(一)合金相与相变-概论

1. 相、合金相和相变的概念
合金相的例子
图1-5 不锈钢的光学显微组 织 — 奥氏体的形貌
高温淬火T10钢的光学显 图1-6 高温淬火 钢的光学显 微组织 — 针状马氏体的形貌
1. 相、合金相和相变的概念
相的概念的变化
在金属学及金属物理领域内，相的概念也在发展和变化， 在金属学及金属物理领域内，相的概念也在发展和变化，借助于相的 化学及物理性质，传统地认为光学显微镜能直接地鉴别相的存在，但 化学及物理性质，传统地认为光学显微镜能直接地鉴别相的存在， 光学显微镜的分辨率仅限于可见光的波长，为了鉴别尺度更小的相， 光学显微镜的分辨率仅限于可见光的波长，为了鉴别尺度更小的相， 需要借助于X射线、电子波或其他物理方法， 需要借助于 射线、电子波或其他物理方法，如人们发现的铝铜合金 射线 中的脱溶产物区（ 区 中的脱溶产物区 （ GP区） 、 固溶体中异类原子聚集的短程有序区或 丛聚区，这些概念是用不同的实验方法所鉴别的稳定相或亚稳相， 丛聚区，这些概念是用不同的实验方法所鉴别的稳定相或亚稳相，它 们的主要区别在于尺寸及稳定性。 们的主要区别在于尺寸及稳定性。
金属的凝固、水在零度结成冰： 金属的凝固、水在零度结成冰： 液-固相变 固相变 水在100°C蒸发：液-气相变 ° 蒸发 蒸发： 气相变 水在 晶体的外延生长：气-固转变 晶体的外延生长： 固转变 碳钢淬火过程中奥氏体转变为马氏体： 碳钢淬火过程中奥氏体转变为马氏体： 固-固相变 固相变
1. 相、合金相和相变的概念
微量钪可与铝形成晶格结构尺寸、结构与基体相当的Al3Sc相，其有强 烈的细化晶粒的效果。该相弥散分布可大幅度提高变形铝合金半成品的再 结晶温度。该相与基体具有共格关系，透射电镜下呈花瓣状形貌，具有极 强的硬化效果。
1. 相、合金相和相变的概念
相的概念
相是系统中结构相同、成分和性质均一， 相是系统中结构相同、成分和性质均一 ，并以界面相互分开的组 成部分。这个定义包含三层含义： 成部分。这个定义包含三层含义： 1、在宏观尺度内，一个相的成分和结构是均匀的 ，成分是指组 、在宏观尺度内， 成相的粒子（分子、原子）等的类型和相对含量； 成相的粒子（ 分子 、原子 ） 等的类型和相对含量 ； 结构是指这些 粒子的排列和运动方式； 粒子的排列和运动方式； 2、相具有一定的热力学性质 、相具有一定的热力学性质——在一定的外界条件下，系统的均 在一定的外界条件下， 在一定的外界条件下 匀部分具有一定的热力学性质（如内能、熵）等： 匀部分具有一定的热力学性质（如内能、 3、相具有界面 、相具有界面——系统中一部分与另一部分之间具有界面，单相 系统中一部分与另一部分之间具有界面， 系统中一部分与另一部分之间具有界面 系统与环境之间也有界面。 系统与环境之间也有界面。
1. 相、合金相和相变的概念
相的例子
水有气、 固三个状态，分别叫做气相、液相、固相， 水有气、液、固三个状态，分别叫做气相、液相、固相，它们之间的转 变叫做相变或状态的改变。 是水的相图（ 压力图） 变叫做相变或状态的改变。图1-1是水的相图（温度 压力图），表示出 是水的相图 温度-压力图 了各相存在的范围，两相并存的线（ 了各相存在的范围，两相并存的线（OA、OB、OC）以及三相共存的 、 、 ） 点O。 。
1. 相、合金相和相变的概念
合金相的例子
纯铁的光学显微组织， 图1-3 纯铁的光学显微组织， 只有一个α 只有一个α相
室温下亚共析钢的光学显 图1-4 室温下亚共析钢的光学显 微组织为α （铁素体） 微组织为α-Fe（铁素体）+ P 珠光体）。珠光体由Fe3C(渗 ）。珠光体由 （珠光体）。珠光体由 渗 碳体)和 两个相组成。 碳体 和α两个相组成。
1. 相、合金相和相变的概念
相变的概念
从母相到新相的变化过程，叫做相变； 从母相到新相的变化过程，叫做相变；即在均匀单相 或几个混合相中，出现了不同成分、不同结构， 或几个混合相中，出现了不同成分、不同结构，不同 组织形态或不同性质的相。 组织形态或不同性质的相。
1. 相、合金相和相变的概念
