第八讲 合金的晶体结构与结晶

c 电负性因素 电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大。
d 电子浓度因素
电子浓度e/a越大，溶解度越小。e/a有一极限值，与溶剂晶体结构 有关。一价面心立方金属为1.36，一价体心立方金属为1.48。
（上述四个因素并非相互独立，其统一的理论的是金属与合金的电
子理论。）
影响固溶度的因素
1. 原子尺寸因素：原子半径差越小，固溶度越大。 2. 晶体结构因素：结构相同，溶解度大； 3. 负电性因素(化学亲和力)：负电性差越大，溶解度小。 （负电性差很大时，形成化合物）
• 在生产实践中，相图可作为正确制定铸造、锻压、焊接及 热处理工艺的重要依据。
合金相图
现以Cu-Ni合金相图为例，来说明二元合金相图的表示方法 。Cu-Ni合金相图如下图所示。图中纵坐标表示温度，横坐 标表示合金成分。横坐标从左到右表示合金成分的变化,即 镍的质量分数WNi由0向100%逐渐增大，而铜的质量分数 Wcu相应地 由100%向0逐渐减少。在横坐标上任何一点都 代表一种成分的合金
材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。
例如
纯铜的σb 为220MPa, 硬度为40HBS, 断面收缩率ψ为70%。当加入1% 镍形成单相固溶体后, 强度升高到390MPa, 硬度升高到70HBS, 而断 面收缩率仍有50%。所以固溶体的综合机械性能很好, 常常作为合金
的基体相。
固溶体与纯金属相比, 物理性能有较大的变化, 如电阻率上升, 导电 率下降。
第八讲 合金的相结构
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本章目的： 1 讨论合金中的相概念及其类型； 2 介绍各种类型的基本二元相图； 3 说明相图与合金性能间的对应关系 本章要求： 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；
一、基本概念
而FeS、MnS具有离子键，没有金属性质，属于一般的化合物， 因而又称为非金属化合物。 在合金中，金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，而 非金属化合物是合金原料或熔炼过程带来的，数量少且对合 金性能影响很坏，因而一般称为非金属夹杂。
2、 金属化合物的特性
（1）力学性能：金属化合物一般
具有复杂的晶体结构，熔点高，高硬 度、低塑性，硬而脆。当合金中出现 金属化合物时，通常能提高合金的强 度、硬度和耐磨性。金属化合物是工 具钢、高速钢等钢中的重要组成相。
（2）弥散强化:当金属化合物以均匀、 细小、弥散分布于合金中时，会使合 金的强度增高，而塑性和韧性没有明 显降低。提高合金的综合性能。
三、合金的结晶
•合金结晶同纯金属一样，也遵循形核与长大的规律。但合金的成分中包含 有两个以上的组元（各组元的结晶温度是不同的），并且同一合金系中各 合金的成分不同（组元比例不同），所以合金在结晶过程中其组织的形成 及变化规律要比纯金属复杂得多。为了研究合金的性能与其成分、组织的 关系，就必须借助于合金相图这一重要工具。
• 合金相图又称状态图或平衡图，是表示在平衡（极其缓慢
加热或冷却）条件下，合金系中各种合金状态与温度、成
分之间关系的图形。所以，通过相图可以了解合金系中任何成分的合金，在任何温度下的组织状
态，在什么温度发生结晶和相变，存在几个相，每个相的成分是多少等。但是必须注意，在非平衡状态时（即加热或 冷却较快），相图中的特性点或特性线要发生偏离。
• 合金相图：表示某一合 金系中不同成分的合金， 在各种不同温度条件下 相的平衡关系（即用来 表示合金的成分、温度 与组织之间关系）的图 形。又称平衡图或状态 图 • 合金相图的建立
合金状态图的建立
测定方法：最基本、最常用的方法是热分析法 1. 首先配制一系列不同成分的Cu—Ni合金； 2. 用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线； 3. 找出各冷却曲线上的相变点； 4. 将各个合金的相变点分别标注在温度——成分坐标图中相应 的合金垂线上。 5. 连接各相同意义的相变点，所得的线称为相界线，这样就得 到Cu—Ni合金相图
4. 电子浓度因素：电子浓度e/a越大，溶解度越小。
（电子浓度：合金中两个组元的价电子总数和原子总数之比。）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2)间隙固溶体：原子半径小于0.1nm的非金属元素溶入到溶剂金 属晶体点阵的间隙中形成的固溶体。
非金属元素：H, N, C , B, O
3、 固溶体的性能
无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原子的存在都会使晶格发生畸变， 使其性能不同于原纯金属。晶格畸变对金属性能有重大的影响，它将使合金的强度、 硬度和电阻升高。
固溶强化
当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随溶 质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、硬 度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。 这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。 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
热分析装置示意图
二元合金相图的基本类型
• 在二元相图中，有的相图简单（如Cu-Ni相图），有的相图复杂（如 Fe-C相图），但不管多么复杂，任何二元相图都可以看成是几个基本 类型的相图的叠加、复合而成的。 • 1）匀晶相图 • 两组元在液态和固态下均可以以任意比例相互溶解，即在固态下 形成无限固溶体的结晶规律所组成的合金相图称为匀晶相图。例如 Cu-Ni，W-Mo，Fe-Ni等都是匀晶相图。在这类合金中，结晶都是从液 相中结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。现以Cu-Ni 相图为例进行分析。 • ①相图分析 • 图2-20（a）为匀晶相图。该相图由两条封闭的曲线组成——液相 线、固相线。在这两条曲线上有两个特性点：A点，B点。由特性点A， B连接的液相线和固相线称为特性线，它们把相图分成三个相区，即 液相区，以L表示；固相区，是由Cu、Ni形成的无限固溶体，用α表 示；两相共存区，以L+α表示。 • ②不平衡结晶——枝晶偏析（晶内偏析）及其危害和消除方法
同的固相称为固溶体。
与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元 为溶质，含量较少。

