第二章 金属与合金的晶体结构和二元合金相图

1、l金属的性能取决于组织，组织取决于金属的性能取决于组织，组织取决于成分与加工工艺。因此，必须研究金成分与加工工艺。因此，必须研究金属与合金的内部组织结构及他们与成属与合金的内部组织结构及他们与成分、温度及加工方法等因素之间的相分、温度及加工方法等因素之间的相互关系。互关系。l金属原子是通过正离子与自由电子的金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为相互作用而结合的，称为金属键金属键。l金属原子趋向于紧密排列。金属原子趋向于紧密排列。l金属具有良好的导热性、导电性、延金属具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。展性及金属光泽。 1、晶体与非晶体、晶体与非晶体 晶体晶体是指原子呈规

2、则排列的固体。是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有以晶体形式存在。晶体具有各向异性各向异性和和固定熔点固定熔点特性。特性。 非晶体非晶体是指原子呈无序排列的固体是指原子呈无序排列的固体( (玻璃、石蜡、松玻璃、石蜡、松香等）。香等）。非晶体具有非晶体具有各向同性各向同性、没有、没有固定的熔点。固定的熔点。在一在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。定条件下晶体和非晶体可互相转化。金属的结构金属的结构晶态晶态非晶态非晶态Si2O的结构的结构l晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架三维空间格架。直线

3、的交点（即原子中心）称。直线的交点（即原子中心）称结点结点。由结点形成的空间点的阵列称由结点形成的空间点的阵列称空间点阵空间点阵。l晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元能代表晶格原子排列规律的最小几何单元. .晶体晶格晶胞示意图晶体晶格晶胞示意图l晶格常数：晶格常数：晶胞各边的晶胞各边的 尺寸尺寸 a、b、c。各棱间各棱间 的夹角用的夹角用 、 、 表示。表示。l3、晶系：、晶系：l根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。l90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。以上的金属具有立方晶系和六方晶系。l立方晶系：立方晶系：a=b=c， = = =90

4、 l六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c, = =90 , =120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜l4、原子半径：、原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半间距的一半。l5、晶胞原子数：、晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目一个晶胞内所包含的原子数目。l6、配位数：、配位数：晶格中与任晶格中与任一原子距离最近且相等的一原子距离最近且相等的原子数目原子数目。l7、致密度：、致密度：晶胞中原子晶胞中原子本身所占的体积百分数本身所占的体积百分数。 致密度越大，原子排列越紧密。因此，当晶体从面致密度越大，原子排列越紧密。因此

5、，当晶体从面心立方晶格转变为体心立方晶格时，由于致密度减小而心立方晶格转变为体心立方晶格时，由于致密度减小而体积膨胀。体积膨胀。8、晶面：、晶面：在金属晶体中，经过一系列原子所构成的平面。在金属晶体中，经过一系列原子所构成的平面。9、晶向：、晶向：通过两个以上原子的直线，表示某一原子在空通过两个以上原子的直线，表示某一原子在空间的位置。间的位置。10、晶面（晶向）指数：、晶面（晶向）指数：表示不同位相的晶面或晶向的符表示不同位相的晶面或晶向的符号。号。(111);110二、常见金属的晶格类型二、常见金属的晶格类型l体心立方晶格体心立方晶格(BCC)l体心立方晶格体心立方晶格(BCC)晶胞晶胞原

6、子个数：原子个数：2致密度：致密度：0.68致密度致密度=Va /Vc，其中，其中 Vc:晶胞体积晶胞体积a3 Va:原子总体积原子总体积2 4 r3/3常见金属：常见金属： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)ar43 原子半径：原子半径：l面心立方晶格面心立方晶格(FCC)a42r ：原子半径原子半径晶胞晶胞原子个数：原子个数：4致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb等等晶格常数晶格常数：al面心立方晶格面心立方晶格(FCC)l密排六方晶格密排六方晶格(HCP)a21r ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6致密度

7、：致密度：0.74常见金属：常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常数：晶格常数：底面边长底面边长 a 和高和高 c， c/a=1.633l密排六方晶格密排六方晶格(HCP) 1、单晶体和、单晶体和多晶体多晶体 单晶体：单晶体：其内部晶格方位完其内部晶格方位完 全一致的晶体。全一致的晶体。 多晶体：多晶体： 晶粒：晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒晶粒。变变形金属晶粒尺寸约形金属晶粒尺寸约1100 m，铸造金属可达几，铸造金属可达几mm。铅锭宏观组织铅锭宏观

