工程材料与成形技术基础2第三节合金的结晶与二元相图
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1、固溶体 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。
习惯上用、、表示。 一般把与合金晶体结构相同的元素称作溶剂。其它元素称作溶质。 固溶体是合金的重要组成相，实际使用的金属材料多数是单相固
溶体合金或以固溶体为基的合金。
按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。
成分。
这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变 或匀晶反应。
的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、 硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。
当合金中出现金属化合物时，
可提高其强度、硬度和耐磨
性，但降低塑性。
铁碳合金中的Fe3C
金属化合物也是合金的重要组成相。
⑴ 正常价化合物—符合正常原子价规律。如 Mg2Si。
⑵ 电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。 电子浓度为价电子数与原子数的比值。
三、合金的结晶与二元相图
相图是用来表示合金系中各合金结晶过程的简明 图解。又称状态图或平衡图。
相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随 温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及 热处理工艺的重要依据。
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
1. 二元相图的建立
⑴ 置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称
有序固溶体。
黄铜置换固溶体组织
⑵ 间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金
属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族 元素。 形成间隙固溶体的一般规律 为r质/r剂<0.59。 间隙固溶体都是无序固溶体。
放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。 在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织
或电镜组织。 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、大小和分布的组合。
钢的宏观组织、显 微组织、电镜组织
显 微 组 织
钢
锭
的
宏
观 组 织
电 镜 组
织
二、合金的相结构
度增加，塑性、韧性下降—固溶强化。 产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及
对位错的钉扎作用，阻碍了位错的运动。 与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧
性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性 和韧性则要高得多。
2、金属化合物 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用 的是热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1）配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，
找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。 2）在温度-成分坐标中做成分垂线，将临界点标在成
分垂线上。
3）将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应 的数字和字母。
固溶体的溶解度 溶质原子在固溶体中的极限浓度。 溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。 组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。 组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型
相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。 间隙固溶体都是有限固溶体。
固溶体的性能 随溶质含量增加，固溶体的强度、硬
第三节 合金的相结构、结晶与二元相图
一、概述
1. 合金 合金是指由两种或两种以上元素组成的 具有金属特性的物质。
组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金A属l-C。u两相合金
2. 组元 组元是指组成合金的最基本、独立的物质。 稳定化合物也可作为组元。如Fe-C合金中的Fe3C。 合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。二元
合金、三元合金、多元合金。
3. 相 组成合金的元素相互作用可形成不
同的相。所谓相是指金属或合金中 凡成分相同、结构相同，并与其它 部分有界面分开的均匀组成部分。 固态合金中的相分为固溶体和金属 化合物两类。
4. 组织
习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称低倍组 织或宏观组织。
三个相区，液相线
L
以上为液相区L ，
固相线以下为 固
L +
溶体区，两条线之
间为两相共存的两
相区（L+ ）。
（2）固溶体合金的结晶过程 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合
金为例说明。
当液态金属自高温
L
冷却到 t1温度时，
开始结晶出成分为
1的固溶体，其Ni
含量高于合金平均
3. 合金的组织
合金的组织是由合金相组成的。既可以是固溶 体，也可以是金属化合物，但绝大多数合金的 组织是由固溶体与金属化合物组成的复合组织。
通过调整固溶体中溶质含量和金属化合物的数 量、大小、形态及分布以及调整固溶体与金属 化合物的比例，就可以改变其组织，从而改变 合金的性能来满足工业生产的实际需要。
隙化合物。
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其中 Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成 相，具有复杂斜方晶格。
化合物也可溶入其它元素原子， 形成以化合物为基的固溶体。
Fe3C的晶格
如果金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体 的机体相上，则将使合金的强度、硬度、耐磨性 明显提高，这一现象称弥散强化。
⑶ 间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、H 等小原子半径的非金属元素组成。
① 间隙相：r非/r金0.59时形 成的具有简单晶格 结构的间隙化合物。如
M4X (Fe4NБайду номын сангаас、 M2X (Fe2N、 W2C)、 MX (TiC、VC、TiN)等。
VC的结构
② 具有复杂结构的间隙化合物 当r非/r金>0.59时形成复杂结构间
相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点 的连线叫固相线。
2. 二元匀晶相图 两组元在液态和固态下
均无限互溶时所构成的 相图称二元匀晶相图。 （1）相图分析 以Cu-Ni合金为例进行 分析。
