授課教師:楊秀英金屬學及熱處理沈陽理工大學應用技術學院授課教師:楊秀英金屬學及熱處理沈陽理工大學應用技術學院

第3章二元合金的相結構與結晶§3.1合金中的相§3.2合金的相結構§3.3二元合金相圖§3.4勻晶相圖及固溶體的結晶§3.5共晶相圖及合金的結晶§3.6二元相圖的分析和使用

第3章二元合金的相結構與結晶§3.1合金中的相§3.2

一、引言—工程生產(chǎn)中的金屬材料不能用純金屬(強度低),而是用強度(性能)好的合金,有必要研究合金結構二、正文—二元合金的相結構與結晶

三、結論(包括作業(yè)、思考題或習題)課堂內容設計一、引言—工程生產(chǎn)中的金屬材料不能用純金屬(強度低),而一、引言—工程生產(chǎn)中的金屬材料不能用純金屬(強度低),而是用強度(性能)好的合金,有必要研究合金結構----包括化學成分、合金相、晶體結構、組織狀態(tài)等---相圖一、引言—工程生產(chǎn)中的金屬材料不能用純金屬(強度低),而是用第一節(jié)合金中的相合金：由兩種或兩種以上的元素組成，其中至少有一種為金屬，經(jīng)過熔煉燒結或其他方法組合形成具有金屬性的材料稱為合金。例鋼鐵、黃銅、白銅等組元：通常把組成材料的最簡單、最基本、能夠獨立存在的物質稱為組元。組元大多數(shù)情況下是元素；在研究的范圍內既不分解也不發(fā)生任何化學反應的穩(wěn)定化合物也可成為組元，例如碳鋼。合金系：由給定的組元配置成一系列成分不同的合金。二元合金:三元合金:多元合金:相關概念第一節(jié)合金中的相合金：由兩種或兩種以上的元素組成，其中至相：凡成分均一、晶體結構相同并與其它部分有界面分開的物質均勻組成部分，稱之為相。在合金中，按其晶格結構的基本屬性來分，可分為固溶體和金屬化合物兩大類。組織：人們用肉眼或借助某種工具（放大鏡、光學顯微鏡、電子顯微鏡等）所觀察到的材料形貌。它決定于組成相的類型、形狀、大小、數(shù)量、分布等。相是組織的基本組成部分。同樣的相,當它們的形態(tài)和分布不同時,就會有不同的組織.

組織組成物：組織中形貌相同的組成部分。相：凡成分均一、晶體結構相同并與其它部分有界面分開的物質均勻

純鐵中的相：α-Fe

鋼中的相：鐵素體(α)＋滲碳體(Fe3C)純鐵0.45%C鋼α相α相Fe3C相純鐵、鋼中的相

純鐵中的相：α-Fe純鐵0.45%C鋼α相α相20mCu-30Ni-20Cr20mCu-30Ni-20Cr第二節(jié)合金中的相結構相的種類繁多,不同的相具有不同的晶體結構,根據(jù)晶體結構特點,可以將其分為固溶體和金屬化合物相結構---合金的晶體結構（一）固溶體

合金組元溶解形成一種成分和性能均勻的、且晶格類型與組元之一相同的固相稱之為固溶體。（二）金屬化合物

定義：合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相稱之為金屬化合物。第二節(jié)合金中的相結構相的種類繁多,不同的相具有不同的晶體二、金屬化合物一、固溶體（一）固溶體的分類（二）置換固溶體（三）間隙固溶體

（四）固溶體的結構

（五）固溶體的性能特點二、金屬化合物一、固溶體（一）固溶體的分類（二）置換固溶體（一、固溶體與固溶體的晶格相同的組成元素稱為溶劑，在固溶體中一般都占有較大的含量；其它的組成元素稱為溶質，其含量與溶劑相比為較少。

固溶體即一些元素進入某一組元的晶格中，不改變其晶體結構，形成的均勻相。

溶質原子溶入固溶體中的量稱為固溶體的濃度。濃度或溶解度一般用溶質元素所占的重量百分比來表示(wt%

)。一、固溶體與固溶體的晶格相同的組成元素稱為溶劑，在固（一）固溶體的分類1.按溶質原子在固溶體(溶劑)晶格中的位置不同可分為：1)置換固溶體溶質原子取代了部分溶劑晶格中某些節(jié)點上的溶劑原子而形成的固溶體。2)間隙固溶體溶質原子嵌入溶劑晶格的空隙中，不占據(jù)晶格結點位置。（一）固溶體的分類1.按溶質原子在固溶體(溶劑)晶格中的位溶劑原子

溶質原子

溶劑原子 溶質原子 （一）固溶體的分類2.按固溶度1)無限溶解固溶體溶質可以任意比例溶入溶劑晶格中。構成無限固溶體。這是把含量較高的組元稱為溶劑，含量較少的組元稱為溶質。2)有限溶解固溶體溶質原子在固溶體中的濃度有一定限度，超過這個限度就會有其它相(另一種固溶體或化合物)的形成。間隙固溶體都是有限溶解固溶體。在金屬材料中，通常是過渡族金屬元素為溶劑，小尺寸的C、N、H、O、B等元素為溶質。（一）固溶體的分類2.按固溶度1)無限溶解固溶體溶質可以3.按溶質原子在溶劑晶格中的分布特點1)無序固溶體溶質原子在溶劑晶格中分布是任意的，沒有任何規(guī)律性，僅統(tǒng)計角度上是均勻分布的。2)有序固溶體溶質原子以一定的比例，按一定方向和順序有規(guī)律地分布在溶劑的晶格間隙中或結點上。

在有些材料中，固溶體還存在有序化轉變，即在一定的條件(如溫度、壓力)下，無序固溶體和有序固溶體之間會發(fā)生相互轉變。3.按溶質原子在溶劑晶格中的分布特點1)無序固溶體溶質置換固溶體的溶解度大小十分懸殊，主要有以下因素影響：

