北科大金属材料及热处理课件03合金中的结构与相图

第三章

合金中的结构与相图

4h第一节固体合金中的相结构

4h相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分。（如单相、两相、多相合金。）固体中的相结构相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分。（如单相、两相、多相合金。）固体中的相结构相的分类:金属中的相:1）固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。溶剂-溶质。2）中间相（金属间化合物）：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相同的相。固体中的相结构一、固溶体固溶体：溶质原子溶解在溶剂的晶格结构中所形成的相。（一）固溶体的结构与分类：按溶质原子位置不同，可分为置换固溶体和间隙固溶体。1置换固溶体（1）置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。置换固溶体按溶质原子分布不同，可分为无序固溶体和有序固溶体。

固溶体的结构:完全无序、偏聚、部分有序、完全有序。偏聚与有序：取决于同类原子（A-A、B-B）和异类原子（A-B）间结合力的相对大小。有序固溶体转变

有序固溶体在加热到某一温度以上时，将变为无序固溶体；重新冷却到该温度以下时，又会变为有序固溶体，冷却时发生的这种转变称为有序化．固溶体有序化时，许多性能会发生突变，如硬度、脆性增加，而塑性下降、电阻率下降等。间隙固溶体（1）组成：原子半径较小（小于0.1nm)的非金属元素C、H、O、N、B溶入金属晶体的间隙。（2）影响因素：原子半径和溶剂结构。根据固溶度的大小，置换固溶体可分为有限固溶体:Cu-Zn,Cu-Ti,Fe-W,Fe-Mo.无限固溶体:Ni-Cu,Au-Ag,Fe-Cr,Fe-Ni,Fe-Co,Fe-V.固溶度：溶质原子在溶剂中的最大含量（极限溶解度）。（二）溶质元素在固溶体中的溶解度间隙固溶体的溶解度一般都很小，只能形成有限固溶体。（三）影响固溶体结构形式和溶解度的因素

1）原子尺寸因素△r=(rA-rB)/rA

原子尺寸差越小,越易形成置换固溶体,且溶解度越大。

当△r<15%时，有利于形成无限固溶体。当15%<△r<30%时，只能形成有限固溶体。当△r>30%时，固溶度很小，形成化合物。

2）

电负性因素电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大。电负性差越大，越易形成化合物。

3）

电子浓度因素所谓电子浓度就是合金中价电子数目与原子数目的比值。

主要用于一价贵金属金，银，铜作溶剂与其它元素组成的固溶体。电子浓度e/a越大，溶解度越小。e/a有一极限值，与溶剂晶体结构有关。一价面心立方金属为1.36，一价体心立方金属为1.48。

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4）

晶体结构因素结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体。如：具有面心立方结构的Mn、Co、Ni在面心立方结构的奥氏体Fe中溶解度较大；具有体心立方结构的Cr、Ti、Mo、W、V在体心立方结构的铁素体Fe中溶解度较大。

间隙原子在面心立方晶格的溶解度大于在体心立方中的溶解度。

晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件，而非充分条件；△r<15%是形成无限固溶体的必要条件，而非充分条件；两者同时满足才可形成无限固溶体。（四）固溶体的性能

点阵常数改变引起性能的变化（1）力学性能的变化（固溶强化）：固溶体的强度和硬度高于纯组元，塑性则较低。间隙固溶体的强化效果高于置换固溶体。（2）有序强化。

（3）物理、化学性能改变。

固溶体的电阻率升高；Si溶入铁中可以提高磁导率，硅钢片是一种应用广泛的软磁材料；Cr固溶于Fe中的原子数分数达到12．5％时，电极电位上升，有效地抵抗空气、水气、稀硝酸等的腐蚀。因此，不锈钢中至少含有13％以上的Cr原子。©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.固溶强化效果的影响因素：（1）固溶体的类型：间隙固溶体的强化效果高于置换固溶体。（2）原子尺寸因素：溶质原子与容溶剂原子尺寸差别越大，强化效果越显著。（3）有序强化效果高于无序强化。二、金属间化合物