8、组织l晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。l多晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶体由多晶粒组成的晶体 结构。结构。l2、晶体缺陷及其晶体缺陷及其 与性能之间的关系与性能之间的关系l晶格的不完整部位称晶格的不完整部位称晶体缺陷晶体缺陷。光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界l实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类：实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类：l 点缺陷点缺陷l 空位：空位：晶格中某些缺排原子的空结点。晶格中某些缺排原子的空结点。l 间隙原子：间隙原子：挤进晶格间隙中的原子称间隙原子。挤进晶格间隙中的原子称间隙原子。l间隙原子可以是基体金属原子，也可以

9、是外来原子间隙原子可以是基体金属原子，也可以是外来原子。l 置换原子：置换原子：取代原来原子位置的外来原取代原来原子位置的外来原子称子称置换原子置换原子。l点缺陷破坏了原子的平衡状点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称态，使晶格发生扭曲，称晶晶格畸变格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位空位间隙原子间隙原子小置换原子小置换原子大置换原子大置换原子 刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错l 线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区

10、的交界线称局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作作位错位错。有。有刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错两种类型。两种类型。l刃型位错：刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是余原子面的边缘就是刃型位错刃型位错。l半原子面在滑移面以上的称半原子面在滑移面以上的称正位错正位错，用，用“”表示。表示。l半原子面在滑移面以下的称半原子面在滑移面以下的称负位错负位错，用，用“”表示。表示。l位错密度：位错密度：单位体积内所单位体积内所 包含的位错线总长度

11、。包含的位错线总长度。 = S/V (cm/cm3或或1/cm2)l金属中的位错密度为金属中的位错密度为1041012 /cm2 。l位错对性能的影响：位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。从从 - 关系可以看出，减少或增加位错密度都可以关系可以看出，减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。提高金属的强度。透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线(黑线黑线)l 面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界l晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为是不同位向晶粒的过度部

12、位，宽度为510个原个原子间距，位向差一般为子间距，位向差一般为2040。亚晶粒亚晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位错壁位错壁l亚晶粒亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小（10 2 )的小晶块。的小晶块。l亚晶粒之间的交界面称亚晶粒之间的交界面称亚晶界亚晶界。亚晶界也可看。亚晶界也可看作作位错壁位错壁。l晶界的特点：晶界的特点：l 原子排列不规则。原子排列不规则。l 熔点低。熔点低。l 耐蚀性差。耐蚀性差。l 易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。l 阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用阻碍位错运动，是强化部位，

13、因而实际使用的金属力求获得细晶粒。的金属力求获得细晶粒。l 是相变的优先形核部位。是相变的优先形核部位。 l物质由液态转变为固态的过程称为物质由液态转变为固态的过程称为凝固凝固。l物质由液态转变为晶态的过程称为物质由液态转变为晶态的过程称为结晶结晶。晶体液体液体结晶结晶结晶： 液体液体 - - 晶体晶体凝固： 液体液体 - - 固体（晶体固体（晶体 或或 非晶体）非晶体）物质由一个相转变为物质由一个相转变为另一个相的过程称为另一个相的过程称为相变相变。因而结晶过程。因而结晶过程是相变过程。是相变过程。l一、纯金属的结晶一、纯金属的结晶l1、冷却曲线与过冷度、冷却曲线与过冷度l金属结晶时温度与时

14、间的关系曲金属结晶时温度与时间的关系曲线称线称冷却曲线。冷却曲线。曲线上水平阶段曲线上水平阶段所对应的温度称所对应的温度称实际结晶温度实际结晶温度T1。l 曲线上水平阶段曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热与液态金是由于结晶时放出结晶潜热与液态金属向周围散失的热量相等引起的。属向周围散失的热量相等引起的。 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线 过冷与过冷度过冷与过冷度l纯金属都有一个纯金属都有一个理论结晶温度理论结晶温度T0(熔点熔点或或平衡结晶平衡结晶温度温度)。在该温度下。在该温度下, 液体和晶体处于液体和晶体处于动平衡状态动平衡状态。l结晶只有在结晶只有在T0以下的实际以下的实际 结晶温度

15、下才能进行。结晶温度下才能进行。雾凇雾凇l液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称现象称过冷过冷。理论结晶温度与实际结晶温理论结晶温度与实际结晶温度的差度的差 T称称过冷度过冷度。 T= T0 T1l过冷度大小与冷却速过冷度大小与冷却速 度有关，度有关，冷速越大，冷速越大， 过冷度越大过冷度越大。 （1）结晶的基本过程）结晶的基本过程l结晶由结晶由晶核的形成晶核的形成和和晶核晶核 的长大的长大两个基本过程组成。两个基本过程组成。l液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为们时聚时散，称为晶坯晶坯。在