影響溶解度的因素很多，目前還在研究中，現(xiàn)在公認的有：1．原子尺寸因素

在置換固溶體中，溶質原子的尺寸和溶劑相近，溶解度也愈大，Δr小于15%時才有利于形成置換固溶體，要能達到無限互溶，Δr的值還要小一些。間隙固溶體的形成的基本條件D質/D劑<0.59。在間隙固溶體中，顯然D質/D劑愈小，即溶質原子的尺寸愈小，溶解度也大。間隙固溶體只能有限溶解。（二）置換固溶體置換固溶體的溶解度大小十分懸殊，主要有以下因素影響：

影響溶影響固溶體溶解度的因素2．晶體結構因素

組元間晶體結構相同時，固溶度一般都較大，而且才有可能形成無限固溶體。若組元間的晶體結構不同，便只能生成有限固溶體。3．電負性差

電負性為這些元素的原子自其它原子奪取電子而變?yōu)樨撾x子的能力。反映兩元素的化學性能差別。兩元素間電負性差越小，則越容易形成固溶體，且所形成的固溶體的溶解度也就越大；隨兩元素間電負性差增大，溶解度減小，當其差別很大時，往往形成較穩(wěn)定的化合物。影響固溶體溶解度的因素2．晶體結構因素組元間晶體結影響固溶體溶解度的因素4．電子濃度

在金屬材料(合金)中，價電子數(shù)目(e)與原子數(shù)目(a)之比稱為電子濃度。由于溶質和溶劑的價電子數(shù)可能不同，電子濃度e/a=VA(1-x)+VBx。其中x為溶質的原子百分比濃度(摩爾分數(shù))，VA、VB分別為溶劑和溶質的價電子數(shù)。

一方面，溶質和溶劑的價電子數(shù)目相差大，它們的電負性的差別也大，溶解度會下降。另一方面，當e/a為某些特定值時形成一新的晶體結構，因此它們的溶解度也就受到相應的限制。影響固溶體溶解度的因素4．電子濃度在金屬材料(（三）間隙固溶體間隙固溶體的溶解度，除與溶質原子尺寸因素有關外，主要取決于溶劑晶體點陣的間隙大小與形狀及其所引起的點陣畸變。由于間隙尺寸大多小于溶質原子的尺寸，故間隙固溶體晶格畸變較大，所以，間隙固溶體的溶解度總是有限的。（三）間隙固溶體

（四）固溶體的結構

1、晶格畸變

在固溶體中，由于溶質原子的存在及其尺寸差別，將使周圍溶劑原子排列的規(guī)律性在一定范圍內受到不同程度的干擾，并引起彈性應變——點陣畸變。對于置換固溶體，若溶質原子尺寸大于溶劑原子，則使周圍點陣發(fā)生膨脹位移；反之，將引起收縮。在間隙固溶體中，溶質原子尺寸多大于點陣間隙，故通常使點陣發(fā)生膨脹變化。

（四）固溶體的結構1、晶格畸變

在固溶體中，由于溶質原2、偏聚與有序

當同類原子（A-A、B-B）結合較強而處于低能量狀態(tài)時，則溶質與溶劑分別在一定范圍內各自傾向聚集，形成偏聚結構；

異類原子（A-B）結合較強時，則溶質原子在固溶體點陣的一定范圍內趨于有規(guī)則分布，形成短程有序結構。

2、偏聚與有序

當同類原子（A-A、B-B）結合較強而處※無論是置換固溶體還是間隙固溶體，由于溶質原子尺寸與溶劑原子不同，其晶格都會產(chǎn)生畸變。由于晶格畸變增加了位錯移動的阻力，使滑移變形難以進行，因此，固溶體的強度和硬度提高，塑性和韌性則有所下降。這種通過溶入某種溶質元素來形成固溶體而使金屬的強度、硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。

（五）固溶體的性能特點※無論是置換固溶體還是間隙固溶體，由于溶質原子尺寸與溶劑原子由于固溶體的晶體結構與溶劑相同，固溶體的性能基本上與原溶劑的性能相近，換句話說，固溶體的性能主要決定于溶劑的性能，或在溶劑性能基礎上發(fā)生一些改變。固溶體的性能與原溶劑性能的差別，或稱性能變化的大小，隨著溶質的濃度(含量)的增加而加大。固溶強化是效提高金屬材料力學性能的途徑之一。固溶體比純金屬和金屬化合物具有更為優(yōu)越的綜合力學性能由于固溶體的晶體結構與溶劑相同，固溶體的性能基本上與原溶劑的二、金屬化合物化合物（中間相）概念

當溶質的含量超過了其溶解度，在材料中將出現(xiàn)新相。其晶體結構與組元都不相同，表明生成了新的物質。所以，化合物是構成的組元相互作用，生成不同與任何組元晶體結構的新物質。化合物結構的特點，一是有基本固定的原子數(shù)目比，可用化學分子式表示，二是晶體結構不同于其任何組元。在以下將學習的相圖中，它們的位置都在相圖的中間，所以也稱為中間相。

在金屬材料中，原子之間的結合除離子鍵和共價鍵，金屬鍵也參與作用，如果生成的化合外物具有金屬性，則稱之為金屬化合物。二、金屬化合物化合物（中間相）概念當溶質的含量超過了金屬化合物的類型1.正常價化合物

