二元合金的相结构与相图基本概念和特点
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算方法。
难点：
1 相与组织的差别；间隙相与间隙化合物的区别； 2 相组成及组织组成相对量的计算； 3 形成金属化合物的相图
§3-1 合金中的相
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。如黄铜是铜 锌合金，钢、铸铁是铁碳合金。 组 元 ：组成合金最基本的、独立存在的物质
一、固溶体
与固溶体的晶格相同的组成元素称为溶剂，在固溶体中一般 都占有较大的含量；其它组成元素称为溶质。
溶质原子溶入固溶体中的量称为固溶体的浓度。浓度或溶解 度一般用溶质元素所占的重量百分比来表示（wt%）。
固溶体特性
保持溶剂晶体结构 成分可变结构不变，在相图中为一个相区 保持金属键结合
产生固溶强化
fAB ＝ fAA ＝ fBB
（b）偏聚
fAA 或 fBB > fAB
（c）短程有序 fAB > fAA(或 fBB)
（d）有序分布 （超结构）
固溶体中溶质原子示意图
3 有序固溶体－超结构
具有短程有序的固溶体缓冷到某一温度以下，会 转变为完全有序状态（长程有序）称为有序固溶 体。又称超结构，超点阵。这一温度为有序化温 度，可逆。
（一）固溶体的分类
1、 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—又称代位固溶体
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：C 固溶于α－Fe中形成间隙固溶体（铁素体） C 固溶于γ－Fe中形成间隙固溶体（奥氏体）
置换固溶体
间隙固溶体
2、 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%。
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3、按溶质原子与溶剂原 子的相对分布
若溶质原子有规则地占据溶剂结构中的固 定位置，溶质与溶剂原子数之比为一定值 时，所形成的固溶体称为有序固溶体（金 属化合物）。否则为无序固溶体。
Fe-C合金：Fe(组元一)-Fe3C(组元二) 合金系：由给定的组元以不同的比例配制成的一系列成 分不同的合金系统 例Fe-C合金系: 90%Fe-10%C 80%Fe-20%C
50%Fe-50%C 20%Fe-80%C 根据组元数分为
二元合金 、三元合金 、 多元合金
什么是合金相？
组元间由于物理的和化学的相互作用，可形成各种“相”。
对于一价金属的每种晶体结构都有一极限电子浓度， 面心立方为1.36、体心立方为1.48，密排六方为1.75。
晶体结构
晶体结构类型相同是组元间形成无限固 溶体的必要条件。 （如：Cu-Ni合金无 限固溶体）
溶质与溶剂晶格结构相同则固溶度较大， 反之较小。
（三）间隙固溶体
一些原子半径小于0.1nm的非金属元素如H， O，N，C，B等受原子尺寸因素的影响，不能 与过渡族金属元素形成置换固溶体，却可处于 溶剂晶格结构中的某些间隙位置，形成间隙固 溶体。
二元合金的相结构与相图基本 概念和特点
纯金属由于强度都很低，如纯铁的抗拉强度 约为200MPa，而纯铝不到100MPa，不适合 作结构材料。目前应用的金属材料绝大多数是 合金，因此有必要研究合金结构-包括化学成分、 合金相、晶体结构、组织状态等-是有效工具
重点与难点
重点：
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，掌握相构成与组织构成的计
α相
α相 Fe3C 相
纯铁
0.45%C 钢
§3-2 合金的相结构
相结构，实指合金的晶体结构，根据结构特点分 固溶体和金属化合物 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。
图3－7 Cu3Au 有序固溶体
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
合金中，形成条件不同，可能形成不同的相，相的数量、 形态及分布状态不同，形成不同的组织。
相是组织的基本组成
纯铁、钢中的相
纯铁中的相：α-Fe 钢中的相：铁素体(α)＋渗碳体(Fe3C)
一般间隙半径较小，非金属原子溶入时，将使 晶格胀大，造成点阵畸变，故固溶度有限。
只有溶质元素与溶剂的原子半径比值小于0.59 时，才可能形成间隙固溶体。
结构特点
保持溶剂结构 溶质原子均位于八面体间隙 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； 只能是有限固溶体，只能是 无序固溶体。
（二）置换固溶体
溶质原子的融入，会引起合金性能发生显著的变化， 固溶度主要受以下因素影响：
原子尺寸因素
原子尺寸相差越大，固溶度越小；当相对差不超过 15％，有利于大量固溶，反之固溶度非常有限。当 相对差小于8％，且其他因素满足也较好时，才能 形成无限固溶体。
原因：原子尺寸相差越大，点阵畸变越严重，结构 也越不稳定，当相对差大于30％时，则不易形成置 换固溶体。
间隙原子在bcc 结构中的位置
（四） 固溶体的结构特点
保持着溶剂的晶格类型 1 晶格发生畸变
晶格基本的大小用晶格常数反应出来： 对置换固溶体，溶质原子较溶剂大，晶格常数增 加；反之减小。 对间隙固溶体，晶格常数增大。
2 偏聚与有序
当同种原子结合力大于异种原子时，偏聚； 反之，短程有序。
（a）无序分布
电负性因素
电负性：元素的原子获得电子的相对倾向。
两元素的电负性相差越大，化学亲合力越 强，易生成金属化合物。
两元素间的电负性相差越小，越易形固溶 体，所形成的固溶体的固溶度也越大。
电子浓度因素
在尺寸有利的情况下，溶质原子的价越高，固溶度越 小。
