【冶金精品文檔】二元合金與相圖

1、機電工程學(xué)院EngineeringMaterials第三章第三章 二元二元合金與合金與相相圖圖本章重點本章重點: 了解了解固態(tài)合金的固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)與與相圖相圖； 了解了解合金的性能與其組織、結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。合金的性能與其組織、結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。先來看幾個概念先來看幾個概念21:29:55機電工程學(xué)院EngineeringMaterials 合金合金(alloy)：通過熔煉、燒結(jié)或其它方法，將一通過熔煉、燒結(jié)或其它方法，將一種金屬元素同一種或幾種其它元素結(jié)合在一起所形成種金屬元素同一種或幾種其它元素結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的新物質(zhì)。的具有金屬特性的新物質(zhì)。 組元組元(constitu

2、ent)是組成合金獨立的、最基本的是組成合金獨立的、最基本的單元，簡稱元。組元可以是單元，簡稱元。組元可以是金屬金屬、非金屬非金屬或或穩(wěn)定化合穩(wěn)定化合物物。 由兩個組元組成的合金稱為由兩個組元組成的合金稱為二元二元合金，由三個或合金，由三個或三個以上的組元組成的。合金稱為三個以上的組元組成的。合金稱為多元多元合金。例如在合金。例如在鐵碳合金中，純鐵和碳都是組元；上述合金中銅與鋅鐵碳合金中，純鐵和碳都是組元；上述合金中銅與鋅及鋁、銅與鎂等元素也都是合金的組元。及鋁、銅與鎂等元素也都是合金的組元。 合金系合金系：是指有相同的組元，而成分比例不同：是指有相同的組元，而成分比例不同的一系列合金。的一系

3、列合金。21:29:55機電工程學(xué)院EngineeringMaterials 在人類生活及生產(chǎn)中在人類生活及生產(chǎn)中純金屬純金屬的使用十分廣泛。各種導(dǎo)的使用十分廣泛。各種導(dǎo)電體、裝飾品、工藝品、各種器皿等，其應(yīng)用主要是利用電體、裝飾品、工藝品、各種器皿等，其應(yīng)用主要是利用了這些純金屬所具有的優(yōu)良的了這些純金屬所具有的優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性及美麗的金屬光澤等性能性及美麗的金屬光澤等性能。 但是幾乎各種純金屬的但是幾乎各種純金屬的機械性能機械性能都比較差，不宜制作都比較差，不宜制作對機械性能要求較高的各種機械零件和工具。另外，純金對機械性能要求較高的各種機械零件和工

4、具。另外，純金屬的種類有限屬的種類有限(約為約為79種種)，且提煉困難，價格昂貴，因此，且提煉困難，價格昂貴，因此單靠純金屬單靠純金屬無法滿足無法滿足人們對金屬材料的需求。人們對金屬材料的需求。 通過配制不同成分的合金，可以顯著改善金屬材料的通過配制不同成分的合金，可以顯著改善金屬材料的結(jié)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)、組織(structure)和性能。目前人們所配制的合金達(dá)和性能。目前人們所配制的合金達(dá)數(shù)萬種之多，合金的性能不僅在強度、硬度等機械性能方數(shù)萬種之多，合金的性能不僅在強度、硬度等機械性能方面比純金屬高許多，而且某些合金還具有特殊的電、磁、面比純金屬高許多，而且某些合金還具有特殊的電、磁、耐熱、耐蝕

5、等物理化學(xué)性能。耐熱、耐蝕等物理化學(xué)性能。 因此，因此，合金材料的應(yīng)用比純金屬要廣泛得多合金材料的應(yīng)用比純金屬要廣泛得多。 21:29:55機電工程學(xué)院EngineeringMaterials 目前在合金的生產(chǎn)中應(yīng)用得最多的是目前在合金的生產(chǎn)中應(yīng)用得最多的是熔煉法熔煉法。將按照一定配比組合在一起的合金組元加熱熔化成將按照一定配比組合在一起的合金組元加熱熔化成均勻一致的合金溶液。然后把合金溶液溫度降低，均勻一致的合金溶液。然后把合金溶液溫度降低，使其結(jié)晶。使其結(jié)晶。 合金的結(jié)晶同樣合金的結(jié)晶同樣遵循遵循生核與核長大的結(jié)晶基本生核與核長大的結(jié)晶基本規(guī)律，所不同的是，由于在合金中組元原子之間相規(guī)律，

6、所不同的是，由于在合金中組元原子之間相互發(fā)生作用，使得合金結(jié)晶后生成的結(jié)晶產(chǎn)物是含互發(fā)生作用，使得合金結(jié)晶后生成的結(jié)晶產(chǎn)物是含有兩種或多種元素的小晶體有兩種或多種元素的小晶體(晶粒晶粒)，小晶體相互之間，小晶體相互之間有界面有界面(晶界晶界)分開。在固態(tài)合金中，這些由多種元素分開。在固態(tài)合金中，這些由多種元素構(gòu)成的小晶體的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)成的小晶體的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)可以可以是完全均是完全均勻一致的，勻一致的，也可以也可以是不一致的。是不一致的。3.1 3.1 固態(tài)合金相結(jié)構(gòu)固態(tài)合金相結(jié)構(gòu)合金是如何生產(chǎn)的？合金是如何生產(chǎn)的？21:29:55機電工程學(xué)院EngineeringMaterial