相变的例子
关于相变的几个基本问题
1、为什么发生相变？相变朝什么方向进行？ 、为什么发生相变？相变朝什么方向进行？ 2、相变是如何进行的？它的途径和速度如何？ 、相变是如何进行的？它的途径和速度如何？ 3、相变产物具有什么结构？ 、相变产物具有什么结构？ 以上三个问题分别属于相变的热力学、动力学和结构学的问题， 以上三个问题分别属于相变的热力学、动力学和结构学的问题，它们 分别要回答相变的方向、速度和结果。 分别要回答相变的方向、速度和结果。 总之，相变朝着能量降低的方向进行： 总之，相变朝着能量降低的方向进行：相变遵循阻力最小的途径 进行，相变可以有不同的终点，获得不同的新相，其中最适合结构环 进行，相变可以有不同的终点，获得不同的新相， 境的新相才易于生存下来，即适者生存。 境的新相才易于生存下来，即适者生存。
3. 合金相的研究方法
显微硬度法
采用相对面夹角为136°的正八面体金刚石压头在样品上打取压痕，计 °的正八面体金刚石压头在样品上打取压痕， 采用相对面夹角为 算单位面积上所承受的载荷，显微硬度用HM表示。如用 表示。 算单位面积上所承受的载荷，显微硬度用 表示 如用kg/mm2为的 单位时，可将单位省去。 单位时，可将单位省去。
2F sin136° 1.8544F HM = HV = 2 2d d2
图1-9 显微硬度测试示意图
3. 合金相的研究方法
光学显微镜和显微硬度
NbSi2 Nb基体 基体 Nb5Si3 (Mo,Nb)5Si3 MoSi2
β相(HV0.01=100) 相
α相(HV0.01=150) 相
铌合金MoSi2涂层体系 图1-10 铌合金 中各过渡层的显微硬度测量
2. 研究合金相和相变的意义
（1）合金的性质与合金的相组成、相的体积分数、尺度、形貌密切 ）合金的性质与合金的相组成、相的体积分数、尺度、 相关; 相关 合金的种类繁多，要全面认识一个合金， （2) 合金的种类繁多，要全面认识一个合金，就必须对合金中存在 的相进行研究。为每个合金建立档案 的相进行研究。为每个合金建立档案; （3）两个相同成分的合金，如果处理条件不同，状态不同，它们的 ）两个相同成分的合金，如果处理条件不同，状态不同， 相可能不同; 相可能不同 （4）相界面的结构和能量对合金的性能、变形行为、腐蚀性能、疲 ）相界面的结构和能量对合金的性能、变形行为、腐蚀性能、 劳、断裂、寿命有重要影响; 断裂、寿命有重要影响 （5）研究相变，弄清相变发生的条件，揭示相变对合金性能的影响 ）研究相变，弄清相变发生的条件， 规律，我们就可以利用相变来调控合金组织与性能。 规律，我们就可以利用相变来调控合金组织与性能。
图1-2 铁的相图
1. 相、合金相和相变的概念

合金相的概念 合金是由两种或两种以上的元素组成的、具有金属特性的系 合金是由两种或两种以上的元素组成的、 在物理空间中，一个合金可以由一个或多个相组成。 统。在物理空间中，一个合金可以由一个或多个相组成。每 个相具有一定的化学组成、 个相具有一定的化学组成、一定的结构和一定的物理化学性 质性质，相与相之间有界面。 质性质，相与相之间有界面。我们把组成合金的这些相统称 为合金相。 为合金相。
Ta是固溶强化元素，添加Ta降低了固态扩散并抑制了固态相变。 是固溶强化元素，添加 降低了固态扩散并抑制了固态相变。 是固溶强化元素 降低了固态扩散并抑制了固态相变
3. 合金相的研究方法
扫描电子显微镜观察到 的NiAl/TiC样品中的相 样品中的相
富Ni、Al相 、 相 富Ti相 相
合金/TiC试样的 试样的EDS 图1-15 NiAl合金 合金 试样的
（精确测定合金相的微区成分） 精确测定合金相的微区成分）
3. 合金相的研究方法
金相显微分析
层片状珠光体 晶界处连续渗碳体
图1-7 过共析钢的光学显微组织
3. 合金相的研究方法
光学金相显微术
Al2Cu/Al2CuMg
图1-8 电解抛光/阳极覆膜后 电解抛光 阳极覆膜后2XXX系 系 阳极覆膜后 铝合金金相组织照片
背散射
图1-14 Al, Ti, Ni元素的面分布图 元素的面分布图
