工程材料学 第2章
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工程材料学 第2章
Cu-Ni相图 相图
Cu-Sn相图 相图
21
本科学习的相图理论，管用！ 本科学习的相图理论，管用！
——再先进的制备及加工工艺，背后隐藏 再先进的制备及加工工艺， 再先进的制备及加工工艺 的基本机理，也许还要回归到经典理论。 的基本机理，也许还要回归到经典理论。 给我印象最深刻Metall. Mater. Trans. B 【给我印象最深刻 的一句评审意见】 的一句评审意见】The authors are recommended to use relevant phase diagrams to explain their results. This would be useful even if the laser sintered materials are not in equilibrium.
Fe3C的晶格 的晶格
18
钢中常见间隙化合物的硬度及熔点
类型 简单结构间隙化合物 复杂结构间 隙化合物
WC MoC Cr23 C6 Fe3 C
化学式
TiC
ZrC
VC
NbC
TaC
硬度 HV 熔点/℃ 熔点 ℃
2850
2840
2010
2050
1550
1730
1480
1650
～800
3080
3472 ±20
20
• 相图上所表示的组织都 是在非常缓慢冷却的条 件下获得的， 件下获得的，都是接近 平衡状态的组织， 平衡状态的组织，也称 平衡图。 为平衡图。 • 相图是用图解的方法表 相图是用图解的方法表 示合金系中各种合金状 态与温度和成分之间关 态与温度和成分之间关 温度 也称为状态图 状态图。 系，也称为状态图。 相图的意义： 相图的意义：分析合金组 织的重要参考资料； 织的重要参考资料；制定 热加工工艺的重要依据。 热加工工艺的重要依据。
工程材料学课后习题答案
第一章钢的合金化基础1、合金钢是如何分类的？1) 按合金元素分类：低合金钢，含有合金元素总量低于5%；中合金钢，含有合金元素总量为5%-10%；中高合金钢，含有合金元素总量高于10%。
2) 按冶金质量S、P含量分：普通钢，P≤0.04%,S≤0.05%;优质钢，P、S均≤0.03%；高级优质钢，P、S均≤0.025%。
3) 按用途分类：结构钢、工具钢、特种钢2、奥氏体稳定化，铁素体稳定化的元素有哪些？奥氏体稳定化元素, 主要是Ni、Mn、Co、C、N、Cu等铁素体稳定化元素, 主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等3、钢中碳化物形成元素有哪些（强-弱），其形成碳化物的规律如何？1) 碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe等(按形成的碳化物的稳定性程度由强到弱的次序排列) ，在钢中一部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗碳体, 含量高时可形成新的合金碳化物。
2) 形成碳化物的规律a) 合金渗碳体—— Mn与碳的亲和力小，大部分溶入α-Fe或γ-Fe中，少部分溶入Fe3C中，置换Fe3C中的Fe而形成合金渗碳体（Mn,Fe）3C; Mo、W、Cr少量时，也形成合金渗碳体b) 合金碳化物——Mo、W 、Cr含量高时，形成M6C(Fe2Mo4C Fe4Mo2C),M23C6(Fe21W2C6 Fe2W21C6)合金碳化物c) 特殊碳化物——Ti 、V 等与碳亲和力较强时i. 当rc/rMe<0.59时，碳的直径小于间隙，不改变原金属点阵结构，形成简单点阵碳化物（间隙相）MC、M2C。
ii. 当rc/rMe>0.59时，碳的直径大于间隙，原金属点阵变形，形成复杂点阵碳化物。
★4、钢的四种强化机制如何？实际提高钢强度的最有效方法是什么？1) 固溶强化：溶质溶入基体中形成固溶体能够强化金属；2) 晶界强化：晶格畸变产生应力场对位错运动起到阻碍达到强化，晶格越细，晶界越细，阻碍位错运动作用越大，从而提高强度；3) 第二相强化：有沉淀强化和弥散强化，沉淀强化着眼于位错运动切过第二相粒子；弥散强化着眼于位错运动绕过第二相粒子；4) 位错强化：位错密度越高则位错运动越容易发生相互交割形成割阶，引起位错缠结，因此造成位错运动困难，从而提高了钢强度。
工程材料学 第2章
22
温度 时间
温度
A 90 70 50
30
23
B B
温度
以Cu-Ni合金为例，说明热分析法建立相图的步骤：
1）配制不同成分的Cu-Ni合金。 2）将合金熔化后，测定它们的冷却曲线，并找出
曲线上临界点（即转折点和停歇点）。
3）将上述数据引入相应成分的温度-成分坐标图中。 4）将物理意义相同的临界点连成曲线，即得Cu-Ni
4
①固溶体的分类