7、s 在金屬或合金中，凡在金屬或合金中，凡成分成分相同，相同，結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同并與其它相同并與其它部分有部分有界面分開界面分開的的均勻均勻組成部分，稱之為組成部分，稱之為相相(phase)。 若合金是由成分和結(jié)構(gòu)都相同的同一種晶粒構(gòu)成，若合金是由成分和結(jié)構(gòu)都相同的同一種晶粒構(gòu)成，稱合金含有一種相，為稱合金含有一種相，為單相單相(圖圖3 1)； 若合金是由成分、結(jié)構(gòu)互不相同的幾種晶粒構(gòu)成，若合金是由成分、結(jié)構(gòu)互不相同的幾種晶粒構(gòu)成，稱合金含有幾種相，為稱合金含有幾種相，為多相多相(圖圖3 2)。 在固態(tài)下，合金可以是單相的，也可以是多相的。在固態(tài)下，合金可以是單相的，也可以是多相的。 固態(tài)合金中的相，

8、按其晶格結(jié)固態(tài)合金中的相，按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性，可以分為構(gòu)的基本屬性，可以分為固溶固溶體體和和化合物化合物兩類。兩類。21:29:55機電工程學(xué)院EngineeringMaterials 合金組元通過溶解形成的一種成分和性能均勻合金組元通過溶解形成的一種成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)與的，且結(jié)構(gòu)與組元之一組元之一相同的固相，稱為相同的固相，稱為固溶體固溶體(solid solution)。 與固溶體晶格相同的組元即結(jié)構(gòu)被保持的組元，與固溶體晶格相同的組元即結(jié)構(gòu)被保持的組元，稱之為稱之為溶劑溶劑，一般在合金中含量較多；，一般在合金中含量較多； 溶入溶劑的元素即結(jié)構(gòu)被破壞的其余組元稱之溶入溶劑的元素即

9、結(jié)構(gòu)被破壞的其余組元稱之為為溶質(zhì)溶質(zhì)，一般含量較少。，一般含量較少。 在合金系統(tǒng)中，人們習(xí)慣上常按照在合金系統(tǒng)中，人們習(xí)慣上常按照某種順序某種順序(例如按固溶體的濃度，或按固溶體穩(wěn)定存在的溫例如按固溶體的濃度，或按固溶體穩(wěn)定存在的溫度范圍等度范圍等)用希臘字母用希臘字母、來表示不來表示不同類型的固溶體，并稱為同類型的固溶體，并稱為固溶體、固溶體、固溶體等等。固溶體等等。3.1.13.1.1固溶體固溶體21:29:55機電工程學(xué)院EngineeringMaterials(1)(1)固溶體的分類固溶體的分類按照溶質(zhì)原子在溶劑原子晶格中所占有的位置，按照溶質(zhì)原子在溶劑原子晶格中所占有的位置，將固溶體

10、分成將固溶體分成置換固溶體置換固溶體與與間隙固溶體間隙固溶體兩種類型。兩種類型。間隙固溶體間隙固溶體是指溶質(zhì)元素是指溶質(zhì)元素原子在溶劑晶格中并不占原子在溶劑晶格中并不占據(jù)晶格結(jié)點上原子的位置，據(jù)晶格結(jié)點上原子的位置，而是嵌入晶格的間隙之中而是嵌入晶格的間隙之中(右圖右圖)。置換固溶體置換固溶體是指溶是指溶劑晶格的某些結(jié)點劑晶格的某些結(jié)點上的原子被溶質(zhì)原上的原子被溶質(zhì)原子所代替子所代替(右圖右圖)；21:29:55機電工程學(xué)院EngineeringMaterials按溶質(zhì)原子在溶劑中的按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度溶解度，固溶體可分為，固溶體可分為有限固有限固溶體溶體和和無限固溶體無限固溶體兩種。固

11、溶體中溶質(zhì)的含量即為固溶體兩種。固溶體中溶質(zhì)的含量即為固溶體的濃度，一般用質(zhì)量百分比表示，也可以用原子百分比表的濃度，一般用質(zhì)量百分比表示，也可以用原子百分比表示，其具體數(shù)值示，其具體數(shù)值( (以以C C表示表示) )為：為：固溶體的總重量溶質(zhì)元素的重量100C質(zhì)量百分比：在一定條件下，溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度即為溶在一定條件下，溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度即為溶質(zhì)在固溶體中的質(zhì)在固溶體中的溶解度溶解度。通常溶質(zhì)元素在固溶體中所能達(dá)到的極限濃度通常溶質(zhì)元素在固溶體中所能達(dá)到的極限濃度不可不可能是能是100%，即其溶解度是有一定限制的，這種固溶體稱，即其溶解度是有一定限制的，這種固溶體稱為為有限有限

12、固溶體；但在某些元素之間可以形成固溶體；但在某些元素之間可以形成任何成分比任何成分比例例的固溶體，即溶質(zhì)的溶解度可以達(dá)到的固溶體，即溶質(zhì)的溶解度可以達(dá)到100%，這種固溶，這種固溶體稱為體稱為無限無限固溶體。固溶體。 固溶體的總原子數(shù)溶質(zhì)元素的原子數(shù)100C原子百分比：21:29:55機電工程學(xué)院EngineeringMaterials按溶質(zhì)原子在固溶體中按溶質(zhì)原子在固溶體中分布是否有規(guī)律分布是否有規(guī)律，在一定條件在一定條件(如成分、溫度等如成分、溫度等)下，一些合金的無序固溶下，一些合金的無序固溶體可轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w，這種轉(zhuǎn)變稱為體可轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w，這種轉(zhuǎn)變稱為有序化有序化。 無序固溶體：

