相的種類繁多相的種類繁多, ,不同的相具有不同的晶體結(jié)不同的相具有不同的晶體結(jié)構(gòu)構(gòu), ,根據(jù)根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)特點(diǎn), ,可以將其分為可以將其分為固溶固溶體體和和金屬化合物金屬化合物相結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)-合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu) （一）（一）固溶體固溶體 合金組元溶解形成一種成分和性能均勻的、且合金組元溶解形成一種成分和性能均勻的、且晶格類型與組元之一相同的固相稱之為固溶體。晶格類型與組元之一相同的固相稱之為固溶體。 （二）（二）金屬化合物金屬化合物 定義定義：合金組元相互作用形成的晶格類型和特合金組元相互作用形成的晶格類型和

6、特性完全不同于任一組元的新相稱之為金屬化合物。性完全不同于任一組元的新相稱之為金屬化合物。二、金屬化合物二、金屬化合物一、固溶體一、固溶體（一）（一）固溶體的分類固溶體的分類（二）（二）置換固溶體置換固溶體（三）間隙固溶體（三）間隙固溶體 （四）（四）固溶體的結(jié)構(gòu)固溶體的結(jié)構(gòu) （五）（五）固溶體的性能特點(diǎn)固溶體的性能特點(diǎn)一、一、 固溶體固溶體 與固溶體的晶格相同的組成元素稱為與固溶體的晶格相同的組成元素稱為溶劑溶劑，在固溶體中一般都占有較大的含量；其它的在固溶體中一般都占有較大的含量；其它的組成元素稱為組成元素稱為溶質(zhì)溶質(zhì)，其含量與溶劑相比為較，其含量與溶劑相比為較少。少。 固溶體即一些元素進(jìn)

7、入某一組元的晶格中，固溶體即一些元素進(jìn)入某一組元的晶格中，不改變其晶體結(jié)構(gòu)，形成的均勻相。不改變其晶體結(jié)構(gòu)，形成的均勻相。 溶質(zhì)原子溶入固溶體中的量稱為溶質(zhì)原子溶入固溶體中的量稱為固溶固溶體的體的濃濃度度。濃度或溶解。濃度或溶解度一般用溶質(zhì)元素所占的重量百分比來(lái)表示度一般用溶質(zhì)元素所占的重量百分比來(lái)表示( (wt %wt % ) )。（一）（一）固溶體的分類固溶體的分類 1. 1.按溶質(zhì)原子在固溶體按溶質(zhì)原子在固溶體( (溶劑溶劑) )晶格中晶格中的位置的位置不同可分為：不同可分為： 1) 1) 置換固溶體置換固溶體 溶質(zhì)原子取代了部溶質(zhì)原子取代了部分溶劑晶格中某些節(jié)點(diǎn)上的溶分溶劑晶格中某些節(jié)

8、點(diǎn)上的溶劑原子而形成的固溶體。劑原子而形成的固溶體。 2) 2) 間隙固溶體間隙固溶體 溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格的空隙中，不占據(jù)晶格結(jié)點(diǎn)位格的空隙中，不占據(jù)晶格結(jié)點(diǎn)位置。置。 溶劑原子溶質(zhì)原子（一）（一）固溶體的分類固溶體的分類2. 2.按固溶度按固溶度1) 1)無(wú)限溶解固溶體無(wú)限溶解固溶體 溶質(zhì)可以任意比例溶入溶劑晶格中。構(gòu)成溶質(zhì)可以任意比例溶入溶劑晶格中。構(gòu)成無(wú)限固溶體。這是把含量較高的組元稱為溶劑，含量較少的組無(wú)限固溶體。這是把含量較高的組元稱為溶劑，含量較少的組元稱為溶質(zhì)。元稱為溶質(zhì)。2) 2)有限溶解固溶體有限溶解固溶體 溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度有一定限度，溶質(zhì)原子在固

9、溶體中的濃度有一定限度，超過(guò)這個(gè)限度就會(huì)有其它相超過(guò)這個(gè)限度就會(huì)有其它相( (另一種固溶體或化合物另一種固溶體或化合物) )的形成。的形成。間隙固溶體都是有限溶解固溶體。在金屬材料中，通常是過(guò)渡間隙固溶體都是有限溶解固溶體。在金屬材料中，通常是過(guò)渡族金屬元素為溶劑，族金屬元素為溶劑，小尺寸的小尺寸的C C、N N、H H、O O、B B等元素為溶質(zhì)等元素為溶質(zhì)。 3. 3.按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的分布特點(diǎn)按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的分布特點(diǎn) 1) 1)無(wú)序固溶體無(wú)序固溶體 溶質(zhì)原子在溶劑晶格中分布是任意的，沒有任何溶質(zhì)原子在溶劑晶格中分布是任意的，沒有任何規(guī)律性，僅統(tǒng)計(jì)角度上是均勻分布的。規(guī)律性，

