合金的结构及结晶

α 相和β 相的质量分数可由杠杆
L
L
Ⅰ Ⅱ
A L+α M
Ⅲ
1 2
α
1 L+ β β E 2 N
B
温度
α+β
F G
Pb
wSn（%）
Sn
继续冷却时，共晶组织中的α 相成分沿着MF线变化，β 相成分沿NG线 变化。从α 相和β 相中分别析出β Ⅱ和α Ⅱ ，但显微镜下难以分辨。
（2）亚共晶合金的结晶过程
L
L +α B点相状态: α单相 A点相状态: L +α两相
α
Cu-Ni二元合金相图
二、合金的结晶过程
Байду номын сангаас
相图的建立过程
二、合金的结晶过程

匀晶相图

T/ ℃ 1
液相线
B
相图分析 特点 ——液、固两相均能无限互溶
L
2
L+α
3

合金的结晶过程(绘制冷却曲线)
A
固相线
K成分的Cu-Ni合金自高温缓慢冷却至2 的温度时，开始从液相中结晶出α 固溶体。 当温度继续冷却到2与3之间时，就有一定数 量的α 固溶体结晶出来，一直冷却到3的温
（3）过共晶合金的结晶过程
二、合金的结晶过程
冷却到1时，结晶出β相，在1～2之间， β相数量增加，冷却到温度2时， 剩余液相发生共晶转变。 共晶组织
LE M N
L
Ⅰ Ⅱ
A 温度
Ⅲ
β
α
L+α
M
1 2
1 E 2
L+ β β N
B
L+β
β
β
α
β
Ⅱ
α+β
F Pb
+α
Ⅱ+（α
+β ）
wSn（%）
二、合金的结晶过程
冷却到1时，结晶出α相，在1～2之间， α相数量增加，冷却到温度2时， 剩余液相发生共晶转变。 共晶组织
LE M N
L
Ⅰ Ⅱ
A 温度
Ⅲ
α
L+α
M
1 2
1 E 2
B L+ β β N
α+β
F Pb
wSn（%）
G Sn
继续冷却时，α 相成分沿着MF线变化，β 相成分沿NG线变化。从 α 相和β 相中分别析出β Ⅱ和α Ⅱ 。
——杠杆定律只适用于 二元相图的两相区
二、合金的结晶过程

共晶相图

特点 ——液相无限互溶、固相有限互溶；E点发生共晶反应 共晶反应
Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi 等合金系相图都是二元共晶相图。

LE M N
共晶组织
L
A
α ：以Pb为溶剂、Sn为溶质
B L+β
温度
L+α
α
点
α+β
F G Sn
Pb
wSn（%）
A：Pb的熔点 B：Sn的熔点 E：共晶点 M：Sn在α 中的最大溶解度 N：Pb在β中的最大溶解度 F：Sn在α 中的室温溶解度 G：Pb在β中的室温溶解度
二、合金的结晶过程
（1）共晶合金的结晶过程
共晶合金（合金Ⅱ）冷却到温度TE时， 定律求出： EN w 100 % 发生共晶转变。 共晶组 MN ME 织 w 100 % E M N MN
一、合金的结构
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。
一、合金的结构
（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
一、合金的结构
b. 间隙化合物
如钢中的 Fe3C、 Cr23C6、Fe3W3C等。 性能：很高的熔点和硬度，
但不如间隙相。
用途：钢中的重要强化相。
一、合金的结构
小 结
间隙固溶体
有限固溶体 无序固溶体
固溶体
有限固溶体 置换固溶体 无限固溶体 无序固溶体 有序固溶体
一、合金的结构
正常价化合物 金属 化合物 间隙化合物 间隙式金属 化合物
间隙固溶体及其影响因素
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； b. 溶解度与原子大小和溶剂的晶格类型
有关： 面心立方中>体心立方中； c. 间隙固溶体只能是有限固溶体。
α k 成分
度时，最后一滴液体结晶成固溶体，结晶终
了，得到与原合金成分相同的α 固溶体。
wNi (%)
二、合金的结晶过程
匀晶相图

1
L 2 4 3
B
确定合金冷却过程中L、α 的成分

杠杆定律——确定L、α 的相对重量
3 4
a
液相成分沿液相线变化 固相成分沿固相线变化
A
α 4
L
rb ar wL 100 % w 100 % ab ab
M
19
182
E
61.9
N
B
w
FH 100 % FG
182℃组织构成: F
H
w
G
HE 100 % ME
w 共晶
MH 100 % ME
共晶体中α 相与β 相比例:
w EN 100 % MN w ME 100 % MN
二、合金的结晶过程
共晶组织形态
一、合金的结构
（3）间隙相和间隙化合物
过渡族元素和原子半径较小的氢、氮、碳、硼组成。
r非 / r金< 0.59时，形成简单结构的化合物——间隙相。 r非 / r金> 0.59时，形成复杂晶体结构的化合物——间 隙化合物。
一、合金的结构
a. 间隙相
性能：极高的熔点和硬度。 如：VC; TiC; W2C 用途：硬质合金和高硬度工 模具的重要组织组成。
电子化合物 间隙相
一、合金的结构
金属化合物对合金性能的影响：
弥散强化 ① 弥散分布 ② 片状分布 ③ 网状分布 强度、硬度 强度、硬度 硬度 有一定的塑性、韧性 塑性、韧性
强度、塑性、韧性
二、合金的结晶过程
给定的合金系究竟以什么状态(相)存在，包含哪些相，这由内、 外因条件决定，外因是温度和压力，内因则是化学成分。 ——用相图来表示它们之间的关系。
一、合金的结构
（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
的固溶体 β：以Sn为溶剂、Pb为溶质 的固溶体
α
M
E
β
N
α+β
F
Pb
wSn（%）
G Sn
二、合金的结晶过程 相区