16、。在T0以下，经一段时间以下，经一段时间后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯将会长大，后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称为称为晶核晶核。界面自由能界面自由能体积自由能体积自由能晶胚晶胚晶核晶核rrcG*自由能变化自由能变化Gl晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界触后形成晶界。 （2）晶核的形成方式晶核的形成方式l形核有两种方式，即形核有两种方式，即均匀形核均匀形核和

17、和非均匀形核非均匀形核。l由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。l以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍非均匀形核更为普遍。非均匀形核示意图非均匀形核示意图 （3）晶核的长大方式晶核的长大方式l晶核的长大方式有两种，即晶核的长大方式有两种，即 均匀长大均匀长大和和树枝状长大树枝状长大。l在在正温度梯度正温度梯度下，晶体生长下，晶体生长 以平面状态向前推进。以平面状态向前推进。光滑界面光滑界面粗糙界面粗糙界面正温度梯度正温度梯度l实际金属的结晶主要以树枝状长大。实际金属的结晶

18、主要以树枝状长大。l这是由于存在这是由于存在负温度梯度，负温度梯度，且且晶核棱角处的散热晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成条件好，生长快，先形成一次轴一次轴，一次轴又会产，一次轴又会产生生二次轴二次轴，树枝间最后被填充。，树枝间最后被填充。负温度梯度负温度梯度金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶l（1）晶粒度）晶粒度l表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫晶晶 粒度粒度。晶粒度可用晶粒的晶粒度可用晶粒的 平均面积或平均直径表示。平均面积或平均直径表示。l工业生产上采用工业生产上采用晶粒度等级晶粒度等级来表示晶粒大小。来表示晶粒大小。

19、标准标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。 （2）决定晶粒度的因素）决定晶粒度的因素l晶粒的大小取决于晶粒的大小取决于晶核的形成速度晶核的形成速度和和长大速度长大速度。l单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率形核率(N)。l单位时间内晶核生长的长度单位时间内晶核生长的长度过冷度对过冷度对N、G的影响的影响叫叫长大速度长大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越细小比值越大，晶粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制长因此，凡是促进形核、

20、抑制长大的因素，都能细化晶粒。大的因素，都能细化晶粒。 1、控制过冷度控制过冷度：随过冷度随过冷度增增 加，加，N/G值增加，晶粒变细。值增加，晶粒变细。 2、变质处理变质处理：又又称孕育处理称孕育处理。 即有意向液态金属内加入非即有意向液态金属内加入非 均匀形核物质从而细化晶粒的方法。均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的所加入的非均匀形核物质叫非均匀形核物质叫变质剂变质剂（或（或称孕育剂称孕育剂）。）。硅铁、硅钙合金硅铁、硅钙合金-铁水铁水钛、锆钛、锆-铝合金液铝合金液体体钛、钒、铝钛、钒、铝-钢水钢水 3、振动、搅拌等振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或对正在结晶的金属进行振动或搅

21、动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶另一方面也可使成长中的枝晶 破碎，使晶核数目显著增加。破碎，使晶核数目显著增加。 电磁搅拌细化晶粒示意图电磁搅拌细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图l 高温下，高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而因而高温下晶粒过大、过小都不好。高温下晶粒过大、过小都不好。 晶粒大小与金属强度的关系晶粒大小与金属强度的关系常温下常温下，晶粒越细，

22、晶粒越细，晶晶界面积越大，因而界面积越大，因而金属金属的强度、硬度越高，同的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好时塑性、韧性也越好。即即细晶强化细晶强化。l物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素同素异晶转变异晶转变。同素异晶转变属于同素异晶转变属于 相变之一相变之一固态相变固态相变。 1、铁的同素异晶转变、铁的同素异晶转变l铁在固态冷却过程中有两次晶铁在固态冷却过程中有两次晶 体结构变化，其变化为体结构变化，其变化为：纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变1394912 -Fe -Fe -Fe纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变-Fe，bcc -Fe，f

23、cc -Fe，bcc1394 C912 C -Fe，fcc -Fe，bcc912 C 2、固态转变的特点、固态转变的特点l固态下的相变也是一个形核和长大的过程固态下的相变也是一个形核和长大的过程，但有，但有着与结晶不同之处，着与结晶不同之处，其特点为：其特点为：l（1）形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶）形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。内缺陷、特定晶面等）。l（2）由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。l（3）固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。力。一、一、概述概述l合金合金（allo