13、無序固溶體：有序固溶體：有序固溶體：固溶體分類固溶體分類溶質(zhì)原子無規(guī)則地分布在溶劑晶格中，稱溶質(zhì)原子無規(guī)則地分布在溶劑晶格中，稱為為無序無序固溶體；如：銅鎳置換固溶體固溶體；如：銅鎳置換固溶體某些合金中，由于緩冷或在某一溫度下長某些合金中，由于緩冷或在某一溫度下長時間停留，溶質(zhì)原子有規(guī)則地分布在固溶時間停留，溶質(zhì)原子有規(guī)則地分布在固溶體中，稱為體中，稱為有序有序固溶體。如銅金合金在緩固溶體。如銅金合金在緩冷后，一組晶面上分布著銅原子，而另一冷后，一組晶面上分布著銅原子，而另一組晶面上分布著金原子，在每個晶胞中有組晶面上分布著金原子，在每個晶胞中有二個銅原子二個金原子且按層有序分布。二個銅原子二

14、個金原子且按層有序分布。21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials只有當(dāng)兩種金屬的原子數(shù)成一定的比例，只有當(dāng)兩種金屬的原子數(shù)成一定的比例，如如1:1(CuAu)或或3:1(Cu3Au)時，才時，才有可能有可能形成形成這種有序排列，這種有序排列，有序固溶體實際上是無序固有序固溶體實際上是無序固溶體與金屬間化合物的溶體與金屬間化合物的過渡相過渡相，當(dāng)固溶體從，當(dāng)固溶體從無序轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚺帕袝r，合金的硬度、脆性無序轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚺帕袝r，合金的硬度、脆性將顯著地增加。將顯著地增加。根據(jù)組元相互之間的溶解能力，可形成根據(jù)組元相互之間的溶解能力，可形成無限固溶體，也可形成有限固溶體。無

15、限固溶體，也可形成有限固溶體。只有只有當(dāng)當(dāng)組元之間的原子組元之間的原子能夠無限地相互代替能夠無限地相互代替時才能時才能形成無限固溶體。形成無限固溶體。因此形成無限固溶體因此形成無限固溶體主要取決主要取決于下列條于下列條件：件： 21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials形成固溶體的各組元應(yīng)具有形成固溶體的各組元應(yīng)具有相同類型相同類型的晶體結(jié)的晶體結(jié)構(gòu)。表構(gòu)。表3-1列出了能形成無限固溶體的金屬。列出了能形成無限固溶體的金屬。兩組元應(yīng)具有兩組元應(yīng)具有相近的原子結(jié)構(gòu)相近的原子結(jié)構(gòu)，相差不超過一，相差不超過一個價電子，并且在元素周期表中的位置相距很近。個價電子，并且在元素周

16、期表中的位置相距很近。兩組元的兩組元的原子半徑原子半徑(或晶格常數(shù)或晶格常數(shù))之差不超過之差不超過15%；而鐵基合金中，只有當(dāng)它們的原子半徑之差不超過而鐵基合金中，只有當(dāng)它們的原子半徑之差不超過8%時，才形成無限固溶體。時，才形成無限固溶體。 影響固溶體類型和溶解度的主要因素有組影響固溶體類型和溶解度的主要因素有組元的元的原子半徑原子半徑、電化學(xué)特性電化學(xué)特性和和晶格類型晶格類型等。等。 原子半徑原子半徑、電化學(xué)特性接近電化學(xué)特性接近、晶格類型晶格類型相相同的組元，同的組元，容易形成置換容易形成置換固溶體，并固溶體，并有可能有可能形成形成無無限限固溶體。當(dāng)組元原子半徑相差較大時，容易形成固溶體

17、。當(dāng)組元原子半徑相差較大時，容易形成間隙間隙固溶體。固溶體。間隙固溶體都是有限固溶體間隙固溶體都是有限固溶體，并且一，并且一定是無序固溶體。無限固溶體和有序固溶體一定是定是無序固溶體。無限固溶體和有序固溶體一定是置換固溶體。置換固溶體。21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials(2)(2)固溶體的性能固溶體的性能固溶體中隨著溶質(zhì)原子的溶入，不論是置換固溶體固溶體中隨著溶質(zhì)原子的溶入，不論是置換固溶體還是間隙固溶體，都會產(chǎn)生一定程度的還是間隙固溶體，都會產(chǎn)生一定程度的晶格畸變晶格畸變。 晶格畸變增大晶格畸變增大位錯位錯運動的阻力，使金屬滑移變形變運動的阻力，使金屬滑移變

18、形變得更加困難，從而提高合金的強度和硬度。這種通得更加困難，從而提高合金的強度和硬度。這種通過形成固溶體使金屬強度、硬度提高的現(xiàn)象，稱為過形成固溶體使金屬強度、硬度提高的現(xiàn)象，稱為固溶強化固溶強化(solution strength)。固溶強化是固溶強化是金屬強化的金屬強化的一種重要形式一種重要形式。 21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials 固溶體的固溶體的機械性能機械性能很好，常被用作很好，常被用作結(jié)構(gòu)合金的基本相。在工業(yè)上大量應(yīng)用的結(jié)構(gòu)合金的基本相。在工業(yè)上大量應(yīng)用的耐腐蝕材料、高電阻的電工材料、高磁導(dǎo)耐腐蝕材料、高電阻的電工材料、高磁導(dǎo)率的軟磁材料等都采用固

