二元合金的相结构与相图知识分享
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度较小。 原因：固溶体中的电子浓度存在极限
值。不同晶体结构的极限电子浓度不同： F.C.C：1.36 B.C.C: 1.48
3 间隙固溶体
当溶质与溶剂的原子半径之比小于 0.59时，可能形成间隙固溶体。
如小原子的碳(0.077nm)、氮 (0.071nm)、另氧、氢、硼等非金属原子。 特点：a. 同样会引起点阵畸变；
**固溶强化的特点： (1) 溶质与溶剂原子相差越大，溶质原子
浓度越高，所引起的晶格畸变越大，固溶强 化效果越大；
(2) 间隙原子的强化效果比置换原子的大。 因为间隙原子引起的点阵畸变大。 （3）综合机械性能好。适当控制溶质含量， 不仅可以显著提高材料强硬度，而且材料的 塑韧性不会明显降低。
第三章 二元合金的相结构与相图
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； 4 正确运用杠杆定律。
§1 合金的相结构
例：纯铁、钢中的相 纯铁：α-Fe； 钢：铁素体(α)＋渗碳体(Fe3C)；
α相wenku.baidu.com
α相 Fe3C 相
纯铁
0.45%C 钢
一、相的分类
相结构，实指合金的晶体结构 （一）固溶体
合金组元通过溶解形成一种成分和 性能均匀的、且晶格类型与组元之一相 同的固相称之为固溶体。 （二）金属化合物
定义：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 相称之为金属化合物。
5 固溶体的性能 （1）固溶体强硬度高于组成它的纯金属， 塑韧性低于组成它的纯金属; （2）物理性能方面，随着溶质原子的↑，固 溶体的电阻率↑，电阻温度系数↓，导热性↓。
固溶体中随着溶质原子的加入，强度、硬度 升高，塑性、韧性降低的现象
┗ 固溶强化 ——金属材料的主要强化手段或途径之一 例如：南京长江大桥采用廉价的16Mn，其 中含1.2%~1.6%Mn，抗拉强度较相同碳含量 的普通碳素钢提高60％；
Fe3Al——金属间化合物新材料
2 置换固溶体及影响因素 金属元素之间一般都能形成置换
固溶体，但固溶度往往相差很大。 如Cu: Ni无限互溶， Zn最大溶解度为39%， Pb几乎不溶解于铜。 —— 受元素间原子尺寸、化学
亲和力、结构类型等影响。
（1）原子尺寸因素 组元间原子半径越相近，固溶度越大。 原因：溶质原子引起溶剂晶格的点阵畸
a. Fe－Al (<25%atm)合金 ——无序相：α相
b. Fe－Al (25%~35%atm)合金 ——有序相：Fe3Al
c. Fe－Al(35%～50％atm)合金 ——有序相：FeAl
成分固定，温度变化时： Fe3Al： < 550℃：完全有序 550℃ ～ 950℃：部分有序 > 950℃：完全无序固溶体
变，产生畸变能，晶格畸变能越高，晶格越 不稳定，当畸变能高到一定程度，溶质原子 将不再能溶入固溶体，只能形成其它新相。
溶剂与溶质原子的尺寸差别可用Δr/r 衡量：
Δr/r =(r溶剂 - r溶质)/ r溶剂
（2）负电性 S原子、Al原子与Fe原子大小相差接近，
但Al在Fe中溶解度大——负电性因素 负电性: 指元素的原子自其它原子夺取电
┗ 铁素体
C 固溶于γ－Fe中形成间隙固溶体
┗ 奥氏体
** 按固溶度分类 （1）有限固溶体——溶质原子在固溶体中 的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再 溶解，这个限度称为固溶度。
（2）无限固溶体——溶质原子能以任意比 例溶入溶剂，固溶度可达到100%。
按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分类
（1）无序固溶体 ——溶质原子随机地分布 于溶剂晶格中。
子而变为负离子的能力。 ┗ 可衡量元素间的化学亲和力，即形成化
合物的倾向性 ——取决于两元素在周期表中的位置，相距
越远，负电性相差越大，越易形成化合物。
dAl=2.85; dS=2.08； dFe=2.54 Δr/r分别为：0.12、0.18