兩組元服從原子價規(guī)律而生成的正常化學中所稱的化合物。通常是金屬元素與非金屬元素組成，組元間電負性差起主要作用，兩組元間電負性差較大，它們符合一般化合物的原子價規(guī)律。例如MnS、Al2O3、TiN、ZrO2等，其結合鍵為離子鍵；也有的是共價鍵，如SiC；少數(shù)也有以金屬鍵結合,如Mg2Pb。金屬化合物的類型1.正常價化合物金屬化合物的類型2.電子化合物電子化合物這類化合物大多是以第Ⅰ族或過渡族金屬元素與第Ⅱ至第Ⅴ族金屬元素結合而成。它們也可以用分子式表示，但大多不符合正常化學價規(guī)律。當e/a為某些特定值時形成一新的晶體結構，并且電子濃度不同，其對應的晶體結構的類型也就不同。常間的電子濃度值有21/14、21/13、21/12。由于這類中間相與電子濃度有關，所以就稱為電子化合物，主要出現(xiàn)在金屬材料中，它們的結合鍵為金屬鍵。一些常見的電子化合物可參看教材。例如Cu31Sn8，電子濃度21/13，具有復雜立方晶格。金屬化合物的類型2.電子化合物電子化合物這類化合物大多是金屬化合物的類型3.間隙相和間隙化合物尺寸因素化合物(間隙相與間隙化合物)

主要受組元的原子尺寸因素控制，通常是由過渡族金屬原子與原子半徑小于0.1nm的非金屬元素碳、氮、氫、氧、硼所組成。由于非金屬元素(X)與金屬元素(M)原子半徑比不同，結構也有所不同。

當rX/rM<0.59時，形成具有簡單晶體結構的化合物，如fcc、bcc、hcp或簡單立方，通常稱它們?yōu)殚g隙相，相應的分子式也較簡單，如M4X、M2X、MX、MX2等。當rX/rM>0.59時，形成的化合物的晶體結構也較復雜，通常稱它們?yōu)殚g隙化合物，相應的分子式也較復雜，如鋼中常見的Fe3C、Cr7C3、Cr23C6等。金屬化合物的類型3.間隙相和間隙化合物尺寸因素化合物(間隙相金屬化合物的類型間隙化合物通常晶體結構較復雜金屬化合物的類型間隙化合物通常晶體結構較復雜金屬化合物的性能特點

大多數(shù)化合物，特別是正常價化合物，熔點都較高(結合鍵強的表現(xiàn)之一)，力學性能表現(xiàn)為硬而脆。

間隙相的硬度要大于間隙化合物的硬度少量硬度高的質點加入到塑性材料中，將明顯提高材料的強度，即第二相強化機制。間隙相具有極高的熔點和硬度，具有明顯的金屬特性。間隙化合物具有很高的熔點和硬度，但加熱時易分解。金屬化合物的性能特點大多數(shù)化合物，特別是正常價化小結

合金組元相組織組織組成物固溶體金屬化合物固溶體和金屬化合物的類型、結構特點，影響其結構的因素。相結構與材料的性能之間的關系。名詞概念理解內容小結合金組元相組織組織組成物固溶體第三節(jié)二元合金相圖的建立相圖：相圖又稱為狀態(tài)圖，它是表示體系的成分、外界環(huán)境和組成相與相之間的平衡關系的幾何圖形。

它是研究材料組織變化規(guī)律的重要參考工具。

外界環(huán)境主要是溫度和壓力第三節(jié)二元合金相圖的建立相圖：相圖又稱為狀態(tài)圖，它是

相圖就是表示物質的狀態(tài)和溫度、壓力、成分之間的關系的簡明圖解。表示在熱力學平衡條件下，各種成分的物質在不同溫度、壓力下的相組成、各種相的成分、相的相對量。相圖就是表示物質的狀態(tài)和溫度、壓力、成分之間的關系的簡明圖二元相圖：當存在兩個組元時，成分也是變量，但一種組元的含量為獨立，另一組元則為余下部分。為在二維平面上表示，通常只考慮在常壓下，取兩個變量溫度和成分。橫坐標用線段表示成分，縱坐標表示溫度。平面上以按這時平衡狀態(tài)下存在的相來分隔。(如圖)二元相圖：當存在兩個組元時，成分也是變量，但一種組元的含量為相圖用途：由材料的成分和溫度預知平衡相；材料的成分一定而溫度發(fā)生變化時其他平衡相變化的規(guī)律；估算平衡相的數(shù)量。預測材料的組織和性能相圖用途：由材料的成分和溫度預知平衡相；相圖的基本知識二元相圖的表示方法（板書）二元相圖的測定

相圖的基本知識二元相圖的表示方法（板書）相律與杠桿定律相律是表示在平衡條件下，系統(tǒng)的自由度數(shù)、組元數(shù)和平衡相數(shù)之間的關系式。

f=c–p+2f為系統(tǒng)的自由度數(shù)；c為組元數(shù);P為平衡相數(shù)。相律與杠桿定律杠桿定理（板書）（適用兩相區(qū)）

杠桿定理（板書）（適用兩相區(qū)）二元相圖的基本類型

勻晶相圖：兩組元在液固狀態(tài)下都無限互溶1.相圖分析

由液相結晶出單相固溶體的過程被稱為勻晶轉變。

在液態(tài)和固態(tài)均無限互溶的相圖。如Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、W-Mo等。相圖分析（以Cu-Ni為例）：二元相圖的基本類型勻晶相圖：兩組元在液固狀態(tài)下都無限互溶

點：純Cu熔點、純Ni熔點線：液相線、固相線相區(qū)：單相區(qū)L、α，兩相區(qū)L+α點：純Cu熔點、純Ni熔點2.固溶體合金的平衡結晶過程

平衡結晶是指結晶過程中每個階段都能達到平衡，因此平衡結晶是在極其緩慢的冷速下實現(xiàn)2.固溶體合金的平衡結晶過程1、平衡結晶過程任一合金在液相線以上時，保持單一液態(tài)，冷卻到液相線時，開始結晶出固相α，保持L+α兩相平衡直至冷卻到固相線溫度為止。室溫組織為單相α固溶體。2、勻晶轉變的形核與生長主要依靠結構起伏和能量起伏形核，但由于開始析出相α與原合金成分不同，因而新相形核還必須借助液態(tài)合金中組元原子分布的微觀不均勻性提供的濃度起伏。α相長大過程中，固相成分和剩余液相成分在不斷的變化，其變化規(guī)律是：液相成分始終沿液相線變化，而固相成分始終沿固相線變化。1、平衡結晶過程平衡結晶過程如下：

