第3章 二元合金的相结构与结晶概要课件

授课教师:杨秀英金属学及热处理沈阳理工大学应用技术学院授课教师:杨秀英金属学及热处理沈阳理工大学应用技术学院

第3章二元合金的相结构与结晶§3.1合金中的相§3.2合金的相结构§3.3二元合金相图§3.4匀晶相图及固溶体的结晶§3.5共晶相图及合金的结晶§3.6二元相图的分析和使用

第3章二元合金的相结构与结晶§3.1合金中的相§3.2

一、引言—工程生产中的金属材料不能用纯金属(强度低),而是用强度(性能)好的合金,有必要研究合金结构二、正文—二元合金的相结构与结晶

三、结论(包括作业、思考题或习题)课堂内容设计一、引言—工程生产中的金属材料不能用纯金属(强度低),而一、引言—工程生产中的金属材料不能用纯金属(强度低),而是用强度(性能)好的合金,有必要研究合金结构----包括化学成分、合金相、晶体结构、组织状态等---相图一、引言—工程生产中的金属材料不能用纯金属(强度低),而是用第一节合金中的相合金：由两种或两种以上的元素组成，其中至少有一种为金属，经过熔炼烧结或其他方法组合形成具有金属性的材料称为合金。例钢铁、黄铜、白铜等组元：通常把组成材料的最简单、最基本、能够独立存在的物质称为组元。组元大多数情况下是元素；在研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可成为组元，例如碳钢。合金系：由给定的组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:相关概念第一节合金中的相合金：由两种或两种以上的元素组成，其中至相：凡成分均一、晶体结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀组成部分，称之为相。在合金中，按其晶格结构的基本属性来分，可分为固溶体和金属化合物两大类。组织：人们用肉眼或借助某种工具（放大镜、光学显微镜、电子显微镜等）所观察到的材料形貌。它决定于组成相的类型、形状、大小、数量、分布等。相是组织的基本组成部分。同样的相,当它们的形态和分布不同时,就会有不同的组织.

组织组成物：组织中形貌相同的组成部分。相：凡成分均一、晶体结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀

纯铁中的相：α-Fe

钢中的相：铁素体(α)＋渗碳体(Fe3C)纯铁0.45%C钢α相α相Fe3C相纯铁、钢中的相

纯铁中的相：α-Fe纯铁0.45%C钢α相α相20mCu-30Ni-20Cr20mCu-30Ni-20Cr第二节合金中的相结构相的种类繁多,不同的相具有不同的晶体结构,根据晶体结构特点,可以将其分为固溶体和金属化合物相结构---合金的晶体结构（一）固溶体

合金组元溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。（二）金属化合物

定义：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物。第二节合金中的相结构相的种类繁多,不同的相具有不同的晶体二、金属化合物一、固溶体（一）固溶体的分类（二）置换固溶体（三）间隙固溶体

（四）固溶体的结构

（五）固溶体的性能特点二、金属化合物一、固溶体（一）固溶体的分类（二）置换固溶体（一、固溶体与固溶体的晶格相同的组成元素称为溶剂，在固溶体中一般都占有较大的含量；其它的组成元素称为溶质，其含量与溶剂相比为较少。

固溶体即一些元素进入某一组元的晶格中，不改变其晶体结构，形成的均匀相。

溶质原子溶入固溶体中的量称为固溶体的浓度。浓度或溶解度一般用溶质元素所占的重量百分比来表示(wt%

)。一、固溶体与固溶体的晶格相同的组成元素称为溶剂，在固（一）固溶体的分类1.按溶质原子在固溶体(溶剂)晶格中的位置不同可分为：1)置换固溶体溶质原子取代了部分溶剂晶格中某些节点上的溶剂原子而形成的固溶体。2)间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中，不占据晶格结点位置。（一）固溶体的分类1.按溶质原子在固溶体(溶剂)晶格中的位溶剂原子

溶质原子

溶剂原子 溶质原子 （一）固溶体的分类2.按固溶度1)无限溶解固溶体溶质可以任意比例溶入溶剂晶格中。构成无限固溶体。这是把含量较高的组元称为溶剂，含量较少的组元称为溶质。2)有限溶解固溶体溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度，超过这个限度就会有其它相(另一种固溶体或化合物)的形成。间隙固溶体都是有限溶解固溶体。在金属材料中，通常是过渡族金属元素为溶剂，小尺寸的C、N、H、O、B等元素为溶质。（一）固溶体的分类2.按固溶度1)无限溶解固溶体溶质可以3.按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点1)无序固溶体溶质原子在溶剂晶格中分布是任意的，没有任何规律性，仅统计角度上是均匀分布的。2)有序固溶体溶质原子以一定的比例，按一定方向和顺序有规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。

在有些材料中，固溶体还存在有序化转变，即在一定的条件(如温度、压力)下，无序固溶体和有序固溶体之间会发生相互转变。3.按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点1)无序固溶体溶质置换固溶体的溶解度大小十分悬殊，主要有以下因素影响：

