二元合金相结构与相图基本概念与特点

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(1) 溶质与溶剂原子相差越大,溶质原子浓度 越高,所引起的晶格畸变越大,固溶强化效果越 大
(2) 间隙原子的强化效果比置换原子的大。因 为间隙原子引起的点阵畸变大 (3)综合机械性能好。适当控制溶质含量,不 仅可以显著提高材料强硬度,而且材料的塑韧性 不会明显降低
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
合金中,形成条件不同,可能形成不同的相,相的数量、 形态及分布状态不同,形成不同的组织。
相是组织的二基元合本金的组相结成构与相图基本概念
和特点
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
纯铁、钢中的相
纯铁中的相:α-Fe 钢中的相:铁素体(α)+渗碳体(Fe3C)
α相
α相 Fe3C 相
纯铁
0.45%C 钢
二元合金的相结构与相图基本 概念和特点
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
纯金属由于强度都很低,如纯铁的抗拉强度 约为200MPa,而纯铝不到100MPa,不适合 作结构材料。目前应用的金属材料绝大多数是 合金,因此有必要研究合金结构-包括化学成分、 合金相、晶体结构、组织状态等-是有效工具
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
合金相图可作为合金熔炼、铸造、锻造及热处理的重要依据。 二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
一、二元相图的表示方法
在常压下直角坐标系
合金成分、 温度、相状态

由于我们涉及到的材料一般
分 线
是凝聚态的,压力的影响极
小,所以通常的二元相图是
指在恒压下(一个大气压)物
质的状态与温度、成分之间
的关系图。
50%Fe-50%C 20%Fe-80%C 根据组元数分为
二元合金 、三元合金 、 多元合金 二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
什么是合金相?
组元间由于物理的和化学的相互作用,可形成各种“相”。
合金相 :指合金中结构相同,成分和性能均一,并有
界面与其他部分分开的均匀组成部分(phase)
金属或合金均由相构成——单相合金、多相合金 ——用α、β、γ、δ、η、θ等表示
图3-7 Cu3Au 二元合金的相结构有与序相图固基溶本概体念
和特点
●- Cu原子 ○- Au原子
(五) 固溶体的性能
(1) 固溶体强硬度高于组成它的纯金属,塑韧 性低于组成它的纯金属 (2)物理性能方面,随着溶质原子量↑,固溶 体的电阻率↑,电阻温度系数↓,导热性↓
间隙固溶体的固溶强化高于置换固溶体
原因:原子尺寸相差越大,点阵畸变越严重,结构 也越不稳定,当相对差大于30%时,则不易形成置
换固溶体。
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
电负性因素
电负性:元素的原子获得电子的相对倾向。
两元素的电负性相差越大,化学亲合力越 强,易生成金属化合物。
两元素间的电负性相差越小,越易形固溶 体,所形成的固溶体的固溶度也越大。
中的相
合金: 一种金属元素与另一种或几种其它元素,经熔炼或 其它方法结合而成的具有金属特性的物质。如黄铜是铜 锌合金,钢、铸铁是铁碳合金。 组 元 :组成合金最基本的、独立存在的物质
Fe-C合金:Fe(组元一)-Fe3C(组元二) 合金系:由给定的组元以不同的比例配制成的一系列成 分不同的合金系统 例Fe-C合金系: 90%Fe-10%C 80%Fe-20%C
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
晶体结构
晶体结构类型相同是组元间形成无限固 溶体的必要条件。 (如:Cu-Ni合金无 限固溶体)
溶质与溶剂晶格结构相同则固溶度较大, 反之较小。
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
(三)间隙固溶体
一些原子半径小于0.1nm的非金属元素如H, O,N,C,B等受原子尺寸因素的影响,不能 与过渡族金属元素形成置换固溶体,却可处于 溶剂晶格结构中的某些间隙位置,形成间隙固 溶体。
和特点
置换固溶体
间隙固溶体
2、 按固溶度分类
(1)有限固溶体——溶质原子在固溶体中的浓 度有一定的限度,超过这个限度就不再溶解, 这个限度称为固溶度。 (2)无限固溶体——溶质原子能以任意比例 溶入溶剂,固溶度可达到100%。