10、僅統(tǒng)計(jì)角度上是均勻分布的。 2) 2)有序固溶體有序固溶體 溶質(zhì)原子以一定的比例，按一定方向和順序有溶質(zhì)原子以一定的比例，按一定方向和順序有規(guī)律地分布在溶劑的晶格間隙中或結(jié)點(diǎn)上。規(guī)律地分布在溶劑的晶格間隙中或結(jié)點(diǎn)上。 在有些材料中，固溶體還存在有序化轉(zhuǎn)變，即在一定的條件在有些材料中，固溶體還存在有序化轉(zhuǎn)變，即在一定的條件( (如溫度、壓力如溫度、壓力) )下，無(wú)序固溶體和有序固溶體之間會(huì)發(fā)生相互下，無(wú)序固溶體和有序固溶體之間會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。 置換固溶體的溶解度大小十分懸殊，主要有以下因素影響：置換固溶體的溶解度大小十分懸殊，主要有以下因素影響：影響溶解度的因素很多，目前還在研究中，現(xiàn)在公

11、認(rèn)的有：影響溶解度的因素很多，目前還在研究中，現(xiàn)在公認(rèn)的有： 1 1原子尺寸因素原子尺寸因素 在置換固溶體中，溶質(zhì)原子的尺寸和溶劑相近，溶解度也愈在置換固溶體中，溶質(zhì)原子的尺寸和溶劑相近，溶解度也愈大，大，rr小于小于15%15%時(shí)才有利于形成置換固溶體時(shí)才有利于形成置換固溶體，要能達(dá)到無(wú)限互溶，要能達(dá)到無(wú)限互溶，rr的值還要小一些。的值還要小一些。 間隙固溶體的形成的基本條件間隙固溶體的形成的基本條件D D質(zhì)質(zhì)/D/D劑劑0.590.59。在間隙固溶體中，。在間隙固溶體中，顯然顯然D D質(zhì)質(zhì)/D/D劑劑愈小，即溶質(zhì)原子的尺寸愈小，溶解度也大。間隙愈小，即溶質(zhì)原子的尺寸愈小，溶解度也大。間隙固

12、溶體只能有限溶解。固溶體只能有限溶解。 （二）（二）置換固溶體置換固溶體影響固溶體溶解度的因素影響固溶體溶解度的因素2 2晶體結(jié)構(gòu)因素晶體結(jié)構(gòu)因素 組元間組元間晶體結(jié)構(gòu)相同時(shí)晶體結(jié)構(gòu)相同時(shí)，固溶度一般都較大，而且才有可能，固溶度一般都較大，而且才有可能形成無(wú)限固溶體。若組元間的晶體結(jié)構(gòu)不同，便只能生成有限形成無(wú)限固溶體。若組元間的晶體結(jié)構(gòu)不同，便只能生成有限固溶體。固溶體。 3 3電負(fù)性差電負(fù)性差 電負(fù)性為這些元素的原子自其它原子奪取電子而變?yōu)樨?fù)離子電負(fù)性為這些元素的原子自其它原子奪取電子而變?yōu)樨?fù)離子的能力。反映兩元素的化學(xué)性能差別。的能力。反映兩元素的化學(xué)性能差別。 兩元素兩元素間電負(fù)性差越

13、小，則越容易形成固溶體間電負(fù)性差越小，則越容易形成固溶體，且所形成的，且所形成的固溶體的溶解度也就越大；隨兩元素間固溶體的溶解度也就越大；隨兩元素間電負(fù)性差增大電負(fù)性差增大，溶解度，溶解度減小，當(dāng)其差別很大時(shí)，減小，當(dāng)其差別很大時(shí)，往往形成較穩(wěn)定的化合物往往形成較穩(wěn)定的化合物。 影響固溶體溶解度的因素影響固溶體溶解度的因素4 4電子濃度電子濃度 在金屬材料在金屬材料( (合金合金) )中，中，價(jià)電子數(shù)目?jī)r(jià)電子數(shù)目(e)(e)與原子數(shù)目與原子數(shù)目(a)(a)之比之比稱為電子濃度。稱為電子濃度。由于溶質(zhì)和溶劑的價(jià)電子數(shù)可能不同，電子濃由于溶質(zhì)和溶劑的價(jià)電子數(shù)可能不同，電子濃度度 e/a = Ve/

