材料科学基础基本第五章 材料的相结构及相图
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(三)固溶体的微观不均匀性
图4-2 固溶体中溶质原子分布示意图 a）无序分布 b）偏聚分布 c）短程有序分布 图4-3 有序固溶体的晶体结构 a）CuAu b）Cu3Au
二、金属间化合物
• A、B组元间组成合金时，可形成晶体结构不同于A、B两组元的化合物相 。这种相的成分处在A在B中和B在A中的最大溶解度之间，因此也叫中间
(二)二元相图的建立
热分析法 图4-6 Cu-Ni二元相图的测定
原理：将体系 均匀冷却或加 热，当无相变 发生时，冷却 曲线将连续变 化。当体系内 发生相变时， 冷却曲线上会 出现折点或停 歇点。根据所 测的临界点就 可以绘出相图。
(三)杠杆定律 杠杆定律是相图分析的重要工具，适用于两相区，可用来确定两平衡相的 成分和相对量。在相图中，任意一点都叫“表象点”一个表象点的坐标值 反映一个给定合金的成分和温度。
4 12
CuZn3
Cu3Sn
Cu5Al3
Cu3Si
决定电子化合物结构的主要因素是电子浓度，但并非唯一因素，其它因 素，特别是尺寸因素仍起一定作用。
(三)复杂结构间隙化合物与间隙相
类型
化学式 硬度/HV 熔点/℃
图4-4 VC晶体结构 图4-5 Fe3C晶体结构
表4-2 钢中常见碳化物的熔点和硬度
间隙相
图4-8 结晶过程示意图
晶核的形成有两种方式。在液体内部，存在大量时聚时散的近程有序的大小 不等的原子集团即晶胚。在过冷的情况下，借助液体中的能量起伏，某些晶胚 的尺寸有可能大于临界尺寸，这些晶胚可自发生长，成为结晶核心，所以这种 形核方式叫自发形核或均匀形核。另一种形核方式为结晶时，依附过冷液相中 的高熔点固态杂质形成晶核，所以称非自发形核或非均匀形核。非均匀形核所 需能量比均匀形核低得多，所以实际金属结晶大多是非均匀形核。 由晶核长成的小晶体叫晶粒，晶粒之间的交界叫晶界。晶粒的二维平衡形貌 为多边形块状，三叉晶界，晶界夹角为120℃。
分类
溶质原子在固溶体 中所占的位置
置换固溶体 间隙固溶体
固溶度的大小
有限固溶体 无限固溶体
固溶体中 原子的排 列情况
有序固溶体 无序固溶体
(一)置换固溶体
形成固溶体时，溶质原子置换了溶剂点阵中的溶剂原子，占据了溶剂晶格的结点 位置，以此种方式所形成的固溶体叫置换固溶体。
图4-1形成无限固溶体时两组元原子置换过程示意图
相。中间相的结合键主要为金属键，兼有离子键和共价键。因此中间相 又称金属间化合物。
形成合金相 时起主导的 控制因素
主要受电负性控制的正常价化合物 以原子尺寸因素为主要控制因素的间隙相、间隙化合物和拓扑密堆相 以电子浓度为主要控制因素的电子化合物
(一)正常价化合物
负电性差别较大的组元可能形成与离子化合物点阵相同的中间相。这种化合物符 合化合价规律，所以叫正常价化合物。例如，Mg2Si、Mg2Sn、MnS等，其成分 可以用化学式表示。正常价化合物一般有AB、A2B（或AB2）两种类型。其晶体 结构与相应的离子键晶体结构相同。AB型正常价化合物的晶体结构可以是NaCl 型结构、立方ZnS结构或六方ZnS结构。A2B（或AB2）具有CaF2型结构（或反 CaF2型结构）。正常价化合物具有较高的硬度和脆性。在以固溶体为基的合金中， 正常价化合物如果合理分布，可使合金得到强化。
决定系统平衡状态的变量主要包括成分、温度、压力等。 相律的表达式为 f=c-p+n
对于凝聚系统，可以略去压力这一变数， 此时相律的表达式为f=c-p+1
f自由度， c为组元数， n为影响系统平衡状 态的外界因素数目，
p为平衡相数
二、相图的基本知识
(一)相图的表示方法 对于凝聚系统，相图测量过程中主要控制温度和成分，因此常见的相 图大都以温度和成分为坐标。对于二元系，独立的成分变数只有一个， 所以二元系只需用一个横坐标表示成分，纵坐标为温度，所以二元相图 为一个平面图形；对于三元系，成分变数有两个，所以其成分必须用一 个平面图形来表示，加上温度轴，所以三元相图是一个三维的立体图形。
显然晶体结构相 同是形成无限固 溶体的必要条件。
(二)间隙固溶体
一些原子半径小于0.1nm的C、N、H、B等非金属元素因受尺寸因素影响，不能 与过渡族金属元素形成置换固溶体，却可固溶于溶剂晶格的间隙位置，形成间隙固溶 体。一般间隙半径比较小，所以形成间隙固溶体时，晶胞要涨大，造成严重的点阵畸 变，使能量增高，故固溶度受到限制。