Cu-Ni合金相图
相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。 相图被两条线分为
习惯上用、、表示。 一般把与合金晶体结构相同的元素称作溶剂。其它元素称作溶质。 固溶体是合金的重要组成相，实际使用的金属材料多数是单相固
溶体合金或以固溶体为基的合金。
按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。
成分。
这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变 或匀晶反应。
的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、 硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。
当合金中出现金属化合物时，
可提高其强度、硬度和耐磨
性，但降低塑性。
铁碳合金中的Fe3C
金属化合物也是合金的重要组成相。
⑴ 正常价化合物—符合正常原子价规律。如 Mg2Si。
⑵ 电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。 电子浓度为价电子数与原子数的比值。
三、合金的结晶与二元相图
相图是用来表示合金系中各合金结晶过程的简明 图解。又称状态图或平衡图。
相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随 温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及 热处理工艺的重要依据。
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
1. 二元相图的建立
⑴ 置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称
有序固溶体。
黄铜置换固溶体组织
⑵ 间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金
属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族 元素。 形成间隙固溶体的一般规律 为r质/r剂<0.59。 间隙固溶体都是无序固溶体。
放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。 在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织
或电镜组织。 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、大小和分布的组合。
钢的宏观组织、显 微组织、电镜组织
显 微 组 织
钢
锭
的
宏
观 组 织
电 镜 组
织
二、合金的相结构
度增加，塑性、韧性下降—固溶强化。 产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及
对位错的钉扎作用，阻碍了位错的运动。 与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧
性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性 和韧性则要高得多。
2、金属化合物 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用 的是热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1）配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，
找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。 2）在温度-成分坐标中做成分垂线，将临界点标在成
分垂线上。
3）将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应 的数字和字母。
固溶体的溶解度 溶质原子在固溶体中的极限浓度。 溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。 组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。 组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型
相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。 间隙固溶体都是有限固溶体。
固溶体的性能 随溶质含量增加，固溶体的强度、硬
第三节 合金的相结构、结晶与二元相图
一、概述
1. 合金 合金是指由两种或两种以上元素组成的 具有金属特性的物质。
组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金A属l-C。u两相合金
2. 组元 组元是指组成合金的最基本、独立的物质。 稳定化合物也可作为组元。如Fe-C合金中的Fe3C。 合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。二元
合金、三元合金、多元合金。
3. 相 组成合金的元素相互作用可形成不
同的相。所谓相是指金属或合金中 凡成分相同、结构相同，并与其它 部分有界面分开的均匀组成部分。 固态合金中的相分为固溶体和金属 化合物两类。
4. 组织
习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称低倍组 织或宏观组织。
三个相区，液相线
L
以上为液相区L ，
固相线以下为 固
L +
溶体区，两条线之
间为两相共存的两
相区（L+ ）。
（2）固溶体合金的结晶过程 除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合
金为例说明。
当液态金属自高温
L
冷却到 t1温度时，
开始结晶出成分为
1的固溶体，其Ni
含量高于合金平均
3. 合金的组织
合金的组织是由合金相组成的。既可以是固溶 体，也可以是金属化合物，但绝大多数合金的 组织是由固溶体与金属化合物组成的复合组织。
通过调整固溶体中溶质含量和金属化合物的数 量、大小、形态及分布以及调整固溶体与金属 化合物的比例，就可以改变其组织，从而改变 合金的性能来满足工业生产的实际需要。
隙化合物。
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其中 Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成 相，具有复杂斜方晶格。
化合物也可溶入其它元素原子， 形成以化合物为基的固溶体。
Fe3C的晶格
如果金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体 的机体相上，则将使合金的强度、硬度、耐磨性 明显提高，这一现象称弥散强化。
⑶ 间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、H 等小原子半径的非金属元素组成。
① 间隙相：r非/r金0.59时形 成的具有简单晶格 结构的间隙化合物。如
M4X (Fe4NБайду номын сангаас、 M2X (Fe2N、 W2C)、 MX (TiC、VC、TiN)等。
VC的结构
② 具有复杂结构的间隙化合物 当r非/r金>0.59时形成复杂结构间
相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点 的连线叫固相线。
2. 二元匀晶相图 两组元在液态和固态下
均无限互溶时所构成的 相图称二元匀晶相图。 （1）相图分析 以Cu-Ni合金为例进行 分析。
Cu-Ni合金相图
相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。 相图被两条线分为