晶格类型相同，原子半径相差不 置换固溶体 大，电化学性质相近 间隙固溶体
有限固溶体 溶解度 无限固溶体 有序固溶体 分布有序度 无序固溶体 —— —— ——
溶质原子 的位置
原子半径较小
——
5
置换固溶体示意图
间隙固溶体示意图
6
②固溶强化
由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变，以及对位错的钉扎作 用，阻碍了位错的运动，而造成材料强度、硬度升高，塑性和韧 性没有明显降低。 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。
电子化合物的结构取决于电子浓度，当电子浓度为3/2 时，晶体结构为体心立方晶格，称为β相；电子浓度为 21/13时，晶体结构为复杂立方晶格，称为γ相；电子浓 度为7/4时，晶体结构为密排六方晶格，称为ε相 (Epsilon)。 11
12
③ 尺寸因素化合物
尺寸因素化合物：由尺寸因素作为主要控制条件而 形成的中间相。 间隙化合物 和 拉弗斯（laves）相
成分不均匀 富Ni区 组织不均匀 富Cu区 性能不均匀
34
§2-4 二元共晶相图
§2-4-1 相图分析
Pb－Sn合金相图 这种由一种液相在恒温 下同时结晶出两种固相 的反应叫做共晶反应。 所生成的两相混合物叫 共晶体。水平线ced为共 晶反应线。
温度 时间
温度
A 90 70 50
30
23
B B
温度
以Cu-Ni合金为例，说明热分析法建立相图的步骤：
1）配制不同成分的Cu-Ni合金。 2）将合金熔化后，测定它们的冷却曲线，并找出
曲线上临界点（即转折点和停歇点）。
3）将上述数据引入相应成分的温度-成分坐标图中。 4）将物理意义相同的临界点连成曲线，即得Cu-Ni
4
①固溶体的分类
晶格类型相同，原子半径相差不 置换固溶体 大，电化学性质相近 间隙固溶体
有限固溶体 溶解度 无限固溶体 有序固溶体 分布有序度 无序固溶体 —— —— ——
溶质原子 的位置
原子半径较小
——
5
置换固溶体示意图
间隙固溶体示意图
6
②固溶强化
由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变，以及对位错的钉扎作 用，阻碍了位错的运动，而造成材料强度、硬度升高，塑性和韧 性没有明显降低。 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。
电子化合物的结构取决于电子浓度，当电子浓度为3/2 时，晶体结构为体心立方晶格，称为β相；电子浓度为 21/13时，晶体结构为复杂立方晶格，称为γ相；电子浓 度为7/4时，晶体结构为密排六方晶格，称为ε相 (Epsilon)。 11
12
③ 尺寸因素化合物
尺寸因素化合物：由尺寸因素作为主要控制条件而 形成的中间相。 间隙化合物 和 拉弗斯（laves）相
成分不均匀 富Ni区 组织不均匀 富Cu区 性能不均匀
34
§2-4 二元共晶相图
§2-4-1 相图分析
Pb－Sn合金相图 这种由一种液相在恒温 下同时结晶出两种固相 的反应叫做共晶反应。 所生成的两相混合物叫 共晶体。水平线ced为共 晶反应线。
工程材料 第2版课件PDF 版02
工程材料
02—金属的晶体结构
与缺陷
图标
XI’AN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY
第二章 金属的晶体结构与缺陷
1 材料的结合方式；
2 晶体结构的基本概念；
3 纯金属的晶体结构；
4 金属的实际结构与晶体缺陷；
5 合金的相结构。
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.1 材料的结合方式
r=
3
a
4
r=
2
a
4
1
r = 2a
3 配位数 ——晶格中任一原子周围与其最临近且等距离的原子数目。
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.3 纯金属的晶体结构
4 致密度
2.3.2 描述晶胞的指标
nv
—— 一个晶胞内原子所占体积的百分数。 K =
×
bcc: =
fcc: =
2.4 实际结构与晶体缺陷
2.4.3 面缺陷
奥氏体不锈钢冷轧100倍
超纯铝阳极化偏振光
Hadfield热变形高锰钢固溶处理
冷拉退火海军黄铜偏光α+β
奥氏体不锈钢热轧及固溶退火
Fe-39%Ni变形退火后奥氏体
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.4 实际结构与晶体缺陷
晶粒由许多尺寸很小、位相差也很小
退火态
105～108/cm2
ρ
金属的塑性变形主要是由位错运动引起的，因此，阻碍位错运动
是强化金属的主要途径。