图4-7 杠杆定律的证明及力学比喻
三、二元匀晶相图
由液相结晶出均一固相的Biblioteka Baidu程称为匀晶转变，具有单一的匀晶转变的相 图称为匀晶相图。现以Cu-Ni二元相图为例进行分析。
(一)相图分析与典型合金结晶过程
1. 相图分析
2. 结晶过程分析
（1）纯组元的结晶
液态纯组元冷至理论结晶温度Tm（熔点）以下某一温度Tn，就要发生结晶。 结晶是由液态的短程有序状态转变为固态的长程有序状态。结晶过程包括生 核和长大过程，如图4-8。
第五章 材料的相结构及相图
第一节 材料的相结构 第二节 二元相图及其类型 第三节 复杂相图分析
第一节 材料的相结构
工业上应用的金属材料主要是合金。合金中的相结构是多种多样的， 但可分为两大类：固溶体和化合物。
一、固溶体
溶质原子完全溶入固态溶剂中，所生成的合金相与溶剂的晶格结构相同， 该合金相叫固溶体。固溶体的成分一般可在一定范围内连续变化，随溶质 的溶入，将引起溶剂晶格畸变，使合金强度硬度升高这便是固溶强化。
在指定的温度和压力下，若多相体系的各相中每一组元的浓度均不随时间 而变化，则体系达到了相平衡。若体系内不发生化学反应，则相平衡的条 件是各组元在它存在的各相中的化学位相等。实际上相平衡是一种动态平 衡，从系统内部看，分子和原子在相界处仍在不停地转换，只不过各相之 间的转换速度相同而已。
(二)相律 吉布斯（Gibbs）相律是表示处于热力学平衡状态下，系统的自由度、组 元数和相数之间的关系。
(二)电子化合物
表4-1 合金中常见的电子化合物 电子浓度
合金系 Cu-Zn
体心立方
3 21 相 2 14
CuZn
Cu-Sn
Cu5Sn
Cu-Al
Cu3Al
Cu-Si
Cu5Si
注：表中分数表示电子浓度
复杂立方
13 相
21
Cu5Zn8
Cu31Sn8
Cu9Al4
Cu31Si8
密排六方
7 21 相
TiC 2850 3080
ZrC 2840 3472±20
VC 2010 2650
NbC 2050 3608±20
WC 1370 2785±5
MoC 1840 2527
复杂结构 间隙化合物
Cr23C6 Fe3C 1650 ～800
1577 1227
第二节 二元相图及其类型
一、相平衡与相律 (一)相平衡
图4-2 固溶体中溶质原子分布示意图 a）无序分布 b）偏聚分布 c）短程有序分布 图4-3 有序固溶体的晶体结构 a）CuAu b）Cu3Au
二、金属间化合物
• A、B组元间组成合金时，可形成晶体结构不同于A、B两组元的化合物相 。这种相的成分处在A在B中和B在A中的最大溶解度之间，因此也叫中间
(二)二元相图的建立
热分析法 图4-6 Cu-Ni二元相图的测定
原理：将体系 均匀冷却或加 热，当无相变 发生时，冷却 曲线将连续变 化。当体系内 发生相变时， 冷却曲线上会 出现折点或停 歇点。根据所 测的临界点就 可以绘出相图。
(三)杠杆定律 杠杆定律是相图分析的重要工具，适用于两相区，可用来确定两平衡相的 成分和相对量。在相图中，任意一点都叫“表象点”一个表象点的坐标值 反映一个给定合金的成分和温度。
4 12
CuZn3
Cu3Sn
Cu5Al3
Cu3Si
决定电子化合物结构的主要因素是电子浓度，但并非唯一因素，其它因 素，特别是尺寸因素仍起一定作用。
(三)复杂结构间隙化合物与间隙相
类型
化学式 硬度/HV 熔点/℃
图4-4 VC晶体结构 图4-5 Fe3C晶体结构
表4-2 钢中常见碳化物的熔点和硬度
间隙相
图4-8 结晶过程示意图
晶核的形成有两种方式。在液体内部，存在大量时聚时散的近程有序的大小 不等的原子集团即晶胚。在过冷的情况下，借助液体中的能量起伏，某些晶胚 的尺寸有可能大于临界尺寸，这些晶胚可自发生长，成为结晶核心，所以这种 形核方式叫自发形核或均匀形核。另一种形核方式为结晶时，依附过冷液相中 的高熔点固态杂质形成晶核，所以称非自发形核或非均匀形核。非均匀形核所 需能量比均匀形核低得多，所以实际金属结晶大多是非均匀形核。 由晶核长成的小晶体叫晶粒，晶粒之间的交界叫晶界。晶粒的二维平衡形貌 为多边形块状，三叉晶界，晶界夹角为120℃。
分类
溶质原子在固溶体 中所占的位置
置换固溶体 间隙固溶体
固溶度的大小
有限固溶体 无限固溶体
固溶体中 原子的排 列情况
有序固溶体 无序固溶体
(一)置换固溶体