—— 元素间负电性相差越小，越易形成 固溶体，而且固溶体的固溶度也较大。
（3）晶体结构因素 晶体结构相同，溶解度较大。 无限固溶体——溶质的晶体结构与溶剂
的晶体结构一定相同( 如Cu-Ni合金等) 例Fe合金：
Ni、Co、Cr、V与Fe原子尺寸差别<8%, Ni、Co与Fe形成面心立方晶格无限固溶体 Cr、V与Fe形成体心立方晶格无限固溶体
（4）电子浓度因素——原子价因素 电子浓度: 价电子数目与原子数目之比 现象：溶质元素的原子价越高，溶解
二 合金的相结构
（一）固溶体
1、固溶体的分类
置换固溶体
** 按溶质原子在晶格中所占的位置分类
（1）置换固溶体— 溶质原子占据溶剂晶 格结点所形成的固溶体——代位固溶体
90％ Cu-10％Ni合金
（2）间隙固溶体
—— 溶质原子填入溶剂晶格 的空隙位置所形成的固溶体。
例：
间隙固溶体
C 固溶于α－Fe中形成间隙固溶体
合金: 一种金属元素与另一种或几种其它元素，
经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性 的物质。
Pb-Sn合金, 钢（Fe-C）, 锡青铜(Cu-Sn(<14%)）
合金相 ——指合金中结构相同，成分和 性能均一，并有界面与其他部分分开的 均匀组成部分。(phase) 金属或合金均由相构成——单相合金、 多相合金。 ——用α、β、γ、δ、η、θ等表示
（2）有序固溶体 ——溶质原子按一定的规 律分布在溶剂晶格中。
CuAu中Cu原子：简单四方晶系亚点阵 Cu3Au中Cu原子：体心四方晶系亚点阵
• 有序固溶体特点： —— 溶质原子可形成自己的亚点阵 —— 一定条件下固溶体可在有序和
无序间相互转化：
温度、成分
例：Fe-Al合金 室温下, 成分变化时：
b. 溶解度与原子大小和溶剂的晶 格类型有关： F.C.C 中> B.C.C 中；
c. 间隙固溶体只能是有限固溶体。
4 固溶体的结构特点 (1) 保持着溶剂的晶格类型； (2) 晶格发生畸变
(3) 偏聚与（短程）有序 (4) 有序固溶体（长程有序化）
当固溶体发生偏聚或有序化时， 强度和硬度增加，而塑性和韧性降低。
值。不同晶体结构的极限电子浓度不同： F.C.C：1.36 B.C.C: 1.48
3 间隙固溶体
当溶质与溶剂的原子半径之比小于 0.59时，可能形成间隙固溶体。
如小原子的碳(0.077nm)、氮 (0.071nm)、另氧、氢、硼等非金属原子。 特点：a. 同样会引起点阵畸变；
**固溶强化的特点： (1) 溶质与溶剂原子相差越大，溶质原子
浓度越高，所引起的晶格畸变越大，固溶强 化效果越大；
(2) 间隙原子的强化效果比置换原子的大。 因为间隙原子引起的点阵畸变大。 （3）综合机械性能好。适当控制溶质含量， 不仅可以显著提高材料强硬度，而且材料的 塑韧性不会明显降低。
第三章 二元合金的相结构与相图
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； 4 正确运用杠杆定律。
§1 合金的相结构
例：纯铁、钢中的相 纯铁：α-Fe； 钢：铁素体(α)＋渗碳体(Fe3C)；
α相wenku.baidu.com
α相 Fe3C 相
纯铁
0.45%C 钢
一、相的分类
相结构，实指合金的晶体结构 （一）固溶体
合金组元通过溶解形成一种成分和 性能均匀的、且晶格类型与组元之一相 同的固相称之为固溶体。 （二）金属化合物
定义：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 相称之为金属化合物。
5 固溶体的性能 （1）固溶体强硬度高于组成它的纯金属， 塑韧性低于组成它的纯金属; （2）物理性能方面，随着溶质原子的↑，固 溶体的电阻率↑，电阻温度系数↓，导热性↓。
固溶体中随着溶质原子的加入，强度、硬度 升高，塑性、韧性降低的现象
┗ 固溶强化 ——金属材料的主要强化手段或途径之一 例如：南京长江大桥采用廉价的16Mn，其 中含1.2%~1.6%Mn，抗拉强度较相同碳含量 的普通碳素钢提高60％；
Fe3Al——金属间化合物新材料