14、a = VA A(1-x) + V(1-x) + VB Bx x。其中。其中x x為溶質(zhì)的原子百分比濃度為溶質(zhì)的原子百分比濃度( (摩爾分?jǐn)?shù)摩爾分?jǐn)?shù)) )，V VA A、V VB B分別為溶劑和溶質(zhì)的價(jià)電子數(shù)。分別為溶劑和溶質(zhì)的價(jià)電子數(shù)。 一方面，一方面，溶質(zhì)和溶劑的價(jià)電子數(shù)目相差大，它們的電負(fù)性溶質(zhì)和溶劑的價(jià)電子數(shù)目相差大，它們的電負(fù)性的差別也大，溶解度會(huì)下降。的差別也大，溶解度會(huì)下降。另一方面，當(dāng)另一方面，當(dāng) e/a e/a 為某些特定為某些特定值時(shí)形成一新的晶體結(jié)構(gòu)，因此它們的溶解度也就受到相應(yīng)的值時(shí)形成一新的晶體結(jié)構(gòu)，因此它們的溶解度也就受到相應(yīng)的限制。限制。 （三）間隙固溶體（三）間

15、隙固溶體間隙固溶體的溶解度，除與溶質(zhì)原子尺寸因素有關(guān)外，主要取決于溶劑晶體點(diǎn)陣的間隙大小與形狀及其所引起的點(diǎn)陣畸變。由于間隙尺寸大多小于溶質(zhì)原子的尺寸，故間隙固溶體晶格畸變較大，所以，間隙固溶體的溶解度總是有限的。 （四）（四）固溶體的結(jié)構(gòu)固溶體的結(jié)構(gòu) 1 1、晶格畸變晶格畸變 在在固溶體中，由于溶質(zhì)原子的存在及其尺寸差別，固溶體中，由于溶質(zhì)原子的存在及其尺寸差別，將使周圍溶劑原子排列的規(guī)律性在一定范圍內(nèi)受到不將使周圍溶劑原子排列的規(guī)律性在一定范圍內(nèi)受到不同程度的干擾，并引起同程度的干擾，并引起彈性應(yīng)變彈性應(yīng)變點(diǎn)陣畸變點(diǎn)陣畸變。對(duì)于。對(duì)于置換固溶體，若溶質(zhì)原子尺寸大于溶劑原子，則使周置換固溶體

16、，若溶質(zhì)原子尺寸大于溶劑原子，則使周圍點(diǎn)陣發(fā)生圍點(diǎn)陣發(fā)生膨脹膨脹位移；反之，將引起位移；反之，將引起收縮收縮。在間隙固。在間隙固溶體中，溶體中，溶質(zhì)原子尺寸多大于點(diǎn)陣間隙溶質(zhì)原子尺寸多大于點(diǎn)陣間隙，故通常使點(diǎn)，故通常使點(diǎn)陣發(fā)生膨脹陣發(fā)生膨脹變化。變化。2 2、偏聚與有序、偏聚與有序 當(dāng)當(dāng)同類原子（同類原子（A-AA-A、B-BB-B）結(jié)合較強(qiáng)而處于低能）結(jié)合較強(qiáng)而處于低能量狀態(tài)時(shí)，則溶質(zhì)與溶劑分別在一定范圍內(nèi)各自量狀態(tài)時(shí)，則溶質(zhì)與溶劑分別在一定范圍內(nèi)各自傾向聚集，形成偏聚結(jié)構(gòu)；傾向聚集，形成偏聚結(jié)構(gòu)；異類原子異類原子（A-BA-B）結(jié)合較強(qiáng)時(shí)，則溶質(zhì)原子在固）結(jié)合較強(qiáng)時(shí)，則溶質(zhì)原子在固溶體點(diǎn)陣

17、的一定范圍內(nèi)趨于有規(guī)則分布，形成短溶體點(diǎn)陣的一定范圍內(nèi)趨于有規(guī)則分布，形成短程有序結(jié)構(gòu)。程有序結(jié)構(gòu)。無(wú)論是置換固溶體還是間隙固溶體，無(wú)論是置換固溶體還是間隙固溶體，由于溶質(zhì)原子尺寸與溶劑原子不同，其晶由于溶質(zhì)原子尺寸與溶劑原子不同，其晶格都會(huì)產(chǎn)生畸變。由于格都會(huì)產(chǎn)生畸變。由于晶格畸變晶格畸變?cè)黾恿嗽黾恿宋晃诲e(cuò)移動(dòng)的阻力錯(cuò)移動(dòng)的阻力，使，使滑移變形難滑移變形難以進(jìn)行，因以進(jìn)行，因此，固溶體的強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌此，固溶體的強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性則有所下降。性則有所下降。這種通過(guò)溶入某種溶質(zhì)元素來(lái)形成固溶這種通過(guò)溶入某種溶質(zhì)元素來(lái)形成固溶體而使金屬的強(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象稱為體而使金屬的強(qiáng)度

