第 3 章合金的晶体结构与相图

第3章合金的晶体结构与相图

同纯金属的晶体结构相对应，搞清楚合金的相结构；同纯金属的晶体结构相对应，搞清楚合金的相结构； 1 同分析纯金属结晶过程的方法相对应，搞清楚分析合金结晶过程的方法即相图分析法。匀晶相图和共晶相图。 2 要点：本章是学习铁碳合金的准备知识

3.1 合金的晶体结构 3.1.1 基本概念 • 1. 合金：一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。

2. 组元：组成合金的独立的、最基本单元。 • 组元可以是金属、非金属或稳定化合物。 • 由两个组元组成的合金称为二元合金。

3. 合金系：由若干给定组元按不同比例配出的一系列成份不同的合金，这一系列合金构成一个合金系统，简称合金系。 • 例如，黄铜是铜和锌组成的二元合金系，铁和碳组成的一系列不同成份的合金，称为铁碳合金系。

4. 相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。

5. 组织：指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。

各种显微组织

合金在固态下的相结构 1. 固溶体 2. 金属化合物 • 合金组元通过溶解形成的一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相。 • 与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般含量较多；另一组元为溶质，含量较少。分类 3.1.2 合金的相结构

分类 • 有限固溶体 • 溶解度有一定限度---有限互溶 • 无限固溶体 • 溶解度无一定限度---无限互溶 • 置换固溶体 • 溶质原子占据溶剂晶格的某些结点 • 间隙固溶体 • 溶质原子处于溶剂晶格的间隙中有序固溶体无序固溶体

间隙固溶体 置换固溶体

固溶体强化： • 固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。晶格畸变随溶质原子浓度的增高而增大。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。

在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。固溶体综合机械性能好。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。固溶体综合机械性能好。 • 固溶体相的用途：作为合金结构的基体相使用位错引起的应力场变化

2. 金属化合物相 • 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。 • 基本特征：有金属性质；晶体结构不同于任何组元；成分固定或小有变化，有一定成分比例，可用分子式表示。 • 分类 • 正常价化合物； • 电子化合物； • 间隙化合物等。

Here we see the Carbon atom (in red) fitting in between the larger iron atoms thus forming a lattice structure which will form the intermetallic compound Cementite. Fe3C

金属化合物相的性能： • 金属化合物一般熔点高、硬度高、脆性大。 • 弥散强化（第二相强化）：当金属化合物以细小颗粒均布于固溶体上，使合金的强度↑↑ ，硬度↑↑ ，耐磨性↑↑ 而塑性和韧性降低。 • 金属化合物相的用途： • 作为合金的强化相使用

3. 机械混合物 • 合金各组元按照一定的重量比例以混合方式构成机械混合物。 • 机械混合物可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。

有异质原子溶入，导致晶格畸变 固溶强化可能出现多相组织---如果金属化合物有合理分布、大小、数量、形态弥散强化 • 工业用合金的组织：固溶体相基体+少量金属化合物（一种或几种） = 机械混合物

调整合金性能的途径： （1）改善固溶体溶解度（2）改变金属化合物的形状、数量、大小、分布结论：合金的力学性能一般优于纯金属实际合金结构：基体相+强化相固溶体相+金属化合物相机械混合物

合金结晶时可以形成固溶体、化合物或机械混合物。它的结晶过程也是形成晶核和晶核长大的过程，也存在过冷现象，需要一定的过冷度，最后形成由许多晶粒组成的晶体。合金结晶时可以形成固溶体、化合物或机械混合物。它的结晶过程也是形成晶核和晶核长大的过程，也存在过冷现象，需要一定的过冷度，最后形成由许多晶粒组成的晶体。 3.2 合金的结晶 3.2.1 合金结晶的过程及形成物

纯金属的冷却曲线 3.2.2 合金结晶的冷却曲线 • 合金系不同成分合金的冷却曲线，表达了：成分——温度——组织之间的关系。纯金属的结晶特征：“平台”结晶

如何更好的表达合金的冷却过程及其组织变化？如何更好的表达合金的冷却过程及其组织变化？ ——相图合金的冷却曲线合金的结晶特征：变温结晶

3.3 二元合金相图 3.3.1 二元合金相图的建立铜-镍合金相图

相图：表明合金系中各种合金相在平衡条件下相相图：表明合金系中各种合金相在平衡条件下相与相之间关系的一种简明图示。 • 所谓平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和相对重量不再变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。