影响溶解度的因素很多，目前还在研究中，现在公认的有：1．原子尺寸因素

在置换固溶体中，溶质原子的尺寸和溶剂相近，溶解度也愈大，Δr小于15%时才有利于形成置换固溶体，要能达到无限互溶，Δr的值还要小一些。间隙固溶体的形成的基本条件D质/D剂<0.59。在间隙固溶体中，显然D质/D剂愈小，即溶质原子的尺寸愈小，溶解度也大。间隙固溶体只能有限溶解。（二）置换固溶体置换固溶体的溶解度大小十分悬殊，主要有以下因素影响：

影响溶影响固溶体溶解度的因素2．晶体结构因素

组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且才有可能形成无限固溶体。若组元间的晶体结构不同，便只能生成有限固溶体。3．电负性差

电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离子的能力。反映两元素的化学性能差别。两元素间电负性差越小，则越容易形成固溶体，且所形成的固溶体的溶解度也就越大；随两元素间电负性差增大，溶解度减小，当其差别很大时，往往形成较稳定的化合物。影响固溶体溶解度的因素2．晶体结构因素组元间晶体结影响固溶体溶解度的因素4．电子浓度

在金属材料(合金)中，价电子数目(e)与原子数目(a)之比称为电子浓度。由于溶质和溶剂的价电子数可能不同，电子浓度e/a=VA(1-x)+VBx。其中x为溶质的原子百分比浓度(摩尔分数)，VA、VB分别为溶剂和溶质的价电子数。

一方面，溶质和溶剂的价电子数目相差大，它们的电负性的差别也大，溶解度会下降。另一方面，当e/a为某些特定值时形成一新的晶体结构，因此它们的溶解度也就受到相应的限制。影响固溶体溶解度的因素4．电子浓度在金属材料(（三）间隙固溶体间隙固溶体的溶解度，除与溶质原子尺寸因素有关外，主要取决于溶剂晶体点阵的间隙大小与形状及其所引起的点阵畸变。由于间隙尺寸大多小于溶质原子的尺寸，故间隙固溶体晶格畸变较大，所以，间隙固溶体的溶解度总是有限的。（三）间隙固溶体

（四）固溶体的结构

1、晶格畸变

在固溶体中，由于溶质原子的存在及其尺寸差别，将使周围溶剂原子排列的规律性在一定范围内受到不同程度的干扰，并引起弹性应变——点阵畸变。对于置换固溶体，若溶质原子尺寸大于溶剂原子，则使周围点阵发生膨胀位移；反之，将引起收缩。在间隙固溶体中，溶质原子尺寸多大于点阵间隙，故通常使点阵发生膨胀变化。

（四）固溶体的结构1、晶格畸变

在固溶体中，由于溶质原2、偏聚与有序

当同类原子（A-A、B-B）结合较强而处于低能量状态时，则溶质与溶剂分别在一定范围内各自倾向聚集，形成偏聚结构；

异类原子（A-B）结合较强时，则溶质原子在固溶体点阵的一定范围内趋于有规则分布，形成短程有序结构。

2、偏聚与有序

当同类原子（A-A、B-B）结合较强而处※无论是置换固溶体还是间隙固溶体，由于溶质原子尺寸与溶剂原子不同，其晶格都会产生畸变。由于晶格畸变增加了位错移动的阻力，使滑移变形难以进行，因此，固溶体的强度和硬度提高，塑性和韧性则有所下降。这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的强度、硬度提高的现象称为固溶强化。

（五）固溶体的性能特点※无论是置换固溶体还是间隙固溶体，由于溶质原子尺寸与溶剂原子由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上与原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的性能主要决定于溶剂的性能，或在溶剂性能基础上发生一些改变。固溶体的性能与原溶剂性能的差别，或称性能变化的大小，随着溶质的浓度(含量)的增加而加大。固溶强化是效提高金属材料力学性能的途径之一。固溶体比纯金属和金属化合物具有更为优越的综合力学性能由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上与原溶剂的二、金属化合物化合物（中间相）概念

当溶质的含量超过了其溶解度，在材料中将出现新相。其晶体结构与组元都不相同，表明生成了新的物质。所以，化合物是构成的组元相互作用，生成不同与任何组元晶体结构的新物质。化合物结构的特点，一是有基本固定的原子数目比，可用化学分子式表示，二是晶体结构不同于其任何组元。在以下将学习的相图中，它们的位置都在相图的中间，所以也称为中间相。

在金属材料中，原子之间的结合除离子键和共价键，金属键也参与作用，如果生成的化合外物具有金属性，则称之为金属化合物。二、金属化合物化合物（中间相）概念当溶质的含量超过了金属化合物的类型1.正常价化合物