固溶體晶核形成，造成液固界面的濃度梯度，進行擴散，固液界面不平衡，晶體長大平衡結晶過程如下：3．固溶體合金的不平衡結晶

在實際冷卻過程中，結晶常常在幾分鐘甚至數(shù)小時內完成，固溶體成分來不及擴散至均勻。這種結晶過程被稱為不平衡結晶。

不平衡結晶的組織，合金內部成分不均勻的現(xiàn)象被稱為“偏析”。而晶粒內部成分不均勻的現(xiàn)象被稱為“晶內偏析”．樹枝晶內的偏析被稱為“枝晶偏析”。3．固溶體合金的不平衡結晶第3章二元合金的相結構與結晶概要課件實際生產(chǎn)條件下，液態(tài)合金的結晶是在較快的冷卻速度下進行的，組元原子得不到充分擴散，稱為非平衡結晶，所得組織稱為非平衡組織。非平衡結晶時，存在顯微組織的化學成分不均勻性問題，先結晶的部分含高熔點組元較多，后結晶的部分含低熔點組元較多，這種現(xiàn)象稱為晶內偏析。實際生產(chǎn)條件下，液態(tài)合金的結晶是在較快的冷卻當固溶體以樹枝狀方式結晶時，這種偏析也稱枝晶偏析。枝晶偏析的程度取決于結晶時的冷卻速度、偏析元素的擴散能力以及相圖中液-固線的距離等因素。

嚴重的枝晶偏析將惡化合金的性能，生產(chǎn)上常把有枝晶偏析的合金加熱到固相線以下100~200℃進行長時間保溫，使原子充分擴散，實現(xiàn)成分均勻化，這種處理方法成為均勻化退火或擴散退火當固溶體以樹枝狀方式結晶時，這種偏析也稱枝晶偏5．成分過冷

在液態(tài)合金的凝固過程中，即使溶液的實際溫度分布一定，由于溶液中溶質分布的變化，改變了熔點，此時過冷是由成分變化和實際溫度分布兩個因素來決定的。這種過冷稱為成分過冷。5．成分過冷在液態(tài)合金的凝固過程中，即使溶§3-5共晶相圖及其合金的結晶共晶相圖：液態(tài)完全互溶，固態(tài)有限互溶（或完全不溶）并發(fā)生共晶轉變,生成共晶組織的二元系合金相圖,稱為二元共晶相圖。

典型相圖有:Pb-Sn,Pb-Sb,Ag-Cu等.

共晶合金具有優(yōu)良的鑄造性能!§3-5共晶相圖及其合金的結晶共晶相圖：液態(tài)完全互溶，固點：A點：純Pb熔點，B點：純Sn熔點線：AEB：液相線；AMENB：固相線；MEN：一、相圖分析（以Pb-Sn合金為例，如圖）點：A點：純Pb熔點，B點：純Sn熔點一、相圖分析（以Pb相區(qū)：單相區(qū)：L、α、β；兩相區(qū)：L+α、L+β，α+β；三相平衡：L+α+β。共晶轉變：一定成分的液相，在一定的溫度下同時結晶出成分不同的兩個固相，稱為共晶轉變。

共晶轉變時,E點稱為共晶成分點，成分位于E點的合金稱為共晶合金，成分位于M點到E點的稱為亞共晶合金，成分位于E點到N點的稱為過共晶合金。相區(qū)：單相區(qū)：L、α、β；兩相區(qū)：L+α、L+β，α+β；三二、典型合金的平衡結晶及其組織1、含Sn量小于19%的合金

1點以上為液相，1~2點結晶出α相，液相成分沿AE線變化，固相成分沿AM線變化，2~3點為單相α，3點以下從過飽和的α中析出二次（次生）β，即βII。

室溫下，該合金的相組成為α+β；組織為α+βII。

成分位于N點右邊的合金與上述合金結晶過程完全相同，只需將α改為β，β改為α即可。二、典型合金的平衡結晶及其組織α+β相在室溫的含量為:ωβ=F4/FG×100%α+β相在室溫的含量為:ωβ=F4/FG×100%1點以上為液相，冷卻到1點，發(fā)生共晶轉變：

共晶轉變結束后，相組成為α、β，相對量為：2、共晶合金（含61.9%Sn）

，

β1點以上為液相，冷卻到1點，發(fā)生共晶轉變：共晶轉變結組織為（α+β）共晶體，相對量為100%。

1點以下，將從α中析出βII，從β中析出αII，但αII和βII會附著在共晶α和β相上長大，無法區(qū)分，故結晶結束后，相組成為α、β，組織組成為（α+β）共晶體。共晶組織的形態(tài)有層片狀、纖維狀、短棒狀、針狀、螺旋狀等。組織為（α+β）共晶體，相對量為100%。共晶組織的形態(tài)有層共晶組織的形成過程!!以層片狀為例共晶組織的形成過程!!以層片狀為例α+β3、亞共晶合金（含Sn量在1961.9%之間）

以50%Sn為例：

1點以上，液相；12點，液相中結晶出初生α，液相成分沿AE線變化，固相成分沿AM線變化；到2點，發(fā)生共晶轉變：

，共晶轉變結束后，組織組成為α、（α+β），其相對量為：

，αα+β3、亞共晶合金（含Sn量在1961.9%之間）共晶轉變結束后相組成為：α、β，其相對量為：

β共晶轉變結束后相組成為：α、β，其相對量為：β繼續(xù)冷卻，初生α中將析出次生的βII，共晶（α+β）不變。因此，結晶結束后，室溫相組成為，α、β；組織組成為α、βII、（α+β）。繼續(xù)冷卻，初生α中將析出次生的βII，共晶（α+β）不變。因4、過共晶合金（含Sn量61.9~97.5%）

