4.合金的相结构与结晶

间隙相特征：熔点、硬度极高，非常稳定， 间隙相特征：熔点、硬度极高，非常稳定， 可有效提高钢的强度、热强性、 可有效提高钢的强度、热强性、红硬性 和耐磨性， 和耐磨性，是高速钢和硬质合金中的重 要组成相。 要组成相。
• 复杂结构的间隙化合物 ——当非金属原子半径与金属原子半径之 当非金属原子半径与金属原子半径之 比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙 比大于 时 化合物。 化合物。
合金的相结构与结晶
第二节 合金的相结构
合金：金属与金属或金属与非金属熔合在一起， 合金：金属与金属或金属与非金属熔合在一起， 仍然具有金属特征的物质。 仍然具有金属特征的物质。 Au-Cu Al-Si Pb-Sn 例 Fe-C 组元：合金中最基本的，独立的物质元素、 组元：合金中最基本的，独立的物质元素、化 合物。 合物。 钢铁中的Fe Fe3C 例 钢铁中的 合金中具有相同结构、相同成分， 相：合金中具有相同结构、相同成分，与其他 部分有界面分开的部分。 部分有界面分开的部分。 组织：在显微镜下观察相的大小、形态、 组织：在显微镜下观察相的大小、形态、分布 特征。 特征。 组织是显微尺度，结构是原子尺度。 组织是显微尺度，结构是原子尺度。
间隙化合物 ——由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子 由过渡族金属元素与碳、 由过渡族金属元素与碳 半径较小的非金属元素形成的化合物。 半径较小的非金属元素形成的化合物。 间隙相 ——非金属原子半径与金属原子半径之比小于 非金属原子半径与金属原子半径之比小于 0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物。 时 形成具有简单晶格的间隙化合物。
Cu-Ni合金偏析组织 合金偏析组织
消除方法:扩散退火. 将铸件加热到低于 固相线100~200℃, 长时间保温.
2、 共晶相图 、
1）相图分析 ）
共晶反应——由均匀液相同时结晶出两种不同固 由均匀液相同时结晶出两种不同固 共晶反应 相的转变。 相的转变。 MEN——共晶线 共晶线
2）合金的结晶过程 ）
一、热分析法建立相图
二、二元相图的基本类型及应用
1、 匀晶相图 、
匀晶反应——从液相中直接结晶出固溶体的反应。 从液相中直接结晶出固溶体的反应。 匀晶反应 从液相中直接结晶出固溶体的反应 1）相图分析 ）
2）合金的结晶过程 ）
3）杠杆定律 ）
QL/Q合金=bc/ac Qα /Q合金=ab/ac 适用两相区 平衡状态下使用 两端点是给定温度时 两相的成分点， 两相的成分点，支点为合金的成分点
二、金属间化合物
——合金组元相互作用形成的晶格类型和 合金组元相互作用形成的晶格类型和 特性完全不同于任一组元的新相。 特性完全不同于任一组元的新相。 正常价化合物 电子化合物 间隙化合物
正常价化合物 ——严格遵守化合价规律的化合物。 严格遵守化合价规律的化合物。 严格遵守化合价规律的化合物 由元素周期表中相距较远， 由元素周期表中相距较远，电负性相差 较大的两元素组成。 较大的两元素组成。可用确定的化学式 表示。 表示。 硬度高，脆性大。是合金中的强化相。 硬度高，脆性大。是合金中的强化相。 例： Mg2Si Mg2Sn MnS等。 等
• 常见的间隙化合物 Fe3C Cr23C6 Fe4W2C Cr7C3等。 • Fe3C是铁碳合金中的重要组成相，具有 是铁碳合金中的重要组成相， 是铁碳合金中的重要组成相 复杂的斜方晶格。 复杂的斜方晶格。 其中铁原子可以部分地被锰、 其中铁原子可以部分地被锰、铬、钼、 钨等金属原子所置换， 钨等金属原子所置换，形成以间隙化合 物为基的固溶体，如(Fe、Mn)3C 物为基的固溶体， 、 (Fe、Cr)3C等。 、 等 • 很高的熔点和硬度，但比间隙相稍低， 很高的熔点和硬度，但比间隙相稍低， 在钢中也起强化作用。 在钢中也起强化作用。
合金1的结晶过程 合金 的结晶过程
匀晶反应+二次析出 匀晶反应 二次析出 室温组织： 室温组织：α+βⅡ
合金Ⅱ 合金Ⅱ的结晶过程
合金Ⅲ 合金Ⅲ的结晶过程
合金Ⅳ 合金Ⅳ的结晶过程
三、 包晶相图
包晶转变——在包晶反应 在包晶反应 包晶转变 温度下， 温度下，已结晶出来的 固溶体与包围它的液相 作用，生成新的固溶体。 作用，生成新的固溶体。 LC+ αP
固溶体的性能