两组元服从原子价规律而生成的正常化学中所称的化合物。通常是金属元素与非金属元素组成，组元间电负性差起主要作用，两组元间电负性差较大，它们符合一般化合物的原子价规律。例如MnS、Al2O3、TiN、ZrO2等，其结合键为离子键；也有的是共价键，如SiC；少数也有以金属键结合,如Mg2Pb。金属化合物的类型1.正常价化合物金属化合物的类型2.电子化合物电子化合物这类化合物大多是以第Ⅰ族或过渡族金属元素与第Ⅱ至第Ⅴ族金属元素结合而成。它们也可以用分子式表示，但大多不符合正常化学价规律。当e/a为某些特定值时形成一新的晶体结构，并且电子浓度不同，其对应的晶体结构的类型也就不同。常间的电子浓度值有21/14、21/13、21/12。由于这类中间相与电子浓度有关，所以就称为电子化合物，主要出现在金属材料中，它们的结合键为金属键。一些常见的电子化合物可参看教材。例如Cu31Sn8，电子浓度21/13，具有复杂立方晶格。金属化合物的类型2.电子化合物电子化合物这类化合物大多是金属化合物的类型3.间隙相和间隙化合物尺寸因素化合物(间隙相与间隙化合物)

主要受组元的原子尺寸因素控制，通常是由过渡族金属原子与原子半径小于0.1nm的非金属元素碳、氮、氢、氧、硼所组成。由于非金属元素(X)与金属元素(M)原子半径比不同，结构也有所不同。

当rX/rM<0.59时，形成具有简单晶体结构的化合物，如fcc、bcc、hcp或简单立方，通常称它们为间隙相，相应的分子式也较简单，如M4X、M2X、MX、MX2等。当rX/rM>0.59时，形成的化合物的晶体结构也较复杂，通常称它们为间隙化合物，相应的分子式也较复杂，如钢中常见的Fe3C、Cr7C3、Cr23C6等。金属化合物的类型3.间隙相和间隙化合物尺寸因素化合物(间隙相金属化合物的类型间隙化合物通常晶体结构较复杂金属化合物的类型间隙化合物通常晶体结构较复杂金属化合物的性能特点

大多数化合物，特别是正常价化合物，熔点都较高(结合键强的表现之一)，力学性能表现为硬而脆。

间隙相的硬度要大于间隙化合物的硬度少量硬度高的质点加入到塑性材料中，将明显提高材料的强度，即第二相强化机制。间隙相具有极高的熔点和硬度，具有明显的金属特性。间隙化合物具有很高的熔点和硬度，但加热时易分解。金属化合物的性能特点大多数化合物，特别是正常价化小结

合金组元相组织组织组成物固溶体金属化合物固溶体和金属化合物的类型、结构特点，影响其结构的因素。相结构与材料的性能之间的关系。名词概念理解内容小结合金组元相组织组织组成物固溶体第三节二元合金相图的建立相图：相图又称为状态图，它是表示体系的成分、外界环境和组成相与相之间的平衡关系的几何图形。

它是研究材料组织变化规律的重要参考工具。

外界环境主要是温度和压力第三节二元合金相图的建立相图：相图又称为状态图，它是

相图就是表示物质的状态和温度、压力、成分之间的关系的简明图解。表示在热力学平衡条件下，各种成分的物质在不同温度、压力下的相组成、各种相的成分、相的相对量。相图就是表示物质的状态和温度、压力、成分之间的关系的简明图二元相图：当存在两个组元时，成分也是变量，但一种组元的含量为独立，另一组元则为余下部分。为在二维平面上表示，通常只考虑在常压下，取两个变量温度和成分。横坐标用线段表示成分，纵坐标表示温度。平面上以按这时平衡状态下存在的相来分隔。(如图)二元相图：当存在两个组元时，成分也是变量，但一种组元的含量为相图用途：由材料的成分和温度预知平衡相；材料的成分一定而温度发生变化时其他平衡相变化的规律；估算平衡相的数量。预测材料的组织和性能相图用途：由材料的成分和温度预知平衡相；相图的基本知识二元相图的表示方法（板书）二元相图的测定

相图的基本知识二元相图的表示方法（板书）相律与杠杆定律相律是表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平衡相数之间的关系式。

f=c–p+2f为系统的自由度数；c为组元数;P为平衡相数。相律与杠杆定律杠杆定理（板书）（适用两相区）

杠杆定理（板书）（适用两相区）二元相图的基本类型

匀晶相图：两组元在液固状态下都无限互溶1.相图分析

由液相结晶出单相固溶体的过程被称为匀晶转变。

在液态和固态均无限互溶的相图。如Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、W-Mo等。相图分析（以Cu-Ni为例）：二元相图的基本类型匀晶相图：两组元在液固状态下都无限互溶

点：纯Cu熔点、纯Ni熔点线：液相线、固相线相区：单相区L、α，两相区L+α点：纯Cu熔点、纯Ni熔点2.固溶体合金的平衡结晶过程

平衡结晶是指结晶过程中每个阶段都能达到平衡，因此平衡结晶是在极其缓慢的冷速下实现2.固溶体合金的平衡结晶过程1、平衡结晶过程任一合金在液相线以上时，保持单一液态，冷却到液相线时，开始结晶出固相α，保持L+α两相平衡直至冷却到固相线温度为止。室温组织为单相α固溶体。2、匀晶转变的形核与生长主要依靠结构起伏和能量起伏形核，但由于开始析出相α与原合金成分不同，因而新相形核还必须借助液态合金中组元原子分布的微观不均匀性提供的浓度起伏。α相长大过程中，固相成分和剩余液相成分在不断的变化，其变化规律是：液相成分始终沿液相线变化，而固相成分始终沿固相线变化。1、平衡结晶过程平衡结晶过程如下：