與亞共晶合金結晶相似。4、過共晶合金（含Sn量61.9~97.5%）三、不平衡結晶及組織（一）偽共晶在不平衡結晶時，成分在共晶點附近的亞（過）共晶合金，可以得到全部共晶組織，這種非共晶成分得到的共晶組織稱為偽共晶。（二）離異共晶在先共晶相數(shù)量較多而共晶組織甚少的情況下，有時共晶組織中與先共晶相相同的那一相，會依附于先共晶相上生長，剩下的另一相則單獨存在于晶界處，從而使共晶組織的特征消失，這種兩相分離的共晶稱為離異共晶。三、不平衡結晶及組織§3-7其它類型的二元合金相圖具有共析轉變的相圖---具有固態(tài)轉變

共析轉變：一定成分的固相在一定溫度下同時轉變?yōu)榱硗鈨蓚€固相的過程。§3-7其它類型的二元合金相圖具有共析轉變的相圖---具第3章二元合金的相結構與結晶概要課件§3-8二元相圖的分析與使用

一、二元相圖的一些幾何規(guī)律1、相區(qū)接觸法則：兩個單相區(qū)之間，必定有一個由這兩個相所組成的兩相區(qū)隔開，二不能以一條線分界。兩個兩相區(qū)必須以單相區(qū)或三相區(qū)（水平線）隔開。2、二元相圖的三相平衡區(qū)必定是一條等溫水平線。§3-8二元相圖的分析與使用

一、二元相圖的一些幾何規(guī)律二、二元相圖的分析方法1、一般分析法（1）確定兩組元是否有多晶型轉變，是否存在穩(wěn)定化合物。（2）認定各單相區(qū)及其中的相。（3）找出三相共存的等溫水平線。（4）合金處于單相區(qū)時，合金成分即為該相成分。二、二元相圖的分析方法2、復雜二元相圖的分析鐵碳合金相圖再詳細分析。3、相圖應用的條件性（1）主要研究組成相的平衡狀態(tài)與變化規(guī)律，不能提供相的具體形態(tài)、大小與分布等組織概念。（2）相圖是平衡狀態(tài)圖，與實際結晶有差異。（3）相圖的誤差。（4）相圖往往只利用其中有價值的部分。2、復雜二元相圖的分析三、根據(jù)相圖推測合金的性能（一）根據(jù)相圖判斷合金的力學、物理性能三、根據(jù)相圖推測合金的性能（一）根據(jù)相圖判斷合金的力學、物理（二）根據(jù)相圖判斷合金的鑄造性能（二）根據(jù)相圖判斷合金的鑄造性能謝謝大家！謝謝大家！授課教師:楊秀英金屬學及熱處理沈陽理工大學應用技術學院授課教師:楊秀英金屬學及熱處理沈陽理工大學應用技術學院

第3章二元合金的相結構與結晶§3.1合金中的相§3.2合金的相結構§3.3二元合金相圖§3.4勻晶相圖及固溶體的結晶§3.5共晶相圖及合金的結晶§3.6二元相圖的分析和使用

第3章二元合金的相結構與結晶§3.1合金中的相§3.2

一、引言—工程生產(chǎn)中的金屬材料不能用純金屬(強度低),而是用強度(性能)好的合金,有必要研究合金結構二、正文—二元合金的相結構與結晶

三、結論(包括作業(yè)、思考題或習題)課堂內容設計一、引言—工程生產(chǎn)中的金屬材料不能用純金屬(強度低),而一、引言—工程生產(chǎn)中的金屬材料不能用純金屬(強度低),而是用強度(性能)好的合金,有必要研究合金結構----包括化學成分、合金相、晶體結構、組織狀態(tài)等---相圖一、引言—工程生產(chǎn)中的金屬材料不能用純金屬(強度低),而是用第一節(jié)合金中的相合金：由兩種或兩種以上的元素組成，其中至少有一種為金屬，經(jīng)過熔煉燒結或其他方法組合形成具有金屬性的材料稱為合金。例鋼鐵、黃銅、白銅等組元：通常把組成材料的最簡單、最基本、能夠獨立存在的物質稱為組元。組元大多數(shù)情況下是元素；在研究的范圍內既不分解也不發(fā)生任何化學反應的穩(wěn)定化合物也可成為組元，例如碳鋼。合金系：由給定的組元配置成一系列成分不同的合金。二元合金:三元合金:多元合金:相關概念第一節(jié)合金中的相合金：由兩種或兩種以上的元素組成，其中至相：凡成分均一、晶體結構相同并與其它部分有界面分開的物質均勻組成部分，稱之為相。在合金中，按其晶格結構的基本屬性來分，可分為固溶體和金屬化合物兩大類。組織：人們用肉眼或借助某種工具（放大鏡、光學顯微鏡、電子顯微鏡等）所觀察到的材料形貌。它決定于組成相的類型、形狀、大小、數(shù)量、分布等。相是組織的基本組成部分。同樣的相,當它們的形態(tài)和分布不同時,就會有不同的組織.

組織組成物：組織中形貌相同的組成部分。相：凡成分均一、晶體結構相同并與其它部分有界面分開的物質均勻

純鐵中的相：α-Fe

鋼中的相：鐵素體(α)＋滲碳體(Fe3C)純鐵0.45%C鋼α相α相Fe3C相純鐵、鋼中的相

純鐵中的相：α-Fe純鐵0.45%C鋼α相α相20mCu-30Ni-20Cr20mCu-30Ni-20Cr第二節(jié)合金中的相結構相的種類繁多,不同的相具有不同的晶體結構,根據(jù)晶體結構特點,可以將其分為固溶體和金屬化合物相結構---合金的晶體結構（一）固溶體

合金組元溶解形成一種成分和性能均勻的、且晶格類型與組元之一相同的固相稱之為固溶體。（二）金屬化合物

定義：合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相稱之為金屬化合物。第二節(jié)合金中的相結構相的種類繁多,不同的相具有不同的晶體二、金屬化合物一、固溶體（一）固溶體的分類（二）置換固溶體（三）間隙固溶體

