第二章合金的結構與相圖

1、1 第二章第二章 合金的結構和相圖合金的結構和相圖2本章重點：本章重點：1 1、固溶體的分類及性能。、固溶體的分類及性能。2 2、金屬間化合物的分類及性能。、金屬間化合物的分類及性能。3 3、共晶合金的結晶過程。、共晶合金的結晶過程。4 4、亞（過）、亞（過）共晶合金的結晶過程。共晶合金的結晶過程。5 5、共析反應。、共析反應。3合金：由兩種或兩種以上金屬、或金屬合金：由兩種或兩種以上金屬、或金屬與非金屬，通過熔煉、燒結或其他方法與非金屬，通過熔煉、燒結或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質。組合而成并具有金屬特性的物質。 組元：組成合金最基本的、獨立的物組元：組成合金最基本的、獨立的物質叫做

2、組元。質叫做組元。 通常，組元為組成合金的元素。通常，組元為組成合金的元素。穩(wěn)定穩(wěn)定化合物也可以作為組元?；衔镆部梢宰鳛榻M元。 4 合金的一個主要組元必須是金屬元合金的一個主要組元必須是金屬元素，其他組元可以是金屬元素，也可以素，其他組元可以是金屬元素，也可以是非金屬元素。是非金屬元素。 合金具有比純金屬更優(yōu)越的性能，在合金具有比純金屬更優(yōu)越的性能，在工程中得到廣泛使用。工程中得到廣泛使用。52-1 2-1 固態(tài)合金中的相結構固態(tài)合金中的相結構相：成分、結構相同并與其他部分有界面相：成分、結構相同并與其他部分有界面分開的均勻組成部分。分開的均勻組成部分。同一結構不同成分：銅、鎳是不同的相。同

3、一結構不同成分：銅、鎳是不同的相。同一組元不同狀態(tài)：水、冰、水蒸汽是不同一組元不同狀態(tài)：水、冰、水蒸汽是不同的相。同的相。6同一組元同一狀態(tài)不同結構：同一組元同一狀態(tài)不同結構：鐵、鐵、鐵鐵是不同的相。是不同的相。 不同形態(tài)（形狀、大小、分布）同一成分不同形態(tài)（形狀、大小、分布）同一成分同一結構是同一個相：同一結構是同一個相： 片狀滲碳體、球狀滲碳體、網狀滲碳體、片狀滲碳體、球狀滲碳體、網狀滲碳體、帶狀滲碳體。帶狀滲碳體。789 單相合金單相合金10 多相合金多相合金 11合金相的分類：合金相的分類：1 1、固溶體：晶體結構和某一組元相同。、固溶體：晶體結構和某一組元相同。2 2、化合物：晶體結

4、構和所有組元都不相、化合物：晶體結構和所有組元都不相同。同。12一、固溶體一、固溶體定義：溶質原子溶入溶劑晶格中的一種金定義：溶質原子溶入溶劑晶格中的一種金屬晶體。屬晶體。溶劑：和固溶體晶格類型相同的組元。溶劑：和固溶體晶格類型相同的組元。溶質：和固溶體晶格類型不相同的組元。溶質：和固溶體晶格類型不相同的組元。13C C溶入溶入-Fe(bcc)-Fe(bcc)，F(xiàn)eFe是溶劑，是溶劑，C C是溶質。是溶質。Zn(hcp)Zn(hcp)溶入溶入Cu(fcc)Cu(fcc)，CuCu是溶劑，是溶劑，ZnZn是是溶質。溶質。Ni(fcc)Ni(fcc)溶入溶入Cu(fcc)Cu(fcc)，兩者互為溶

5、劑和，兩者互為溶劑和溶質。溶質。14( (一一) )固溶體的分類固溶體的分類 按溶劑晶格中的位置（正常結點或晶格按溶劑晶格中的位置（正常結點或晶格間隙），可分為二類。間隙），可分為二類。15161 1、置換固溶體、置換固溶體(1)(1)定義：溶質原子替代一部分溶劑原子而定義：溶質原子替代一部分溶劑原子而占據(jù)溶劑晶格結點位置所形成的固溶體。占據(jù)溶劑晶格結點位置所形成的固溶體。(2)(2)溶質為金屬元素時，因原子尺寸較大，溶質為金屬元素時，因原子尺寸較大，不能存在晶格間隙中，只能形成置換固溶不能存在晶格間隙中，只能形成置換固溶體。體。17182 2、間隙固溶體、間隙固溶體(1)(1)定義：溶質原子