19、溶體合金。率的軟磁材料等都采用固溶體合金。 單純的固溶強化所達(dá)到的最高強度單純的固溶強化所達(dá)到的最高強度指標(biāo)仍然有限，常常不能滿足人們對于結(jié)指標(biāo)仍然有限，常常不能滿足人們對于結(jié)構(gòu)材料的要求，因而不得不在固溶強化的構(gòu)材料的要求，因而不得不在固溶強化的基礎(chǔ)上基礎(chǔ)上再補充進行其它強化處理再補充進行其它強化處理。21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials合金組元相互作用形成的晶格結(jié)構(gòu)和特性完全合金組元相互作用形成的晶格結(jié)構(gòu)和特性完全不同于任一組元的新相稱為不同于任一組元的新相稱為化合物化合物(compound)，或或稱稱中間相中間相。例如碳鋼中的例如碳鋼中的Fe3C，黃銅中的

20、黃銅中的相相(CuZn)。具有相當(dāng)程度的金屬鍵及一定的金屬性質(zhì)的化具有相當(dāng)程度的金屬鍵及一定的金屬性質(zhì)的化合物稱為合物稱為金屬化合物金屬化合物，是一種金屬物質(zhì)；，是一種金屬物質(zhì)；具有離子鍵，沒有金屬性質(zhì)的化合物，稱為具有離子鍵，沒有金屬性質(zhì)的化合物，稱為非非金屬化合物金屬化合物，如：鋼中，如：鋼中FeS及及MnS屬于一般化合物。屬于一般化合物。在合金中，金屬化合物可以成為合金材料的基在合金中，金屬化合物可以成為合金材料的基本組成相，而非金屬化合物是合金原料或熔煉過程本組成相，而非金屬化合物是合金原料或熔煉過程中帶來的雜質(zhì)，它們數(shù)量雖少，對合金性能影響卻中帶來的雜質(zhì)，它們數(shù)量雖少，對合金性能影響

21、卻很壞，因而是不希望有的，一般稱為非金屬雜質(zhì)，很壞，因而是不希望有的，一般稱為非金屬雜質(zhì)，需要去除。需要去除。 3.1.23.1.2金屬化合物：金屬化合物：21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials 金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)，熔點金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)，熔點高，硬而脆。合金中含有金屬化合物時，合金強高，硬而脆。合金中含有金屬化合物時，合金強度、硬度和耐磨性提高，而塑性、韌性降低。金度、硬度和耐磨性提高，而塑性、韌性降低。金屬化合物是各類合金鋼、硬質(zhì)合金和許多有色金屬化合物是各類合金鋼、硬質(zhì)合金和許多有色金屬的重要組成相。屬的重要組成相。 金屬化合物種

22、類很多，常見的金屬化合物根金屬化合物種類很多，常見的金屬化合物根據(jù)其形成條件及結(jié)構(gòu)特點，主要有以下幾類。據(jù)其形成條件及結(jié)構(gòu)特點，主要有以下幾類。(1)(1)正常價化合物正常價化合物正常價化合物正常價化合物(valence compound)的的特點特點是：是：嚴(yán)嚴(yán)格遵守化合物的原子價規(guī)律，成分固定并可用化格遵守化合物的原子價規(guī)律，成分固定并可用化學(xué)式表示學(xué)式表示。它們是由它們是由元素周期表元素周期表中相距較遠(yuǎn)、電化學(xué)性質(zhì)相中相距較遠(yuǎn)、電化學(xué)性質(zhì)相差較大的兩種元素組成。正常價化合物具有很高差較大的兩種元素組成。正常價化合物具有很高的硬度和脆性，當(dāng)它在固溶體基體上合理分布時，的硬度和脆性，當(dāng)它在固

23、溶體基體上合理分布時，將使合金得到強化，起著強化相的作用。將使合金得到強化，起著強化相的作用。21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials(2)(2)電子化合物電子化合物 電子化合物電子化合物(electron compound)不遵守化合價規(guī)律，不遵守化合價規(guī)律，而是服從而是服從電子濃度電子濃度(化合物中價電子數(shù)與原子數(shù)之比化合物中價電子數(shù)與原子數(shù)之比)規(guī)律，規(guī)律，它們由它們由B族或過渡族元素與族或過渡族元素與B族、族、A族、族、A族、族、A族元素族元素所組成。一定電子濃度的化合物相應(yīng)具有確定所組成。一定電子濃度的化合物相應(yīng)具有確定的晶體結(jié)構(gòu)。的晶體結(jié)構(gòu)。 例如：例如

24、：強強金屬元素金屬元素與與非非金屬或金屬或類類金屬元素金屬元素(Sb、 Bi、 Sn、 Pb等等)形成的化合物形成的化合物 Mg2Si、 Mg2Sn、 Mg2Pb等。等。 正常價化合物化學(xué)成分固定，一般不會形成以化合正常價化合物化學(xué)成分固定，一般不會形成以化合物為基的固溶體。它常被用作鋁合金、青銅等材料的強物為基的固溶體。它常被用作鋁合金、青銅等材料的強化相。化相。 當(dāng)電子濃度為當(dāng)電子濃度為21/14、21/13、21/12時，則分別形成時，則分別形成體心立方的電子化合物體心立方的電子化合物(相相)、復(fù)雜體心立方的電子化合、復(fù)雜體心立方的電子化合物物( 相相)，密排立方體，密排立方體(相相)。