18、、硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化。 （五）（五）固溶體的性能特點(diǎn)固溶體的性能特點(diǎn)由于固溶體的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑相同，固溶體的性能由于固溶體的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑相同，固溶體的性能基本上與原溶劑的性能相近，換句話說(shuō)，基本上與原溶劑的性能相近，換句話說(shuō)，固溶體的固溶體的性能主要決定于溶劑的性能性能主要決定于溶劑的性能，或在溶劑性能基礎(chǔ)上，或在溶劑性能基礎(chǔ)上發(fā)生一些改變。發(fā)生一些改變。 固溶體的性能與原溶劑性能的差別固溶體的性能與原溶劑性能的差別，或稱性能變化，或稱性能變化的大小，隨著的大小，隨著溶質(zhì)的濃度溶質(zhì)的濃度( (含量含量) )的增加而加大的增加而加大。 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化是效提高金屬材料力學(xué)性能的

19、途徑之一。是效提高金屬材料力學(xué)性能的途徑之一。 固溶體比純金屬和金屬化合物具有更固溶體比純金屬和金屬化合物具有更為優(yōu)越的綜合力學(xué)性能為優(yōu)越的綜合力學(xué)性能二、金屬化合物二、金屬化合物化合物（中間相）概念化合物（中間相）概念 當(dāng)溶質(zhì)的含量超過(guò)了其溶解度，當(dāng)溶質(zhì)的含量超過(guò)了其溶解度，在材料中將出現(xiàn)新相在材料中將出現(xiàn)新相。其。其晶體結(jié)構(gòu)與組元都不相同，表明生成了新的物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)與組元都不相同，表明生成了新的物質(zhì)。所以，所以，化合化合物物是構(gòu)成的是構(gòu)成的組元相互作用，生成不同與任何組元晶體結(jié)構(gòu)的組元相互作用，生成不同與任何組元晶體結(jié)構(gòu)的新新物質(zhì)物質(zhì)。 化合物結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，一是有化合物結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，一是有基本

20、固定的原子數(shù)目比基本固定的原子數(shù)目比，可用，可用化學(xué)分子式化學(xué)分子式表示，二是晶體結(jié)構(gòu)不同于其任何組元。在以下將表示，二是晶體結(jié)構(gòu)不同于其任何組元。在以下將學(xué)習(xí)的相圖中，它們的位置都在相圖的中間，所以也稱為學(xué)習(xí)的相圖中，它們的位置都在相圖的中間，所以也稱為中間中間相相。 在金屬材料中，原子之間的結(jié)合除離子鍵和共價(jià)鍵，金屬在金屬材料中，原子之間的結(jié)合除離子鍵和共價(jià)鍵，金屬鍵也參與作用，如果生成的化合外物鍵也參與作用，如果生成的化合外物具有金屬性具有金屬性，則稱之為，則稱之為金金屬化合物屬化合物。金屬化合物的類型金屬化合物的類型1. 1.正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物 兩組元服從原子價(jià)規(guī)律而生成的正?；?/p>

21、學(xué)中所稱的化合物。兩組元服從原子價(jià)規(guī)律而生成的正?；瘜W(xué)中所稱的化合物。通常是通常是金屬元素與非金屬金屬元素與非金屬元素組成，組元間元素組成，組元間電負(fù)性差電負(fù)性差起主要作起主要作用，兩組元間電負(fù)性差較大，它們符合一般化合物的原子價(jià)規(guī)用，兩組元間電負(fù)性差較大，它們符合一般化合物的原子價(jià)規(guī)律。例如律。例如MnSMnS、AlAl2 2O O3 3、TiNTiN、ZrOZrO2 2等，其結(jié)合鍵為離子鍵；也等，其結(jié)合鍵為離子鍵；也有的是共價(jià)鍵，如有的是共價(jià)鍵，如SiCSiC；少數(shù)也有以金屬鍵結(jié)合；少數(shù)也有以金屬鍵結(jié)合, ,如如MgMg2 2PbPb。 金屬化合物的類型金屬化合物的類型2.2.電子化合物電