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.4 实际结构与晶体缺陷
2.4.2 位错
Ni
Si
中
02—金属的晶体结构
与缺陷
图标
XI’AN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY
第二章 金属的晶体结构与缺陷
1 材料的结合方式；
2 晶体结构的基本概念；
3 纯金属的晶体结构；
4 金属的实际结构与晶体缺陷；
5 合金的相结构。
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.1 材料的结合方式
r=
3
a
4
r=
2
a
4
1
r = 2a
3 配位数 ——晶格中任一原子周围与其最临近且等距离的原子数目。
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.3 纯金属的晶体结构
4 致密度
2.3.2 描述晶胞的指标
nv
—— 一个晶胞内原子所占体积的百分数。 K =
×
bcc: =
fcc: =
2.4 实际结构与晶体缺陷
2.4.3 面缺陷
奥氏体不锈钢冷轧100倍
超纯铝阳极化偏振光
Hadfield热变形高锰钢固溶处理
冷拉退火海军黄铜偏光α+β
奥氏体不锈钢热轧及固溶退火
Fe-39%Ni变形退火后奥氏体
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.4 实际结构与晶体缺陷
晶粒由许多尺寸很小、位相差也很小
退火态
105～108/cm2
ρ
金属的塑性变形主要是由位错运动引起的，因此，阻碍位错运动
是强化金属的主要途径。
工程材料学——第2章 金属的晶体结构与缺陷
2.4 实际结构与晶体缺陷
2.4.2 位错
Ni
Si
中
工程材料第二章-2
(3) 亚共析钢：以W(C)=0.6％
2.2 合金的结晶
2.2.3 铁碳合金的结晶 2、合金的平衡结晶过程
(4) 过共析钢：以W(C)=1.2％
6.69 1.2 w( F ) 100 % 82% 6.69 1.2 w( Fe 3C ) 100 % 18 % 6.69 1.2 0.77 w( Fe3C ) 100 % 7% 6.69 0.77
(2) 结晶过程
合金Ⅰ
2.2 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶 2、发生共晶反应的合金的结晶
(2) 结晶过程
合金Ⅱ
Ld c
恒温
c+ e cf+ Ⅱ
e
eg+ Ⅱ
2.2 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶 2、发生共晶反应的合金的结晶
x3 g 100% fg fx3 w( ) 100% fg w( )
以上内容小结2发生共晶反应的合金的结晶3发生包晶反应的合金的结晶4发生共析反应的合金的结晶5含有稳定化合物的合金的结晶二元合金的结晶合金的性能和相图的关系合金的性能和相图的关系1合金使用性能和相图的关系2合金工艺性能与相图的关系铁碳合金的结晶1铁碳相图2合金的平衡结晶过程3铁碳合金的成分组织性能关系4fefe3c合金相图的应用
两组元在液态 无限互溶，在 固态有限互溶， 在冷却时发生 包晶反应所形 成的相图，叫~ (1) 相图分析
2.2 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶 3、发生包晶反应的合金的结晶
(2) 结晶过程
2.2 合金的结晶
2.2.1 二元合金的结晶 4、 发生共析反应的合金的结晶 L
L+γ
γd 恒温
c+ e
工程材料学2第二章 铁碳合金
Ld′+ Fe3CⅠ
F+ Fe3CⅢ
C%
2.4.1含碳量对铁碳合金平衡组织的影响
相组成：α + Fe3C ；随碳含量增加， α ↓， Fe3C↑
室温组织是珠光体分布在共晶渗碳体的基体上（低温莱氏体） 。室温 莱氏体保持了在高温下共晶转变后所形成的莱氏体的形态特征，但组 成物发生了改变。
共晶转变形成莱氏体时两相的相对含量为：
W
6.69 4.30 100% 52.2% 6.69 2.11
4.30 2.11 WFe 3C 6.69 2.11 100% 47.8%
室温相组成物为： α + Fe3C
w
6.69－4.3 6.69－0.0218
100%＝35.8％
共晶白口铁
wFe 3C
4.3 0.0218 6.69 0.0218
100%＝64.2％
3.3铁碳合金的平衡结晶过程及组织
6. 亚共晶白口铁（3.0%C）
匀晶转变 L→γ
1148℃ LC→γE+Fe3CF
PQ线，碳在F中的溶解度曲线。 F 的最大溶碳量于727℃时达到最大值0.0218%C。随温度↓，F 中 的溶碳量逐渐↓，在300℃以下，溶碳量＜0.001%C。当 F从727℃ 冷却下来时，要从 F 中析出渗碳体，称为三次渗碳体。