6、分布在溶劑晶格的間隙定義：溶質原子分布在溶劑晶格的間隙中所形成的固溶體。中所形成的固溶體。(2)(2)溶質為非金屬元素時，因原子尺寸較小，溶質為非金屬元素時，因原子尺寸較小，只能存在晶格間隙中形成間隙固溶體。只能存在晶格間隙中形成間隙固溶體。19( (二二) )固溶體中的晶格畸變固溶體中的晶格畸變1 1、定義：固溶體中溶質原子附近的溶劑原、定義：固溶體中溶質原子附近的溶劑原子發(fā)生位移，點陣常數(shù)發(fā)生改變。子發(fā)生位移，點陣常數(shù)發(fā)生改變。2 2、置換固溶體中，溶質原子比溶劑原子大，、置換固溶體中，溶質原子比溶劑原子大，則溶質原子周圍點陣發(fā)生膨脹；反之，則則溶質原子周圍點陣發(fā)生膨脹；反之，則溶質原子周

7、圍點陣發(fā)生收縮。溶質原子周圍點陣發(fā)生收縮。3 3、間隙固溶體中，溶質原子周圍點陣總是、間隙固溶體中，溶質原子周圍點陣總是發(fā)生膨脹。發(fā)生膨脹。20 固溶體中的晶格畸變示意圖 a)間隙固溶體 b)置換固溶體 21( (三三) )固溶體的溶解度固溶體的溶解度1 1、定義：在一定條件下溶質元素在固溶體、定義：在一定條件下溶質元素在固溶體中的極限濃度。中的極限濃度。2 2、溶解度的表示方法：重量百分比；原子、溶解度的表示方法：重量百分比；原子百分比。百分比。3 3、有限固溶體：溶解度小于、有限固溶體：溶解度小于100%100%，溶質元，溶質元素的含量有一定限度。素的含量有一定限度。4 4、無限固溶體：溶

8、解度等于、無限固溶體：溶解度等于100%100%，可以形，可以形成任何成分比例的固溶體。成任何成分比例的固溶體。22( (四四) )影響溶解度的因素影響溶解度的因素1 1、間隙固溶體、間隙固溶體(1)(1)晶格中間隙位置的數(shù)量有一定限度，所晶格中間隙位置的數(shù)量有一定限度，所以只能形成有限固溶體。以只能形成有限固溶體。(2)(2)間隙固溶體中的晶格畸變大，因而和置間隙固溶體中的晶格畸變大，因而和置換固溶體相比溶解度小。換固溶體相比溶解度小。(3)(3)FeFe間隙尺寸較大，溶解度也較大；間隙尺寸較大，溶解度也較大；FeFe間隙尺寸小，溶解度也很小。間隙尺寸小，溶解度也很小。232 2、置換固溶體

9、、置換固溶體 溶質和溶劑元素必須同時滿足下列四溶質和溶劑元素必須同時滿足下列四個條件，才可能形成無限固溶體，否則個條件，才可能形成無限固溶體，否則只能形成有限固溶體。只能形成有限固溶體。原子尺寸原子尺寸d d：810%810%。(2) (2) 晶體結構類型相同。晶體結構類型相同。(3) (3) 負電性差負電性差x x：0.40.40.50.5。(4) (4) 電子濃度在一定范圍之內。電子濃度在一定范圍之內。243 3、硼：原子半徑為、硼：原子半徑為0.97A0.97A，既不利于作，既不利于作為間隙原子，也不利于作為置換原子，故為間隙原子，也不利于作為置換原子，故在在FeFe和和FeFe中溶解度