25、21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials這類化合物的主導(dǎo)因素是合金的電子濃度，故稱為這類化合物的主導(dǎo)因素是合金的電子濃度，故稱為電子化合物電子化合物。 應(yīng)當(dāng)指出，電子濃度并不是決定電子化合物結(jié)應(yīng)當(dāng)指出，電子濃度并不是決定電子化合物結(jié)構(gòu)的唯一因素，組成元素的原子大小及其電化學(xué)性構(gòu)的唯一因素，組成元素的原子大小及其電化學(xué)性質(zhì)對其結(jié)構(gòu)也有影響。質(zhì)對其結(jié)構(gòu)也有影響。 可用化學(xué)式表示，實際上是一個成分可以在一可用化學(xué)式表示，實際上是一個成分可以在一定范圍內(nèi)變動的相，可以溶解一定的組元，形成以定范圍內(nèi)變動的相，可以溶解一定的組元，形成以電子化合物為基的固溶體。因此，電子化合物的

26、成電子化合物為基的固溶體。因此，電子化合物的成分通常不是一個固定值，而是具有一個成分范圍。分通常不是一個固定值，而是具有一個成分范圍。例如在例如在Cu-Zn合金中，合金中，相相(CuZn)的含的含Zn量可以從量可以從36.8%到到56.5%。 電子化合物的原子之間為金屬鍵結(jié)合，具有明電子化合物的原子之間為金屬鍵結(jié)合，具有明顯的金屬特性，它的熔點和硬度都很高，但塑性較顯的金屬特性，它的熔點和硬度都很高，但塑性較低，不適合作合金的基體，但卻是合金特別是有色低，不適合作合金的基體，但卻是合金特別是有色金屬中的重要組成相，與固溶體適當(dāng)配合，可以使金屬中的重要組成相，與固溶體適當(dāng)配合，可以使合金獲得良好

27、的機械性能。合金獲得良好的機械性能。 21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials(3)(3)間隙化合物間隙化合物 間隙化合物間隙化合物(interstitial compound)是過渡族是過渡族金屬元素與氫、氮、碳、硼等原子半徑較小的元金屬元素與氫、氮、碳、硼等原子半徑較小的元素形成的金屬化合物。素形成的金屬化合物。 形成間隙化合物的形成間隙化合物的尺寸條件尺寸條件是：形成間隙化是：形成間隙化合物的非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值應(yīng)合物的非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值應(yīng)0.59。 應(yīng)當(dāng)指出應(yīng)當(dāng)指出：間隙化合物與間隙固溶體是兩個：間隙化合物與間隙固溶體是兩個完全

28、不同的概念，完全不同的概念， 間隙化合物是一種化合物，它具有與其組元完間隙化合物是一種化合物，它具有與其組元完全不同的晶體構(gòu)造；全不同的晶體構(gòu)造； 間隙固溶體卻是保持基體組元的晶體構(gòu)造。間隙固溶體卻是保持基體組元的晶體構(gòu)造。 21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials間隙化合物通常都用下列分子式表示：間隙化合物通常都用下列分子式表示：Me4X(Fe4N，Nb4C)，Me2 X(Ta2C，W2C，Mo2C)，MeX(WC，TiC，TiN)，MeX2(TiH2，ZrH2)等。等。Me表示金屬原子，表示金屬原子，X表示非金屬原子。通常間隙化合物表示非金屬原子。通常間隙化合物

29、的分子式與其所具有的晶格類型之間有一定的對應(yīng)的分子式與其所具有的晶格類型之間有一定的對應(yīng)關(guān)系，見表關(guān)系，見表3 5。間隙化合物間隙化合物Me2 X(如如W2C等等)內(nèi)的金屬原子大多形內(nèi)的金屬原子大多形成密排六方結(jié)構(gòu)；間隙化合物成密排六方結(jié)構(gòu)；間隙化合物MeX中的金屬原子形中的金屬原子形成面心立方結(jié)構(gòu)成面心立方結(jié)構(gòu)(如如TiC)，體心立方結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu)(如如TaH、NbH)或簡單立方結(jié)構(gòu)或簡單立方結(jié)構(gòu)(WC、MoN)；間隙化合物間隙化合物MeX2(如如ZrH2)中的金屬原子形成面心立方結(jié)構(gòu)。中的金屬原子形成面心立方結(jié)構(gòu)。 間隙相具有金屬特性，有極高的熔點和硬度，非常穩(wěn)間隙相具有金屬特性，有極高

30、的熔點和硬度，非常穩(wěn)定，它們的合理存在，可有效地提高合金的強度、熱定，它們的合理存在，可有效地提高合金的強度、熱硬性和耐磨性，是高合金鋼和硬質(zhì)合金的重要組成相。硬性和耐磨性，是高合金鋼和硬質(zhì)合金的重要組成相。 21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials(4)復(fù)雜晶格金屬化合物(intermetallic compound) 許多常見的金屬化合物如許多常見的金屬化合物如Fe3C，Mn3C等既不符合等既不符合正常價化合物的化合條件，也不符合電子化合物或間隙正常價化合物的化合條件，也不符合電子化合物或間隙化合物的形成規(guī)律，它們是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的化合物的形成規(guī)律，它們是結(jié)構(gòu)比較