2.3铁碳合金的平衡结晶过程及组织
铁碳合金的组织是液态结晶及固态重结晶的综合结果，研究结晶过程， 目的是分析合金的组织形成，以考虑其对性能的影响。
通常按有无共晶转变将铁碳合金分为碳钢和铸铁两大类，即含碳量＜ 2.11%的为碳钢，含碳量＞2.11%的为铸铁。含碳量＜0.0218%的为工 业纯铁。按Fe-Fe3C系结晶的铸铁，碳以Fe3C的形式存在，断口呈白 亮色，称为白口铸铁。
工程材料学2金属的晶体结构与结晶
§2.1 晶体学基础知识
注意:晶面指数特征与与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面 。
§2.1 晶体学基础知识
晶面族：原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶面的集合。
§2.1 晶体学基础知识
立方晶系常见的晶面 Z
（011）
（110
） （011
（101）
）
（101 ）
Y
（110
） X
§2.1 晶体学基础知识
柱体。
四轴定向：晶面符号一般写为（hkil），指
数的排列顺序依次与a1轴、 a2轴、 a3轴、c轴相对
应，其中a1、a2、a3三轴间夹角为120o，c轴与它 们垂直。它们之间的关系为：i =－（h＋k）。
2.2.3、六方晶系晶面、晶向表示方法
1、晶面指数：
方法同立方晶系， (hkil)为在四个坐标 轴的截距倒数的化简 ，自然可保证关系式 h＋k＋i＝0。底面指 数为(0001)。
铅锭宏观组织
沿晶断口
§2.3 金属材料的实际晶体结构
点缺陷对材料性能的影响
（1）提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡 力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热)。
（2）加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。 ( 3 ) 使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
§2.3 金属材料的实际晶体结构
体心立方晶格为单斜晶系
§2.2 纯金属的典型晶体结构
１．体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？
面心立方晶格为菱方晶系
§2.2 纯金属的典型晶体结构
２．面心立方、密排六方的致密度相同，原子堆积方式的主要差异是什么？
密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB… 面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABC…
工程材料第二章 第二节重点讲解
一种固相转变成完全不同的
两种固相.
共析反应产物两相混合物称
为共析体。
共析相图
五、含有稳定化合物的合金的结晶
稳定化合物:具有一定的化学成分、固定的熔
(3) 两相的成分确定
在两相区内, 温度一定时, 两相的成分(即L相中
Ni的质量分数和α相中Ni的质量分数)确定。
过温度T1作水平线, 交液相线和固相线于a1、c1。 a1、c1点在成分轴上
的投影点即为L相和α相
中Ni的质量分数。
随着温度的下降, 液相成分沿液相线变 化, 固相成分沿固相线 变化。
匀晶结晶
(4) 两相的质量比一定
在两相区，温度一定时, 两相的质量符合杠
杆定律。 在T1温度时： 液相的QL质: L量相分的数质: 量; Qα:α相的质量; α相的a1质b1量、分b1数c1: 为线段长度。
老师提示 杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分
点,支点为合金的成分点。
杠杆定律只适用于相图中的两相区。 杠杆定律只能在平衡状态下使用。
(5) 容易产生枝晶偏析 固溶体结晶时成分变化。 慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀。 快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀。 枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分分布不均匀。
对材料的机械性能、抗腐蚀 性能、工艺性能都不利。
扩散退火：把合金加热到低 于固相线100 ℃左右, 长时间保 温, 原子充分扩散, 获得成分均 匀的固溶体。
固相三的个反双应相，区生：成的两相
混合L+物α叫、共L+晶β体、。α+β
(共恒水存温一这发平,进种条生线三行相L共c相+d。图晶αe各称+反)自。β共应成三晶时分相相三确共图相定存。,线
Pb-Sn合金相图
两种固相.