金属间化合物是由金属与金属，或金属与类金属元素之间形成的化合物，也称为中间相。金属间化合物包括：正常价化合物、电子化合物（电子相）、间隙化合物。其形成及晶体结构分别受电负性、电子浓度、原子尺寸的影响。

1正常价化合物（1）形成：电负性差起主要作用，符合原子价规则。在化合物AmBn中，正离子的价电子数正好能使负离子具有稳定的电子层结构，即meC=n(8-eA)。

由金属元素与周期表中ⅣA,ⅤA,ⅥA族元素组成。（2）键型：随电负性差的增大，分别形成金属键、共价键、离子键。如Pb,Sn,Ge,Si的电负性依次增大，Mg2Pb具有典型的金属性质,Mg2Si为离子化合物。（3）组成：AB或AB2。如ZnS,Mg2Si.正常价化合物的结构不同于其组成元素的晶体结构。

正常价化合物的常见晶体结构

NaCl

型CaF2型

1正常价化合物

硫锌矿（六方结构）

闪锌矿（金刚石结构）2电子化合物（电子相）

（1）形成：电子浓度起主要作用，不符合原子价规则。由ⅠB族或过渡族元素与周期表中ⅡB，ⅢA，ⅣA族元素组成。（2）组成：电子浓度对应晶体结构，可用化学式表示，可形成以化合物为基的固溶体,如CuZn，FeAl。（3）键型：金属键（金属－金属）。电子浓度不同，形成的化合物的晶格类型也不同。例如：电子浓度为3/2时，呈体心立方结构，称为β相；电子浓度为21/13时，呈复杂立方结构，称为γ相；电子浓度为21/12时，呈密排六方结构，称为ε相。3间隙化合物（1）尺寸因素起主要作用。由C、N、O、B等小尺寸元素与过渡族元素组成。简单间隙化合物（间隙相）：当RX/RM<0.59时形成。金属原子呈现新结构，非金属原子位于其间隙，结构简单。如VC,TiN。分子式通常为：MX，M2X，MX2，M4X.面心立方VC3间隙化合物复杂间隙化合物：当RX/RM>0.59时形成。主要是铁、钴、铬、锰的碳化物和铁的硼化物，结构复杂。如Fe3C，Cr23C7,Cr7C3,Fe4W2C,FeB,Fe2B。

复杂间隙化合物的金属元素可被置换。如TiC-ZrC;(Fe,Mn)3C,(Fe,Cr)3C;Fe3(C,N)等。金属化合物的特性（1）力学性能：高硬度、高强度、低塑性。（2）物化性能：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料等。(超导变压器）如，Mg2Si是半导体材料，TiNi是形状记忆合金，LaNi5是吸氢材料，Nd2O3是催化剂。2h本章重点1．固溶体掌握固溶体的分类、置换固溶体、间隙固溶体、有序固溶体的特点及影响因素、固溶体的性能等。

2．金属间化合物掌握正常价化合物、电子化合物、间隙化合物的特点及影响因素、金属间化合物的特性等。

本章作业习题1；复习思考题1，2，4.

31第二节二元合金相图的建立

相图：描述系统中相的状态与温度、成分之间关系的图解。根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对含量、成分及温度变化时可能发生的相转变。仅在热力学平衡条件下成立，不能确定结构、分布状态和具体形貌。32一、相图的意义及几个名词的涵义

1相律

（1）相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。

（2）表达式：f=c-p+2;压力一定时，f=c-p+1。

f：自由度数；c：组元数；p：平衡相数。

自由度指系统中在保持平衡相数不变的条件下独立可变因素（温度、成分等）的数目。（3）应用

可确定系统中可能存在的最多平衡相数。如单元系2个，二元系3个。

可以解释纯金属与二元合金的结晶差别：纯金属结晶恒温进行，二元合金变温进行。

332相图的表示与建立（1）状态与成分表示法

状态表示：温度－成分坐标系。坐标系中的点－表象点。成分表示：质量分数或摩尔分数。34二、二元合金相图的建立

方法：实验法（热分析、膨胀法、电阻法、金相法、X射线结构分析）和计算法。热分析法测绘Cu-Ni相图的过程：配制合金----测冷却曲线----确定转变温度----填入坐标----绘出曲线。