22、子化合物電子化合物電子化合物 這類化合物大多是以第這類化合物大多是以第族或過(guò)渡族金屬元素與第族或過(guò)渡族金屬元素與第至第至第族金屬元素結(jié)合而成。族金屬元素結(jié)合而成。它們也可以用分子式表示，它們也可以用分子式表示，但但大多不符合正常化學(xué)價(jià)規(guī)律。大多不符合正?；瘜W(xué)價(jià)規(guī)律。當(dāng)當(dāng) e/a e/a 為某些特定值時(shí)形成一新為某些特定值時(shí)形成一新的晶體結(jié)構(gòu)，并且電子濃度不同，其對(duì)應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)的類型也的晶體結(jié)構(gòu)，并且電子濃度不同，其對(duì)應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)的類型也就不同。常間的就不同。常間的電子濃度電子濃度值有值有21/1421/14、21/1321/13、21/1221/12。由于這類。由于這類中間相與電子濃度有關(guān)，所

23、以就稱為電子化合物，主要出現(xiàn)在中間相與電子濃度有關(guān)，所以就稱為電子化合物，主要出現(xiàn)在金屬材料中，金屬材料中，它們的結(jié)合鍵為金屬鍵它們的結(jié)合鍵為金屬鍵。一些常見的電子化合物。一些常見的電子化合物可參看教材。例如可參看教材。例如CuCu3131SnSn8 8，電子濃度，電子濃度21/1321/13，具有復(fù)雜立方晶格。，具有復(fù)雜立方晶格。 金屬化合物的類型金屬化合物的類型3. 3.間隙相和間隙化合物間隙相和間隙化合物尺寸因素化合物尺寸因素化合物( (間隙相與間隙化合物間隙相與間隙化合物) ) 主要受組元的原子尺寸因素控制，通常是由主要受組元的原子尺寸因素控制，通常是由過(guò)渡族金屬原子與過(guò)渡族金屬原子與

24、原子半徑小于原子半徑小于0.1nm0.1nm的非金屬元素的非金屬元素碳、氮、氫、氧、硼碳、氮、氫、氧、硼所組成所組成。由于非金屬元素由于非金屬元素(X)(X)與金屬元素與金屬元素(M)(M)原子半徑比不同，結(jié)構(gòu)也有所原子半徑比不同，結(jié)構(gòu)也有所不同。不同。 當(dāng)當(dāng)r rX X/r/rMM0.590.590.59時(shí)，形成的化合物的晶體結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，通常稱時(shí)，形成的化合物的晶體結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，通常稱它們?yōu)殚g隙化合物，相應(yīng)的分子式也較復(fù)雜，它們?yōu)殚g隙化合物，相應(yīng)的分子式也較復(fù)雜，如鋼中常見的如鋼中常見的FeFe3 3C C、CrCr7 7C C3 3、CrCr2323C C6 6等。等。 金屬化合物的類型

25、金屬化合物的類型間隙化合物間隙化合物通常晶體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜通常晶體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 金屬化合物的性能特點(diǎn)金屬化合物的性能特點(diǎn) 大多數(shù)化合物，特別是正常價(jià)化合物，熔點(diǎn)都較高大多數(shù)化合物，特別是正常價(jià)化合物，熔點(diǎn)都較高( (結(jié)合鍵強(qiáng)的表現(xiàn)之一結(jié)合鍵強(qiáng)的表現(xiàn)之一) )，力學(xué)性能表現(xiàn)為，力學(xué)性能表現(xiàn)為硬而脆。硬而脆。 間隙相的硬度要大于間隙化合物的硬度間隙相的硬度要大于間隙化合物的硬度少量硬度高的質(zhì)點(diǎn)加入到塑性材料中，將明顯提高材少量硬度高的質(zhì)點(diǎn)加入到塑性材料中，將明顯提高材料的強(qiáng)度，即第二相強(qiáng)化機(jī)制料的強(qiáng)度，即第二相強(qiáng)化機(jī)制 。間隙相具有極高的熔點(diǎn)和硬度，具有明顯的金屬特性。間隙相具有極高的熔點(diǎn)和硬度，具有明

26、顯的金屬特性。間隙化合物具有很高的熔點(diǎn)和硬度，但加熱時(shí)易分解。間隙化合物具有很高的熔點(diǎn)和硬度，但加熱時(shí)易分解。小小 結(jié)結(jié) 合金合金 組元組元 相相 組織組織 組織組成物組織組成物固溶體固溶體 金屬化合物金屬化合物 固溶體和金屬化合物的類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，影響固溶體和金屬化合物的類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，影響其結(jié)構(gòu)的因素。其結(jié)構(gòu)的因素。相結(jié)構(gòu)與材料的性能之間的關(guān)系。相結(jié)構(gòu)與材料的性能之間的關(guān)系。名詞概念名詞概念理解內(nèi)容理解內(nèi)容第三節(jié)第三節(jié) 二元合金二元合金相圖相圖的建立的建立 相圖相圖：相圖又稱為：相圖又稱為狀態(tài)圖狀態(tài)圖，它是表示體系的成分、，它是表示體系的成分、外外界環(huán)境界環(huán)境和組成相與相之間的平衡關(guān)系的幾