24、y） 是指由两种或两种以上元素组成是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。的具有金属特性的物质。 如碳素钢就是铁与碳组成的元素。如碳素钢就是铁与碳组成的元素。l组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。非金属。l组元组元（constituent） 是组成合金的最简单、最是组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。例如铁碳合金的组元基本、能够独立存在的物质。例如铁碳合金的组元是铁和碳元素。是铁和碳元素。l 多数情况下组元是指组成合金的元素，但多数情况下组元是指组成合金的元素，但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合对于既不发生

25、分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元，如物也可看作组元，如Fe-C合金中的合金中的Fe3C。l 组成合金的元素相组成合金的元素相互作用可形成不同的互作用可形成不同的相相。Al-Cu两相合金两相合金l相相（ phase ） 所谓所谓相相是指金是指金属或合金中凡成分相同、结构相属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。均匀组成部分。l显微组织显微组织实质上是指在显微镜下实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布形态、数量、大小和分布的组合。的组合。l二、合金的相结构二、合金的相结构

26、l固态合金中的相分为固态合金中的相分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两类。两类。l1、固溶体固溶体（solid solution） 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称的固相称固溶体固溶体。习惯上用。习惯上用 、 、 表示。表示。 一般把与合金晶体结构相同的元素称作一般把与合金晶体结构相同的元素称作溶剂溶剂。其它元素称作其它元素称作溶质溶质。固溶体保持溶剂晶格。固溶体保持溶剂晶格。 如：糖水如：糖水 水水溶剂，糖溶剂，糖溶质。溶质。 固溶体是合金的重要组成相固溶体是合金的重要组成相，实际使用的，实际使用的金属材料多数是单相固溶体合金或以

27、固溶体为金属材料多数是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。基的合金。 按溶质原子所处位置分为按溶质原子所处位置分为置换固溶体置换固溶体和和间间隙固溶体隙固溶体。l 置换固溶体置换固溶体l溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。的固溶体。黄铜置换固溶体组织黄铜置换固溶体组织l 间隙固溶体间隙固溶体l溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。l形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，属元素，如如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族等，而溶剂元素一般是过渡族元素

28、。元素。l形成间隙固溶体的一般规律形成间隙固溶体的一般规律 为为r质质/r剂剂0.59。l 固溶体的溶解度固溶体的溶解度l溶质原子在固溶体中的极限浓度。溶质原子在固溶体中的极限浓度。l溶解度有一定限度的固溶体称溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体有限固溶体。l组成元素无限互溶的固溶体称组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体无限固溶体。l组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。 l间隙固溶体都是有限固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体。l 固溶体的性能固溶体的性能l随溶质含量

29、增加，固溶体的强度、硬随溶质含量增加，固溶体的强度、硬 度增加，塑性、韧性下降度增加，塑性、韧性下降固溶强化固溶强化。l 产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的及对位错的钉扎作用钉扎作用，阻碍了位错的运动。，阻碍了位错的运动。l 与纯金属相比，与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但韧性低。但与化合物相比与化合物相比，其硬度要低得多，而塑，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。性和韧性则要高得多。金属化合物金属化合物（metal compounds）l合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同合

30、金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称的固相称金属化合物金属化合物。金属化合物具有金属化合物具有较高的熔点、较高的熔点、硬度和脆性硬度和脆性，并，并可用分子式表示可用分子式表示其组成。其组成。l当合金中出现金属化合物时，当合金中出现金属化合物时， 可提高其强度、硬度和耐磨可提高其强度、硬度和耐磨 性，但降低塑性。性，但降低塑性。l金属化合物也是合金的重要组成相金属化合物也是合金的重要组成相。铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3C 正常价化合物正常价化合物符合正常原子价规律。如符合正常原子价规律。如Mg2Si。 电子化合物电子化合物符合电子浓度规律。如符合电子浓度规律。如Cu3Sn。 电子

31、浓度电子浓度为价电子数与原子数的比值。为价电子数与原子数的比值。 间隙化合物间隙化合物由过渡族元素与由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。等小原子半径的非金属元素组成。l 间隙相：间隙相：r非非/r金金 0.59时形时形 成的具有简单晶格成的具有简单晶格结构的间隙化合物。结构的间隙化合物。如如lM4X (Fe4N)、lM2X (Fe2N、 W2C)、lMX (TiC、VC、TiN)等。等。 VC的结构的结构Fe3C的晶格的晶格l如如FeB、Fe3C、Cr23C6等。等。其中其中Fe3C称称渗碳体，渗碳体，是钢中重要组成是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格相，具有复杂斜方晶格。