35热分析法测绘Cu-Ni相图的过程：36第三节匀晶相图

本节内容及要求：（1）掌握匀晶相图的特点及分析方法；（2）掌握匀晶系合金的平衡凝固过程及组织；（3）了解匀晶系合金的非平衡凝固及组织。37一、相图分析（1）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变。（2）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。（3）特点：两组元在液态和固态都无限互溶。（4）相图分析两点：纯组元的熔点；两线：L,S相线；三区：L,α,L+α。属匀晶转变的相图：

金属：Cu-Ni,Au-Ag,Au-Pt

陶瓷：NiO-CoO,CoO-MgO,

NiO-MgOL38二、合金的结晶过程（1）平衡结晶：每个时刻都能达到平衡的结晶过程。（2）平衡结晶过程分析39©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.平衡结晶过程分析404.2二元匀晶相图4.2.2固溶体的平衡结晶（3）与纯金属结晶的比较

①

相同点：基本过程：形核－长大；热力学条件：⊿T>0；

能量条件：能量起伏；结构条件：结构起伏。

②不同点：合金结晶是选分结晶：需成分起伏。合金在一个温度范围内结晶（相律分析）；纯金属在恒温下结晶。41三、二元相图的杠杆定律适用于计算二元合金系中任何两平衡相的相对含量。42四、固溶体合金中的偏析固溶体的不平衡结晶与微观偏析（1）原因:冷速快。（2）结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化（每一时刻符合相图）；结晶的温度范围增大；组织多为树枝状。43©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.

固溶体的不平衡结晶与微观偏析44

固溶体的不平衡结晶与微观偏析（3）成分偏析：晶内偏析(枝晶偏析)：一个晶粒内部化学成分不均匀现象(树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。)

（消除：扩散退火，在低于固相线温度长时间保温。）

45固溶体的不平衡结晶与宏观偏析

宏观偏析：在一定区域范围内，由于结晶先后不同而出现的成分差异。原因：由于结晶过程中液相与固相内溶质原子的重新分布造成的。

后果：将对合金材料的质量造成影响。如：造成产品各部位性能不均匀。二元匀晶相图二元共晶相图简单回顾第四节二元共晶相图

本节内容及要求：（1）掌握共晶相图的特点及分析方法；（2）掌握共晶系合金的平衡凝固过程及组织；（3）了解共晶系合金的非平衡凝固及组织。共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变（Pb-Sn,Al-Si,Al-Cu,Mg-Si,Al-Mg)共晶相图：具有共晶转变特征的相图；特点：液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。共晶组织：共晶转变产物（是两相混合物）。共晶转变：一、相图分析以Pb-Sn相图为例：（1）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点。（2）线：结晶开始、结束线；共晶线；溶解度曲线。（3）区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。

（4）共晶合金：成分位于共晶点E的合金。（5）亚共晶合金：成分位于M、E之间的合金。（6）过共晶合金：成分位于E、N之间的合金。（7）端部共溶体合金：成分位于M以左、N以右的合金。(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.二、共晶系合金的平衡结晶及其组织

以Pb-Sn相图为例：（1）端部固溶体合金(Wsn=0.1）

室温组织（α＋βⅡ）231

（1）端部固溶体合金(Wsn=0.1）

室温组织（α＋βⅡ）231(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.2共晶系合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）（2）共晶合金(Wsn=0.619）

室温组织（α＋β）共晶E(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.

（2）共晶合金(Wsn=0.619）

室温组织（α＋β）共晶α(黑色)β(白色)（2）共晶合金(Wsn=0.619）

室温组织（α＋β）共晶（2）共晶合金(Wsn=0.619）

两相的相对含量：(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.（3）亚共晶合金(Wsn=0.3）室温组织α初＋βⅡ+(α＋β)共晶M2E剩余液相:WL=M2/ME=(30-19)/(61.9-19)=25.7%1（3）亚共晶合金(Wsn=0.3）室温组织α初＋βⅡ+(α＋β)共晶(α＋β)共晶α初晶βⅡ(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.（4）过共晶合金(Wsn=0.7）室温组织β初＋αⅡ+(α＋β)共晶（4）过共晶合金(Wsn=0.7）室温组织β初＋αⅡ+(α＋β)共晶