电子浓度定义为合金中价电子数目与原子数目的比值。 固溶度受电子浓度控制，存在一临界值。
难点：
1 相与组织的差别；间隙相与间隙化合物的区别； 2 相组成及组织组成相对量的计算； 3 形成金属化合物的相图
§3-1 合金中的相
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。如黄铜是铜 锌合金，钢、铸铁是铁碳合金。 组 元 ：组成合金最基本的、独立存在的物质
一、固溶体
与固溶体的晶格相同的组成元素称为溶剂，在固溶体中一般 都占有较大的含量；其它组成元素称为溶质。
溶质原子溶入固溶体中的量称为固溶体的浓度。浓度或溶解 度一般用溶质元素所占的重量百分比来表示（wt%）。
固溶体特性
保持溶剂晶体结构 成分可变结构不变，在相图中为一个相区 保持金属键结合
产生固溶强化
fAB ＝ fAA ＝ fBB
（b）偏聚
fAA 或 fBB > fAB
（c）短程有序 fAB > fAA(或 fBB)
（d）有序分布 （超结构）
固溶体中溶质原子示意图
3 有序固溶体－超结构
具有短程有序的固溶体缓冷到某一温度以下，会 转变为完全有序状态（长程有序）称为有序固溶 体。又称超结构，超点阵。这一温度为有序化温 度，可逆。
（一）固溶体的分类
1、 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—又称代位固溶体
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：C 固溶于α－Fe中形成间隙固溶体（铁素体） C 固溶于γ－Fe中形成间隙固溶体（奥氏体）
置换固溶体
间隙固溶体
2、 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%。
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3、按溶质原子与溶剂原 子的相对分布
若溶质原子有规则地占据溶剂结构中的固 定位置，溶质与溶剂原子数之比为一定值 时，所形成的固溶体称为有序固溶体（金 属化合物）。否则为无序固溶体。
Fe-C合金：Fe(组元一)-Fe3C(组元二) 合金系：由给定的组元以不同的比例配制成的一系列成 分不同的合金系统 例Fe-C合金系: 90%Fe-10%C 80%Fe-20%C
50%Fe-50%C 20%Fe-80%C 根据组元数分为
二元合金 、三元合金 、 多元合金
什么是合金相？
组元间由于物理的和化学的相互作用，可形成各种“相”。
对于一价金属的每种晶体结构都有一极限电子浓度， 面心立方为1.36、体心立方为1.48，密排六方为1.75。
晶体结构
晶体结构类型相同是组元间形成无限固 溶体的必要条件。 （如：Cu-Ni合金无 限固溶体）
溶质与溶剂晶格结构相同则固溶度较大， 反之较小。
（三）间隙固溶体
一些原子半径小于0.1nm的非金属元素如H， O，N，C，B等受原子尺寸因素的影响，不能 与过渡族金属元素形成置换固溶体，却可处于 溶剂晶格结构中的某些间隙位置，形成间隙固 溶体。
二元合金的相结构与相图基本 概念和特点
纯金属由于强度都很低，如纯铁的抗拉强度 约为200MPa，而纯铝不到100MPa，不适合 作结构材料。目前应用的金属材料绝大多数是 合金，因此有必要研究合金结构-包括化学成分、 合金相、晶体结构、组织状态等-是有效工具
重点与难点
重点：
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，掌握相构成与组织构成的计
α相
α相 Fe3C 相
纯铁
0.45%C 钢
§3-2 合金的相结构
相结构，实指合金的晶体结构，根据结构特点分 固溶体和金属化合物 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。
图3－7 Cu3Au 有序固溶体
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
合金中，形成条件不同，可能形成不同的相，相的数量、 形态及分布状态不同，形成不同的组织。
相是组织的基本组成
纯铁、钢中的相
纯铁中的相：α-Fe 钢中的相：铁素体(α)＋渗碳体(Fe3C)
一般间隙半径较小，非金属原子溶入时，将使 晶格胀大，造成点阵畸变，故固溶度有限。
只有溶质元素与溶剂的原子半径比值小于0.59 时，才可能形成间隙固溶体。
结构特点
保持溶剂结构 溶质原子均位于八面体间隙 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； 只能是有限固溶体，只能是 无序固溶体。
（二）置换固溶体
溶质原子的融入，会引起合金性能发生显著的变化， 固溶度主要受以下因素影响：
原子尺寸因素
原子尺寸相差越大，固溶度越小；当相对差不超过 15％，有利于大量固溶，反之固溶度非常有限。当 相对差小于8％，且其他因素满足也较好时，才能 形成无限固溶体。
原因：原子尺寸相差越大，点阵畸变越严重，结构 也越不稳定，当相对差大于30％时，则不易形成置 换固溶体。
间隙原子在bcc 结构中的位置
（四） 固溶体的结构特点
保持着溶剂的晶格类型 1 晶格发生畸变
晶格基本的大小用晶格常数反应出来： 对置换固溶体，溶质原子较溶剂大，晶格常数增 加；反之减小。 对间隙固溶体，晶格常数增大。
2 偏聚与有序
当同种原子结合力大于异种原子时，偏聚； 反之，短程有序。
（a）无序分布
电负性因素
电负性：元素的原子获得电子的相对倾向。
两元素的电负性相差越大，化学亲合力越 强，易生成金属化合物。
两元素间的电负性相差越小，越易形固溶 体，所形成的固溶体的固溶度也越大。
电子浓度因素
在尺寸有利的情况下，溶质原子的价越高，固溶度越 小。
电子浓度定义为合金中价电子数目与原子数目的比值。 固溶度受电子浓度控制，存在一临界值。