32、l 化合物也可溶入其它元素原化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。子，形成以化合物为基的固溶体。l相图相图:用来表示合金系中各合金结晶过程的简明用来表示合金系中各合金结晶过程的简明图解。图解。又称又称状态图状态图或或平衡图平衡图。l合金系合金系:是指由两个或两个以上元素按不同比例是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。配制的一系列不同成分的合金。l相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据艺的重要依据。l根

33、据组元数根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。分为二元相图、三元相图和多元相图。Fe-C二元相图二元相图三元相图三元相图l几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。的是热分析法。l二元相图的建立步骤为二元相图的建立步骤为：以以Cu-Ni合金合金(白铜白铜)为例为例l1、配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。l2、在温度在温度-成分坐标中做成分垂线，将临界点标在成成分坐标中做成分垂线，将临界点标在成分垂线上。分垂线

34、上。l3、将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。的数字和字母。l相图中，相图中，结晶开始点的连线叫结晶开始点的连线叫液相线液相线。结晶终了点结晶终了点的连线叫的连线叫固相线固相线。(1)(1)二元匀晶相图二元匀晶相图l两组元在液态和固态下两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的均无限互溶时所构成的相图称相图称二元匀晶相图二元匀晶相图。l以以Cu-NiCu-Ni合金为例进行合金为例进行分析。分析。l相图由两条线构成相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。，上面是液相线，下面是固相线。l相图被两条线分为相图被两条线分为三个相区三个相区，

35、液相线，液相线以上为以上为液相区液相区L ，固相线以下为固相线以下为 固固溶体区溶体区，两条线之，两条线之间为两相共存的间为两相共存的两两相区相区（L+ ）。）。 LL+ 合金的结晶过程合金的结晶过程l除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合合金为例说明。金为例说明。l当液态金属自高温当液态金属自高温冷却到冷却到 t1温度时，温度时，开始结晶出开始结晶出成分为成分为 1的固溶体的固溶体，其，其Ni含量高于合金平均含量高于合金平均成分成分。L L+ l随温度下降，固溶随温度下降，固溶体重量增加，液相体重量增加，液相重量减少重量减少。同时，。同时，液相成分

36、沿液相线液相成分沿液相线变化，固相成分沿变化，固相成分沿固相线变化固相线变化。l这种从液相中结晶出单一固相的转变称为这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变匀晶转变或或匀晶反应匀晶反应。l成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分固溶体的成分又变回到合金成分 3上来上来。l可见，可见，液固相线不液固相线不仅是相区分界线，仅是相区分界线，也是结晶时两相的也是结晶时两相的成分变化线成分变化线；匀晶匀晶转变是变温转变转变是变温转变。 杠

37、杆定律杠杆定律l当合金在某一温度下处于两相区时，由相图不当合金在某一温度下处于两相区时，由相图不仅可以知道两平衡相的成分，而且还可以用杠仅可以知道两平衡相的成分，而且还可以用杠杆定律求出两平衡相的相对重量百分比。杆定律求出两平衡相的相对重量百分比。l现以现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：合金为例推导杠杆定律：l 确定两平衡相的成分：确定两平衡相的成分：设合金成分为设合金成分为x，过，过x做成分垂线。做成分垂线。l在成分垂线相当于温度在成分垂线相当于温度t 的的o点作水平线，其与液固点作水平线，其与液固相线交点相线交点a、b所对应的成分所对应的成分x1、x2即分别为液相和即分别为液相和固相的成

38、分。固相的成分。l 确定两平衡相的相确定两平衡相的相对重量对重量l设合金设合金(x)的总重量为的总重量为1，液相液相(x1)重量为重量为QL，固相固相(x2)重量为重量为Q 。l则则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组解方程组得得121122LxxxxQxxxxQ l式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。的长度。l因此两相的相对重量百分比为：因此两相的相对重量百分比为：%)100abao%(100 xxxxQ%)100abob%(100 xxxxQ211212L 21L12L

39、xxQxxQ)aoob(xxxxQQ 或或oobbxx1x2QLQl上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杠杆定律杆定律。即。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。l在杠杆定律中，在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。l杠杆定律只适用于两相区杠杆定律只适用于两相区。单相区无必要使用，三。单相区无必要使用，三

40、相区不能使用。相区不能使用。l合金的结晶只有在缓慢冷却的合金的结晶只有在缓慢冷却的条件下才能得到成分均匀的固条件下才能得到成分均匀的固溶体。溶体。但实际冷速较快，在结但实际冷速较快，在结晶过程中固相中的原子来不及晶过程中固相中的原子来不及扩散，使扩散，使先结晶出的枝晶轴含先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素有较多的高熔点元素(如如Cu-Ni合金中的合金中的Ni)，后结晶的枝晶间后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素含有较多的低熔点元素(如如Cu-Ni合金中的合金中的Cu)。 枝晶偏析枝晶偏析l在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作象称作枝