31、復(fù)雜的金屬化合物金屬化合物。C原子Fe原子 Fe3C是鋼中最重要的一種具有復(fù)雜是鋼中最重要的一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，其碳原子直徑與鐵結(jié)構(gòu)的間隙化合物，其碳原子直徑與鐵原子直徑之比為原子直徑之比為0.61。滲碳體具有復(fù)雜的。滲碳體具有復(fù)雜的斜方晶格，如圖所示。在滲碳體中斜方晶格，如圖所示。在滲碳體中Fe原原子子C原子的比例為原子的比例為3:1，因而這種金屬化，因而這種金屬化合物用合物用Fe3C來表示。來表示。 鐵原子可以部分地被錳、鉻、鉬、鎢鐵原子可以部分地被錳、鉻、鉬、鎢等金屬原子所置換，形成以滲碳體為基等金屬原子所置換，形成以滲碳體為基的固溶體，如的固溶體，如(Fe、Mn)3C、(Fe

32、、Cr)3C等等，稱為等等，稱為合金滲碳體合金滲碳體。 21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials 絕大多數(shù)工業(yè)合金，其組織如果僅由一種固溶體絕大多數(shù)工業(yè)合金，其組織如果僅由一種固溶體組成，往往由于強度不夠而很少使用；如果僅由一種組成，往往由于強度不夠而很少使用；如果僅由一種化合物構(gòu)成，則會造成硬度太高，脆性太大而無法使化合物構(gòu)成，則會造成硬度太高，脆性太大而無法使用。實際上工業(yè)合金絕大多數(shù)是用。實際上工業(yè)合金絕大多數(shù)是以固溶體為基體加上以固溶體為基體加上化合物化合物(一種或多種一種或多種)所構(gòu)成的機械混合物所構(gòu)成的機械混合物。通過調(diào)整固。通過調(diào)整固溶體的溶解度和分布

33、于其中的化合物的數(shù)量、大小和溶體的溶解度和分布于其中的化合物的數(shù)量、大小和分布可以使合金的機械性能在一個相當(dāng)大的范圍內(nèi)發(fā)分布可以使合金的機械性能在一個相當(dāng)大的范圍內(nèi)發(fā)生變化，從而滿足不同的要求。生變化，從而滿足不同的要求。 那么，某種成分的合金在某一溫度下會形成何種那么，某種成分的合金在某一溫度下會形成何種相，相的數(shù)量、大小和分布情況如何，合金系隨著成相，相的數(shù)量、大小和分布情況如何，合金系隨著成分、溫度的變化，它的組織和性能會發(fā)生什么樣的變分、溫度的變化，它的組織和性能會發(fā)生什么樣的變化等等，了解了化等等，了解了相圖相圖就可以回答這些問題。就可以回答這些問題。 3.2 3.2 二元合金相圖的

34、建立二元合金相圖的建立21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials 相圖是在平衡態(tài)下測畫出來的。因此也稱合金的平相圖是在平衡態(tài)下測畫出來的。因此也稱合金的平衡狀態(tài)圖。衡狀態(tài)圖。 相圖相圖是表示在平衡狀態(tài)下合金的化學(xué)是表示在平衡狀態(tài)下合金的化學(xué)成分、相、組成分、相、組織與溫度織與溫度的關(guān)系圖。的關(guān)系圖。 利用相圖可以知道不同成分的合金，在不同溫度或利用相圖可以知道不同成分的合金，在不同溫度或壓力下有哪些相，它們相對含量、相的成分如何，以及壓力下有哪些相，它們相對含量、相的成分如何，以及溫度或壓力變化時，可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變。我們掌握了這些溫度或壓力變化時，可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變。我們掌

35、握了這些組織轉(zhuǎn)變的基本規(guī)律，就可知道合金的組織狀態(tài)，并能組織轉(zhuǎn)變的基本規(guī)律，就可知道合金的組織狀態(tài)，并能預(yù)測合金的性能，也可按要求來研究新的合金。預(yù)測合金的性能，也可按要求來研究新的合金。 由于受到幾何表述的限制，雖然合金系中的組元可由于受到幾何表述的限制，雖然合金系中的組元可以是多個，但是，只能測畫出二元合金的二元相圖和三以是多個，但是，只能測畫出二元合金的二元相圖和三元合金的三元相圖，三元以上的合金通常是不能直接用元合金的三元相圖，三元以上的合金通常是不能直接用相圖來表述。即使三元合金的相圖也是很復(fù)雜的。本書相圖來表述。即使三元合金的相圖也是很復(fù)雜的。本書只介紹二元合金相圖。只介紹二元合金

36、相圖。3.2.13.2.1相圖概述相圖概述 21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials 到目前為止，幾乎所有的合金相圖都是通過到目前為止，幾乎所有的合金相圖都是通過試驗試驗方法方法測得的。建立相圖最常用的是熱分析法，有時輔測得的。建立相圖最常用的是熱分析法，有時輔之以金相法、膨脹法、之以金相法、膨脹法、射線分析法等等。射線分析法等等。 下面以下面以Cu-Ni合金為例，簡單介紹用熱分析法建合金為例，簡單介紹用熱分析法建立二元合金相圖的過程。立二元合金相圖的過程。(1)配制不同成分的合金配制不同成分的合金(Cu Ni) (2) 測定各個合金測定各個合金冷卻曲線冷卻曲線，并