形成固溶体时，溶质原子置换了溶剂点阵中的溶剂原子，占据了溶剂晶格的结点 位置，以此种方式所形成的固溶体叫置换固溶体。
图4-1形成无限固溶体时两组元原子置换过程示意图
相。中间相的结合键主要为金属键，兼有离子键和共价键。因此中间相 又称金属间化合物。
形成合金相 时起主导的 控制因素
主要受电负性控制的正常价化合物 以原子尺寸因素为主要控制因素的间隙相、间隙化合物和拓扑密堆相 以电子浓度为主要控制因素的电子化合物
(一)正常价化合物
负电性差别较大的组元可能形成与离子化合物点阵相同的中间相。这种化合物符 合化合价规律，所以叫正常价化合物。例如，Mg2Si、Mg2Sn、MnS等，其成分 可以用化学式表示。正常价化合物一般有AB、A2B（或AB2）两种类型。其晶体 结构与相应的离子键晶体结构相同。AB型正常价化合物的晶体结构可以是NaCl 型结构、立方ZnS结构或六方ZnS结构。A2B（或AB2）具有CaF2型结构（或反 CaF2型结构）。正常价化合物具有较高的硬度和脆性。在以固溶体为基的合金中， 正常价化合物如果合理分布，可使合金得到强化。
决定系统平衡状态的变量主要包括成分、温度、压力等。 相律的表达式为 f=c-p+n
对于凝聚系统，可以略去压力这一变数， 此时相律的表达式为f=c-p+1
f自由度， c为组元数， n为影响系统平衡状 态的外界因素数目，
p为平衡相数
二、相图的基本知识
(一)相图的表示方法 对于凝聚系统，相图测量过程中主要控制温度和成分，因此常见的相 图大都以温度和成分为坐标。对于二元系，独立的成分变数只有一个， 所以二元系只需用一个横坐标表示成分，纵坐标为温度，所以二元相图 为一个平面图形；对于三元系，成分变数有两个，所以其成分必须用一 个平面图形来表示，加上温度轴，所以三元相图是一个三维的立体图形。
显然晶体结构相 同是形成无限固 溶体的必要条件。
(二)间隙固溶体
一些原子半径小于0.1nm的C、N、H、B等非金属元素因受尺寸因素影响，不能 与过渡族金属元素形成置换固溶体，却可固溶于溶剂晶格的间隙位置，形成间隙固溶 体。一般间隙半径比较小，所以形成间隙固溶体时，晶胞要涨大，造成严重的点阵畸 变，使能量增高，故固溶度受到限制。
图4-7 杠杆定律的证明及力学比喻
三、二元匀晶相图
由液相结晶出均一固相的Biblioteka Baidu程称为匀晶转变，具有单一的匀晶转变的相 图称为匀晶相图。现以Cu-Ni二元相图为例进行分析。
(一)相图分析与典型合金结晶过程
1. 相图分析
2. 结晶过程分析
（1）纯组元的结晶
液态纯组元冷至理论结晶温度Tm（熔点）以下某一温度Tn，就要发生结晶。 结晶是由液态的短程有序状态转变为固态的长程有序状态。结晶过程包括生 核和长大过程，如图4-8。
第五章 材料的相结构及相图
第一节 材料的相结构 第二节 二元相图及其类型 第三节 复杂相图分析
第一节 材料的相结构
工业上应用的金属材料主要是合金。合金中的相结构是多种多样的， 但可分为两大类：固溶体和化合物。
一、固溶体
溶质原子完全溶入固态溶剂中，所生成的合金相与溶剂的晶格结构相同， 该合金相叫固溶体。固溶体的成分一般可在一定范围内连续变化，随溶质 的溶入，将引起溶剂晶格畸变，使合金强度硬度升高这便是固溶强化。
在指定的温度和压力下，若多相体系的各相中每一组元的浓度均不随时间 而变化，则体系达到了相平衡。若体系内不发生化学反应，则相平衡的条 件是各组元在它存在的各相中的化学位相等。实际上相平衡是一种动态平 衡，从系统内部看，分子和原子在相界处仍在不停地转换，只不过各相之 间的转换速度相同而已。
(二)相律 吉布斯（Gibbs）相律是表示处于热力学平衡状态下，系统的自由度、组 元数和相数之间的关系。
(二)电子化合物
表4-1 合金中常见的电子化合物 电子浓度
合金系 Cu-Zn
体心立方
3 21 相 2 14
CuZn
Cu-Sn
Cu5Sn
Cu-Al
Cu3Al
Cu-Si
Cu5Si
注：表中分数表示电子浓度
复杂立方
13 相
21
Cu5Zn8
Cu31Sn8
Cu9Al4
Cu31Si8
密排六方
7 21 相
TiC 2850 3080
ZrC 2840 3472±20
VC 2010 2650
NbC 2050 3608±20
WC 1370 2785±5
MoC 1840 2527
复杂结构 间隙化合物
Cr23C6 Fe3C 1650 ～800
1577 1227
第二节 二元相图及其类型
一、相平衡与相律 (一)相平衡