41、晶偏析枝晶偏析。l不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。l冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。l枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。l生产上常生产上常将铸件加热到固相线以下将铸件加热到固相线以下100-200长时间长时间保温以消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作保温以消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火扩散退火。通过扩散退火可使原子充分扩散，使成分均匀。通过扩散退火可使原子充分扩散，使成分均匀。l当两组元在液态下当两组元在液态下完全互溶，在固态完

42、全互溶，在固态下有限互溶，并发下有限互溶，并发生共晶反应时所构生共晶反应时所构成的相图称作成的相图称作共晶共晶相图相图。l以以Pb-Sn相图为例进行分析相图为例进行分析。Pb-Sn合金相图合金相图l1、相图分析相图分析l 相：相：相图中相图中有有L、 、 三种相，三种相， 是溶质是溶质Sn在在 Pb中的固溶体中的固溶体， 是溶质是溶质Pb 在在Sn中的固溶体中的固溶体。 相区：相区：相图中有相图中有三三个单相区：个单相区： L、 、 ；三个两相三个两相区：区： L+ 、 L+ 、 + ；一个三相一个三相区：区：即水平线即水平线CED。AB DG线分别线分别为为Sn在在Pb中和中和Pb在在Sn中

43、的固中的固溶线。溶线。l固溶体的溶解度随固溶体的溶解度随温度降低而下降。温度降低而下降。l 液固相线：液固相线：液相线液相线AEB，固相线固相线ACEDB。A、B分分别为别为Pb、Sn的熔点。的熔点。l 固溶线：固溶线：溶解度点的连线称固溶线。溶解度点的连线称固溶线。相图中的相图中的CF、AB 在一定温度下在一定温度下, ,由一定成由一定成分的液相同时结晶出两个成分分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的固相的转变和结构都不相同的固相的转变过程称过程称共晶转变或共晶反应。共晶转变或共晶反应。 l 共晶线：共晶线：水平线水平线CED叫做共晶线。叫做共晶线。l在共晶线对应的温度下（在共晶线对应的

44、温度下（183 ），），E点成分的合金点成分的合金同时结晶出同时结晶出C点成分的点成分的 固溶体固溶体和和D点成分的点成分的 固溶体固溶体，形成这两个相的机械混合物：形成这两个相的机械混合物：LE ( C + D)。ABl共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体共晶体或或共晶组织共晶组织。l发生共晶反应的温度称发生共晶反应的温度称共晶温度。共晶温度。代表共晶温度代表共晶温度和共晶成分的点称和共晶成分的点称共晶点。共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶组织l具有共晶成分的合金称具有共晶成分的合金称共晶合金共晶合金。在共晶线上，。在共晶线上，凡凡成分位于共晶点以左的合

45、金称成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金亚共晶合金，位于共位于共晶点以右的合金称晶点以右的合金称过共晶合金过共晶合金。凡具有共晶线成分凡具有共晶线成分的合金液体冷却到的合金液体冷却到共晶温度时都将发共晶温度时都将发生共晶反应。生共晶反应。L+ CDl2、合金的结晶过程合金的结晶过程l 含含Sn量小于量小于C点合金点合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程l在在3点以前为匀晶转变，结晶出单相点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种固溶体，这种从液相中结晶出的固相称从液相中结晶出的固相称一次相一次相或或初生相初生相。.2l温度降到温度降到3点以下，点以下， 固溶体被固溶体被Sn过饱和，由于晶格过饱和

46、，由于晶格不稳，开始不稳，开始析出析出（相变过程也称析出）（相变过程也称析出）新相新相 相。相。由已有固相析出的新固相称由已有固相析出的新固相称二次相二次相或或次生相次生相。l形成二次相的过程称形成二次相的过程称二次析出二次析出，是固态相变的一种。，是固态相变的一种。Hl由于二次相析出温度较低，一般十分细小。由于二次相析出温度较低，一般十分细小。l合金室温组织为合金室温组织为 + 。l成分大于成分大于D点合金的结晶过点合金的结晶过 程与程与合金相似合金相似, 室温组织室温组织 为为 + 。%1004 FGFQ 室温下室温下 的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：l由由 析出的二次析出的二次

