第四节合金的结构与相图

影响固溶体结构形式和溶解度的因素
1、 晶体结构
一般情况下，晶格结构相同的元素之间具有较大的溶解度，而晶格结构不同的元素之间溶解度较 小。
2、原子大小
d溶剂-d溶质
溶剂与溶质的原子直径差别：
×100%
d溶剂
当二者差别较小时，即溶剂与溶质的原子直径相近，易形成置换固溶体，且二者的尺寸差别越小， 所形成的固溶体的溶解度越大，当尺寸差别小于某一数值时，而且溶质与溶剂的晶格结构也相同， 将形成无限固溶体。如铁和铬、铜和镍便能形成无限固溶体。 而当原子尺寸差别大于15%时，不大可能形成置换固溶体。
QL
x '' k
QL
Qα
与力学中的杠杆定律完全类似
二、杠杆定律的适用范围
• 二元平衡相图 • 两相平衡区
注意： 杠杆定律不能用于三相平衡区！
二元匀晶相图
当两组元在液相和固相均无限互溶时，构成的合金系相图为二元匀晶相图。 属于此类的合金系有：Cu-Ni, Cu-Au, Au-Ag, Fe-Ni, W-Mo, Ti-Zr, Bi- Sb 等。
C、间隙化合物：由原子直径较大的过渡族元素与原子直径很小的C、N、B等元素组成，过渡族元 素的原子占据晶格的正常位置，尺寸较小的非金属元素原子有规则地嵌入晶格空隙中，形成间隙化合 物。
① 间隙相（简单晶格结构） 当非金属元素原子与过渡族金属元素原子直径的比值（d非/d过）<0.59时，形成的间隙化合物具有比
5、温度
固溶体的溶解度受温度的影响较大，一般温度越高，固溶体的溶解度越大。如，奥氏体在 727℃能溶解0.77%的碳，而在1148℃则能溶解2.11%的碳。
(四)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同。随着溶质元素含量的升高，固溶体 的性能发生明显变化，表现在强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降，→固溶强化。
A
L
tx
1‘
2‘
3‘
4‘
B
1‘’ 2‘’ 3’ ’
L+α
4’ ’
α
Ni
Cu
k
Cu-Ni 合金相图
a
L+α α
c
Pb f
L
d α +β Pb-Sn 合金相图
b
L+β
e
β
Sn g
※ 分析二元合金相图时应注意以下规律：
1、 相图中的每一点都代表某一成分的合金在某 一温度下所处的状态，也称为表象点。
2、 单相区中，相的成分即是合金的成分。
如：Fe3C, CuZn, Cu5Sn, 金属间化合物
FeS, MnS 等 一般化合物
金属键
离子键
金属间化合物可以作为合金的组成相（强化相），而非金属化合物在合金中大多属于有害杂质。 如FeS 在钢中引起热脆。
1、金属间化合物的组织与性能特点 金属间化合物具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆，其在合金中的分布形态对合金的性能影响很 大，当金属间化和物以大块状或成片状形态分布时，合金的强度、塑性均很差；当金属间化合物呈 弥散状质点分布时，合金的强度高，塑性、韧性较好。
Qa QL 1
温度，℃
L
Qa x '' QL x ' k
液相线
B
解得：
t1
QL
x,, k x '' x '
k x' Qa x'' x'
L+α
固相线
A
α
Cu X’
k
X’’ Ni
Ni%→
也即：
QL
x '' k x '' x '
于是：
Qa
kx' x '' x '
kx’
x’’k
Q a kx '
单相 合金
两相 合金
合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。
1、固溶体：指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相 ，这类固相称为固溶体。习惯以、 、表示。 与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。 固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。
特征： ①总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质。 ②保有溶剂的晶格结构。 ③成分可在一定范围内变化，性能随成分的变化而变化 ④产生晶格畸变。
固溶强化的机理：溶质原子溶入后，引起溶剂金属的晶格畸变，使位错运动受到阻碍。
固溶强化是材料的一种主要的强化途径。 实践表明：适当掌握固溶体中的溶质含量，可以在提高金属材料的强度、硬度的同时，使其仍能保 持相当好的塑性和韧性。 例如，向铜中加入19%镍，可使合金的强度极限由220MN/m2升高至380～400MN／m2，硬度由 HB44升高至HB70，而塑性仍然保持ψ=50%。若将铜通过其它途径(例如冷变形时的加工硬化)获得同样 的强化效果，其塑性将几乎完全丧失。
当溶质原子对固溶体贡献的价电子数与溶剂不同时，随着溶质原子的进入，将使固溶体晶格中的电子浓 度以及电子云结构发生变化，显然溶质原子所占的比率越高，固溶体晶格的电子浓度改变越大，达到一 定程度时，固溶体晶格就不稳定，易形成新的相。 因此，固溶体只能稳定在一定的电子浓度范围内，如对于溶剂为1 价金属的固溶体，若固溶体具有面心 立方晶格，则极限电子浓度值为1.36；若固溶体具有体心立方晶格，则极限电子浓度值为1.48。
