工程材料第三章 (一,二)

电负性因素： 是指元素的原子从其它原子夺取电子而转变 为负离子的能力。
溶质、溶剂的电负性越接近溶解度越大。越有利于
形成无限固溶体。当元素间的电负性的差别大到一定程 度后，就难于形成固溶体，而倾向于形成化合物。
（四）、 固溶强化
通过向溶剂金属中溶入溶质元素形成固溶体，而 使固溶体合金强度、硬度升高的现象， 固溶强化。 强化机理： 溶质溶入→晶格畸变→位错运动阻力增加→金属塑性 变形困难→高强度、硬度（塑性和韧性↓）。
d
e
g
+
B
金属和合金的组织是由相组成 组织：

A
的，是由于组成相的种类、相 对数量、晶粒形状、大小及分 布形态等的不同，而分别具有 不同形貌特征的相的组合物。
共晶温度下的相：α、β； 共晶温度下的组织：(α＋β)共晶
借助于各种不同放大倍数的 显微组织：
金相显微镜所观察到的金属 和合金中的晶粒形状、大小 及各组成相的分布形态等形 貌，称为显微组织或金相组 织（简称金相）。
3、二元相图的杠杆定律 化简为线段比： 计算某一成分的合金处于 两相平衡时在某温度下，合金 xx2 cb x1 x ac QL Q 中两个相的相对含量。 x x ab x x ab 1 2 2 1 ①、杠杆定律的推导： 设合金总重为 ；液相与合金总 QL 1xx cb 2 重之比为 Q ; 固相与合金总重之 Q L x1 x ac 比为Qα。则可得方程组： QL+Qα=1 QLX1+QαX2= X (1) (2) X2－X QL =1 － Qα = ———— X2 － X1
1、正常价化合物：符合一般原子价规律、成分固定 可用化学分子式表达。 通常由强金属性的元素与非金属或 类金属元素（如 IV、V、VI族）形成。 如：Mg2Si、Mg2Sn, Mg2Pb 性能：具有很高的硬度和脆性。当弥散分布时，可作强化 相。 2、电子化合物 ：服从电子浓度规律(不遵守原子价 规律）电子浓度达到某一数值，便形成具有某种晶格结 构的化合物。 性能：具有高熔点和硬度。但塑性较低，一般只能作为 强化相。 电子浓度（Ce):在合金相中，组元所贡献的价电子数目之 和与合金相的原子数目之比值。 统计结果表明： Ce=21/14 为β相，体心立方晶格。 Ce=21/13 为γ 相，复杂立方晶格。 Ce=21/12 为ε 相，密排六方晶格。
2）、亚共晶和过共晶合金
亚共晶： d、c点之间的合金。过共晶： e、c点之间的合金。
初晶形成
亚共晶凝固完毕时的相 :
a
temperature