共晶相图

相图分析
单相区：L、α、β 双相区：L+α、L+β、α+β
相线
AEB：液相线 AMENB：固相线 MEN：共晶线 MF：α 相的溶解度曲线 NG：β 相的溶解度曲线
A L 温度 L+α M E B L+ β β N
共晶体(共晶组织)定义： 由共晶反应形成的细密 的两相或多相机械混合物
二、合金的结晶过程
共晶体
层片状
棒状
球状
针状
共晶组织形态
螺旋状
蛛网状
放射状
针状
共晶组织形态
Pb-Sn共晶合金
Pb-Sn亚共晶合金
Pb-Sn合金的 显微组织
Pb-Sn过共晶合金
二、合金的结晶过程
共晶系合金的不平衡结晶现象
伪共晶 定义：由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称 为伪共晶。 形成条件： 过冷度或冷却速度控制 在右图阴影区

影响合金中组织形态的因素 相图（状态图）
——成分、温度、压力
——用图解的方法表示合金的状态（相） 与成分、温度之间的关系 相平衡 ——结晶或相变过程中，各相成分及相对重量不再 改变时所达到的一种动态平衡 平衡相图

（热分析法） ① 建立合金系 ② 测定冷却曲线，找出相变临界点 ③ 将各相变点对应在成分—温度坐标图上，并连接具有相 同意义的点
Cr、V与Fe形成体心立方晶格无限固溶体
一、合金的结构
（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： FCC（面心立方）：1.36
BCC（体心立方）: 1.48
一、合金的结构

K
2
B
晶内偏析 消除方法：扩散退火
温度
T1 A
r L+α b
α
Cu
CL
C
Cα
Ni
a
r
b
若将合金成分C的 r 点看做支点，将WL、Wα 看做作用于a 和 b 的力， 则相当于力学中的杠杆定 律——形象的比喻。 WL = ( rb / ab )W0 Wα= ( ar / ab )W0
rb wL 100 % ab ar w 100 % ab
一、合金的结构
（二）金属化合物
概念 特征 合金组元之间通过化合作用所形成的一种相对稳定 的新相，又叫中间相
① 可以用化学分子式（A m B n）表示， 但不一定遵守化合价规律。 正常价化合物：Mg2Si Mg2Pb 电子化合物：CuZn Cu5Zn8 CuZn3 3 21 7 r电 , , 2 13 4 间隙相和间隙化合物：WC VC Fe3C ② 一定程度上具有金属的性质 ③ 晶格结构完全不同于任一组元 ④ 熔点高、硬而脆
一、合金的结构
（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。
二、合金的结晶过程
Cr23C6
一、合金的结构
（1） 正常价化合物
特点：成分固定不变，可用化学式表示。
如Mg2Si、Mg2Sn、MgS、MnS等。具有较高的硬度， 脆性较大。常作为有色金属的强化相。
（2） 电子化合物
不遵守原子价规律，而是按一定的电子浓度的比值 形成的化合物。电子浓度不同，化合物的晶格类型也不同。 ——硬、脆，有色金属强化的相 特点：虽用化学式表示，但成分可变 FeAl (Al：36.5%～50％atm); 有序化现象 其它： NiAl; CuZn; CuAl
（一）固溶体
分类：
按溶质位置
一、合金的结构
按溶解度
置换 固溶体
间隙 固溶体
有限 固溶体
无限 固溶体
置换固溶体
间隙固溶体
一、合金的结构
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%。
G Sn
继续冷却时，α 相成分沿着MF线变化，β 相成分沿NG线变化。从 α 相和β 相中分别析出α Ⅱ和β Ⅱ。
二、合金的结晶过程
例题：计算Pb-30%Sn合金冷却到室温时的相构成与182℃时 的组织构成，共晶体中各相所占的比例。 解：根据杠杆定律,相构成: A HG
w FG 100 %
一、合金的结构
例：纯铁、钢中的相 纯铁：α -Fe； 钢：铁素体(α )＋渗碳体(Fe3C)；
α相 α相 Fe3C 相
纯铁 0.45%C 钢
一、合金的结构


分类
合金相
固溶体 化合物
固溶体
概念 特征
合金组元在固态能相互溶解所形成的一种均匀的相 ① 总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质 ② 保持溶剂的晶格结构 ③ 成分可在一定范围内变化，性能随成分的变化而变化 ④ 产生晶格畸变
一、合金的结构
一、合金的结构
固溶体的形成对金属性能的影响
固溶强化：
因形成固溶体而使合金 的现象
——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％；
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↓。
一、合金的结构
影响固溶体类型、溶解度的因素
晶格类型 原子尺寸 电化学性（电负性） 电子浓度（价电子数与原子数的比值）
一、合金的结构
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。
合金的结构与结晶
合金相的概念及其结构 相图的概念及典型相图分析
一、合金的结构
合金
由两种或两种以上的金属或金属与非金 属，经熔炼、烧结或其他方法组合而成 并具有金属特性的物质 冶炼、烧结、喷涂…
合金化方法 组元
组成合金最基本的独立物质
合金系 给定组元配制出的一系列合金 金相显微组织 金相磨面在显微镜下观察到的构造情况 合金中具有相同成分、结构、聚集状态， 合金相（相） 并以界面相互隔开的均匀的组成部分