合金的晶体结构与相图

Z
置换原子
Z
间 隙 固 溶 体
间隙原子
Y Y
X X
2.金属化合物
金属化合物：是合金各组元原子按一定整数比形成 的具有金属性质的一种新相。

结构特点：具有原子整数倍的关系，可用分子式表
示：如Fe3C。
溶剂A+溶质B = C bcc 例如： 3Fe 体心 HB δ 80 50% fcc + C 六方 3 0% cph = Fe3C 复杂结构 800 0%
溶质原子有规则分布的为有序固溶体，无规则分布的为无序
固溶体。
1.固溶体 固溶体的性能： 溶质原子溶入→晶格畸变→位错运动阻力上升 →金属塑性变形困难→强度﹑硬度升高。 固溶强化：通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属强度 和硬度提高的现象。 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。 对于钢铁材料来说，固溶强化 的作用只是其强化途径的一种， 有一定的局限性，对于有色金属 材料来说，固溶强化是行之有效 的强化手段。
2.金属化合物
金属化合物主要性能：
（1）具有一定程度的金属性质 （2）具有较高的熔点 （3）硬度较高 （4）脆性高
3.机械混合物
机械混合物：纯金属，固溶体，金属化合物均是组成合金 的基本相，有两相或两相以上组成的多相组织。 性能： 1）﹑介于各组成相性能之间，各组成相晶格类型和 性能不变。 2）﹑和单一固溶体合金相比，强度﹑硬度高，但塑 性﹑可锻性低。
３ .４
Ｃu—Ｎi相图
I：纯铜；II：75%Cu+25%Ni III：50%Cu+50%Ni IV： 25%Cu+75%Ni V：纯Ni
二﹑基本相图
二元相图的基本类型分析：
１ ２ ３ ４ ５ ６
﹑二元匀晶相图 ﹑二元共晶相图 ﹑二元包晶相图 ﹑形成稳定化合物的相图 ﹑具有共析转变的相图 ﹑合金的性能与相图的关系
固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。 随温度下降， 固溶体重量增加， 液相重量减少。同 时，液相成分沿液 相线变化，固相成
分沿固相线变化。
１﹑二元匀晶相图
成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最
后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时 固溶体的成分又变回
到合金成分3上来。
液固相线不仅 是相区分界线, 也是 结晶时两相的成分变 化线；匀晶转变是变
第三章 合金的晶体结构与相图 (P28)
第一节 合金的晶体结构
第二节
第三节
合金的结晶
二元合金相图
第四节 合金的性能与相图之间的关系
第一节 合金的晶体结构
一﹑基本概念
1﹑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全部是金属，也可是金属与非金属。
2﹑组元：组成合金的最基本的、独立的物质。可以是化学 元素，或者是稳定的化合物,如Fe3C。 根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、 三元合金和多元合金。
二﹑合金结晶的冷却曲线
热 分 析 法
二﹑合金结晶的冷却曲线
１﹑组元在液态下完全互溶，固 态下完全互溶，结晶形成单相固 溶体的合金冷却曲线。 TC
L