27、何圖形。和組成相與相之間的平衡關(guān)系的幾何圖形。 它是研究材料組織變化規(guī)律的重要參考工具。它是研究材料組織變化規(guī)律的重要參考工具。 外界環(huán)境外界環(huán)境主要是溫度和壓力主要是溫度和壓力 相圖就是表示物質(zhì)的狀態(tài)和溫度、相圖就是表示物質(zhì)的狀態(tài)和溫度、壓力、成分之間的關(guān)系的簡(jiǎn)明圖解。壓力、成分之間的關(guān)系的簡(jiǎn)明圖解。表示在熱力學(xué)平衡條件下，各種成表示在熱力學(xué)平衡條件下，各種成分的物質(zhì)在不同溫度、壓力下的分的物質(zhì)在不同溫度、壓力下的相相組成、各種相的成分、相的相對(duì)量組成、各種相的成分、相的相對(duì)量。二元相圖二元相圖：當(dāng)存在兩個(gè)組元時(shí)，成分也是變量，：當(dāng)存在兩個(gè)組元時(shí)，成分也是變量，但一種組元的含量為獨(dú)立，另一組

28、元?jiǎng)t為余下但一種組元的含量為獨(dú)立，另一組元?jiǎng)t為余下部分。為在二維平面上表示，部分。為在二維平面上表示，通常只考慮在常通常只考慮在常壓下，取兩個(gè)變量溫度和成分壓下，取兩個(gè)變量溫度和成分。橫坐標(biāo)用線段。橫坐標(biāo)用線段表示成分，縱坐標(biāo)表示溫度。平面上以按這時(shí)表示成分，縱坐標(biāo)表示溫度。平面上以按這時(shí)平衡狀態(tài)下存在的相來(lái)分隔。平衡狀態(tài)下存在的相來(lái)分隔。( (如圖如圖) ) 相圖用途相圖用途： 由材料的成分和溫度預(yù)知由材料的成分和溫度預(yù)知平衡相平衡相； 材料的成分一定而溫度發(fā)生變化時(shí)材料的成分一定而溫度發(fā)生變化時(shí)其他平衡相變化的規(guī)律其他平衡相變化的規(guī)律； 估算平衡相的數(shù)量。估算平衡相的數(shù)量。預(yù)測(cè)材料的組織和

29、性能預(yù)測(cè)材料的組織和性能相圖的基本知識(shí)二元相圖的表示方法（板書）二元相圖的測(cè)定 相律 與杠桿定律相律是表示在平衡條件下，系統(tǒng)的自由度數(shù)、組元數(shù)和平衡相數(shù)之間的關(guān)系式。 f = c p + 2 f為系統(tǒng)的自由度數(shù)；c為組元數(shù); P為平衡相數(shù)。杠桿定理（板書）（適用兩相區(qū)）（適用兩相區(qū)） %100LabObWWOL%100SabOaWWOS二元相圖的基本類型 勻晶相圖：兩組元在液固狀態(tài)下都無(wú)限互溶勻晶相圖：兩組元在液固狀態(tài)下都無(wú)限互溶1.相圖分析 由液相結(jié)晶出單相固溶體的過(guò)程被稱為勻晶轉(zhuǎn)變。由液相結(jié)晶出單相固溶體的過(guò)程被稱為勻晶轉(zhuǎn)變。 在液態(tài)和固態(tài)均無(wú)限互溶的相圖。如Cu-Ni、Au-Ag、Au-

30、Pt、W-Mo等。 相圖分析（以Cu-Ni為例）： 點(diǎn)：純Cu熔點(diǎn)、純Ni熔點(diǎn) 線：液相線、固相線 相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)L、，兩相區(qū)L+ 2.固溶體合金的平衡結(jié)晶過(guò)程 平衡結(jié)晶是指結(jié)晶過(guò)程中每個(gè)階段都能達(dá)到平衡，因此平衡結(jié)晶是在極其緩慢的冷速下實(shí)現(xiàn)1 1、平衡結(jié)晶過(guò)程、平衡結(jié)晶過(guò)程 任一合金在液相線以上時(shí)，保持單一液態(tài)，冷卻到液相線時(shí)，開始結(jié)晶出固相，保持L+兩相平衡直至冷卻到固相線溫度為止。 室溫組織為單相固溶體。 2 2、勻晶轉(zhuǎn)變的形核與生長(zhǎng)、勻晶轉(zhuǎn)變的形核與生長(zhǎng) 主要依靠結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏形核，但由于開始析出相與原合金成分不同，因而新相形核還必須借助液態(tài)合金中組元原子分布的微觀不均勻性提供的濃度