固溶体晶核形成，造成液固界面的浓度梯度，进行扩散，固液界面不平衡，晶体长大平衡结晶过程如下：3．固溶体合金的不平衡结晶

在实际冷却过程中，结晶常常在几分钟甚至数小时内完成，固溶体成分来不及扩散至均匀。这种结晶过程被称为不平衡结晶。

不平衡结晶的组织，合金内部成分不均匀的现象被称为“偏析”。而晶粒内部成分不均匀的现象被称为“晶内偏析”．树枝晶内的偏析被称为“枝晶偏析”。3．固溶体合金的不平衡结晶第3章二元合金的相结构与结晶概要课件实际生产条件下，液态合金的结晶是在较快的冷却速度下进行的，组元原子得不到充分扩散，称为非平衡结晶，所得组织称为非平衡组织。非平衡结晶时，存在显微组织的化学成分不均匀性问题，先结晶的部分含高熔点组元较多，后结晶的部分含低熔点组元较多，这种现象称为晶内偏析。实际生产条件下，液态合金的结晶是在较快的冷却当固溶体以树枝状方式结晶时，这种偏析也称枝晶偏析。枝晶偏析的程度取决于结晶时的冷却速度、偏析元素的扩散能力以及相图中液-固线的距离等因素。

严重的枝晶偏析将恶化合金的性能，生产上常把有枝晶偏析的合金加热到固相线以下100~200℃进行长时间保温，使原子充分扩散，实现成分均匀化，这种处理方法成为均匀化退火或扩散退火当固溶体以树枝状方式结晶时，这种偏析也称枝晶偏5．成分过冷

在液态合金的凝固过程中，即使溶液的实际温度分布一定，由于溶液中溶质分布的变化，改变了熔点，此时过冷是由成分变化和实际温度分布两个因素来决定的。这种过冷称为成分过冷。5．成分过冷在液态合金的凝固过程中，即使溶§3-5共晶相图及其合金的结晶共晶相图：液态完全互溶，固态有限互溶（或完全不溶）并发生共晶转变,生成共晶组织的二元系合金相图,称为二元共晶相图。

典型相图有:Pb-Sn,Pb-Sb,Ag-Cu等.

共晶合金具有优良的铸造性能!§3-5共晶相图及其合金的结晶共晶相图：液态完全互溶，固点：A点：纯Pb熔点，B点：纯Sn熔点线：AEB：液相线；AMENB：固相线；MEN：一、相图分析（以Pb-Sn合金为例，如图）点：A点：纯Pb熔点，B点：纯Sn熔点一、相图分析（以Pb相区：单相区：L、α、β；两相区：L+α、L+β，α+β；三相平衡：L+α+β。共晶转变：一定成分的液相，在一定的温度下同时结晶出成分不同的两个固相，称为共晶转变。

共晶转变时,E点称为共晶成分点，成分位于E点的合金称为共晶合金，成分位于M点到E点的称为亚共晶合金，成分位于E点到N点的称为过共晶合金。相区：单相区：L、α、β；两相区：L+α、L+β，α+β；三二、典型合金的平衡结晶及其组织1、含Sn量小于19%的合金

1点以上为液相，1~2点结晶出α相，液相成分沿AE线变化，固相成分沿AM线变化，2~3点为单相α，3点以下从过饱和的α中析出二次（次生）β，即βII。

室温下，该合金的相组成为α+β；组织为α+βII。

成分位于N点右边的合金与上述合金结晶过程完全相同，只需将α改为β，β改为α即可。二、典型合金的平衡结晶及其组织α+β相在室温的含量为:ωβ=F4/FG×100%α+β相在室温的含量为:ωβ=F4/FG×100%1点以上为液相，冷却到1点，发生共晶转变：

共晶转变结束后，相组成为α、β，相对量为：2、共晶合金（含61.9%Sn）

，

β1点以上为液相，冷却到1点，发生共晶转变：共晶转变结组织为（α+β）共晶体，相对量为100%。

1点以下，将从α中析出βII，从β中析出αII，但αII和βII会附着在共晶α和β相上长大，无法区分，故结晶结束后，相组成为α、β，组织组成为（α+β）共晶体。共晶组织的形态有层片状、纤维状、短棒状、针状、螺旋状等。组织为（α+β）共晶体，相对量为100%。共晶组织的形态有层共晶组织的形成过程!!以层片状为例共晶组织的形成过程!!以层片状为例α+β3、亚共晶合金（含Sn量在1961.9%之间）

以50%Sn为例：

1点以上，液相；12点，液相中结晶出初生α，液相成分沿AE线变化，固相成分沿AM线变化；到2点，发生共晶转变：

，共晶转变结束后，组织组成为α、（α+β），其相对量为：

，αα+β3、亚共晶合金（含Sn量在1961.9%之间）共晶转变结束后相组成为：α、β，其相对量为：

β共晶转变结束后相组成为：α、β，其相对量为：β继续冷却，初生α中将析出次生的βII，共晶（α+β）不变。因此，结晶结束后，室温相组成为，α、β；组织组成为α、βII、（α+β）。继续冷却，初生α中将析出次生的βII，共晶（α+β）不变。因4、过共晶合金（含Sn量61.9~97.5%）