47、用用 表示。表示。l随温度下降，随温度下降， 和和 相的成分分别沿相的成分分别沿CF线和线和DG线变线变化，化， 的重量增加。的重量增加。l 共晶合金共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程l液态合金冷却到液态合金冷却到E 点时同时点时同时被被Pb和和Sn饱和饱和, 发生共晶发生共晶反应反应：LE ( C+ D) 。析出过程中两相相间形核、析出过程中两相相间形核、互相促进互相促进, 因而共晶组织较细因而共晶组织较细, 呈片、针、点球等形呈片、针、点球等形状。状。Pb-Sn共晶合金组织共晶合金组织19.2 层片状（层片状（Al-CuAl2，定向凝固）定向凝固）棒状或条状（棒状或条状（Sb-MnS

48、b，横截面）横截面）球状或短棒状（球状或短棒状（Cu-CuO）针状（针状（Al-Si）螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）Fe-C(石墨石墨)的共晶组织的共晶组织l在共晶转变过程中在共晶转变过程中，L、 、 三相共存，三个相三相共存，三个相的量在不断变化，但它们各自的成分是固定的。的量在不断变化，但它们各自的成分是固定的。l共晶组织中的相称共晶组织中的相称共晶相共晶相。l共晶转变结束时，共晶转变结束时， 和和 相的相对重量百分比为：相的相对重量百分比为：%6 .54%100%4 .45%1002 .195 .979 .615 .97%100 QQCDEDQC(19.2)E(61.9)D(97.5)l共

49、晶结束后，随温度下降，共晶结束后，随温度下降， 和和 的成分分别沿的成分分别沿CF线线和和DG线变化，并从共晶线变化，并从共晶 中中析出析出 ，从共晶，从共晶 中中析析出出 ，由于共晶组织细，由于共晶组织细， 与共晶与共晶 结合，结合， 与共与共晶晶 结合，共晶合金的室温组织仍为（结合，共晶合金的室温组织仍为（ + ）共晶体）共晶体。2GFl 亚共晶合金亚共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程l合金液体在合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成点，固相成分沿分沿AC线变化到线变化到C点，液相成分沿点，液相成分沿AE线变化到线变化到E点，点，此时两相的相对重量百

50、分比为：此时两相的相对重量百分比为： %1002%1002)( CEEQCECQQEL l在在2点，具有点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：点成分的剩余液体发生共晶反应： L ( + ) ，转变为共晶组织，共晶体的重量与转，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等，即变前的液相重量相等，即QE =QL。l反应结束后，在共晶温度下反应结束后，在共晶温度下 、 两相的相对重量百两相的相对重量百分比为：分比为：%1002%1002 CDCQCDDQ l温度继续下降，将从一次温度继续下降，将从一次 和共晶和共晶 中析出中析出 ，。，。其其室温组织室温组织为为 + ( + ) + 。l 过

51、共晶合金结晶过程过共晶合金结晶过程l过共晶合金的结晶过程过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似，不与亚共晶合金相似，不同的是一次相为同的是一次相为 ，二二次相次相 为为 。l其室温组织为其室温组织为 +( + )+ 。l3、 组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注l组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。 l 和和 ， 和和 ，共晶体，共晶体( + )都是组织组成物。都是组织组成物。l相与相之间的差别主要在结构和成分上。相与相之间的差别主要在结构和成分上。l组织组成物之间的差别主要在组织组成物之间的差别主要在形态上。形态上。如如 、 和共晶和

52、共晶 的结构成分相同，属同一个相，的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。的组织组成物。l将组织组成物标注在相图中，将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。观察到的组织一致。Pb-Sn亚共晶组织亚共晶组织l当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图包晶相图。以以Pt-Ag相图为例简要分析。相图为例简要分析。 1、相图分析、相图分析单相区单相区：L, ,二相区：二相区：L

53、+ , L+ , + 三相区三相区：L+ + （水平（水平线线PDC）L+L+L +L +l 在一定温度下，由一在一定温度下，由一个液相包着一个固相生个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称成另一新固相的反应称包晶转变或包晶反应包晶转变或包晶反应。l 合金（合金（包晶成分合金）：包晶成分合金）：匀晶匀晶包晶包晶二次析二次析出出。室温组织为。室温组织为+II。l 合金：合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出二次析出。室温组织为。室温组织为+II +II。l 合金：合金：匀晶匀晶包晶包晶 匀晶匀晶二次析出二次析出。室。室 温组织温组织为为+II。 L+L+ +111222L3l稳定化合物稳定化合物是指在熔