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3、按溶质原子与溶剂原 子的相对分布
只能是有限固溶体,只能是 无序固溶体。
间隙原子在bcc 结构中的位置
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
(四) 固溶体的结构特点
保持着溶剂的晶格类型 1 晶格发生畸变
晶格基本的大小用晶格常数反应出来: 对置换固溶体,溶质原子较溶剂大,晶格常数增加; 反之减小。 对间隙固溶体,晶格常数增大。
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r非 / r金> 0.59时,形成复杂晶体结构 的化合物——间隙化合物。
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
1. 间隙相
当rB/rA<0.59时形成,其结 构为简单晶体结构,一般可用简单 化学式表示:M4X,M2X,MX, MX2,成分可在一定范围内变化。 性能:极高的熔点和硬度。
如:VC; TiC; W2C 用途:硬质合金和高硬度工模具的 重要组织组成;表面涂覆材料
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
电子浓度因素
在尺寸有利的情况下,溶质原子的价越高,固溶度越 小。
电子浓度定义为合金中价电子数目与原子数目的比值。 固溶度受电子浓度控制,存在一临界值。
对于一价金属的每种晶体结构都有一极限电子浓度, 面心立方为1.36、体心立方为1.48,密排六方为1.75。
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2. 间隙化合物
如钢中的 Fe3C、Cr23C6、Fe3W3C等。 性能:很高的熔点和硬度,但不如间隙相 用途:钢中重要强化相
间隙相与间隙固溶体间有着本质的区别。 间隙相是一种化合物,具有与其组元完全 不同的晶体结构,而间隙固溶体则仍保持 着溶剂组元的晶格类型。
组元间结合为离子键、共价键和金属键。 特点:成分固定不变,可用化学式表示。 如Mg2Si、Mg2Sn、MgS、MnS等。具有较 高的硬度,脆性较大,在合金中弥散分布在基体 上,常可起弥散强化作用 。
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(二) 电子化合物
不遵守原子价规律,而是按一定的电子浓度的比 值形成的化合物。电子浓度不同,化合物的晶格类型 也不同。由ⅠB族元素与Zn、Al、Sn等元素组成。
若溶质原子有规则地占据溶剂结构中的固 定位置,溶质与溶剂原子数之比为一定值 时,所形成的固溶体称为有序固溶体(金 属化合物)。否则为无序固溶体。
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(二)置换固溶体
溶质原子的融入,会引起合金性能发生显著的变化, 固溶度主要受以下因素影响:
原子尺寸因素
原子尺寸相差越大,固溶度越小;当相对差不超过 15%,有利于大量固溶,反之固溶度非常有限。当 相对差小于8%,且其他因素满足也较好时,才能 形成无限固溶体。
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固溶强化
——固溶体中随着溶质原子的加入,强度、硬度 升高,塑性、韧性降低的现象 ——金属材料的主要强化手段或途径之一 例如:采用廉价的16Mn (1.2%~1.6%Mn),抗拉 强度较相同碳含量的普通碳素钢提高60%
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固溶强化的特点
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
§3-2 合金的相结构
相结构,实指合金的晶体结构,根据结构特点分 固溶体和金属化合物 一、固溶体
合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、 且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。 二、金属化合物
定义:合金组元相互作用形成的晶格类型和特性 完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物。
一般间隙半径较小,非金属原子溶入时,将使 晶格胀大,造成点阵畸变,故固溶度有限。
只有溶质元素与溶剂的原子半径比值小于0.59 时,才可能形成间隙固溶体。
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
结构特点
保持溶剂结构
溶质原子均位于八面体间隙