共析反应产物两相混合物称
为共析体。
共析相图
五、含有稳定化合物的合金的结晶
稳定化合物:具有一定的化学成分、固定的熔
(3) 两相的成分确定
在两相区内, 温度一定时, 两相的成分(即L相中
Ni的质量分数和α相中Ni的质量分数)确定。
过温度T1作水平线, 交液相线和固相线于a1、c1。 a1、c1点在成分轴上
的投影点即为L相和α相
中Ni的质量分数。
随着温度的下降, 液相成分沿液相线变 化, 固相成分沿固相线 变化。
匀晶结晶
(4) 两相的质量比一定
在两相区，温度一定时, 两相的质量符合杠
杆定律。 在T1温度时： 液相的QL质: L量相分的数质: 量; Qα:α相的质量; α相的a1质b1量、分b1数c1: 为线段长度。
老师提示 杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分
点,支点为合金的成分点。
杠杆定律只适用于相图中的两相区。 杠杆定律只能在平衡状态下使用。
(5) 容易产生枝晶偏析 固溶体结晶时成分变化。 慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀。 快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀。 枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分分布不均匀。
对材料的机械性能、抗腐蚀 性能、工艺性能都不利。
扩散退火：把合金加热到低 于固相线100 ℃左右, 长时间保 温, 原子充分扩散, 获得成分均 匀的固溶体。
固相三的个反双应相，区生：成的两相
混合L+物α叫、共L+晶β体、。α+β
(共恒水存温一这发平,进种条生线三行相L共c相+d。图晶αe各称+反)自。β共应成三晶时分相相三确共图相定存。,线
Pb-Sn合金相图
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(1) 固溶体
组元通过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称为固溶体A（B）。 A：溶剂；B：溶质。
2021/3/14
4
①固溶体的分类
溶质原子 置换固溶体 晶格类型相同，原子半径相差不
的位置
大，电化学性质相近
间隙固溶体 原子半径较小
溶解度 有限固溶体
——
无限固溶体
——
分布有序度 有序固溶体
电子化合物是由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元 素结合而成的。它们不遵循原子价规律，而服从电子浓 度规律。
电子浓度是指合金中化合物的价电子数目与原子数目的 比值。
电子化合物具有高的熔点和硬度，但塑性较低，一般只 能作为强化相存在于合金（特别是有色金属合金）中。
电子化合物的结构取决于电子浓度，当电子浓度为3/2时， 晶体结构为体心立方晶格，称为β相；电子浓度为21/13 时，晶体结构为复杂立方晶格，称为γ相；电子浓度为 7/4时，晶体结构为密排六方晶格，称为ε相(Epsilon)。
2021/3/14
12
2021/3/14
13
③ 间隙化合物
间隙化合物是由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼 等原子半径较小的非金属元素形成的金属化合物。
根据组成元素原子半径比值及结构特征的不同，可 将间隙化合物分为两类：
2021/3/14
14
(A) 间隙相：r非/r金0.59时形 成的具有简单晶
• 组织：用显微镜观察到的材料的微观形貌。
2021/3/14
2
组织
明显的分界
图片出自：胥橙庭,沈以赴,顾冬冬. 稀有 金属材料与工程, 2005, 34: 341-344.
2021/3/14
相2： Cu-10Sn
合金 组元1：Cu 组元2：Sn
相1： Ni
3
按照合金中组元原子的存在方式，合金可分为两 类基本的相结构：固溶体和金属间化合物。
格结构的间隙化合物。如：
M4X (Fe4N)、 M2X (Fe2N、 W2C)、 MX (TiC、VC、TiN)等。
这类化合物还可相互溶解， 结构相同的两种化合物之间 甚至可以形成无限互溶，如 ZrC-TiC，TiC-VC，ZrCNbC。
VC的结构
VC面心立方晶格，V原子占 据晶格正常位置，而C原子规 则分布在晶格的空隙之中。
2021/3/14
15
• 间隙相具有极高 的熔点、硬度和 脆性，而且十分 稳定，是高合金 工具钢的重要组 成相，也是硬质 合金和高温金属 陶瓷材料的重要 组成相。
抛光 WC 断口 WC
抛光 WC-1VC 断口 WC-1VC
图片出自：S.G. Huang. Int. J. Refractory Metal Hard Mater. 26 (2008) 256.