54、化前不发生分解的化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(如如Mg-Si系的系的Mg2Si和和Fe-C系的系的Fe3C) 。其其成分固定成分固定，在相图中是一条垂线在相图中是一条垂线(代表一个单相区代表一个单相区)。垂足是其垂足是其成分，顶点是其熔点成分，顶点是其熔点， 结晶过程同纯金属。结晶过程同纯金属。l分析这类相图时，分析这类相图时，可把可把稳定化合物当作纯组元稳定化合物当作纯组元看待看待，将相图分成几个，将相图分成几个部分进行分析。部分进行分析。Mg2Sil所谓所谓共析反应（转变）共析反应（转变）是指在一定温度下，由一定是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新成

55、分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。固相的过程。共析转共析转 变也是固态相变。变也是固态相变。l最常见的共析转变是最常见的共析转变是 铁碳合金中的珠光体铁碳合金中的珠光体 转变转变: S P+ Fe3C 。铁碳合金相图铁碳合金相图l共析反应的产物是共析反应的产物是共析体共析体（铁碳合金中的共析体称（铁碳合金中的共析体称珠光体），也是珠光体），也是两相的机械混合物两相的机械混合物。l与共晶反应不同的是与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而共析反应的母相是固相，而不是液相。不是液相。l另外，由于固态转另外，由于固态转变过冷度大，因而变过冷度大，因而共析组织比共晶组共析组织比

56、共晶组织细。织细。珠光体珠光体l实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。l 分清相图中包括哪些基本类型相图分清相图中包括哪些基本类型相图l 确定相区确定相区l1、相区接触法则、相区接触法则l相邻两个相区的相数差相邻两个相区的相数差 为为1。l2、单相区的确定、单相区的确定l液相线以上为液相区；液相线以上为液相区；Fe- Fe3C相图相图l靠纯组元的封闭区是以该组元为基的单相固溶体区靠纯组元的封闭区是以该组元为基的单相固溶体区；l 相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相区分界线；能是相

57、区分界线；l 相图中部出现的成分可相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区；基的单相固溶体区；l 相图中每一条水平线必相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。定与三个单相区点接触。Cu-Zn相图相图 + l3、两相区的确定：、两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相两个单相区之间夹有一个两相区，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。区，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。l4、三相区的确定：、三相区的确定：二元相图中的水平二元相图中的水平线是三相区，其三线是三相区，其三个相由与该三相区个相由与该三相区点接触的三个单相点接触的三个单相区的相组成。区的相组成

58、。恒温下由一个固相同时恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同析出两个成分结构不同的固相。的固相。 + 共析反应共析反应恒温下由一个液相包着恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新一个固相生成另一个新的固相。的固相。L + 包晶反应包晶反应恒温下由一个液相同时恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不结晶出两个成分结构不同的固相。同的固相。L L + 共晶反应共晶反应说明说明反应式反应式图形特征图形特征反应名称反应名称常见三相等温水平线上的反应常见三相等温水平线上的反应l 分析典型合金的结晶过程分析典型合金的结晶过程(周四周四）l1、作出典型合金冷却曲线示意图、作出典型合金冷却曲线示意图, 二元

59、合金冷却二元合金冷却曲线的特征是：曲线的特征是： l 在单相区和在单相区和 两相区冷却曲两相区冷却曲 线为一斜线。线为一斜线。 l 由一个相区进入另一相区时由一个相区进入另一相区时,冷却曲线出现拐点冷却曲线出现拐点 ：l 由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐；由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐；l 由相由相相数多的相数多的区进入区进入相数少的相区曲线向左相数少的相区曲线向左拐。拐。l 发生三等温转变时，发生三等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶。冷却曲线呈一水平台阶。 l2、分析合金结晶过程、分析合金结晶过程l 画出组织转变示意图。画出组织转变示意图。l 计算各相、各组织组成物相对重量百

60、分比：计算各相、各组织组成物相对重量百分比：l在单相区在单相区，合，合 金由单相组成，金由单相组成， 相的成分、重量相的成分、重量 即合金的成分、即合金的成分、 重量。重量。l 在两相区在两相区，两相的成分随温度，两相的成分随温度沿各自的相线变化，各相和各组织沿各自的相线变化，各相和各组织组成物的相对重量可由杠杆定律求组成物的相对重量可由杠杆定律求出。出。l合金成分为杠杆的支点，相或组织合金成分为杠杆的支点，相或组织组成物的成分为杠杆的端点组成物的成分为杠杆的端点。 l 在三相区在三相区，三个相成分固定，三个相成分固定，重量不断变化，杠杆定律不适用。重量不断变化，杠杆定律不适用。 合金合金成分