二、金属间化合物
合金中，溶质含量超过固溶体的溶解度时将出现新相，如新相的晶格结构与合金中另一组成元素 相同，则新相是以另一组元素为溶剂的固溶体。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，属于化合物。
合金组元之间发生化学反应，形成晶体结构不同于任一组元的新相，称为化合物。
第四节合金的结构与相图
2020/11/26
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固态合金中的相结构
液态物质为液相，固态物质为固相。 相与相之间的转变称为相变。在固态下，物质可以是单相的，也可以 是由多相组成的。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。 组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。由不同组织构 成的材料具有不同的性能。 。
二元匀晶合金结晶过程分析 一定成分的合金
液相区
液-固两相区
固相区
Hale Waihona Puke 二元共晶相图当合金的二组元在液态时无限互溶， 在固态时有限互溶，且发生共晶反应， 此合金系的相图为二元共晶相图。
属于此类相图的合金系有： Pb-Sn, Al-Si, Al-Sn, Au-Pt 等。
I
II
a
L
L+α
α
c
d
Pb f
α+β
3、相变：一种相转变为其它相的过程。 相图中的线条（相线）表示相转变温度和平衡相的成分。被相线所划分的区域称为相区。
根据合金相图： 1）看到不同成分的合金在室温下的平衡组织； 2）可以了解它从高温液态以极缓慢冷却速度 冷却到室温所经历的各种相变过程； 3）能预测其性能的变化规律。 相图已成为研究合金中各种组织形成和变化 规律的重要工具。
（一）固溶体的结构与分类： 按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。 ① 置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固 溶体，呈有序分布的称有序固溶体。
黄铜置换固溶体组织
置 换 固 溶 体
Z
置换原子
Y X
② 间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 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，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族 元素。 形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂<0.59。 间隙固溶体都是无序固溶体。
溶质的原子比溶剂原子大，将周围溶剂原子将向四周挤出，在固溶体的晶格结构中引起正畸变。 溶质的原子比溶剂原子小，周围溶剂原子将向溶质原子靠拢，在固溶体的晶格结构中引起负畸变。
因为原子尺寸差别较大时，形成固溶体所造成的晶格畸变（无论是正畸变还是负畸变）较大，晶格 畸变能也较大，固溶体晶格结构的稳定性较差。 同样，形成间隙固溶体时，只能引 起固溶体晶格产生正畸变，显然， 溶质原子的尺寸越小，溶剂晶格的 间隙尺寸越大，形成间隙固溶体时 所造成的晶格畸变和畸变能越小， 间隙固溶体越容易形成，其溶解度 也就越大。
较简单的晶格结构，成为间隙相。 间隙相本身能溶解其组成元素而形成以间隙项为基的固溶体，故其化学成分可在一定范围内变动。如
TiC Ti2C 如：W2C, VC, TiC, MoC, TiN, VN 等。
② 间隙化合物（复杂晶格结构） 当（d非/d过）>0.59时，形成的间隙化合物一般具有复杂的晶格结构，称为间隙化合物。 如：Fe3C, dC/dFe =0.61, 正交晶格
亚共晶合金
共晶合金 Pb-Sn 合金相图
III b
L+β
e
β
过共晶合金
Sn g
一、相图分析
合金系有两种有限固溶体：以Pb 为溶剂， 以Sn 为溶质的α固溶体；以Sn 为溶剂，以Pb 为溶质的β固溶体。
ced 水平线---共晶反应线： 发生恒温反应 Le←→αc+βd
注意：在共晶线ced 上属于三相平衡区
3、 两个单相区之间一定存在着一个两相过渡区， 在两相过渡区中，两相处于平衡状态，两相 的成分可以由通过表象点的水平线与两相区 的边界线的交点来决定，两相的相对质量可 用杠杆定律计算。
4、 二元合金相图中，三相平衡共存，表现为一 水平线。
一、杠杆定律的推导
设液相的相对质量为QL，固相α的相对质量为Qα，则：
固溶体类型 间 隙 固 溶 体
Z 间隙原子
Y X
根据溶质元素在固溶体中的溶解度，可把固溶体分为： 有限固溶体：溶质元素在固溶体中的溶解度有一定限制（<100%）。 无限固溶体：溶质在溶剂可以任何比例形成置换固溶体，溶质元素在固溶体中的溶解度没有有限制