（四）固溶體的結構

（五）固溶體的性能特點二、金屬化合物一、固溶體（一）固溶體的分類（二）置換固溶體（一、固溶體與固溶體的晶格相同的組成元素稱為溶劑，在固溶體中一般都占有較大的含量；其它的組成元素稱為溶質，其含量與溶劑相比為較少。

固溶體即一些元素進入某一組元的晶格中，不改變其晶體結構，形成的均勻相。

溶質原子溶入固溶體中的量稱為固溶體的濃度。濃度或溶解度一般用溶質元素所占的重量百分比來表示(wt%

)。一、固溶體與固溶體的晶格相同的組成元素稱為溶劑，在固（一）固溶體的分類1.按溶質原子在固溶體(溶劑)晶格中的位置不同可分為：1)置換固溶體溶質原子取代了部分溶劑晶格中某些節(jié)點上的溶劑原子而形成的固溶體。2)間隙固溶體溶質原子嵌入溶劑晶格的空隙中，不占據(jù)晶格結點位置。（一）固溶體的分類1.按溶質原子在固溶體(溶劑)晶格中的位溶劑原子

溶質原子

溶劑原子 溶質原子 （一）固溶體的分類2.按固溶度1)無限溶解固溶體溶質可以任意比例溶入溶劑晶格中。構成無限固溶體。這是把含量較高的組元稱為溶劑，含量較少的組元稱為溶質。2)有限溶解固溶體溶質原子在固溶體中的濃度有一定限度，超過這個限度就會有其它相(另一種固溶體或化合物)的形成。間隙固溶體都是有限溶解固溶體。在金屬材料中，通常是過渡族金屬元素為溶劑，小尺寸的C、N、H、O、B等元素為溶質。（一）固溶體的分類2.按固溶度1)無限溶解固溶體溶質可以3.按溶質原子在溶劑晶格中的分布特點1)無序固溶體溶質原子在溶劑晶格中分布是任意的，沒有任何規(guī)律性，僅統(tǒng)計角度上是均勻分布的。2)有序固溶體溶質原子以一定的比例，按一定方向和順序有規(guī)律地分布在溶劑的晶格間隙中或結點上。

在有些材料中，固溶體還存在有序化轉變，即在一定的條件(如溫度、壓力)下，無序固溶體和有序固溶體之間會發(fā)生相互轉變。3.按溶質原子在溶劑晶格中的分布特點1)無序固溶體溶質置換固溶體的溶解度大小十分懸殊，主要有以下因素影響：

影響溶解度的因素很多，目前還在研究中，現(xiàn)在公認的有：1．原子尺寸因素

在置換固溶體中，溶質原子的尺寸和溶劑相近，溶解度也愈大，Δr小于15%時才有利于形成置換固溶體，要能達到無限互溶，Δr的值還要小一些。間隙固溶體的形成的基本條件D質/D劑<0.59。在間隙固溶體中，顯然D質/D劑愈小，即溶質原子的尺寸愈小，溶解度也大。間隙固溶體只能有限溶解。（二）置換固溶體置換固溶體的溶解度大小十分懸殊，主要有以下因素影響：

影響溶影響固溶體溶解度的因素2．晶體結構因素

組元間晶體結構相同時，固溶度一般都較大，而且才有可能形成無限固溶體。若組元間的晶體結構不同，便只能生成有限固溶體。3．電負性差

電負性為這些元素的原子自其它原子奪取電子而變?yōu)樨撾x子的能力。反映兩元素的化學性能差別。兩元素間電負性差越小，則越容易形成固溶體，且所形成的固溶體的溶解度也就越大；隨兩元素間電負性差增大，溶解度減小，當其差別很大時，往往形成較穩(wěn)定的化合物。影響固溶體溶解度的因素2．晶體結構因素組元間晶體結影響固溶體溶解度的因素4．電子濃度

在金屬材料(合金)中，價電子數(shù)目(e)與原子數(shù)目(a)之比稱為電子濃度。由于溶質和溶劑的價電子數(shù)可能不同，電子濃度e/a=VA(1-x)+VBx。其中x為溶質的原子百分比濃度(摩爾分數(shù))，VA、VB分別為溶劑和溶質的價電子數(shù)。

一方面，溶質和溶劑的價電子數(shù)目相差大，它們的電負性的差別也大，溶解度會下降。另一方面，當e/a為某些特定值時形成一新的晶體結構，因此它們的溶解度也就受到相應的限制。影響固溶體溶解度的因素4．電子濃度在金屬材料(（三）間隙固溶體間隙固溶體的溶解度，除與溶質原子尺寸因素有關外，主要取決于溶劑晶體點陣的間隙大小與形狀及其所引起的點陣畸變。由于間隙尺寸大多小于溶質原子的尺寸，故間隙固溶體晶格畸變較大，所以，間隙固溶體的溶解度總是有限的。（三）間隙固溶體

（四）固溶體的結構

1、晶格畸變

在固溶體中，由于溶質原子的存在及其尺寸差別，將使周圍溶劑原子排列的規(guī)律性在一定范圍內受到不同程度的干擾，并引起彈性應變——點陣畸變。對于置換固溶體，若溶質原子尺寸大于溶劑原子，則使周圍點陣發(fā)生膨脹位移；反之，將引起收縮。在間隙固溶體中，溶質原子尺寸多大于點陣間隙，故通常使點陣發(fā)生膨脹變化。