与亚共晶合金结晶相似。4、过共晶合金（含Sn量61.9~97.5%）三、不平衡结晶及组织（一）伪共晶在不平衡结晶时，成分在共晶点附近的亚（过）共晶合金，可以得到全部共晶组织，这种非共晶成分得到的共晶组织称为伪共晶。（二）离异共晶在先共晶相数量较多而共晶组织甚少的情况下，有时共晶组织中与先共晶相相同的那一相，会依附于先共晶相上生长，剩下的另一相则单独存在于晶界处，从而使共晶组织的特征消失，这种两相分离的共晶称为离异共晶。三、不平衡结晶及组织§3-7其它类型的二元合金相图具有共析转变的相图---具有固态转变

共析转变：一定成分的固相在一定温度下同时转变为另外两个固相的过程。§3-7其它类型的二元合金相图具有共析转变的相图---具第3章二元合金的相结构与结晶概要课件§3-8二元相图的分析与使用

一、二元相图的一些几何规律1、相区接触法则：两个单相区之间，必定有一个由这两个相所组成的两相区隔开，二不能以一条线分界。两个两相区必须以单相区或三相区（水平线）隔开。2、二元相图的三相平衡区必定是一条等温水平线。§3-8二元相图的分析与使用

一、二元相图的一些几何规律二、二元相图的分析方法1、一般分析法（1）确定两组元是否有多晶型转变，是否存在稳定化合物。（2）认定各单相区及其中的相。（3）找出三相共存的等温水平线。（4）合金处于单相区时，合金成分即为该相成分。二、二元相图的分析方法2、复杂二元相图的分析铁碳合金相图再详细分析。3、相图应用的条件性（1）主要研究组成相的平衡状态与变化规律，不能提供相的具体形态、大小与分布等组织概念。（2）相图是平衡状态图，与实际结晶有差异。（3）相图的误差。（4）相图往往只利用其中有价值的部分。2、复杂二元相图的分析三、根据相图推测合金的性能（一）根据相图判断合金的力学、物理性能三、根据相图推测合金的性能（一）根据相图判断合金的力学、物理（二）根据相图判断合金的铸造性能（二）根据相图判断合金的铸造性能谢谢大家！谢谢大家！授课教师:杨秀英金属学及热处理沈阳理工大学应用技术学院授课教师:杨秀英金属学及热处理沈阳理工大学应用技术学院

第3章二元合金的相结构与结晶§3.1合金中的相§3.2合金的相结构§3.3二元合金相图§3.4匀晶相图及固溶体的结晶§3.5共晶相图及合金的结晶§3.6二元相图的分析和使用

第3章二元合金的相结构与结晶§3.1合金中的相§3.2

一、引言—工程生产中的金属材料不能用纯金属(强度低),而是用强度(性能)好的合金,有必要研究合金结构二、正文—二元合金的相结构与结晶

三、结论(包括作业、思考题或习题)课堂内容设计一、引言—工程生产中的金属材料不能用纯金属(强度低),而一、引言—工程生产中的金属材料不能用纯金属(强度低),而是用强度(性能)好的合金,有必要研究合金结构----包括化学成分、合金相、晶体结构、组织状态等---相图一、引言—工程生产中的金属材料不能用纯金属(强度低),而是用第一节合金中的相合金：由两种或两种以上的元素组成，其中至少有一种为金属，经过熔炼烧结或其他方法组合形成具有金属性的材料称为合金。例钢铁、黄铜、白铜等组元：通常把组成材料的最简单、最基本、能够独立存在的物质称为组元。组元大多数情况下是元素；在研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可成为组元，例如碳钢。合金系：由给定的组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:相关概念第一节合金中的相合金：由两种或两种以上的元素组成，其中至相：凡成分均一、晶体结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀组成部分，称之为相。在合金中，按其晶格结构的基本属性来分，可分为固溶体和金属化合物两大类。组织：人们用肉眼或借助某种工具（放大镜、光学显微镜、电子显微镜等）所观察到的材料形貌。它决定于组成相的类型、形状、大小、数量、分布等。相是组织的基本组成部分。同样的相,当它们的形态和分布不同时,就会有不同的组织.

组织组成物：组织中形貌相同的组成部分。相：凡成分均一、晶体结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀

纯铁中的相：α-Fe

钢中的相：铁素体(α)＋渗碳体(Fe3C)纯铁0.45%C钢α相α相Fe3C相纯铁、钢中的相

纯铁中的相：α-Fe纯铁0.45%C钢α相α相20mCu-30Ni-20Cr20mCu-30Ni-20Cr第二节合金中的相结构相的种类繁多,不同的相具有不同的晶体结构,根据晶体结构特点,可以将其分为固溶体和金属化合物相结构---合金的晶体结构（一）固溶体

合金组元溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。（二）金属化合物

定义：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物。第二节合金中的相结构相的种类繁多,不同的相具有不同的晶体二、金属化合物一、固溶体（一）固溶体的分类（二）置换固溶体（三）间隙固溶体