• 机械性能 随着溶解度的提高，强度、硬度提高，塑性、韧性下降。 随着溶解度的提高，强度、硬度提高，塑性、韧性下降。 原因： 原因： 1）溶质原子引起晶格畸变，增加了位错移动阻力。 ）溶质原子引起晶格畸变，增加了位错移动阻力。 2）溶质原子易在位错线附近聚集，使位错运动困难。 ）溶质原子易在位错线附近聚集，使位错运动困难。 固溶强化： 固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体 而使强 硬度提高的现象。 度、硬度提高的现象。 • 物理性能 溶解度提高，导电率下降。 溶解度提高，导电率下降。 Ag是最好的导体，但在空气中会产生 是最好的导体， 是最好的导体 但在空气中会产生AgS，发黑。加 ，发黑。 抗腐蚀能力提高， 入Cu,抗腐蚀能力提高，导电率下降。 抗腐蚀能力提高 导电率下降。
两 种 以 上 元 素
液态彼此溶解
彼此溶解 固 态 彼此反应
不溶解不反应
固溶体 化合物 混合物
一、固溶体
——溶质原子溶于固态金属中所形成的均 溶质原子溶于固态金属中所形成的均 匀新相。 匀新相。
根据溶质原子的位置可分为置换固溶体和 根据溶质原子的位置可分为置换固溶体和间隙固溶体 置换固溶体
置换固溶体 ——溶质原子取代溶剂原子位置的固溶体。 溶质原子取代溶剂原子位置的固溶体。 溶质原子取代溶剂原子位置的固溶体 无限固溶体 有限固溶体
电子化合物 ——不遵守化合价规律但符合一定电子浓度的化 不遵守化合价规律但符合一定电子浓度的化 合物。 合物。
电子浓度：化合物中价电子数与原子数之比。 电子浓度：化合物中价电子数与原子数之比。
电子化合物主要以金属键结合， 电子化合物主要以金属键结合，具有明显的金属特 可以导电。熔点、硬度高，塑性差， 征，可以导电。熔点、硬度高，塑性差，是有色金属 中的重要强化相。 中的重要强化相。
4）非平衡结晶与枝晶偏析 ）
枝晶偏析——由于冷却较快，原子扩散不能充分 由于冷却较快， 枝晶偏析 由于冷却较快 进行，则形成不均匀的固溶体。 进行，则形成不均匀的固溶体。先结晶的树枝 晶轴含高熔点组元较多， 晶轴含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶枝干 含低熔点组元较多， 含低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒内部 的成分不均匀。 的成分不均匀。
五、 具有稳定化合物的二元相图
稳定化合物——在熔化前既不分解也不产生化学反应。 在熔化前既不分解也不产生化学反应。 稳定化合物 在熔化前既不分解也不产生化学反应
三、 相图与合金性能的关系
匀晶相图 随溶质含量增加，强度、 随溶质含量增加，强度、硬度 提高，电阻率增大。 提高，电阻率增大。 共晶相图 合金性能是两相性能的平均值， 合金性能是两相性能的平均值， 共晶组织出现峰值。 共晶组织出现峰值。
金属间化合物的特性
小结： 小结： 凡是化合物在金属中表现出硬而脆的性 纯铁： ﹤ ， 质。纯铁：HB﹤80， Fe3C：HB≈860 ： 化学稳定性高，耐蚀性好。 化学稳定性高，耐蚀性好。 热稳定性高。 热稳定性高。
4-2 二元合金相图
相图——是表示合金在缓慢冷却的平衡状 是表示合金在缓慢冷却的平衡状 相图 态下相或组织与温度、 态下相或组织与温度、成分间关系的图 。（状态图 平衡图） 状态图、 形。（状态图、平衡图） 平衡——在一定条件下合金系中参与相变 在一定条件下合金系中参与相变 平衡 过程的各相的成分和相对质量不再变化 所达到的一种状态。 所达到的一种状态。
间隙固溶体
——溶质原子添于溶剂原子间隙之中。 溶质原子添于溶剂原子间隙之中。 溶质原子添于溶剂原子间隙之中
必是有限固溶体 溶质原子为 何不去占正 常位置？ 常位置？ 因为溶质尺寸小！ 因为溶质尺寸小！ 当d质/d剂<0.59时，形成间隙固溶体！ 质 剂 时 形成间隙固溶体！ H B C N O 元 素 原子半径（ 原子半径（ Å ） 0.46 0.97 o.77 0.71 0.60
PDC——包晶线 包晶线
Hale Waihona Puke βD四、共析相图共析反应——一定成分的固相，在一定温度下， 一定成分的固相，在一定温度下， 共析反应 一定成分的固相 同时析出两种化学成分和晶格结构完全不同的 新固相。 新固相。
αc
β 1D+ β2E
DCE——共析线 共析线 共析反应温度低， 共析反应温度低，形核率高 组织细。 组织细。