（四）固溶體的結構1、晶格畸變

在固溶體中，由于溶質原2、偏聚與有序

當同類原子（A-A、B-B）結合較強而處于低能量狀態(tài)時，則溶質與溶劑分別在一定范圍內各自傾向聚集，形成偏聚結構；

異類原子（A-B）結合較強時，則溶質原子在固溶體點陣的一定范圍內趨于有規(guī)則分布，形成短程有序結構。

2、偏聚與有序

當同類原子（A-A、B-B）結合較強而處※無論是置換固溶體還是間隙固溶體，由于溶質原子尺寸與溶劑原子不同，其晶格都會產(chǎn)生畸變。由于晶格畸變增加了位錯移動的阻力，使滑移變形難以進行，因此，固溶體的強度和硬度提高，塑性和韌性則有所下降。這種通過溶入某種溶質元素來形成固溶體而使金屬的強度、硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。

（五）固溶體的性能特點※無論是置換固溶體還是間隙固溶體，由于溶質原子尺寸與溶劑原子由于固溶體的晶體結構與溶劑相同，固溶體的性能基本上與原溶劑的性能相近，換句話說，固溶體的性能主要決定于溶劑的性能，或在溶劑性能基礎上發(fā)生一些改變。固溶體的性能與原溶劑性能的差別，或稱性能變化的大小，隨著溶質的濃度(含量)的增加而加大。固溶強化是效提高金屬材料力學性能的途徑之一。固溶體比純金屬和金屬化合物具有更為優(yōu)越的綜合力學性能由于固溶體的晶體結構與溶劑相同，固溶體的性能基本上與原溶劑的二、金屬化合物化合物（中間相）概念

當溶質的含量超過了其溶解度，在材料中將出現(xiàn)新相。其晶體結構與組元都不相同，表明生成了新的物質。所以，化合物是構成的組元相互作用，生成不同與任何組元晶體結構的新物質。化合物結構的特點，一是有基本固定的原子數(shù)目比，可用化學分子式表示，二是晶體結構不同于其任何組元。在以下將學習的相圖中，它們的位置都在相圖的中間，所以也稱為中間相。

在金屬材料中，原子之間的結合除離子鍵和共價鍵，金屬鍵也參與作用，如果生成的化合外物具有金屬性，則稱之為金屬化合物。二、金屬化合物化合物（中間相）概念當溶質的含量超過了金屬化合物的類型1.正常價化合物

兩組元服從原子價規(guī)律而生成的正常化學中所稱的化合物。通常是金屬元素與非金屬元素組成，組元間電負性差起主要作用，兩組元間電負性差較大，它們符合一般化合物的原子價規(guī)律。例如MnS、Al2O3、TiN、ZrO2等，其結合鍵為離子鍵；也有的是共價鍵，如SiC；少數(shù)也有以金屬鍵結合,如Mg2Pb。金屬化合物的類型1.正常價化合物金屬化合物的類型2.電子化合物電子化合物這類化合物大多是以第Ⅰ族或過渡族金屬元素與第Ⅱ至第Ⅴ族金屬元素結合而成。它們也可以用分子式表示，但大多不符合正常化學價規(guī)律。當e/a為某些特定值時形成一新的晶體結構，并且電子濃度不同，其對應的晶體結構的類型也就不同。常間的電子濃度值有21/14、21/13、21/12。由于這類中間相與電子濃度有關，所以就稱為電子化合物，主要出現(xiàn)在金屬材料中，它們的結合鍵為金屬鍵。一些常見的電子化合物可參看教材。例如Cu31Sn8，電子濃度21/13，具有復雜立方晶格。金屬化合物的類型2.電子化合物電子化合物這類化合物大多是金屬化合物的類型3.間隙相和間隙化合物尺寸因素化合物(間隙相與間隙化合物)

主要受組元的原子尺寸因素控制，通常是由過渡族金屬原子與原子半徑小于0.1nm的非金屬元素碳、氮、氫、氧、硼所組成。由于非金屬元素(X)與金屬元素(M)原子半徑比不同，結構也有所不同。

當rX/rM<0.59時，形成具有簡單晶體結構的化合物，如fcc、bcc、hcp或簡單立方，通常稱它們?yōu)殚g隙相，相應的分子式也較簡單，如M4X、M2X、MX、MX2等。當rX/rM>0.59時，形成的化合物的晶體結構也較復雜，通常稱它們?yōu)殚g隙化合物，相應的分子式也較復雜，如鋼中常見的Fe3C、Cr7C3、Cr23C6等。金屬化合物的類型3.間隙相和間隙化合物尺寸因素化合物(間隙相金屬化合物的類型間隙化合物通常晶體結構較復雜金屬化合物的類型間隙化合物通常晶體結構較復雜金屬化合物的性能特點

大多數(shù)化合物，特別是正常價化合物，熔點都較高(結合鍵強的表現(xiàn)之一)，力學性能表現(xiàn)為硬而脆。

間隙相的硬度要大于間隙化合物的硬度少量硬度高的質點加入到塑性材料中，將明顯提高材料的強度，即第二相強化機制。間隙相具有極高的熔點和硬度，具有明顯的金屬特性。間隙化合物具有很高的熔點和硬度，但加熱時易分解。金屬化合物的性能特點大多數(shù)化合物，特別是正常價化小結

合金組元相組織組織組成物固溶體金屬化合物固溶體和金屬化合物的類型、結構特點，影響其結構的因素。相結構與材料的性能之間的關系。名詞概念理解內容小結合金組元相組織組織組成物固溶體第三節(jié)二元合金相圖的建立相圖：相圖又稱為狀態(tài)圖，它是表示體系的成分、外界環(huán)境和組成相與相之間的平衡關系的幾何圖形。