L
c L
b
L
特点：有两个相变点，无结晶平 台，形成单相固溶体。
t
冷却曲线
二﹑合金结晶的冷却曲线
２﹑组元在液态下完全互溶，固 态下完全不互溶或部分互溶，结 晶形成单相化合物或同时结晶出 两相共晶体的合金冷却曲线。 特点：结晶过程与纯金属相似，只 有一个相变点，反应在恒温下进行， 形成共晶体。 TC L
2.金属化合物
Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。
渗碳体（Fe3C）晶格结构示意图
2.金属化合物
金属化合物主要类型：
（1）正常价化合物（normal compounds）—按化合价规 律形成，如，Mg2Si 。
（2）电子价化合物（electron compounds）— 按电子浓度 规律形成，如，Cu3Al 。 （3）间隙化合物（interstitial compounds）— 过渡金属+ 小半径非金属元素。 间隙相 r非/r金0.59，如：WC、 TiC、 VC。 复杂结构的间隙化合物 r非/r金0.59如，Fe3C、Cr23C6 间隙化合物熔点高、硬度高，脆性大。
x x1 Qα x 2 x1
L
( + )
L
L(+ ) 共晶体 a a'
( + ) ( + )
冷却曲线
t
二﹑合金结晶的冷却曲线
３﹑组元在液态下完全互溶，固 态下部分互溶，结晶开始形成单 相固溶体后，剩余液体又同时结 晶出两相共晶体的合金冷却曲线。 TC
L
a b L+
L+(+ )+
(+ )+
一﹑二元合金相图的建立
相图的建立 名称 A金属 bcc 高 100% B金属 bcc 低 0%
晶格类型 熔点 合金1 合金2
合金3 …….. 合金9 合金10 合金11
90%
80% …….. 20% 10% 0%
10%
20% ……. 80% 90% 100%
相图的建立 温 度 温 度 温 度
时间
二﹑基本相图
１﹑二元匀晶相图
匀晶相图：是指合金组元在液、固两相下均能无限互溶， 结晶时只结晶出单相固溶体组织的合金相图。如Au-Ag、 Ni-Cu等二元合金系。 匀晶转变（匀晶反应）：这种从液相中结晶出单一固相 的转变。
液相线
TC 1500 1400 1300 1200 1100 1000 1083 纯铜 熔点 Cu
两相 合金
第一节 合金的晶体结构
二﹑合金的相结构
合金的相结构：是指合金组织中相的晶体结构。 （不同的相原子排列方式是不同的） 根据组元相互作用不同，固态合金的相结构可分为三大类： 1.固溶体 2.金属化合物 3.机械混合物
二﹑合金的相结构
1.固溶体
①固溶体：合金组元通过溶解（液态和固态都相互溶解） 形成一种成分和性能均匀的﹑且结构与组元之一相同的固 相。
一﹑基本概念
合金中相与相之间有明显的 界面。液态合金通常都为单相 液体。固态下，由一个固相组 成时称为单相合金，由两个以 上固相组成时称为多相合金。
5.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。
单相 合金
（组织反映材料的相组成，相形 态，大小和分布状况，因此组织 是决定材料最终性能的关键）
②溶剂：与固溶体晶格相同的组元，一般在合金中含量较 多。
③溶质：以原子状态分布在溶剂晶格中，一般含量较少。
1.固溶体
固溶体的分类： （1）根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置不同，可将固溶体 分为置换固溶体与间隙固溶体两种。
置换固溶体：溶剂晶格结点上的部分原子被溶质原子所取
代的固溶体。 间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体。
第三节 二元合金相图
相图：用来表示合金系中各个合金在缓冷条件下结晶 过程的简明图解。又称状态图或平衡图。
一﹑二元合金相图的建立
目前，合金相图主要是通过实验测定的，且测定合金相图 的方法很多，但应用最多的是热分析法。
一﹑二元合金相图的建立
以Ｃu—Ｎi合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步 骤： １ ﹑配制若干组不同成分的Ｃu—Ｎi合金 ２ ﹑用热分析法分别测出每种成分的合金冷却曲线 ３ ﹑找出各冷却曲线上的相变临界点 ４ ﹑以横坐标表示合金成分，纵坐标表示温度，将合金 相变临界点分别标在坐标图上相应的合金成分线上。 ５ ﹑将相同意义的点连成光滑曲线，再根据热分析结果， 填上相区，即得二元合金相图。 相图上所表示的组织都是在十分缓慢冷却的条件下获得 的，都是接近平衡状态的组织。
温度t 的o点作水平线，其与
液固相线交点a、b所对应的 成分x1、x2即分别为液相和固 相的成分。
t

1 2
② 确定两平衡相的相对质量： 设合金的总质量为1，液相质量为QL，固相质量为Q。 则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得：
QL
x2 x x 2 x1
b'
特点：结晶有两个相变点（a，b）， b点合金具有共晶成分，所以反应在 恒温下进行，形成共晶体。 (+ )+ + Ⅱ 冷却曲线
t
二﹑合金结晶的冷却曲线
３﹑组元在液态下完 全互溶，固态下部分 互溶，结晶开始形成 单相固溶体后，剩余 液体又同时结晶出两 相共晶体的合金冷却 曲线。 特点：结晶有两个相变 点（a，b）， b点合金 具有共晶成分，所以反 应在恒温下进行，形成 共晶体。
L

L
匀晶转变 L
L

Ni

冷却曲线
100 60 80 Ni% ☆在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是不相同的， 其变化规律是沿着固相线变化。与此同时剩余液相的化学成 分也相应地沿着液相线变化。
20
40
t
（１）相图分析及合金结晶过程
当液态金属自高温冷却到 t1温度时，开始结晶出成分为1的
第一节 合金的晶体结构
一﹑基本概念
3﹑合金系：有若干给定组元按不同比例配出一系列成分不 同的合金，这一系列合金构成的一个合金系统。如黄铜是铜 与锌组成的二元合金系。 组成合金的元素相互作用可形成不同的相。 4﹑相：是指金属或合金中凡化学成分相同、晶体结构相 同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。液态物 质为液相，固态物质为固相。
置换固溶体
间隙固溶体
1.固溶体