——
无序固溶体
——
2021/3/14
5
置换固溶体示意图
间隙固溶体示意图
2021/3/14
6
②固溶强化
由于溶质原子溶入溶剂晶格中产生晶格畸变，以及对位错的钉 扎作用，阻碍了位错的运动，而造成材料强度、硬度升高， 塑性和韧性没有明显降低。
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。
2021/3/14
10
Ni-P/SiC
Co-P/SiC
SiC-particulate reinforced Al metal matrix composite (MMC)
图片出自：Ewa Rudnik. Surf.
Coat Technol. 202 (2008) 2584.
2021/3/14
11
② 电子化合物
抛光 WC-4VC
2021/3/14
抛光 WC-12VC
16
纯Ti表面合成TiC-ZrC涂层
图片出自：D. Ferro. Surf. Coat Technol. 202 (2008) 1455.
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17
(B)具有复杂结构的间隙化 合物
当0.7>r非/r金>0.59时形成复杂 结构间隙化合物。
285 2840 201 2050 155 1730 1480 1650 ～800
0
0
0
熔点 /℃
308 3472 265 3680 398 2785 2527 1577
0 ±20 0 ±50 0
±5
1227
2021/3/14
19
2021/3/14
工程材料学 第2章
§2-1 固态合金中的相结构
• 合金：由两种或以上金属元素或金属与非金属组 成的具有金属特性的物质。
• 组元：组成合金的独立的最基本的单元（一般是 一种元素或一种稳定的化合物）。
• 相： 具有相同化学成分、相同晶体结构和相同 的物理或化学性能，并与该合金系统其它部分有 明显分界的均匀组成部分。
2021/3/14
9
① 正常价化合物
周期表上相距较远、电化学性质相差较大的两元素 容易形成正常价化合物。其特点是符合一般化合物 的原子价规律，成分固定，并可用化学式表示。如 Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Si、MnS，SiC等。
正常价化合物具有高的硬度和脆性。当其在合金中 弥散分布于固溶体基体中时，将起到强化相的作用， 使合金强化。
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其 中Fe3C称渗碳体，是钢中重要 强化相，具有复杂斜方晶格。
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Fe3C的晶格
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钢中常见间隙化合物的硬度及熔点
类型
简单结构间隙化合物
复杂结构间 隙化合物
化学式 TiC ZrC VC NbC TaC WC MoC Cr23 C6 Fe3 C
硬度 HV
形成固溶体时的晶格畸变
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固溶强化
Fe
N2
SCIENCE
纳米化表层 (10μm)
ε-Fe2~3N相(颗粒) 固溶强化
图片出自：W. P. Tong, N. R. Tao, Z. B. Wang, J. Lu, K. Lu. Nitriding
Iron at Lower Temperatures. SCIENCE 299 (2003) 686-688.
2021/3/14Fra bibliotek8(2) 金属间化合物
• 金属间化合物是合金组元相互作用而形成的具有金 属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元 的化合物——中间相。
• 两组元有一定比例，可用化学式AmBn表示。 • 特点：金属间化合物一般有较高的熔点、较高的硬
度和较大的脆性。合金中出现化合物时，可提高强 度、硬度和耐磨性，但降低塑性。
组元通过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称为固溶体A（B）。 A：溶剂；B：溶质。
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①固溶体的分类
溶质原子 置换固溶体 晶格类型相同，原子半径相差不
的位置
大，电化学性质相近
间隙固溶体 原子半径较小
溶解度 有限固溶体
——
无限固溶体
——
分布有序度 有序固溶体
电子化合物是由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元 素结合而成的。它们不遵循原子价规律，而服从电子浓 度规律。
电子浓度是指合金中化合物的价电子数目与原子数目的 比值。
电子化合物具有高的熔点和硬度，但塑性较低，一般只 能作为强化相存在于合金（特别是有色金属合金）中。
电子化合物的结构取决于电子浓度，当电子浓度为3/2时， 晶体结构为体心立方晶格，称为β相；电子浓度为21/13 时，晶体结构为复杂立方晶格，称为γ相；电子浓度为 7/4时，晶体结构为密排六方晶格，称为ε相(Epsilon)。
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③ 间隙化合物
间隙化合物是由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼 等原子半径较小的非金属元素形成的金属化合物。
根据组成元素原子半径比值及结构特征的不同，可 将间隙化合物分为两类：
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(A) 间隙相：r非/r金0.59时形 成的具有简单晶
• 组织：用显微镜观察到的材料的微观形貌。
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组织
明显的分界
图片出自：胥橙庭,沈以赴,顾冬冬. 稀有 金属材料与工程, 2005, 34: 341-344.