10、都非常小。中溶解度都非常小。 25 ( (五五) )固溶體的性能固溶體的性能1 1、固溶強化：溶質元素產生晶格畸變，、固溶強化：溶質元素產生晶格畸變，使固溶體強度、硬度升高的現(xiàn)象。使固溶體強度、硬度升高的現(xiàn)象。2 2、固溶體在顯著提高強度、硬度的同時，、固溶體在顯著提高強度、硬度的同時，仍然保持相當好的塑性和韌性。仍然保持相當好的塑性和韌性。3 3、固溶體是金屬材料最主要最基本的相、固溶體是金屬材料最主要最基本的相組成物，是金屬材料的基體。組成物，是金屬材料的基體。26 二、金屬間化合物二、金屬間化合物 當溶質含量超過固溶體的溶解度時，當溶質含量超過固溶體的溶解度時，將出現(xiàn)晶體結構和任一組元都

11、不相同的新將出現(xiàn)晶體結構和任一組元都不相同的新相，即金屬間化合物。相，即金屬間化合物。27( (一一) )正常價化合物正常價化合物1 1、符合一般化合物的原子價規(guī)律，成分、符合一般化合物的原子價規(guī)律，成分固定并可用化學式表達。固定并可用化學式表達。2 2、硬度高、脆性大，在固溶體基體上合、硬度高、脆性大，在固溶體基體上合理分布時可提高強度，起強化相作用。理分布時可提高強度，起強化相作用。如如Al-Mg-SiAl-Mg-Si合金中的合金中的MgMg2 2SiSi 。28 ( (二二) )電子化合物電子化合物1 1、化合物的晶格類型和電子濃度有關。、化合物的晶格類型和電子濃度有關。2 2、硬度高、

12、韌性低，在有色合金中可起、硬度高、韌性低，在有色合金中可起強化相作用。強化相作用。29 ( (三三) )間隙相和間隙化合物間隙相和間隙化合物 由原子尺寸較大的過渡族金屬元素和由原子尺寸較大的過渡族金屬元素和原子尺寸較小的非金屬元素組成，金屬原原子尺寸較小的非金屬元素組成，金屬原子組成一種新的晶格，非金屬原子處于晶子組成一種新的晶格，非金屬原子處于晶格的間隙之中。格的間隙之中。 兩種原子的尺寸比決定了化合物的晶兩種原子的尺寸比決定了化合物的晶格特點。格特點。301 1、間隙相、間隙相(1)(1)定義：當定義：當r r非非/r/r金金0.590.59時，化合物具有時，化合物具有簡單的晶體結構。簡單

13、的晶體結構。 (2)(2)簡單的晶體結構：一個金屬原子占據(jù)晶簡單的晶體結構：一個金屬原子占據(jù)晶格的一個結點。格的一個結點。 VCVC：V V原子組成原子組成fccfcc點陣，點陣，C C原子處在點陣原子處在點陣的間隙之中。的間隙之中。(3)(3)種類：種類：V V、TiTi、NbNb的碳化物，的碳化物，W W、MoMo的部的部分碳化物，過渡族金屬的氮化物。分碳化物，過渡族金屬的氮化物。312 2、間隙化合物、間隙化合物(1)(1)定義：當定義：當r r非非/r/r金金0.590.59時時, ,化合物具有化合物具有復雜的晶體結構。復雜的晶體結構。(2)(2)復雜的晶體結構：一個金屬團占據(jù)點復雜的

14、晶體結構：一個金屬團占據(jù)點陣的一個結點。陣的一個結點。 如如CrCr7 7C C3 3是復雜六方點陣，一個晶胞由是復雜六方點陣，一個晶胞由5656個金屬原子，個金屬原子，2424個碳原子組成。個碳原子組成。32(3)(3)種類：種類：W W、MoMo的部分碳化物；的部分碳化物；CrCr、FeFe的的碳化物；硼化物。碳化物；硼化物。 (4)(4)滲碳體：是滲碳體：是FeFe的碳化物，以的碳化物，以FeFe3 3C C表示，表示，每個晶胞由每個晶胞由1212個個FeFe原子和原子和4 4個個C C原子組成，原子組成，是鋼中最常見的化合物。是鋼中最常見的化合物。(5)(5)合金滲碳體：滲碳體中的鐵原