组织组成物与组织图组织组成物与相组成物的区别：组织组成物：具有清晰轮廓的独立组成部分，指形态。相组成物：具有确定的成分及结构，没有形态的概念。例如：亚共晶合金(Wsn=0.3）室温组织:α初,βⅡ,(α＋β)共晶相组成：α，β(α＋β)共晶α初晶βⅡ

组织图：用组织组成物填写的相图。

组织组成物与组织图组织组成物相对量的计算：杠杆定律。

组织组成物与组织图组织组成物的相对含量：（以Wsn=0.5的合金为例）组织组成物：α初+βⅡ+(α＋β)共晶Ⅱ

相组成物相对量的计算：杠杆定律。

组织组成物与组织图

两相组成物的相对含量：（以Wsn=0.5的合金为例）相组成物：α＋β共晶组织及其形成机理

共晶体的形态：两相交替分布。层片状（a)、棒状(纤维状)(b)、球状（c）、针状（d）、螺旋状（e）等。

共晶组织及其形成机理（1）粗糙－粗糙界面：金属-金属型金属-金属间化合物型简单规则形态：层片状（一般情况）、棒状(纤维状)、球状（一相数量明显少于另一相）3共晶组织及其形成机理

共晶体的形成(以片状为例）：成分互惠－交替形核片间搭桥－促进生长

两相交替分布（共晶组织）3共晶组织及其形成机理（2）粗糙－平滑界面：

金属-非金属型具有不规则或复杂组织形态.1）由于两相微观结构不同，所需动态过冷度不同，金属相任意长大，另一相在其间隙长大。可得到针状、螺旋状、树枝状共晶体。2）由于两相晶体结构不同，呈非等温界面。

3共晶组织及其形成机理（2）粗糙－平滑界面：

金属-非金属型具有不规则或复杂组织形态.

3共晶组织及其形成机理（2）平滑－平滑界面：非金属-非金属型一般认为具有不规则或复杂组织形态.3共晶组织及其形成机理（4）初生晶的形态：金属固溶体：粗糙界面－树枝状；非金属相：平滑界面－规则多面体。4共晶系合金的非平衡凝固和组织（1）伪共晶：共晶成分附近的非共晶合金所得到的完全共晶组织。（2）离异共晶：成分位于共晶线上两端点附近的合金形成的两相分离的共晶组织。4共晶系合金的非平衡凝固和组织（1）伪共晶

①伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶组织。

②形成原因：位于共晶点附近的合金成分进行不平衡结晶。12αβ4共晶系合金的非平衡凝固和组织（1）伪共晶

伪共晶区具有不同的形状（对称或偏移）（下图）。

4共晶系合金的非平衡凝固和组织（1）伪共晶

伪共晶区的形状与共晶两相的结晶速度有关。

二相结晶速度接近，同时结晶形成伪共晶组织，伪共晶区具有对称形态；

二相结晶速度相差较大，则结晶较快的相成为先共晶的初生相，使伪共晶区向结晶速度慢的一侧偏移。

二相结晶速度取决于二相成分与液相成分的差异。与液相成分接近的相具有较大的结晶速度，易形成先共晶的初生相。在共晶两相中，低熔点相易先结晶。

4共晶系合金的非平衡凝固和组织（1）伪共晶

在二组元熔点接近、共晶点居中的合金系，伪共晶区具有对称形态；在二组元熔点相差较大、共晶点偏向低熔点一侧的合金系，伪共晶区偏向高熔点一侧（Al-Si合金）。

共晶Al-Si合金组织：α初＋(α＋Si)共晶4共晶系合金的非平衡凝固和组织（2）离异共晶

①

离异共晶：成分位于共晶线上两端点附近的合金得到的两相分离的共晶组织。（平衡条件、非平衡条件均可形成）

②

形成原因：初晶的量很多，共晶体的量很少，共晶体中的

α

相依附在初晶α

上生长，β

在晶界析出。

③

消除：扩散退火。HJ共晶相:W共晶=MH/ME共晶相:W共晶=JN/EN4共晶系合金的非平