37、找出各臨界點，并找出各臨界點(轉(zhuǎn)折點、轉(zhuǎn)折點、停歇點、拐點停歇點、拐點)的溫度值。的溫度值。(3)作一個以溫度為縱坐標(biāo)作一個以溫度為縱坐標(biāo)(單位為單位為)，以合金成分為，以合金成分為橫坐標(biāo)橫坐標(biāo)(單位為重量百分?jǐn)?shù)或原子百分?jǐn)?shù)單位為重量百分?jǐn)?shù)或原子百分?jǐn)?shù))的直角坐標(biāo)的直角坐標(biāo)系統(tǒng)，把每個合金冷卻曲線上的系統(tǒng)，把每個合金冷卻曲線上的臨界點臨界點分別分別標(biāo)在各標(biāo)在各合金的成分垂線上合金的成分垂線上。(4)將相同物理意義的點將相同物理意義的點連接成線連接成線，標(biāo)出數(shù)字和各區(qū)，標(biāo)出數(shù)字和各區(qū)域內(nèi)所存在的相，即得合金相圖。域內(nèi)所存在的相，即得合金相圖。3.2.23.2.2二元合金相圖的建立二元合金相圖的建

38、立21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials(1)勻晶相圖勻晶相圖(uniform grain phase diagram) 兩組元在兩組元在液態(tài)、固態(tài)時都液態(tài)、固態(tài)時都無限互溶，且形無限互溶，且形成單相固溶體，所構(gòu)成的相圖稱為二元成單相固溶體，所構(gòu)成的相圖稱為二元勻晶相圖勻晶相圖。如如:Cu-Ni、Cu-Au等。等。3.2.33.2.3二元合金基本相圖二元合金基本相圖21:29:56機電工程學(xué)院EngineeringMaterials勻晶結(jié)晶有下列特點。a.與純金屬一樣，固溶體結(jié)晶的過程，也包括生核

39、和長大兩個過程，更趨于呈樹枝狀長大。b.固溶體結(jié)晶是在一個溫度區(qū)間內(nèi)進行，即為一個變溫結(jié)晶過程。c.在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時，兩相的成分(即Ni的含量)是確定的。d.在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時，兩相的重量比是一定的。1111bacbQQL QL為為L相的質(zhì)量；相的質(zhì)量；Q為為相的質(zhì)量；相的質(zhì)量；b1c1、a1b1為線段為線段長度，可用其在成分坐標(biāo)上的數(shù)字來度量。長度，可用其在成分坐標(biāo)上的數(shù)字來度量。上式可寫成上式可寫成QLa1b1Qb1c1，稱為稱為杠桿定律杠桿定律 運用杠桿定律時要注意，它只適應(yīng)于相圖中的兩相區(qū)，并且只能在平衡狀態(tài)下使用，杠桿的兩個端點為給定溫度下兩相的成分點，支點為合金的成分點，

40、杠桿全長為兩相成分點之間的距離。 21:29:57機電工程學(xué)院EngineeringMaterials(2)共晶相圖共晶相圖(eutectic phase diagram) 當(dāng)兩組元在當(dāng)兩組元在液態(tài)時無限液態(tài)時無限互溶，在互溶，在固態(tài)時有限固態(tài)時有限互互溶，而且發(fā)生共晶反應(yīng)，所構(gòu)成的相圖稱為二元溶，而且發(fā)生共晶反應(yīng)，所構(gòu)成的相圖稱為二元共共晶晶相圖。具有這類相圖的合金系主要有：相圖。具有這類相圖的合金系主要有：Pb-Sn、Pb-Sb、Cu-Ag、Pb-Bi、Cd-Zn、Sn-Cd、Zn-Sn等；等；某些金屬元素與金屬化合物之間如某些金屬元素與金屬化合物之間如Cu-Cu2Mg、Ai-CuAl2等

41、也構(gòu)成這類相圖。等也構(gòu)成這類相圖。 由由一種一種成分固定的成分固定的液相液相在恒溫下同時在恒溫下同時結(jié)晶結(jié)晶出出兩兩種種成分和結(jié)構(gòu)都不相同的新的成分和結(jié)構(gòu)都不相同的新的固相固相的過程，稱為的過程，稱為共共晶反應(yīng)晶反應(yīng)(eutectic reaction)。所生成的兩相混合物稱為所生成的兩相混合物稱為共晶體共晶體(eutectic)。 在金相顯微鏡下觀察到的具有某種形貌或形態(tài)在金相顯微鏡下觀察到的具有某種形貌或形態(tài)特征的組成部分，總稱為特征的組成部分，總稱為組織組織。 組織組成物可以是由單相組成，也可以由幾種組織組成物可以是由單相組成，也可以由幾種相的混合物組成。相的混合物組成。 0603132

42、1:29:57機電工程學(xué)院EngineeringMaterialsPbx1x2x3x4Sn328232bg361.91d2e1IV0III0II02c341I01232183edca L + +L +L21:29:57機電工程學(xué)院EngineeringMaterials(3)包晶相圖包晶相圖(peritectic phase diagram) 當(dāng)兩組元在當(dāng)兩組元在液態(tài)時無限液態(tài)時無限互溶，在互溶，在固態(tài)時有限固態(tài)時有限互互溶，且發(fā)生溶，且發(fā)生包晶包晶反應(yīng)，所構(gòu)成的相圖稱為反應(yīng)，所構(gòu)成的相圖稱為二元包晶二元包晶相圖相圖。 具有這種相圖的合金系主要有：具有這種相圖的合金系主要有：Pt Ag、Ag-