合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡结晶过程。合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡结晶过程。 • 在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分。二元合金相图可以用温度－成分坐标系的平面图来表示。

3.3.2 基本相图 3.3.2.1 二元匀晶相图 • 两组元在固态时形成无限固溶体，且液态时又能完全互溶的合金相图称为二元匀晶相图。如Cu-Ni；W-Mo；Fe-Ni；Fe-Cr等合金的相图均是二元匀晶相图。

相图分析基本方法： • 1.掌握相图中各点、线、区的意义。 • 2. 典型结晶过程分析（冷却曲线表达、显微组织表达等）

相图中的点线区

上临界点 L1；下临界点α1 • 1. 结晶过程： L → L + α → α t1 : L1 → α1 t2 : L2 → α2 t3 : L3 → α3 液相线单相区 L 两相区L + α 固相线单相区 α 已结晶的固相成分不断沿固相线变化，剩余液相不断沿液相线变化。

How to find the point of full solidification for 40% Copper and 60% Nickel.

在两相区，过指定温度T1作水平线，分别交液相线和固相线于L1(q)点和a1(m)点，则L1点和a1点在成分轴上投影点即相应为此温度下，L相和α相的成分。在两相区，过指定温度T1作水平线，分别交液相线和固相线于L1(q)点和a1(m)点，则L1点和a1点在成分轴上投影点即相应为此温度下，L相和α相的成分。

2. 枝晶偏析 • 随着温度下降，剩余液相成分沿着液相线变化，已结晶固相成分沿着固相线变化。到温度T2时，L相和α 相成分分别为L2和a2点在成分轴上投影。结晶过程容易形成：枝晶偏析。

枝晶偏析 • 先结晶的树枝晶轴含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元较多。结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均匀现象，称为枝晶偏析。在生产上常把有枝晶偏析的合金加热到高温，并经长时间保温，使原子进行充分扩散，以达到成分均匀化的目的，这种热处理方法称为均匀化退火。

铸态Cu-Ni合金枝晶偏析的显微组织（100×）

Micro-segregation structure of Co-Cr alloy filmultra-high resolution SEM

镍基铸造合金化合物相析出造成的基体成分偏析镍基铸造合金化合物相析出造成的基体成分偏析低合金结构钢带状偏析

3. 二元相图中的杠杆定理 • 阿基米德与杠杆原理阿基米德在亚里山大里亚留学的时候，他从埃及农民提水用的“沙杜佛”(吊杆)和奴隶们撬石头用的撬棍，发现了可以借助一种杠杆来达到省力的目的，而且发现，手的握点至支点的这一段越长，就越省力气。由此他提出了这样一个定理：力臂和力(重量)的关系成反比例。这就是杠杆原理。用我们现在的表达方式就是：重量×重臂=力×力臂。为此，他曾给当时的国王艾希罗写信说：“我不费吹灰之力，就可以随便牵动任何重的东西；只要给我一个支点，给我一根足够长的杠杆，我也可以推动地球。 ”

二元相图中的杠杆定理 • 在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的。通过杠杆定理可以计算在某一温度下，两相的重量比。

3.3.2.2 二元共晶相图 • 合金的两组元在液态下无限互溶，在固态下有限溶解并发生共晶转变的相图。 • 共晶反应：恒温下，液相中同时结晶出二个成分、结构不同的固相。 • 共晶反应式： Ld ↔ (αc + βe) [恒温] • 转变产物：共晶体（共晶组织）—— 两固相的机械混合物，一般具有较独特的形貌。

共晶反应的冷却曲线同纯金属相同也出现结晶平台共晶反应的冷却曲线同纯金属相同也出现结晶平台

Hypoeutectic 亚共晶 hypereutectic 过共晶

Pb-Sn相图的点、线、区 Pb-Sn合金相图

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