15、子被其合金滲碳體：滲碳體中的鐵原子被其它金屬原子置換。它金屬原子置換。如（如（FeFe，CrCr，MoMo）3 3C C。33(6)(6)間隙化合物中的金屬原子也可被其它間隙化合物中的金屬原子也可被其它金屬原子置換。金屬原子置換。 如（如（CrCr，W W，MoMo，F(xiàn)eFe）2323C C6 6。(7)(7)碳化物中的碳原子也可被氮、硼原子碳化物中的碳原子也可被氮、硼原子置換。置換。如碳氮化物如碳氮化物Ti(CTi(C，N)N)， 碳硼化物碳硼化物(Cr,Fe,W,Mo)(Cr,Fe,W,Mo)2323（C C，B B）6 6。3 3、間隙相和間隙化合物熔點高、硬度高，、間隙相和間隙化合物熔

16、點高、硬度高，是鋼中的強化相。是鋼中的強化相。34 鋼中常見碳化物的硬度和熔點鋼中常見碳化物的硬度和熔點類型類型 間間 隙隙 相相 間隙化合物間隙化合物NbCTiCVCW2CMo2CCr23C6Fe3C熔點熔點3770 3410 3023 3130 296016771227硬度硬度HVHV2050 2850 2010 1720 1680145080035特點：兩組元在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)特點：兩組元在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)時有限互溶，且發(fā)生共晶反應。時有限互溶，且發(fā)生共晶反應。 共晶反應：在恒溫下，由一個液相同共晶反應：在恒溫下，由一個液相同時結晶出兩種成分不同的固相的轉變。時結晶出兩種成分

17、不同的固相的轉變。 L Le e c c+d d 液相和生成的兩種固相成分固定，分液相和生成的兩種固相成分固定，分別為別為e e、c c、d d。 2-2 2-2 二元共晶相圖二元共晶相圖36 一、相圖分析一、相圖分析1 1、液相線：、液相線：aebaeb，表示結晶開始。，表示結晶開始。 固相線：固相線：acedbacedb，表示結晶結束。，表示結晶結束。 溶解度曲線：溶解度曲線：cfcf，dgdg。表示。表示、固溶固溶體在不同溫度時的溶解度。體在不同溫度時的溶解度。2 2、單相區(qū)：、單相區(qū)：、L L，、。 兩相區(qū)：兩相區(qū)：+L+L，+L+L，+。373 3、三相共存水平線：、三相共存水平線：

18、cedced。 (1)(1)也叫共晶線，表示共晶反應的溫度和反也叫共晶線，表示共晶反應的溫度和反應物、生成物的成分。（反應物在共晶線應物、生成物的成分。（反應物在共晶線的中間，生成物在共晶線的兩端）的中間，生成物在共晶線的兩端）(2)(2)成分垂直線和共晶線相交的合金，在冷成分垂直線和共晶線相交的合金，在冷卻過程中均會發(fā)生共晶反應。卻過程中均會發(fā)生共晶反應。4 4、共晶點：發(fā)生共晶反應的液相溫度和成、共晶點：發(fā)生共晶反應的液相溫度和成分。分。38二、合金的結晶過程二、合金的結晶過程( (一一) )共晶合金的結晶過程共晶合金的結晶過程1 1、共晶合金：具有共晶點成分的合金。、共晶合金：具有共晶點

19、成分的合金。2 2、結晶過程、結晶過程391 1點以上：液相。點以上：液相。1-11-1：恒溫，發(fā)生共晶反應，得到共晶體。：恒溫，發(fā)生共晶反應，得到共晶體。 L Le e ( (c c+d d) )1 1：液相完全消失，固相全部為共晶體。：液相完全消失，固相全部為共晶體。1 1以下：組織無變化。以下：組織無變化。 室溫組織：共晶體室溫組織：共晶體(+)(+)。 室溫相組成：室溫相組成：和和。4041423 3、共晶體、共晶體(1)(1)定義：共晶反應得到的非常致密的兩相定義：共晶反應得到的非常致密的兩相機械混合物。機械混合物。(2)(2)形成過程：合金溶液中存在成分偏析，形成過程：合金溶液中存