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相2： Cu-10Sn
合金 组元1：Cu 组元2：Sn
相1： Ni
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按照合金中组元原子的存在方式，合金可分为两 类基本的相结构：固溶体和金属间化合物。
格结构的间隙化合物。如：
M4X (Fe4N)、 M2X (Fe2N、 W2C)、 MX (TiC、VC、TiN)等。
这类化合物还可相互溶解， 结构相同的两种化合物之间 甚至可以形成无限互溶，如 ZrC-TiC，TiC-VC，ZrCNbC。
VC的结构
VC面心立方晶格，V原子占 据晶格正常位置，而C原子规 则分布在晶格的空隙之中。
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• 间隙相具有极高 的熔点、硬度和 脆性，而且十分 稳定，是高合金 工具钢的重要组 成相，也是硬质 合金和高温金属 陶瓷材料的重要 组成相。
抛光 WC 断口 WC
抛光 WC-1VC 断口 WC-1VC
图片出自：S.G. Huang. Int. J. Refractory Metal Hard Mater. 26 (2008) 256.
——
无序固溶体
——
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置换固溶体示意图
间隙固溶体示意图
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②固溶强化
由于溶质原子溶入溶剂晶格中产生晶格畸变，以及对位错的钉 扎作用，阻碍了位错的运动，而造成材料强度、硬度升高， 塑性和韧性没有明显降低。
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。
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Ni-P/SiC
Co-P/SiC
SiC-particulate reinforced Al metal matrix composite (MMC)
图片出自：Ewa Rudnik. Surf.
Coat Technol. 202 (2008) 2584.
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② 电子化合物
抛光 WC-4VC
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抛光 WC-12VC
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纯Ti表面合成TiC-ZrC涂层
图片出自：D. Ferro. Surf. Coat Technol. 202 (2008) 1455.
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(B)具有复杂结构的间隙化 合物
当0.7>r非/r金>0.59时形成复杂 结构间隙化合物。
285 2840 201 2050 155 1730 1480 1650 ～800
0
0
0
熔点 /℃
308 3472 265 3680 398 2785 2527 1577
0 ±20 0 ±50 0
±5
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工程材料学 第2章
§2-1 固态合金中的相结构
• 合金：由两种或以上金属元素或金属与非金属组 成的具有金属特性的物质。
• 组元：组成合金的独立的最基本的单元（一般是 一种元素或一种稳定的化合物）。
• 相： 具有相同化学成分、相同晶体结构和相同 的物理或化学性能，并与该合金系统其它部分有 明显分界的均匀组成部分。
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① 正常价化合物
周期表上相距较远、电化学性质相差较大的两元素 容易形成正常价化合物。其特点是符合一般化合物 的原子价规律，成分固定，并可用化学式表示。如 Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Si、MnS，SiC等。
正常价化合物具有高的硬度和脆性。当其在合金中 弥散分布于固溶体基体中时，将起到强化相的作用， 使合金强化。
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其 中Fe3C称渗碳体，是钢中重要 强化相，具有复杂斜方晶格。
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Fe3C的晶格
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钢中常见间隙化合物的硬度及熔点
类型
简单结构间隙化合物
复杂结构间 隙化合物
化学式 TiC ZrC VC NbC TaC WC MoC Cr23 C6 Fe3 C
硬度 HV
形成固溶体时的晶格畸变
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固溶强化
Fe
N2
SCIENCE
纳米化表层 (10μm)
ε-Fe2~3N相(颗粒) 固溶强化
图片出自：W. P. Tong, N. R. Tao, Z. B. Wang, J. Lu, K. Lu. Nitriding
Iron at Lower Temperatures. SCIENCE 299 (2003) 686-688.
2021/3/14Fra bibliotek8(2) 金属间化合物
• 金属间化合物是合金组元相互作用而形成的具有金 属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元 的化合物——中间相。
• 两组元有一定比例，可用化学式AmBn表示。 • 特点：金属间化合物一般有较高的熔点、较高的硬
度和较大的脆性。合金中出现化合物时，可提高强 度、硬度和耐磨性，但降低塑性。