--合金的晶体结构及结晶

制定合金工艺的重要理论依据
1）二元相图的建立
热 分 析 实 验 法
Ⅰ：纯铜 Ⅱ：75%Cu+25%Ni Ⅲ：50%Cu+50%Ni Ⅳ：25%Cu+75%Ni Ⅴ：纯Ni
2）匀晶相图
产生单一固溶体相的合金相图
两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时 发生匀晶转变的合金系→匀晶相图（L→α）。 如Cu-Ni，Fe-Cr，Au-Ag
铜镍 二元 匀晶 相图
L（液相区）
液相线Leabharlann Baidu
L+ α 液固两相区
固相线
α（固相区）
平衡结晶过程
匀晶相图及固溶体的结晶
t1 温度－－开始结晶，尚无晶相 t2 温度－－通过扩散达到平衡 t3 温度－－结晶结束
0-1：L相 1：开始析出α
1-2：L+ α 2：结晶结束
2-3： α相
杠杆定律
在两相区内，温度一定时两相的质量比是一定的 ，在合金的结晶过程中，合金中各个相的成分及 其相对含量在不断的变化，不同条件下的成分及 其相对含量可由杠杆定律求出。
化合物——溶质元素同溶剂元素相互作用形成一种不 同于任一组员晶格的新相。
2、固态合金的相结构
固溶体
间隙固溶体 置换固溶体
化合物
1）间隙固溶体
溶质原子溶入溶剂晶格的间隙所形成的固溶体； 溶质原子直径小于溶剂原子直径的0.59倍（铁中形成间隙
固溶体的有：H、O、C、B、N……；）； 使溶剂晶格发生畸变，强度、硬度升高——固溶强化； 有一定的限度。(727℃时，C在-Fe中的溶解度为0.0218%)
eg. 求某含 Ni的量为 X%铜镍 合金，在 T1温度下 液相的重 量为QL 与 α相的 重量为Q α。
（1）做T1温度的水平线，则其与液相线的交点
即为L相的QL ，与固相线的交点即为α成分Q α 。 设合金的总重量为1，L相中的含镍量为X1%，
α相中含Ni量为X2%。
则有
QL+Q α=1
（2） QL=(X2-X)/(X2-X1)
形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象
正常晶格
晶格畸变
晶格畸变
小原子置换引起的 晶格畸变
间隙原子引起的 晶格畸变
3）化合物
定义：溶质元素同溶剂元素相互作用形成一种不同 于任一组员晶格的新相。 eg：Fe+C——Fe3C（渗碳体） 1227℃ 化合物性能——熔点高、硬度高，脆性大。
化合物的分类
正常价化合物 —— 按化合价规律形成，如，Mg2Si。 电子化合物 —— 按电子浓度规律形成，如，Cu3Al。 间隙化合物 —— 过渡金属+小半径非金属元素
具体方法： （1）确定两平衡相的成分（浓度） 做通过某点温度的水平线，与液相线交点即 为L相成分；与固相线交点即为α相成分。 （2）确定两平衡相相对含量
T,C
1500
1400
1300
1200
1100 1000
a
Cu
（2）
QL
X1
X
20 b 40 60
Ni%
1455
c
Qα
（1）
T1
X2
Ni 80 100
凝固过程：
水（液相）
水+冰 （双相）
冰（固相）
铁素体（ F ）白色
Fe3 C
Fe-C合金 中的相— —F+Fe3 C
组织—— 相的形状、分布、组合状态。
双相组织（F+ Fe3 C）
单相组织（F）
合金中两类基本相：
固溶体 —— 合金在固态下由组元间相互溶解而形成 的晶体结构与某一组员相同的新相称为固溶体，其中 与合金的晶体结构相同的组元称为溶剂，其余的称为 溶质。
QL ∙X1+Q α ∙X2 =X Q α =(X-X1)/(X2-X1)
QL=(XX2/X1X2)%
Q α =(X1X/X1X2)%
QL :Q α =XX2/X1X
即： QL ∙X1X=Q α ∙XX2（杠杆定律）
X1X
XX2
QL
Qα
成分偏析（枝晶偏析）
只有结晶过程是在及其缓慢冷却的条件下，才能 得到成分均匀的固溶体。而在实际生产中，冷却 速度较快，使扩散过程落后于结晶过程，造成先 结晶的与后结晶的成分上的差异。
定义：当冷却速度较快时，晶粒中先结晶的（高熔点）树 枝晶轴成分和后结晶（低熔点）的树枝晶成分上存在差异 的现象。
影响：枝晶偏析对材料的力学性能、抗腐蚀性能及工艺性 能都不利。
影响因素：
(1)冷却速度 (2)结晶温区（液相与固相的垂直距离）
解决措施：把合金加热到高温（低于固相线100℃左右，并 进行长时间保温，使原子充分扩散，从而获得成分均匀的 固溶体——扩散退火
间隙相 如，WC、TiC、VC 复杂结构的间隙化合物 如，Fe3C、Cr23C6
Fe原子被Mn或Cr置换，形成以Fe3C为基的固溶体：合金渗碳体
3、合金相图
相图：在平衡状态（即极缓慢加热或冷却条件）下， 以温度为纵坐标，以组元的含量为横坐标所绘制的坐 标图。表示在平衡条件下，合金状态与成分、温度之 间的关系图形。
共晶转变分析
T,C
L
L+
c
d
+
Pb
L+
e
Sn
共晶反应线 表示从c点到e点范围 的合金，在该温度上 都要发生不同程度上
的共晶反应。
共晶点 表示d点成分的合金 冷却到此温度上发生 完全的共晶转变。 该点凝固温度最低
2）置换 固溶体
溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体。
能与铁形成置换固溶体的有：Mn、Ni、Cr、Si、Mo…… 产生晶格畸变。 有限固溶体：Cu-Zn（39%） 溶解度较大。
无限固溶体：Cu-Ni
置 换 固 溶体
Z
Z 置换原子
间 隙 固 溶体
间隙原子
Y Y
X X
固溶强化：
2）共晶相图
定义：当两个组元液态能无限互溶，但固态只能有限 互溶，且发生共晶反应所构成的相图。
共晶反应：液相 Ld 固相 c + 固相 e 共晶转变在恒温下进行
液相线
T,C
固溶线
L
L+
L+


+
固相线 固溶线
Pb
Sn
Sn%
铅-锡共晶相图
3个单相区，3个两相区，1个三相区；5条特性线；5个特性点
第二节 合金的晶体结构及结晶
基本概念 固态合金的相结构 合金相图
1、基本概念
合金——由两种或两种以上金属元素或金属与非金属组成 的、具有金属特性的物质。如，Cu-Zn, Fe-C等合金
组元——组成合金的最基本、独立的物质（元素、稳定化 合物）。如，Fe-C合金中，Fe、C均为组元。
相——合金中具有相同化学成分、结构和性质，且与周围 物质以界面分开的各均匀组成部分。