第三章合金的结构与相图

硬性和耐磨性，是高合金钢和 结
硬质合金中的重要组成相。
构
如：W2C, VC, TiC, MoC, TiN, VN 等。
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② 间隙化合物
当（d非 /d过）>0.59时，形成
的间隙化合物一般具有复杂的 晶格结构。 如：Fe3C, dC/dFe =0.61, 正交 晶格 特点： 熔点、硬度更高
作用： 在钢中也起强化相作用。
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1. 根据溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同， 可将固溶体分为（ ）和（ ）。 2. 相是指合金中（ ）与（ ）均匀一致的组成部分。 3. 固溶体与金属间化合物在晶体结构和力学性能 方有何不同?
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特点与变化
晶粒的大小与形状无 明显的变化； 位错密度变化不大； 电阻明显降低； 强度硬度略有降低，
可能形成无限固溶体；
对于间隙固溶体，则只能形成有限固溶体。
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3 按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分
➢ 无序固溶体：溶质原子呈无序分布的固溶体； ➢ 有序固溶体：溶质原子呈有序分布的固溶体； ➢间隙固溶体都 是无序固溶体。
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（三）、影响固溶体结构形式和溶解度的因素
1. 原子大小
溶剂与溶质的原子直径差别：
铁原子 碳原子
通常固溶体不能用一个化学式表示
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（一）. 溶质元素在固溶体中的溶解度
固溶体的浓度： 溶质原子溶于固溶体中的量，称为固溶体的浓度。
质量百分比： C=（溶质元素的质量/固溶体的质量）100% 原子百分比： C=（溶质元素的原子数/固溶体的总原子数）100%
固溶体的溶解度： 在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度称 为溶质元素在固溶体中的溶解度。
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1、金属间化合物的种类
（1）、正常价化合物
—严格遵守化合价规律的化合物 负电性因素起主要作用，它们由元素周期表中相距 较远、电化学性相差很大的两种元素组成，这类化 合物成份固定可用确定的化学式表示。
如：Mg2Si， Mg2Sn， Mg2Pb 等。
性能的特点: 硬度高、脆性大。
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Байду номын сангаас
（2） 电子化合物
Fe3C的晶格
钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、
Mn3C、FeB、Fe2B等都是这类化合物。 高温合金中的Cr23C6
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间隙化合物具有很高的硬度、熔点，是合 金的强化相。 如：
在钢中加入V，形成的VC可提高钢的耐磨性——耐 磨钢；
加入Ti，形成的 TiC 可阻碍高温奥氏体晶粒长大— —耐热钢；
内应力明显下降。
基本上保持加工 硬化效果；
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特点与变化
加热温度较高； 组织恢复为细小的等轴晶粒； 内应力完全消失； 加工硬化效果消除，材料的塑性 变形能力恢复； 性能：强度、硬度降低，塑性、韧
性恢复。
此阶段又称再结晶退火
应用
工业上利用再结晶过程对变形后金属进行再 结晶退火来消除加工硬化现象，恢复金属的
d d溶剂 d溶质 100% d溶剂
① ⊿d 较小时，易形成置换固溶体 ⊿ d 越小，所形成的固溶体的溶解度越大， 当△d小于某一数值时，将形成无限固溶体。
② 当△d大于15%时，不大可能形成置换固溶体。
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③溶质原子的溶入，使固溶体晶格产生畸变
形成间隙固溶体时：
引起固溶体晶格产生正畸变
溶质原子的尺寸 越小，溶剂晶格 的间隙尺寸越大
态分布时，合金的强度、塑性均很差； 弥散强
化 当金属间化合物在固溶体晶粒内呈弥散状质点或粒状
分布时，即可显著提高合金的强度和硬度，又可使塑
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固溶体的表示： 在合金系统中，通常按顺序（固溶体的浓度 或固溶体稳定存在的温度范围）由低到高，
用α、β、γ、δ、ε、θ等表示不同类型的固溶
体。
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(二). 固溶体的结构与分类
1 按溶质原子在溶剂晶格中的位置分类
固溶体
置换固溶体 间隙固溶体
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（1） 置换固溶体
溶质原子和溶剂原子尺寸 相差较小，形成固溶体时溶 质原子替换了溶剂晶格中的 一部分原子，就形成了置换 固溶体。
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本章重点： 1、固溶体与化合物及其特性 2、二元合金相图的建立方法 3、二元匀晶、共晶、包晶、共析相图的
分析 本章难点：
二元匀晶、共晶、包晶、共析相图的分析
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第一节 固态合金中的相结构
一、基本概念
合金 ( alloy ) 组元 ( 元 ) ( element ) 相 ( phase ) 显微组织 ( microscopic structure )