（四）固溶体的结构

（五）固溶体的性能特点二、金属化合物一、固溶体（一）固溶体的分类（二）置换固溶体（一、固溶体与固溶体的晶格相同的组成元素称为溶剂，在固溶体中一般都占有较大的含量；其它的组成元素称为溶质，其含量与溶剂相比为较少。

固溶体即一些元素进入某一组元的晶格中，不改变其晶体结构，形成的均匀相。

溶质原子溶入固溶体中的量称为固溶体的浓度。浓度或溶解度一般用溶质元素所占的重量百分比来表示(wt%

)。一、固溶体与固溶体的晶格相同的组成元素称为溶剂，在固（一）固溶体的分类1.按溶质原子在固溶体(溶剂)晶格中的位置不同可分为：1)置换固溶体溶质原子取代了部分溶剂晶格中某些节点上的溶剂原子而形成的固溶体。2)间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中，不占据晶格结点位置。（一）固溶体的分类1.按溶质原子在固溶体(溶剂)晶格中的位溶剂原子

溶质原子

溶剂原子 溶质原子 （一）固溶体的分类2.按固溶度1)无限溶解固溶体溶质可以任意比例溶入溶剂晶格中。构成无限固溶体。这是把含量较高的组元称为溶剂，含量较少的组元称为溶质。2)有限溶解固溶体溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度，超过这个限度就会有其它相(另一种固溶体或化合物)的形成。间隙固溶体都是有限溶解固溶体。在金属材料中，通常是过渡族金属元素为溶剂，小尺寸的C、N、H、O、B等元素为溶质。（一）固溶体的分类2.按固溶度1)无限溶解固溶体溶质可以3.按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点1)无序固溶体溶质原子在溶剂晶格中分布是任意的，没有任何规律性，仅统计角度上是均匀分布的。2)有序固溶体溶质原子以一定的比例，按一定方向和顺序有规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。

在有些材料中，固溶体还存在有序化转变，即在一定的条件(如温度、压力)下，无序固溶体和有序固溶体之间会发生相互转变。3.按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点1)无序固溶体溶质置换固溶体的溶解度大小十分悬殊，主要有以下因素影响：

影响溶解度的因素很多，目前还在研究中，现在公认的有：1．原子尺寸因素

在置换固溶体中，溶质原子的尺寸和溶剂相近，溶解度也愈大，Δr小于15%时才有利于形成置换固溶体，要能达到无限互溶，Δr的值还要小一些。间隙固溶体的形成的基本条件D质/D剂<0.59。在间隙固溶体中，显然D质/D剂愈小，即溶质原子的尺寸愈小，溶解度也大。间隙固溶体只能有限溶解。（二）置换固溶体置换固溶体的溶解度大小十分悬殊，主要有以下因素影响：

影响溶影响固溶体溶解度的因素2．晶体结构因素

组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且才有可能形成无限固溶体。若组元间的晶体结构不同，便只能生成有限固溶体。3．电负性差

电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离子的能力。反映两元素的化学性能差别。两元素间电负性差越小，则越容易形成固溶体，且所形成的固溶体的溶解度也就越大；随两元素间电负性差增大，溶解度减小，当其差别很大时，往往形成较稳定的化合物。影响固溶体溶解度的因素2．晶体结构因素组元间晶体结影响固溶体溶解度的因素4．电子浓度

在金属材料(合金)中，价电子数目(e)与原子数目(a)之比称为电子浓度。由于溶质和溶剂的价电子数可能不同，电子浓度e/a=VA(1-x)+VBx。其中x为溶质的原子百分比浓度(摩尔分数)，VA、VB分别为溶剂和溶质的价电子数。

一方面，溶质和溶剂的价电子数目相差大，它们的电负性的差别也大，溶解度会下降。另一方面，当e/a为某些特定值时形成一新的晶体结构，因此它们的溶解度也就受到相应的限制。影响固溶体溶解度的因素4．电子浓度在金属材料(（三）间隙固溶体间隙固溶体的溶解度，除与溶质原子尺寸因素有关外，主要取决于溶剂晶体点阵的间隙大小与形状及其所引起的点阵畸变。由于间隙尺寸大多小于溶质原子的尺寸，故间隙固溶体晶格畸变较大，所以，间隙固溶体的溶解度总是有限的。（三）间隙固溶体

（四）固溶体的结构

1、晶格畸变

在固溶体中，由于溶质原子的存在及其尺寸差别，将使周围溶剂原子排列的规律性在一定范围内受到不同程度的干扰，并引起弹性应变——点阵畸变。对于置换固溶体，若溶质原子尺寸大于溶剂原子，则使周围点阵发生膨胀位移；反之，将引起收缩。在间隙固溶体中，溶质原子尺寸多大于点阵间隙，故通常使点阵发生膨胀变化。