L
L+
L+ c
b
α相、β相； 组织： α初、(α＋β)共晶
过共晶凝固完毕时的相: α

f
d
e
g
+ B
相、β相；
室温下的组织：
β初、(α＋β)共晶
二、 金属化合物
金属化合物： 具有相当程度的金属键并具有一定程度 的金属性质的化合物。
（一）、金属化合物晶体结构特点
金属化合物的晶格结构类型不同于任一组元（可 用分子式大致表示）
Байду номын сангаас
（二）、金属化合物的特性
晶体结构复杂，熔点高、硬度高、脆性大。一 般只用作强化相
（三）、金属化合物的种类及其特征
常见三种类型：正常价化合物、电子化合物、间隙 化合物
图中 I 合金凝固完毕时为α、β两 相，应用杠杆定律可得：
2e 100% de
d2 1 100% de
2）计算亚共晶合金(或过共晶合金) 凝固完毕时的组织组成物的相对量。
合金I在凝固完毕时的组织组成物为： α初+(α+β)共晶
2c 初 100% dc
( )共晶 d2 100% dc
是指溶质原子进入溶剂晶
格间隙而形成的固溶体。
（原子直径相差很大。）
（三）、固溶体的溶解度及其影响因素
在一定温度及压力下，溶质元素在固 1、 溶解度： 溶体中的最大溶入量与固溶体总量之比。 （1）、无限固溶体： 溶解度在0～100%间可以任意 改变的固溶体。
形成条件： 只能是置换式固溶体在溶质与溶剂原子 尺寸差别较小且晶格类型相同时产生。 （2）有限固溶体： 溶解度有限的固溶体。 置换式固溶体，可以形成无限固溶体。 间隙式固溶体，只能形成有限固溶体而不能形成 无限固溶体。
2、溶解度影响因素
（1）晶体结构因素：组元间晶格类型相同，溶解度 较大。 对于置换固溶体，组元间晶格类型相同是形成无 限固溶体的必要条件。晶格类型不同，溶解度有限。 （2）原子大小因素：由于组元间原子大小不同，所以 溶质溶入将导致溶剂的晶格畸变。
置换固溶体的晶格畸变
对置换固溶体 ：原子尺寸差别越小溶解度越大。当 差别小到一定程度，就可能产生无限固溶体。若差 别较大，则只能形成有限固溶体。 对间隙固溶体 ： 溶质原子直径越小，溶解度越大。 （3）电负性因素：
共晶反应：在一定温度下，由一定成分的液相同时结
晶出成分一定且不相同的两个固相的转变，称为共晶 转变（或共晶反应）。 tc αd+βe 反应式为：Lc
反应特征： 温度固定、三相成分 固定，在相图中表现为水平线。 共晶转变产物称为共晶组织(体)。 C点为共晶点
（共晶成分、共晶温度） c 成分的合金称为共晶合金
（三）间隙化合物 （主导因素为原子尺寸） 由过渡族金属元素与原子半径较小的碳、氮、硼 等非金属元素所形成。 根据原子直径比和结构特点，分为两类：
间隙化合物
间隙相 ：d非/d金<0.59 具有复杂结构的间隙化合物：d非/d金>0.59
性能：前者具有极高的熔点、硬度和脆性，稳定性很 好。常用于高合金工具钢、硬质合金、高温陶瓷等。 后者的熔点、硬度和脆性较前者稍低，且不够稳定。 常用于碳钢及合金钢。
Cu%
100
50%Ni 温度 ℃ 1500
80
50
20
B
0
80%Ni 100%Ni
1453℃
L
20%Ni 温 度 ℃
1325℃
1400 1300
1410℃ 1370℃
100%Cu
1180℃
1083℃ 1130℃
1245℃
1200
1100
L+
α α
温 度 ℃
A
Cu 10 时间 30 50 70 90 Ni 时间
Ni (%)
二、二元合金相图的基本类型
（一）匀晶相图：两组元在液态、固态均无限互溶的 二元合金系所形成的相图。 （如 Cu-Ni , Cu-Au, Au-Ag, Fe-Ni等） 1、相图分析 a、b：纯组元A、B的熔点 液相线：acb 固相线：adb 两个单相区：L、α 一个两相区：L +α
2、平衡结晶过程分析
L
L+
T2 T1
32
52 45
45
A
40
L32
B
L
L+
T3 T2 T1
32
52 45

40
40
B 固溶体合金
A
冷却曲线
L
L+
T3 T2 T1
32
52 45

50
T
A
B
time
As the melt of 50B is cooled, it begins to solidify at T1. Then the cooling rate is decreased due to the freezing heat. As T decreases to T3, the solidification process is finished, the cooling rate increases.
§3-2, 3 二元合金相图
相图： 在合金系中，合金在平衡条件下，各相的存在状 态与温度、成分间关系的图解。又称状态图或平衡图。 所以，相图上相及组织，都是在十分缓慢冷却条件 下获得的。
一、 二元合金的结晶分析及相图的建立
最常采用的热分析法， 以Cu-Ni 合金为例说明
测定二元相图的步骤如下：
1、配制合金系，熔化； 2、测冷却曲线确定临界点 3.画温度-成分坐标标定临界点 4.具有相同意义的点连线 Ni % 0 20 50 80 100
（一）、固溶体晶体结构特点
固溶体的晶格结构类型与溶剂金属组元的晶格相同。
（二）、固溶体分类及特性
根据溶质原子在溶剂晶格中占据位置的不同， 固 溶体可分为两类：即置换固溶体和间隙固溶体。 1 、置换式固溶体 是指溶质原子置换溶剂晶格结点上的溶剂原子 而形成的固溶体。 （原子直径相近时形成）
2、间隙固溶体
L40
为了达到平衡状态，冷 却速度必须非常慢，以 保证原子有足够的时间
L L+
进行扩散。
A

40
B
L
L+
T1
52
52
L40
A
40
B
The composition of 52 is different from that of the original melt. So, during solidifcation, composition fluctuation is necessary.
dc间成分的合金成为亚共晶合金，
ce间成分的合金称为 过共晶合金。
2、典型合金的平衡结晶过程
1）、共晶合金 —— 成分为 c 。
a
temperature L+
相和组织的区别：
相：在金属或合金中凡是具有相同成
分、相同结构并与其他部分有界 面分开的，均匀的组成部分，称 之为相。
L
L+ c