当直径差别大于15%时，就 很难形成置换固溶体了。
如：Fe与Mn、Si 、Al 、Cr 、Ti 、 Nb等形成置换固溶体
溶剂原子 溶质原子
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（2）间隙固溶体
溶质原子和溶剂原子直径相 差较大，溶质原子处于溶剂 晶体结构的间隙位置上，则 形成间隙固溶体。
只有溶质原子与溶剂原子 的直径之比小于0.59时，才 会形成间隙固溶体。
两个组元组成的合金称为二元合金 组成合金的元素相互作用可形成不同的相。
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3. 相
在金属或合金中，凡化学成分相 同、晶体结构相同并有界面相互 分开的均匀组成部分叫做相。
相通常是指物质中具有相同聚集
状态的原子(或离子、或分子)的部
黄铜
分，并且这些部分
之间有界面分开。
单相合金
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4、 显微组织
实质上是指在显微镜下观察到 的金属中各相或各晶粒的形态、 数量、大小和分布的微观组合。
W2C、VC是高速钢的主要强化成分， TiC、W2C是硬质合金的主要成分。
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2. 金属间化合物的组织与性能特点
➢性能特点： 晶格结构复杂、熔点高，硬而脆
金属化合物由于太脆，所以不能单独构成合金，而只 能作为合金中的强化相，即在固溶体的基础上，形成 或加入少量金属化合物，以强化合金。
当金属间化和物以大块状或成片状形
溶解度也就越大
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2 负电性
负电性是指原子从其他原子夺取电子变为负离子 的能力。
当两种元素在周期表中的位置相距越远，其负 电性相差越大，它们之间的化学亲和力越强，越 倾向于形成化合物，而不利于形成固溶体，所形 成的固溶体的溶解度也越小。
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3 晶体结构
一般情况下，晶格结构相同的元素之间具有较 大的溶解度，而晶格结构不同的元素之间溶解度 较小。
过渡族元素的原子占据晶格的正常位置，尺寸 较小的非金属元素原子有规则地嵌入晶格空隙中。
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① 间隙相
当非金属元素原子与过渡族
金属元素原子直径的比值<0.59
时，形成的间隙化合物具有比较
简单的晶格结构，为间隙相。
特点：具有金属特性，有极高的熔
点和硬度, 非常稳定。
VC
作用：可提高钢的强度、热强性、红 的
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第三章 合金的结构与相图
➢ 本章的目的: 搭起“成分-结构-性能”关系的基本框架，学会利
用相图分析合金成分、平衡组织和性能的基本方法。 熟悉二元相图的建立方法、了解几种最基本的二元
相图，理解合金相图与合金性能之间的相互关系 。
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第三章 合金的结构与相图
学习要求 ：
1. 掌握固溶体和化合物两种基本相结构及性能特点。 2. 了解相图的基本概念及相图建立的一般方法。 3. 掌握匀晶相图、共晶相图、包晶相图、共析相图四 种基本相图；
形抗力↑
强度硬度增加，塑性韧性降低；
电阻增加，导电性降低。
固溶 强化 24
固溶强化
通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材料强度增 加，塑性、韧性有所下降的现象。
固溶强化是金属强化的一种重要形式。 在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，
而塑性和韧性没有明显降低。
例1：钢中加入Mn、Si可置换铁素体F中的Fe形成合 金铁素体，使其强度提高。
A 热加工
B 冷加工 T再℃ = (T熔℃ + 273)×0.4 － 273
8. 铜的熔点为1083摄氏度，其再结晶退火温度应选（ )摄氏
度。
再结晶退火温度比再结晶温度高100~200℃。
A 260 B 460
C 660 D 860
9. 判断：变形后的金属再结晶退火温度越高,退火后得到的晶 粒越粗大。
4 温度
固溶体的溶解度受温度的影响较大，一般温度 越高，固溶体的溶解度越大。 如，奥氏体在727℃能溶解0.77%的碳，而在1148℃ 则能溶解2.11%的碳。
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（四）固溶体的性能
固溶体的晶体结构与溶剂相同，但溶质原子的溶
入会使溶剂的晶格产生畸变
晶格畸变 → 位
错运动的阻力 ↑
→使金属的滑移变
形更加困难→变
➢ 溶剂：固溶体中晶格保持不变的组元，一般在合 金中含量较多；
➢ 溶质：固溶体中晶格结构消失的组元，含量较少。
固溶体的晶格结构：同溶剂的晶格结构相同。
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二.固溶体 ( solid solution )
❖固溶体的结构特点
溶剂A + 溶质B = C bcc fcc bcc
例如:
α – Fe + C = F ( 铁素体 ) 体心 六方 体心
包括：相图分析、典型合金的结晶过程以及能够用相
组成物和组织组成物进行填图。
4．学会使用杠杆定律计算相组成物、组织组组成物的 相对含量。
5．熟知相图和性能的一般关系。
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本章学习内容
固态合金中的相结构 二元合金相图的建立 二元匀晶相图 二元共晶相图 二元包晶合金相图 形成稳定化合物的二元相图 具有共析反应的二元合金相图 合金的性能与相图之间的关系
晶粒与再结晶前的晶粒( )。 A 晶格类型相同 B 晶格类型不相同， C 晶格类型可能相同，晶格类型可能不相同， D 形状相同