（四）固溶体的结构1、晶格畸变

在固溶体中，由于溶质原2、偏聚与有序

当同类原子（A-A、B-B）结合较强而处于低能量状态时，则溶质与溶剂分别在一定范围内各自倾向聚集，形成偏聚结构；

异类原子（A-B）结合较强时，则溶质原子在固溶体点阵的一定范围内趋于有规则分布，形成短程有序结构。

2、偏聚与有序

当同类原子（A-A、B-B）结合较强而处※无论是置换固溶体还是间隙固溶体，由于溶质原子尺寸与溶剂原子不同，其晶格都会产生畸变。由于晶格畸变增加了位错移动的阻力，使滑移变形难以进行，因此，固溶体的强度和硬度提高，塑性和韧性则有所下降。这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的强度、硬度提高的现象称为固溶强化。

（五）固溶体的性能特点※无论是置换固溶体还是间隙固溶体，由于溶质原子尺寸与溶剂原子由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上与原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的性能主要决定于溶剂的性能，或在溶剂性能基础上发生一些改变。固溶体的性能与原溶剂性能的差别，或称性能变化的大小，随着溶质的浓度(含量)的增加而加大。固溶强化是效提高金属材料力学性能的途径之一。固溶体比纯金属和金属化合物具有更为优越的综合力学性能由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上与原溶剂的二、金属化合物化合物（中间相）概念

当溶质的含量超过了其溶解度，在材料中将出现新相。其晶体结构与组元都不相同，表明生成了新的物质。所以，化合物是构成的组元相互作用，生成不同与任何组元晶体结构的新物质。化合物结构的特点，一是有基本固定的原子数目比，可用化学分子式表示，二是晶体结构不同于其任何组元。在以下将学习的相图中，它们的位置都在相图的中间，所以也称为中间相。

在金属材料中，原子之间的结合除离子键和共价键，金属键也参与作用，如果生成的化合外物具有金属性，则称之为金属化合物。二、金属化合物化合物（中间相）概念当溶质的含量超过了金属化合物的类型1.正常价化合物

两组元服从原子价规律而生成的正常化学中所称的化合物。通常是金属元素与非金属元素组成，组元间电负性差起主要作用，两组元间电负性差较大，它们符合一般化合物的原子价规律。例如MnS、Al2O3、TiN、ZrO2等，其结合键为离子键；也有的是共价键，如SiC；少数也有以金属键结合,如Mg2Pb。金属化合物的类型1.正常价化合物金属化合物的类型2.电子化合物电子化合物这类化合物大多是以第Ⅰ族或过渡族金属元素与第Ⅱ至第Ⅴ族金属元素结合而成。它们也可以用分子式表示，但大多不符合正常化学价规律。当e/a为某些特定值时形成一新的晶体结构，并且电子浓度不同，其对应的晶体结构的类型也就不同。常间的电子浓度值有21/14、21/13、21/12。由于这类中间相与电子浓度有关，所以就称为电子化合物，主要出现在金属材料中，它们的结合键为金属键。一些常见的电子化合物可参看教材。例如Cu31Sn8，电子浓度21/13，具有复杂立方晶格。金属化合物的类型2.电子化合物电子化合物这类化合物大多是金属化合物的类型3.间隙相和间隙化合物尺寸因素化合物(间隙相与间隙化合物)

主要受组元的原子尺寸因素控制，通常是由过渡族金属原子与原子半径小于0.1nm的非金属元素碳、氮、氢、氧、硼所组成。由于非金属元素(X)与金属元素(M)原子半径比不同，结构也有所不同。

当rX/rM<0.59时，形成具有简单晶体结构的化合物，如fcc、bcc、hcp或简单立方，通常称它们为间隙相，相应的分子式也较简单，如M4X、M2X、MX、MX2等。当rX/rM>0.59时，形成的化合物的晶体结构也较复杂，通常称它们为间隙化合物，相应的分子式也较复杂，如钢中常见的Fe3C、Cr7C3、Cr23C6等。金属化合物的类型3.间隙相和间隙化合物尺寸因素化合物(间隙相金属化合物的类型间隙化合物通常晶体结构较复杂金属化合物的类型间隙化合物通常晶体结构较复杂金属化合物的性能特点

大多数化合物，特别是正常价化合物，熔点都较高(结合键强的表现之一)，力学性能表现为硬而脆。

间隙相的硬度要大于间隙化合物的硬度少量硬度高的质点加入到塑性材料中，将明显提高材料的强度，即第二相强化机制。间隙相具有极高的熔点和硬度，具有明显的金属特性。间隙化合物具有很高的熔点和硬度，但加热时易分解。金属化合物的性能特点大多数化合物，特别是正常价化小结

合金组元相组织组织组成物固溶体金属化合物固溶体和金属化合物的类型、结构特点，影响其结构的因素。相结构与材料的性能之间的关系。名词概念理解内容小结合金组元相组织组织组成物固溶体第三节二元合金相图的建立相图：相图又称为状态图，它是表示体系的成分、外界环境和组成相与相之间的平衡关系的几何图形。

