第3章合金的结构与二元状态图

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1、第三章第三章 合金的相结构合金的相结构 与二元状态图与二元状态图 1 合金中的相结构合金中的相结构 一、合金的基本概念一、合金的基本概念 合金合金 :通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。物质，称为合金。 组元组元 :组成合金的最基本的、独立的物质称为组元组成合金的最基本的、独立的物质称为组元 。 相相：在金属或合金中，凡：在金属或合金中，凡成分相同成分相同、结构相同结构相同并与其它部并与其它部分分有界面分开有界面分开的的均匀组成

2、部分均匀组成部分，均称之为相，均称之为相 组织组织 ：在金属和合金中，在显微镜下能观察到的：在金属和合金中，在显微镜下能观察到的微观形貌微观形貌、图象图象称为组织，它是由单相物质或多相物质组合成的，具称为组织，它是由单相物质或多相物质组合成的，具有一定形态特征的有一定形态特征的聚合体聚合体 。二、合金中的相结构二、合金中的相结构固态合金中的相结构根据晶体结构的不同特点分为：固态合金中的相结构根据晶体结构的不同特点分为：1. 固溶体固溶体 ：在合金结晶时所形成的固相的晶格结构与合金：在合金结晶时所形成的固相的晶格结构与合金的某一种组元的晶格结构相同。的某一种组元的晶格结构相同。（或以合金中某一组

3、元为溶剂，其他组元为溶质，所形成的（或以合金中某一组元为溶剂，其他组元为溶质，所形成的保持溶剂晶体结构的固相称为固溶体）保持溶剂晶体结构的固相称为固溶体）2.间隙化合物间隙化合物：形成合金的组元相互作用并且所形成合金的：形成合金的组元相互作用并且所形成合金的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新物质。晶格类型和特性完全不同于任一组元的新物质。1. 固溶体固溶体固溶体分类：固溶体分类：按溶质原子在溶剂点阵中的位置分按溶质原子在溶剂点阵中的位置分: 置换固溶体置换固溶体、间隙固溶体间隙固溶体按溶解度分按溶解度分:无限固溶体、有限固溶体无限固溶体、有限固溶体按原子在点阵中排列的秩序性分按原子在点阵中排

4、列的秩序性分: 无序固溶体无序固溶体、有序固溶体有序固溶体 1) 1)置换固溶体：置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。有序固溶体在加热到某一临界温度时会转化为无序固溶体；而在极有序固溶体在加热到某一临界温度时会转化为无序固溶体；而在极缓慢冷却至这一缓慢冷却至这一温度温度时可以向有序固溶体转化。称时可以向有序固溶体转化。称有序转化有序转化2)间隙固溶体：间隙固溶体：原子半径小于原子半径小于0.1nm的的非金属元素非金属元素溶入到溶入到溶剂溶剂金属晶体点阵金属晶体点阵的间隙中形成的固溶体。的间隙中形成的固溶体。 非金属元素：非金属元素：H, N, C ,

5、 B, O置换固溶体置换固溶体 间隙固溶体间隙固溶体 l溶质元素在固溶体中的溶解度溶质元素在固溶体中的溶解度固溶体的浓度：固溶体的浓度：溶质原子溶于固溶体中的量。用重量百分比表示或原溶质原子溶于固溶体中的量。用重量百分比表示或原子百分比表示。子百分比表示。溶质元素在固溶体中的溶解度：溶质元素在固溶体中的溶解度：在一定条件下溶质元素在固溶体中的在一定条件下溶质元素在固溶体中的极限浓度。极限浓度。 通常不可能是通常不可能是100%100%，是有限度的，称，是有限度的，称有限固溶体，有限固溶体，但是在有些元素间但是在有些元素间无论怎样配比都能形成均匀一致的单相固溶体，称为无论怎样配比都能形成均匀一致

6、的单相固溶体，称为无限固溶体。无限固溶体。l只有在溶剂与溶质元素之间形成置换固溶体时，才有可能形成无限固只有在溶剂与溶质元素之间形成置换固溶体时，才有可能形成无限固溶体，而对于间隙固溶体只能形成有限固溶体。溶体，而对于间隙固溶体只能形成有限固溶体。l 影响固溶体溶解度的因素影响固溶体溶解度的因素1.1.原子尺寸因素：原子尺寸因素：原子半径差越小，易形成置换固溶体且固溶度越大。原子半径差越小，易形成置换固溶体且固溶度越大。2.2.晶体结构因素：组元间晶体结构因素：组元间结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体；结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体；3.3.负电性因素负电性因素( (化学亲和力

7、化学亲和力) )：负电性差越大（在周期表中远），溶解度大。负电性差越大（在周期表中远），溶解度大。（负电性差很大时，形成化合物）（负电性差很大时，形成化合物）4.4.电子浓度因素：电子浓度因素：电子浓度电子浓度e/ae/a越大，溶解度越小。越大，溶解度越小。c=e/a=xu +(1-x)vc=e/a=xu +(1-x)v（电子浓度：电子浓度：合金中两个组元的价电子总数和原子总数之合金中两个组元的价电子总数和原子总数之比比。）。） 固溶体的性能固溶体的性能 当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将

8、发生明显改变，其同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，一般情况下，强度、硬度强度、硬度逐渐逐渐升高升高，而，而塑性、韧性塑性、韧性有所有所下降下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等，即电阻率升高，导电性逐渐下降等，即固溶强化固溶强化。与纯金属与纯金属相比：相比： 与化合物相比与化合物相比：硬度低得多，塑：硬度低得多，塑性、韧性高。性、韧性高。 固溶强化：固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度和硬度升高的现象。度和硬度升高的现象。 原因原因：溶质原子溶入后，引起溶剂金属的晶格产生畸变，进：溶质原子溶入后，引起溶剂金属

9、的晶格产生畸变，进而使位错移动时所受到的阻力增大。而使位错移动时所受到的阻力增大。 置换固溶体的晶格畸变置换固溶体的晶格畸变 间隙固溶体的晶格畸变间隙固溶体的晶格畸变2. 金属间化合物金属间化合物 金属间化合物金属间化合物：在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解：在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将析出新相，若新相的晶格结构不同于任一组成元度时，将析出新相，若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质，素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质，称为化合物称为化合物 力学性能：力学性能：高硬度高硬度、高熔点高熔点、低塑性低塑性 类型：类型：正常价

10、化合物：符合原子价规则的化合物，正常价化合物：符合原子价规则的化合物，AmBn电子化合物（电子相）：按照一定电子浓度值形成。电子化合物（电子相）：按照一定电子浓度值形成。间隙化合物：受原子间隙化合物：受原子尺寸因素尺寸因素控制。控制。 由过渡族元素与由过渡族元素与C、N、H等形成。等形成。间隙化合物间隙化合物Fe3C的晶体结构的晶体结构3 机械混合物机械混合物2 二元合金状态图二元合金状态图 一一. 相图的相关概念相图的相关概念 组元组元：通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的：通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的物质称为组元。在所研究的范围内既不分解也不发生任何化物质称为组

11、元。在所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称为组元，如学反应的稳定化合物也可称为组元，如Fe3C。 合金系合金系:由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系。如不同成分的合金，称为合金系。如Pb-Sn系系 ，Fe3C-Fe系系 相图相图:用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解，用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解，又称状态图或平衡图。又称状态图或平衡图。相图上所表示的组织都是相图上所表示的组织都是十分缓慢冷十分缓慢冷却却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。的条件下获得的，都是接近平衡