2 置换固溶体及影响因素 金属元素之间一般都能形成置换
固溶体，但固溶度往往相差很大。 如Cu: Ni无限互溶， Zn最大溶解度为39%， Pb几乎不溶解于铜。 —— 受元素间原子尺寸、化学
亲和力、结构类型等影响。
（1）原子尺寸因素 组元间原子半径越相近，固溶度越大。 原因：溶质原子引起溶剂晶格的点阵畸
a. Fe－Al (<25%atm)合金 ——无序相：α相
b. Fe－Al (25%~35%atm)合金 ——有序相：Fe3Al
c. Fe－Al(35%～50％atm)合金 ——有序相：FeAl
成分固定，温度变化时： Fe3Al： < 550℃：完全有序 550℃ ～ 950℃：部分有序 > 950℃：完全无序固溶体
变，产生畸变能，晶格畸变能越高，晶格越 不稳定，当畸变能高到一定程度，溶质原子 将不再能溶入固溶体，只能形成其它新相。
溶剂与溶质原子的尺寸差别可用Δr/r 衡量：
Δr/r =(r溶剂 - r溶质)/ r溶剂
（2）负电性 S原子、Al原子与Fe原子大小相差接近，
但Al在Fe中溶解度大——负电性因素 负电性: 指元素的原子自其它原子夺取电
┗ 铁素体
C 固溶于γ－Fe中形成间隙固溶体
┗ 奥氏体
** 按固溶度分类 （1）有限固溶体——溶质原子在固溶体中 的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再 溶解，这个限度称为固溶度。
（2）无限固溶体——溶质原子能以任意比 例溶入溶剂，固溶度可达到100%。
按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分类
（1）无序固溶体 ——溶质原子随机地分布 于溶剂晶格中。
子而变为负离子的能力。 ┗ 可衡量元素间的化学亲和力，即形成化
合物的倾向性 ——取决于两元素在周期表中的位置，相距
越远，负电性相差越大，越易形成化合物。
dAl=2.85; dS=2.08； dFe=2.54 Δr/r分别为：0.12、0.18
—— 元素间负电性相差越小，越易形成 固溶体，而且固溶体的固溶度也较大。
（3）晶体结构因素 晶体结构相同，溶解度较大。 无限固溶体——溶质的晶体结构与溶剂
的晶体结构一定相同( 如Cu-Ni合金等) 例Fe合金：
Ni、Co、Cr、V与Fe原子尺寸差别<8%, Ni、Co与Fe形成面心立方晶格无限固溶体 Cr、V与Fe形成体心立方晶格无限固溶体
（4）电子浓度因素——原子价因素 电子浓度: 价电子数目与原子数目之比 现象：溶质元素的原子价越高，溶解
二 合金的相结构
（一）固溶体
1、固溶体的分类
置换固溶体
** 按溶质原子在晶格中所占的位置分类
（1）置换固溶体— 溶质原子占据溶剂晶 格结点所形成的固溶体——代位固溶体
90％ Cu-10％Ni合金
（2）间隙固溶体
—— 溶质原子填入溶剂晶格 的空隙位置所形成的固溶体。
例：
间隙固溶体
C 固溶于α－Fe中形成间隙固溶体
合金: 一种金属元素与另一种或几种其它元素，
经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性 的物质。
Pb-Sn合金, 钢（Fe-C）, 锡青铜(Cu-Sn(<14%)）
合金相 ——指合金中结构相同，成分和 性能均一，并有界面与其他部分分开的 均匀组成部分。(phase) 金属或合金均由相构成——单相合金、 多相合金。 ——用α、β、γ、δ、η、θ等表示
（2）有序固溶体 ——溶质原子按一定的规 律分布在溶剂晶格中。
CuAu中Cu原子：简单四方晶系亚点阵 Cu3Au中Cu原子：体心四方晶系亚点阵
• 有序固溶体特点： —— 溶质原子可形成自己的亚点阵 —— 一定条件下固溶体可在有序和
无序间相互转化：
温度、成分
例：Fe-Al合金 室温下, 成分变化时：
b. 溶解度与原子大小和溶剂的晶 格类型有关： F.C.C 中> B.C.C 中；
c. 间隙固溶体只能是有限固溶体。
4 固溶体的结构特点 (1) 保持着溶剂的晶格类型； (2) 晶格发生畸变
(3) 偏聚与（短程）有序 (4) 有序固溶体（长程有序化）
当固溶体发生偏聚或有序化时， 强度和硬度增加，而塑性和韧性降低。