它是研究材料组织变化规律的重要参考工具。

外界环境主要是温度和压力第三节二元合金相图的建立相图：相图又称为状态图，它是

相图就是表示物质的状态和温度、压力、成分之间的关系的简明图解。表示在热力学平衡条件下，各种成分的物质在不同温度、压力下的相组成、各种相的成分、相的相对量。相图就是表示物质的状态和温度、压力、成分之间的关系的简明图二元相图：当存在两个组元时，成分也是变量，但一种组元的含量为独立，另一组元则为余下部分。为在二维平面上表示，通常只考虑在常压下，取两个变量温度和成分。横坐标用线段表示成分，纵坐标表示温度。平面上以按这时平衡状态下存在的相来分隔。(如图)二元相图：当存在两个组元时，成分也是变量，但一种组元的含量为相图用途：由材料的成分和温度预知平衡相；材料的成分一定而温度发生变化时其他平衡相变化的规律；估算平衡相的数量。预测材料的组织和性能相图用途：由材料的成分和温度预知平衡相；相图的基本知识二元相图的表示方法（板书）二元相图的测定

相图的基本知识二元相图的表示方法（板书）相律与杠杆定律相律是表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平衡相数之间的关系式。

f=c–p+2f为系统的自由度数；c为组元数;P为平衡相数。相律与杠杆定律杠杆定理（板书）（适用两相区）

杠杆定理（板书）（适用两相区）二元相图的基本类型

匀晶相图：两组元在液固状态下都无限互溶1.相图分析

由液相结晶出单相固溶体的过程被称为匀晶转变。

在液态和固态均无限互溶的相图。如Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、W-Mo等。相图分析（以Cu-Ni为例）：二元相图的基本类型匀晶相图：两组元在液固状态下都无限互溶

点：纯Cu熔点、纯Ni熔点线：液相线、固相线相区：单相区L、α，两相区L+α点：纯Cu熔点、纯Ni熔点2.固溶体合金的平衡结晶过程

平衡结晶是指结晶过程中每个阶段都能达到平衡，因此平衡结晶是在极其缓慢的冷速下实现2.固溶体合金的平衡结晶过程1、平衡结晶过程任一合金在液相线以上时，保持单一液态，冷却到液相线时，开始结晶出固相α，保持L+α两相平衡直至冷却到固相线温度为止。室温组织为单相α固溶体。2、匀晶转变的形核与生长主要依靠结构起伏和能量起伏形核，但由于开始析出相α与原合金成分不同，因而新相形核还必须借助液态合金中组元原子分布的微观不均匀性提供的浓度起伏。α相长大过程中，固相成分和剩余液相成分在不断的变化，其变化规律是：液相成分始终沿液相线变化，而固相成分始终沿固相线变化。1、平衡结晶过程平衡结晶过程如下：

固溶体晶核形成，造成液固界面的浓度梯度，进行扩散，固液界面不平衡，晶体长大平衡结晶过程如下：3．固溶体合金的不平衡结晶

在实际冷却过程中，结晶常常在几分钟甚至数小时内完成，固溶体成分来不及扩散至均匀。这种结晶过程被称为不平衡结晶。

不平衡结晶的组织，合金内部成分不均匀的现象被称为“偏析”。而晶粒内部成分不均匀的现象被称为“晶内偏析”．树枝晶内的偏析被称为“枝晶偏析”。3．固溶体合金的不平衡结晶第3章二元合金的相结构与结晶概要课件实际生产条件下，液态合金的结晶是在较快的冷却速度下进行的，组元原子得不到充分扩散，称为非平衡结晶，所得组织称为非平衡组织。非平衡结晶时，存在显微组织的化学成分不均匀性问题，先结晶的部分含高熔点组元较多，后结晶的部分含低熔点组元较多，这种现象称为晶内偏析。实际生产条件下，液态合金的结晶是在较快的冷却当固溶体以树枝状方式结晶时，这种偏析也称枝晶偏析。枝晶偏析的程度取决于结晶时的冷却速度、偏析元素的扩散能力以及相图中液-固线的距离等因素。

严重的枝晶偏析将恶化合金的性能，生产上常把有枝晶偏析的合金加热到固相线以下100~200℃进行长时间保温，使原子充分扩散，实现成分均匀化，这种处理方法成为均匀化退火或扩散退火当固溶体以树枝状方式结晶时，这种偏析也称枝晶偏5．成分过冷

在液态合金的凝固过程中，即使溶液的实际温度分布一定，由于溶液中溶质分布的变化，改变了熔点，此时过冷是由成分变化和实际温度分布两个因素来决定的。这种过冷称为成分过冷。5．成分过冷在液态合金的凝固过程中，即使溶§3-5共晶相图及其合金的结晶共晶相图：液态完全互溶，固态有限互溶（或完全不溶）并发生共晶转变,生成共晶组织的二元系合金相图,称为二元共晶相图。

典型相图有:Pb-Sn,Pb-Sb,Ag-Cu等.

共晶合金具有优良的铸造性能!§3-5共晶相图及其合金的结晶共晶相图：液态完全互溶，固点：A点：纯Pb熔点，B点：纯Sn熔点线：AEB：液相线；AMENB：固相线；MEN：一、相图分析（以Pb-Sn合金为例，如图）点：A点：纯Pb熔点，B点：纯Sn熔点一、相图分析（以Pb相区：单相区：L、α、β；两相区：L+α、L+β，α+β；三相平衡：L+α+β。共晶转变：一定成分的液相，在一定的温度下同时结晶出成分不同的两个固相，称为共晶转变。

共晶转变时