43、Sn、Al-Pt、Cd-Hg等，應(yīng)用最多的等，應(yīng)用最多的Cu-Zn、Cu-Sn、Fe-C等合金系中也包含這種類型的相圖。因此，二元包等合金系中也包含這種類型的相圖。因此，二元包晶相圖也是二元合金相圖的一種基本形式。晶相圖也是二元合金相圖的一種基本形式。 由一種由一種液液相與一種相與一種固固相在恒溫下相互作用而轉(zhuǎn)相在恒溫下相互作用而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N變?yōu)榱硪环N固相固相的過程稱為包晶反應(yīng)的過程稱為包晶反應(yīng)(peritectic reaction)。發(fā)生包晶反應(yīng)時有三相共存，它們的成發(fā)生包晶反應(yīng)時有三相共存，它們的成分確定，反應(yīng)在恒溫下進行。分確定，反應(yīng)在恒溫下進行。 21:29:57機電工程學(xué)院Engi

44、neeringMaterials(4)共析相圖共析相圖(eutectoid phase diagram) 自某種均勻一致的自某種均勻一致的固相固相中同時析出中同時析出兩種兩種化學(xué)成化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)完全不同的分和晶格結(jié)構(gòu)完全不同的新固相新固相的轉(zhuǎn)變過程稱為的轉(zhuǎn)變過程稱為共共析反應(yīng)析反應(yīng)(eutectoid reaction)。同共晶反應(yīng)相似，共析同共晶反應(yīng)相似，共析反應(yīng)也是一個恒溫轉(zhuǎn)變過程，也有與共晶點及共晶反應(yīng)也是一個恒溫轉(zhuǎn)變過程，也有與共晶點及共晶線相似的共析點線相似的共析點(eutectoid point)和共析線。和共析線。d點為共點為共析點，析點，cde線為共析線。共析反應(yīng)的產(chǎn)物稱為

45、共析體。線為共析線。共析反應(yīng)的產(chǎn)物稱為共析體。 共析相圖，其形狀和共晶相圖類似。共析相圖，其形狀和共晶相圖類似。d點成分點成分的合金從液相經(jīng)過勻晶反應(yīng)生成的合金從液相經(jīng)過勻晶反應(yīng)生成相后，繼續(xù)冷卻到相后，繼續(xù)冷卻到d點溫度時，發(fā)生恒溫反應(yīng)，同時析出點溫度時，發(fā)生恒溫反應(yīng)，同時析出c點成分的點成分的相相和和e點成分的點成分的相。相。21:29:57機電工程學(xué)院EngineeringMaterials21:29:57機電工程學(xué)院EngineeringMaterials只要熟練掌握上述基本圖形的特點，同時掌握由基只要熟練掌握上述基本圖形的特點，同時掌握由基本反應(yīng)構(gòu)成復(fù)雜相圖的規(guī)律，就能正確地讀懂二元

46、本反應(yīng)構(gòu)成復(fù)雜相圖的規(guī)律，就能正確地讀懂二元相圖。相圖?，F(xiàn)將二元相圖讀圖法簡單歸納如下。3.2.43.2.4二元合金相圖讀圖法二元合金相圖讀圖法(1)相區(qū)分析的規(guī)律相區(qū)分析的規(guī)律 首先確定單相區(qū)首先確定單相區(qū) 相圖中除代表兩組元的垂直線以外，若出現(xiàn)另相圖中除代表兩組元的垂直線以外，若出現(xiàn)另一條垂直線，該線即代表形成一定成分的化合物。如一條垂直線，該線即代表形成一定成分的化合物。如果該化合物具有固定熔點，就是穩(wěn)定化合物。分析相果該化合物具有固定熔點，就是穩(wěn)定化合物。分析相圖時，可將其視為純組元。以它把相圖分為幾個單獨圖時，可將其視為純組元。以它把相圖分為幾個單獨部分來分析。部分來分析。 當(dāng)圖中出

47、現(xiàn)水平線時，一條水平線必然連著三當(dāng)圖中出現(xiàn)水平線時，一條水平線必然連著三個單相區(qū)，這三個單相區(qū)分別處于水平線的兩端或中個單相區(qū)，這三個單相區(qū)分別處于水平線的兩端或中間。間。21:29:57機電工程學(xué)院EngineeringMaterials(2)兩相區(qū)的確定兩相區(qū)的確定 兩個單相區(qū)之間，必夾有一個兩相區(qū)，根據(jù)杠桿兩個單相區(qū)之間，必夾有一個兩相區(qū)，根據(jù)杠桿定律，該兩相區(qū)必定由相鄰相區(qū)的兩個相所組成。定律，該兩相區(qū)必定由相鄰相區(qū)的兩個相所組成。 兩相區(qū)中如遇到固溶線傾斜的情況，會發(fā)生二次兩相區(qū)中如遇到固溶線傾斜的情況，會發(fā)生二次相的析出。相的析出。(3)三相水平線分析三相水平線分析在二元相圖中，水平線是三相平衡線。在二元相圖中，水平線是三相平衡線。(4)相區(qū)接觸法則相區(qū)接觸法則 根據(jù)大量二元狀態(tài)圖分析，可得出如下規(guī)律：在二元根據(jù)大量二元狀態(tài)圖分析，可得出如下規(guī)律：在二元合金狀態(tài)圖中，相鄰相區(qū)的相數(shù)相差為一合金狀態(tài)圖中，相鄰相區(qū)的相數(shù)相差為一(點接觸的情點接觸的情況除外況除外)。這個規(guī)律在金屬學(xué)中稱為相區(qū)接觸法則，可。這個規(guī)律在金屬學(xué)中