图1-16 Al, Ti, Ni元素的线扫描图 元素的线扫描图
3. 合金相的研究方法
X射线衍射分析方法 射线衍射分析方法 原理：当X射线入射到晶体，晶体中原子间距离与入射射线波长 数量级时相同，不同原子散射的射线相互干涉，在某些特殊方向 上产生强射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结 构密切相关。 布拉格方程： 布拉格方程： nλ=2dsinθ
图1-19 电子显微镜镜筒结构简图
3. 合金相的研究方法
透射电子显微术(TEM) 透射电子显微术
用透射电子显微镜观察到的Ti-14Al-2Zr-3Sn-3Mo-0.5Si 图1-20 用透射电子显微镜观察到的 合金中弥散析出的Ti 相 合金中弥散析出的 3Al相
3. 合金相的研究方法
铝钪合金中的相
钛合金中α相和 相和β 图1-11 钛合金中 相和β相 的显微硬度测量
3. 合金相的研究方法
扫描电子显微术(SEM) 扫描电子显微术
图1-12 扫描电子显微镜的原理
3. 合金相的研究方法
扫描电子显微镜观察到的铌基合金中相的形貌
铸态Nb-24Ti-6Ta-18Si-5Cr-5Al合金的背散射电子像。 合金的背散射电子像。 图1-13 铸态 合金的背散射电子像
合金相与相变
易丹青 教授
材料科学与工程学院 danqing@
第一讲、 第一讲、概论
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 相、合金相和相变的概念 研究合金相和相变的意义 合金相的研究方法 相变的研究方法 本课程的内容 本课程与其他课程的关联 如何学习本课程 思考题
1. 相、合金相和相变的概念
由于固态相一般都具有一定的晶体结构，习惯上 由于固态相一般都具有一定的晶体结构， 将晶体结构发生转变的变化叫做相变。例如， 将晶体结构发生转变的变化叫做相变。例如，铁 的铁磁←→顺磁转变，虽然电子结构发生了变化， 顺磁转变， 的铁磁 顺磁转变 虽然电子结构发生了变化， 但两种状态都是体心立方晶体结构， 但两种状态都是体心立方晶体结构，一般不认为 是相变。 是相变。
图1-1 水的相图
水和冰
1. 相、合金相和相变的概念
相的例子 有些物质在固态还有不同相。 有些物质在固态还有不同相。 是纯铁的相图。 图1-2是纯铁的相图。在不同的 是纯铁的相图 温度和压力范围， 温度和压力范围，固态铁可能 以三个固态相（ 、 以三个固态相（α、γ 、ε）的 ） 形式存在。 形式存在。
3. 合金相的研究方法
微米级的合金相具有不同的衬度和颜色） 光学金相显微术 （微米级的合金相具有不同的衬度和颜色） 显微硬度 扫描电子显微术 及能谱分析 X射线衍射技术 射线衍射技术 透射电子显微术 及能谱分析 电子探针微区成 分分析 （测量微米级尺寸合金相的硬度） 测量微米级尺寸合金相的硬度） （观察更细小合金相的形貌以及对合金相的 成分作定性和半定量的分析） 成分作定性和半定量的分析） （确定合金的相组成、点阵常数、晶粒尺寸等。可分 确定合金的相组成、点阵常数、晶粒尺寸等。 离萃取的合金相，利用粉末X射线衍射 进行精确分析） 射线衍射， 离萃取的合金相，利用粉末 射线衍射，进行精确分析） （对尺寸更小，如纳米级的合金相进行形貌观察 对尺寸更小， 和合金相的成分测定，以及晶体结构测定） 和合金相的成分测定，以及晶体结构测定）
图1-17 布拉格反射
钛合金的X射线衍射物相分析 图1-18 TC21钛合金的 射线衍射物相分析 钛合金的
3. 合金相的研究方法
透射电子显微术(TEM) 透射电子显微术
1-灯丝；2-栅极帽；3灯丝； 栅极帽 栅极帽； 灯丝 阳极；4-偏转线圈；5阳极；4-偏转线圈； 偏转线圈 第一聚光镜； 第二聚 第一聚光镜；6-第二聚 光镜； 聚光镜消像散 光镜；7-聚光镜消像散 偏转线圈； 聚 器；8-偏转线圈；9-聚 偏转线圈 光镜光阑； 试样杆 试样杆； 光镜光阑；10-试样杆； 11-物镜；12-物镜消像 物镜； 物镜消像 物镜 散器； 中间镜 中间镜； 散器；13-中间镜；14投影镜