固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示
为A(B), 其中A为溶剂, B为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固 溶体一般用α表示, 亦可表示为Cu(Zn)。
2、固溶体分类

按溶质原子在溶剂晶格中的位置, 固溶体可分为置换固溶体与间隙固 溶体两种。 按溶质原子在溶剂中的溶解度，固 溶体可分为有限固溶体和无限固溶 体两种。 按溶质原子在固溶体中分布是否有 规律，固溶体分无序固溶体和有序 固溶体两种。
1、固溶体
按溶质原子在溶剂晶格中的位置, 固溶体可分为置换固溶
体与间隙固溶体两种。
二:合金中的相
由于合金的性能取决于它的组织，而合金组织的性能又首先取决于 合金中的相的性能。所以为了掌握合金的组织和性能，就必须了解合金 的相结构及其性能。 合金的“相结构”，是指合金中相的晶体结构，也就是说“相结构” 是相中原子的具体排列规律。合金可以形成不同的相，其结构比纯金属 复杂。不同的相，原子排列方式（相结构）是不同的。根据合金中各组 元间的相互作用，合金中相的结构主要有固溶体和金属化合物两大类。
• 1、置换固溶体 –溶质原子置换了溶剂晶格中的一些溶剂原子而形成的 固溶体 • 2、间隙固溶体 –溶质原子嵌入溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体 • 形成固溶体后，由于在溶剂晶格中溶入了溶质元素，必然 造成溶剂晶格的畸变。
1、固溶体
置换固溶体晶格畸变
间隙固溶体晶格畸变
间隙固溶体 （1）组成：原子半径较小（小于0.1nm)的非金属元素溶入金属 晶体的间隙。 非金属元素：H, N, C , B, O （2）影响因素：原子半径和溶剂结构。 （3）溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体。
间隙固溶体
置换固溶体 （1）置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。 （2）影响置换固溶体溶解度的因素 a 原子尺寸因素:原子尺寸差越小，越易形成置换固溶体，且溶解 度越大。
△r=(rA-rB)/rA
当△r<15%时，有利于大量互溶。
置换固溶体
b 晶体结构因素
结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体。
组织和相的关系
“相”是构成组织的最基本的组成部分；但是当“相”的大小、 形态与分布不同时会构成不同的组织，如前述疑问中的纯铁冷拉前 后的变化。
“相”是组织的基本单元，组织是相的综合体。组织是材料性能 的决定性因素。 相同条件下，材料的性能随其组织的不同而变化，因此，在工 业生产中，控制和改变材料的组织具有相当重要的意义。
液相线
1.二元匀晶相图
液相区
相 图 分 析
T C 1500 1400 1300 1200 1100 1083 1000 纯铜 熔点 Cu
L
1455 L+
纯镍 熔点

100
固相线 Ni
固相区
20
40
60 Ni%
80
液固两相区
•
实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。扩 散过程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡的条件 下进行的。这使得先结晶出来的固溶体合金富含高熔点组 元，构成晶体的树枝状骨架，后结晶出的部分富含低熔点 组元较少，填充于枝间。这种在晶粒内化学成分不均匀的 现象称为枝晶偏析或称晶内偏析。 • 出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能 和加工工艺性能变坏。 • 出现枝晶偏析后，可通过扩散退火予以消除。一般采 用将铸件加热到低于固相线100～200℃的温度，进行长时 间保温，使偏析元素进行充分扩散，成分均匀化。
（二)、 金属化合物
1、概念 若新相的晶体结构不同于任一组成元素，则新相是组成元素间相互 作用而生成的一种新物质，属于化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的 β相（CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等。 在这些化合物中，Fe3C和β相均具有相当程度的金属键及一定的金 属性质，是一种金属物质，称为金属化合物。