溶解度与原子大小和溶剂的 晶格类型有关; F.C.C 中> B.C.C 中;
保持金属键结合
产生固溶强化
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
(一)固溶体的分类
1、 按溶质原子在晶格中所占的位置分类
(1)置换固溶体— 溶质原子占据溶剂晶格 结点所形成的固溶体—又称代位固溶体
90% Cu-10%Ni合金
(2)间隙固溶体—溶质原子填入溶剂晶 格的空隙位置所形成的固溶体
例:C 固溶于α-Fe中形成间隙固溶体(铁素体) C 固溶于γ-Fe中形成间二隙元固合金溶的相体结(构与奥相氏图基体本)概念
测定临界点的方法:热分析法,金相法,膨胀 法,磁性法,电阻法,X射线结构分析法。
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热分析法
B点相状态: α单相
A点相状态: L +α两相
Cu-Ni二元合金相图
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一、固溶体
与固溶体的晶格相同的组成元素称为溶剂,在固溶体中一般 都占有较大的含量;其它组成元素称为溶质。
溶质原子溶入固溶体中的量称为固溶体的浓度。浓度或溶解 度一般用溶质元素所占的重量百分比来表示(wt%)。
固溶体特性
保持溶剂晶体结构
成分可变结构不变,在相图中为一个相区
2 偏聚与有序
当同种原子结合力大于异种原子时,偏聚; 反之,短程有序。
(a)无序分布
fAB = fAA = fBB
(b)偏聚
fAA 或 fBB > fAB
(c)短程有序 fAB > fAA(或 fBB)
(d)有序分布 (超结构)
固溶体中溶质原子示意图
3 有序固溶体-超结构
具有短程有序的固溶体缓冷到某一温度以下,会 转变为完全有序状态(长程有序)称为有序固溶 体。又称超结构,超点阵。这一温度为有序化温 度,可逆。
固溶体的应用
(1) 结构材料的基体相 (2)精密电阻、电热材料等
材料种类
纯Cu Cu+19%Ni 单相固溶体
σb(MPa) 220 390
HBS 44 70
Ψ(%) 70 50
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
二、金属化合物
金属化合物是当溶质含量超过溶解度极限以后 合金组元间发生相互作用而形成的一种新相, 又称中间相。
电子化合物的结合键为金属键,熔点一般较高, 硬度高,脆性大,是有色金属中的重要强化相。
特点:虽用化学式表示,但成分可变 例如 FeAl (Al:36.5%~50%atm);
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
(三) 间隙相和间隙化合物
过渡族元素和原子半经较小的非金属元素 氢、氮、碳、硼组成。
r非 / r金< 0.59时,形成简单结构的化 合物——间隙相。
其晶体结构不同于组成化合物的组元,结合键 主要为金属键,兼有离子键,共价键。因此中 间相具有金属的性质,又称金属间化合物,通 常具有高熔点、高硬度,常作合金中的强化相。
分为:正常价化合物,电子化合物,间隙相和 间隙化合物。
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
(一) 正常价化合物
金属元素与电负性相差较大的周期表中ⅣA, ⅤA,ⅥA族的一些元素形成的化合物为正常价 化合物。
在成分和温度坐标平面上的任意一点称为表象点,一个表象 点的坐标值表示一个合金的二元成合分金的和相和结温特构点与度相。图基本概念
二、二元合金相图的测定方法
实验测定和理论计算两种 实验测定:
配制一系列成分不同的合金,然后测定这些合金的相变 临界点(液固转变临界点,固态相变临界点),最后把 这些点标在温度-成分坐标图上,把由意义的点连接成 线,这些线划分出不同的区域,这些区域即称为相区, 将各相区所存在的相的名称标出,相图完成。
重点与难点
重点:
1 组元、相、组织、组织组成物等基本概念; 2 固溶体和化合物的本质区别和性能特点; 3 掌握分析相图的基本方法; 4 正确运用杠杆定律,掌握相构成与组织构成的计
算方法。
难点:
1 相与组织的差别;间隙相与间隙化合物的区别; 2 相组成及组织组成相对量的计算; 3 形成金属化合物的相图
二元合金的相结构与相图基本概念 和特点
§ 3-3 二元合金相图的建立
给定的合金系究竟以什么状态(相)存在,包 含哪些相,这由内、外因条件决定,外因是温度 和压力,内因则是化学成分 ——用相图来表示它们之间的关系
几个概念: 相图: 表示合金系中的状态(相)与温度,成分
之间关系的图解。又称状态图或平衡图 相变:相与相之间的转变
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