它是研究材料組織變化規(guī)律的重要參考工具。

外界環(huán)境主要是溫度和壓力第三節(jié)二元合金相圖的建立相圖：相圖又稱為狀態(tài)圖，它是

相圖就是表示物質的狀態(tài)和溫度、壓力、成分之間的關系的簡明圖解。表示在熱力學平衡條件下，各種成分的物質在不同溫度、壓力下的相組成、各種相的成分、相的相對量。相圖就是表示物質的狀態(tài)和溫度、壓力、成分之間的關系的簡明圖二元相圖：當存在兩個組元時，成分也是變量，但一種組元的含量為獨立，另一組元則為余下部分。為在二維平面上表示，通常只考慮在常壓下，取兩個變量溫度和成分。橫坐標用線段表示成分，縱坐標表示溫度。平面上以按這時平衡狀態(tài)下存在的相來分隔。(如圖)二元相圖：當存在兩個組元時，成分也是變量，但一種組元的含量為相圖用途：由材料的成分和溫度預知平衡相；材料的成分一定而溫度發(fā)生變化時其他平衡相變化的規(guī)律；估算平衡相的數(shù)量。預測材料的組織和性能相圖用途：由材料的成分和溫度預知平衡相；相圖的基本知識二元相圖的表示方法（板書）二元相圖的測定

相圖的基本知識二元相圖的表示方法（板書）相律與杠桿定律相律是表示在平衡條件下，系統(tǒng)的自由度數(shù)、組元數(shù)和平衡相數(shù)之間的關系式。

f=c–p+2f為系統(tǒng)的自由度數(shù)；c為組元數(shù);P為平衡相數(shù)。相律與杠桿定律杠桿定理（板書）（適用兩相區(qū)）

杠桿定理（板書）（適用兩相區(qū)）二元相圖的基本類型

勻晶相圖：兩組元在液固狀態(tài)下都無限互溶1.相圖分析

由液相結晶出單相固溶體的過程被稱為勻晶轉變。

在液態(tài)和固態(tài)均無限互溶的相圖。如Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、W-Mo等。相圖分析（以Cu-Ni為例）：二元相圖的基本類型勻晶相圖：兩組元在液固狀態(tài)下都無限互溶

點：純Cu熔點、純Ni熔點線：液相線、固相線相區(qū)：單相區(qū)L、α，兩相區(qū)L+α點：純Cu熔點、純Ni熔點2.固溶體合金的平衡結晶過程

平衡結晶是指結晶過程中每個階段都能達到平衡，因此平衡結晶是在極其緩慢的冷速下實現(xiàn)2.固溶體合金的平衡結晶過程1、平衡結晶過程任一合金在液相線以上時，保持單一液態(tài)，冷卻到液相線時，開始結晶出固相α，保持L+α兩相平衡直至冷卻到固相線溫度為止。室溫組織為單相α固溶體。2、勻晶轉變的形核與生長主要依靠結構起伏和能量起伏形核，但由于開始析出相α與原合金成分不同，因而新相形核還必須借助液態(tài)合金中組元原子分布的微觀不均勻性提供的濃度起伏。α相長大過程中，固相成分和剩余液相成分在不斷的變化，其變化規(guī)律是：液相成分始終沿液相線變化，而固相成分始終沿固相線變化。1、平衡結晶過程平衡結晶過程如下：

固溶體晶核形成，造成液固界面的濃度梯度，進行擴散，固液界面不平衡，晶體長大平衡結晶過程如下：3．固溶體合金的不平衡結晶

在實際冷卻過程中，結晶常常在幾分鐘甚至數(shù)小時內完成，固溶體成分來不及擴散至均勻。這種結晶過程被稱為不平衡結晶。

不平衡結晶的組織，合金內部成分不均勻的現(xiàn)象被稱為“偏析”。而晶粒內部成分不均勻的現(xiàn)象被稱為“晶內偏析”．樹枝晶內的偏析被稱為“枝晶偏析”。3．固溶體合金的不平衡結晶第3章二元合金的相結構與結晶概要課件實際生產(chǎn)條件下，液態(tài)合金的結晶是在較快的冷卻速度下進行的，組元原子得不到充分擴散，稱為非平衡結晶，所得組織稱為非平衡組織。非平衡結晶時，存在顯微組織的化學成分不均勻性問題，先結晶的部分含高熔點組元較多，后結晶的部分含低熔點組元較多，這種現(xiàn)象稱為晶內偏析。實際生產(chǎn)條件下，液態(tài)合金的結晶是在較快的冷卻當固溶體以樹枝狀方式結晶時，這種偏析也稱枝晶偏析。枝晶偏析的程度取決于結晶時的冷卻速度、偏析元素的擴散能力以及相圖中液-固線的距離等因素。

嚴重的枝晶偏析將惡化合金的性能，生產(chǎn)上常把有枝晶偏析的合金加熱到固相線以下100~200℃進行長時間保溫，使原子充分擴散，實現(xiàn)成分均勻化，這種處理方法成為均勻化退火或擴散退火當固溶體以樹枝狀方式結晶時，這種偏析也稱枝晶偏5．成分過冷

在液態(tài)合金的凝固過程中，即使溶液的實際溫度分布一定，由于溶液中溶質分布的變化，改變了熔點，此時過冷是由成分變化和實際溫度分布兩個因素來決定的。這種過冷稱為成分過冷。5．成分過冷在液態(tài)合金的凝固過程中，即使溶§3-5共晶相圖及其合金的結晶共晶相圖：液態(tài)完全互溶，固態(tài)有限互溶（或完全不溶）并發(fā)生共晶轉變,生成共晶組織的二元系合金相圖,稱為二元共晶相圖。

典型相圖有:Pb-Sn,Pb-Sb,Ag-Cu等.

共晶合金具有優(yōu)良的鑄造性能!§3-5共晶相圖及其合金的結晶共晶相圖：液態(tài)完全互溶，固點：A點：純Pb熔點，B點：純Sn熔點線：AEB：液相線；AMENB：固相線；MEN：一、相圖分析（以Pb-Sn合金為例，如圖）點：A點：純Pb熔點，B點：純Sn熔點一、相圖分析（以Pb相區(qū)：單相區(qū)：L、α、β；兩相區(qū)：L+α、L+β，α+β；三相平衡：L+α+β。共晶轉變：一定成分的液相，在一定的溫度下同時結晶出成分不同的兩個固相，稱為共晶轉變。

共晶轉變時