31、起伏。 相長(zhǎng)大過(guò)程中，固相成分和剩余液相成分在不斷的變化，其變化規(guī)律是：液相成分始終沿液相線變化，而固相成分始終沿固相線變化。 平衡結(jié)晶過(guò)程如下：平衡結(jié)晶過(guò)程如下： 固溶體晶核形成，造成液固界面的濃度梯固溶體晶核形成，造成液固界面的濃度梯度，進(jìn)行擴(kuò)散，固液界面不平衡，晶體長(zhǎng)大度，進(jìn)行擴(kuò)散，固液界面不平衡，晶體長(zhǎng)大3固溶體合金的不平衡結(jié)晶 在實(shí)際冷卻過(guò)程中，結(jié)晶常常在幾分鐘甚至數(shù)小時(shí)內(nèi)完成，固溶體成分來(lái)不及擴(kuò)散至均勻。這種結(jié)晶過(guò)程被稱為不平衡結(jié)晶。 不平衡結(jié)晶的組織，合金內(nèi)部成分不均勻的現(xiàn)象被稱為“偏析”。而晶粒內(nèi)部成分不均勻的現(xiàn)象被稱為“晶內(nèi)偏析”樹枝晶內(nèi)的偏析被稱為“枝晶偏析”。 實(shí)際生產(chǎn)條

32、件下，液態(tài)合金的結(jié)晶是在較快的冷卻速度下進(jìn)行的，組元原子得不到充分?jǐn)U散，稱為非平衡結(jié)晶，所得組織稱為非平衡組織。 非平衡結(jié)晶時(shí)，存在顯微組織的化學(xué)成分不均勻性問(wèn)題， 先結(jié)晶的部分含高熔點(diǎn)組元較多，后結(jié)晶的部分含低熔點(diǎn)組元較多，這種現(xiàn)象稱為晶內(nèi)偏析。 當(dāng)固溶體以樹枝狀方式結(jié)晶時(shí)，這種偏析也稱枝晶偏析。 枝晶偏析的程度取決于結(jié)晶時(shí)的冷卻速度、偏析元素的擴(kuò)散能力以及相圖中液-固線的距離等因素。 嚴(yán)重的枝晶偏析將惡化合金的性能，生產(chǎn)上常把有枝晶偏析的合金加熱到固相線以下100200進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間保溫，使原子充分?jǐn)U散，實(shí)現(xiàn)成分均勻化，這種處理方法成為均勻化退火或擴(kuò)散退火5成分過(guò)冷 在液態(tài)合金的凝固過(guò)程中，即

33、使溶液的實(shí)際溫度分布一定，由于溶液中溶質(zhì)分布的變化，改變了熔點(diǎn)，此時(shí)過(guò)冷是由成分變化和實(shí)際溫度分布兩個(gè)因素來(lái)決定的。這種過(guò)冷稱為成分過(guò)冷。3-5 3-5 共晶相圖及其合金的結(jié)晶共晶相圖及其合金的結(jié)晶 共晶相圖：液態(tài)完全互溶，固態(tài)有限互溶共晶相圖：液態(tài)完全互溶，固態(tài)有限互溶（或完全不溶）并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變（或完全不溶）并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變, ,生成共晶生成共晶組織的二元系合金相圖組織的二元系合金相圖, ,稱為二元共晶相圖。稱為二元共晶相圖。 典型相圖有典型相圖有:Pb-Sn, Pb-Sb,Ag-Cu:Pb-Sn, Pb-Sb,Ag-Cu等等. . 共晶合金具有優(yōu)良共晶合金具有優(yōu)良的鑄造性能的鑄造性能! !