20、在成分偏析，在含在含PbPb多的地方優(yōu)先生成多的地方優(yōu)先生成相晶核，因為相晶核，因為相含有較多的相含有較多的PbPb，此時，此時相晶核周圍的相晶核周圍的液體含液體含PbPb量降低，有利于形成量降低，有利于形成相晶核，相晶核，而而相晶核周圍含相晶核周圍含PbPb量增加，又有利于形量增加，又有利于形成成晶核。因此，會迅速形成一個晶核。因此，會迅速形成一個相和相和相彼此相間排列的組織。相彼此相間排列的組織。43( (二二) )亞共晶合金的結晶過程亞共晶合金的結晶過程1 1、亞共晶合金：發(fā)生共晶反應，且濃度低、亞共晶合金：發(fā)生共晶反應，且濃度低于共晶點的合金。于共晶點的合金。2 2、結晶過程、結晶過程

21、 第第4747頁圖頁圖3-173-17，要注意每一個相的數(shù)量，要注意每一個相的數(shù)量和成分的變化。和成分的變化。441 1點以上：液相。點以上：液相。1-21-2：液相中析出先共晶：液相中析出先共晶固溶體。固溶體。 液相數(shù)量減少，成分沿液相數(shù)量減少，成分沿aeae線變化；線變化； 固溶體數(shù)量增加，成分沿固溶體數(shù)量增加，成分沿acac線變化。線變化。 其相對數(shù)量符合杠桿定律。其相對數(shù)量符合杠桿定律。2 2：由成分為：由成分為c c的先共晶的先共晶固溶體和成分為固溶體和成分為e e的液相組成。的液相組成。45LLWC+ W1CCW Lo bWa o46 2-22-2：液相發(fā)生共晶反應，得到共晶體；：

22、液相發(fā)生共晶反應，得到共晶體；先共晶先共晶固溶體的數(shù)量和成分不發(fā)生變化。固溶體的數(shù)量和成分不發(fā)生變化。2 2：液相消失，組織為先共晶：液相消失，組織為先共晶固溶體和固溶體和(c c+d d) )共晶體。共晶體。2 2以下：以下：、相的溶解度隨溫度下降而相的溶解度隨溫度下降而減小，析出新相。減小，析出新相。47 先共晶先共晶固溶體中析出次生相固溶體中析出次生相。 共晶體共晶體(+)(+)中析出的次生相可以不中析出的次生相可以不考慮?？紤]。 室溫組織：室溫組織：+(+)+(+)+。 室溫相組成：室溫相組成：和和。48495051523 3、同一種相的三種不同組織（形態(tài)）、同一種相的三種不同組織（形

23、態(tài)）(1)(1)初生相初生相( (一次相一次相) )：從液體中析出，可以自：從液體中析出，可以自由生長，常為樹枝狀、塊狀或片狀，尺寸較由生長，常為樹枝狀、塊狀或片狀，尺寸較大。大。(2)(2)共晶相：兩個相從液體中同時析出，交叉共晶相：兩個相從液體中同時析出，交叉排列，比較致密。排列，比較致密。(3)(3)次生相次生相( (二次相二次相) )：從固相中析出，難以長：從固相中析出，難以長大，以小顆粒狀分布在母相晶內或晶界。大，以小顆粒狀分布在母相晶內或晶界。(4)(4)表示方法：初生相不用專門注明，共晶相表示方法：初生相不用專門注明，共晶相用括號表示，次生相用下標用括號表示，次生相用下標表示。表示。534 4、晶內偏析、晶內偏析(1)(1)定義：晶粒內出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象。定義：晶粒內出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象。(2)(2)產生原因：先、后結晶固溶體的成分不產生原因：先、后結晶固溶體的成分不同，又來不及擴散均勻。同，又來不及擴散均勻。(3)(3)枝晶偏析枝晶偏析: :固溶體常以樹枝狀生長方式結固溶體常以樹枝狀生長方式結晶，使枝干和分枝的成分不一致。晶，使枝干和分枝的成分不一致。 54555657( (三三) )過