34、點(diǎn)：點(diǎn)：A A點(diǎn)：純點(diǎn)：純PbPb熔點(diǎn)，熔點(diǎn)，B B點(diǎn)：純點(diǎn)：純SnSn熔點(diǎn)熔點(diǎn) 線：線：AEBAEB：液相線；：液相線；AMENBAMENB：固相線；：固相線；MENMEN： 一、相圖分析（以一、相圖分析（以Pb-SnPb-Sn合金為例，如圖）合金為例，如圖） 相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)：相區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)：L L、 、 ；兩相區(qū)：；兩相區(qū)：L+L+、L+L+，+；三相平衡：三相平衡：L+L+。共晶轉(zhuǎn)變：一定成分的液相，在一定的溫度下同時(shí)結(jié)晶共晶轉(zhuǎn)變：一定成分的液相，在一定的溫度下同時(shí)結(jié)晶出成分不同的兩個(gè)固相，稱為共晶轉(zhuǎn)變。出成分不同的兩個(gè)固相，稱為共晶轉(zhuǎn)變。DMCEoL 183 共晶轉(zhuǎn)變時(shí)共晶轉(zhuǎn)變時(shí),E,E點(diǎn)

35、稱為共晶成分點(diǎn)，成分位于點(diǎn)稱為共晶成分點(diǎn)，成分位于E E點(diǎn)點(diǎn)的合金稱為的合金稱為共晶合金共晶合金，成分位于，成分位于MM點(diǎn)到點(diǎn)到E E點(diǎn)的稱為點(diǎn)的稱為亞共晶合金亞共晶合金，成分位于，成分位于E E點(diǎn)到點(diǎn)到N N點(diǎn)的稱為過(guò)點(diǎn)的稱為過(guò)共晶合共晶合金。金。二、典型合金的平衡結(jié)晶及其組織二、典型合金的平衡結(jié)晶及其組織1、含、含Sn量小于量小于19%的合金的合金 1點(diǎn)以上為液相，點(diǎn)以上為液相，12點(diǎn)結(jié)晶出點(diǎn)結(jié)晶出相，液相成分沿相，液相成分沿AE線變線變化，固相成分沿化，固相成分沿AM線變化，線變化，23點(diǎn)為單相點(diǎn)為單相，3點(diǎn)以下從過(guò)飽點(diǎn)以下從過(guò)飽和的和的中析出二次（次生）中析出二次（次生），即，即II。

36、 室溫下，該合金的相組成為室溫下，該合金的相組成為+；組織為；組織為+II。 成分位于成分位于N點(diǎn)右邊的合金與上述合金結(jié)晶過(guò)程完全相同，只點(diǎn)右邊的合金與上述合金結(jié)晶過(guò)程完全相同，只需將需將改為改為，改為改為即可。即可。+相在室溫的含量為相在室溫的含量為: =F4/FG 100%1 1點(diǎn)以上為液相，冷卻到點(diǎn)以上為液相，冷卻到1 1點(diǎn)，發(fā)生共晶點(diǎn)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：轉(zhuǎn)變：5 .97191839 .61 CoL 共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，相組成為共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，相組成為 、 ，相對(duì)，相對(duì)量為：量為：2、共晶合金（含、共晶合金（含61.9%Sn）%4 .45195 .979 .615 .97W ， %6 .54%4

37、 .451LW 組織為（組織為（+）共晶體，相對(duì)量為）共晶體，相對(duì)量為100%100%。 1 1點(diǎn)以下，將從點(diǎn)以下，將從 中析出中析出IIII，從，從 中析出中析出IIII，但，但I(xiàn)III和和IIII會(huì)附著在共晶會(huì)附著在共晶 和和 相上長(zhǎng)大，無(wú)法區(qū)分，故結(jié)相上長(zhǎng)大，無(wú)法區(qū)分，故結(jié)晶結(jié)束后，相組成為晶結(jié)束后，相組成為 、 ，組織組成為（，組織組成為（+）共）共晶體。晶體。共晶組織的形態(tài)有層片狀、纖維狀、短棒狀、針共晶組織的形態(tài)有層片狀、纖維狀、短棒狀、針狀、螺旋狀等。狀、螺旋狀等。共晶組織的形成過(guò)程共晶組織的形成過(guò)程! !以層片狀為例以層片狀為例5 .97191839 .61 CoL+%72199 .611950W3 3、亞共晶合金（含、亞共晶合金（含Sn Sn 量在量在1919 61.9%61.9%之間）之間） 以以50%Sn50%Sn為例：為例： 1 1點(diǎn)以上，液相；點(diǎn)以上，液相；1 1 2 2點(diǎn)，液相中結(jié)晶出初生點(diǎn)，液相中結(jié)晶出初生 ，液相成分沿液相成分沿AEAE線變化，固相成分沿線變化，固相成分沿AMAM線變化；到線變化；到2 2點(diǎn)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：點(diǎn)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變： ，共晶轉(zhuǎn)變結(jié)