材料与金属工艺学第三章 合金的结构与二元状态图

第三章合金的结构与二元状态图【重点内容】1.合金中相的类型：固溶体、化合物；2.二元合金相图的基本概念：相、组织、组元、相图、合金、合金系等；3.二元合金相图的分析方法，熟悉几种最基本的二元合金相图；4.杠杆定律及其应用；5.固溶强化、弥散强化的定义。

【本章难点】固溶体和金属间化合物的概念、固溶体的分类、二元合金相图的分析方法及杠杆定律的应用。

【基本要求】1.掌握合金相结构的基本类型；2.熟悉状态图的建立及用途；3.掌握二元合金状态图的基本类型。

§1合金中的相结构【合金的基本概念及实用意义】：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物质，称为合金。

众所周知，金属材料在现代工农业生产及人们的日常生活中占有极其重要的地位，虽然各种纯金属都具有优良的导电性、导热性、化学稳定性等特点。

但是各种纯金属的强度、硬度、耐磨性等机械性能都比较差，满足不了人们对金属材料使用性能上的要求，因此自古至今人们都在生产和使用着合金材料。

合金不仅在强度、硬度、耐磨性等机械性能方面比纯金属高，而且在电、磁、化学稳定性等物理化学性能方面也能与纯金属相媲美或更好，所以对合金的研究与使用更有实际意义。

组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，通常是指组成该合金的元素或某些化合物，根据合金组元数目的多少，把合金分为二元合金、三元合金和多元合金。

如：铁碳合金就是由铁和碳二组元组成的二元合金。

【合金中的相结构】目前应用的合金中大多是采用熔炼法生产的，熔炼法即首先需要得到具有某种化学成分的均匀一致的合金溶液，将其降温冷却，使其结晶为固态合金。

合金的结晶过程同纯金属一样，通过形核和长大来实现的。

由于在合金中含有两种或两种以上元素的原子，它们之间必然要发生相互作用，因而使得生成的结晶产物往往不是只含有一种元素的小晶体（晶粒），而是含有两种或多种元素的小晶体。

在固态合金中，这些由多种元素构成的小晶体的化学成分和晶格结构可以是完全均匀一致的，也可能是不一致的。

在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均称之为相。

若合金是由成分、结构都相同的同一种晶粒构成的，则各晶粒虽有界面分开，却属于同一种相，这一合金为单相合金。

若合金是由成分、结构互不相同的几种晶粒所构成，它们将属于不同种相，这一合金为多相合金（或复相合金）。

在金属和合金中，在显微镜下能观察到的微观形貌、图象称为组织，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聚合体。

各个相的结构如何，各个元素的原子如何分布：固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性分类，分以下两类：固溶体和金属间化合物，二者的区别：固溶体：晶格结构与合金的某一组成元素的晶格结构相同化合物：晶格结构与合金的各组成元素的晶格结构均不相同。

1．固溶体：在一种金属元素的晶格中，溶入另一种或多种元素所形成的相；在固溶体中保持其原晶体结构的组元（元素）—溶剂，其余的元素（组元）—溶质。

固溶体的晶格与溶剂元素晶格相同。

按照溶质原子在溶剂晶格中的位置不同，可将固溶体分两类：置换固溶体和间隙固溶体。

（1）置换固溶体：溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固溶体称置换固溶体。

在置换固溶体中，按照溶质原子在溶剂晶格结点上的分布规律，还可将其分为有序固溶体和无序固溶体。

溶质原子在溶剂晶格结点上呈无序分布的置换固溶体称为无序固溶体；溶质原子在溶剂晶格结点上按一定秩序排列的置换固溶体称有序固溶体。

显然，只有当溶质原子和溶剂原子成一定比例时，才有可能形成有序固溶体。

此外，按照溶解度的大小，置换固溶体，又可分为无限置换固溶体和有限置换固溶体。

溶解度的概念：溶质原子溶于固溶体中的量，称为固溶体的浓度，它可以用重量百分数来表示，又可用原子百分数来表示。

%100⨯固溶体总重量溶质元素的重量重量百分数： %100⨯固溶体的总原子数溶质元素原子数原子百分数： 在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度，叫做溶质元素在固溶体中的溶解度。

通常溶质元素在固溶体中所能达到的极限浓度不可能是100%，即其溶解度是有一定限制的——这种固溶体为有限固溶体。

相反，在某些元素之间可以形成任何成分比例的固溶体，即无论这些元素怎样配比，都能形成均匀一致的单相固溶体，不存在极限浓度的限制，这种固溶体——无限固溶体。

置换固溶体的溶解度变化范围较大，影响因素也比较多，如：尺寸因素、电化学因素、电子浓度因素、晶体结构等等。

总之，只有两组元的原子大小相近，晶体结构相同，才能形成无限置换固溶体。

（2）间隙固溶体：溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体，间隙固溶体仍保持着溶剂金属的晶格类型。

已有研究表明，当溶质元素的原子直径与溶剂元素的原子直径之比小于0.59时，易于形成间隙固溶体，而在直径大小差不多的元素之间易于形成置换固溶体。

且溶质原子在间隙固溶体中只能呈统计分布，形成无序固溶体，而且当溶剂晶格间隙被溶质原子填充到一定程度后就不能再继续溶解，多余的溶质原子将以新相出现，因此，间隙固溶体的溶解总是有限的，间隙固溶体总是有限固溶体。

（3）固溶体的性能无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不同于原纯金属。

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，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。

置换固溶体间隙固溶体图3-1 两种类型的固溶体通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。

可见，固溶强化的产生是由于溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时受到阻力增大的缘故。

因此固溶强化是材料的一种主要的强化途径。

前面提到强度硬度提高的同时，塑性韧性下降，只有掌握好固溶体中溶质的含量，才可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，使其仍保持相当的塑性和韧性。

2．化合物在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将出现新相，若新相的晶格结构与合金中另一组成元素相同，则新相是以另一组成元素为溶剂的固溶体。

若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相将是组成元素间相互作用而生成的一种新物质，属于化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的β相（CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等，都是化合物。

在这些化合物中，Fe3C和β相均具有相当程度的金属键及一定的金属性质，是一种金属物质，称为金属化合物，而FeS、MnS具有离子键，没有金属性质，属于一般的化合物，因而又称为非金属化合物。

在合金中，金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，而非金属化合物是合金原料或熔炼过程带来的，数量少且对合金性能影响很坏，因而一般称为非金属夹杂。

金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。

当合金中出现金属间化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。

金属间化合物是各类合金钢、硬质合金及许多有色金属的重要组成相。

金属化合物的种类很多，也比较复杂，大纲没要求，我们不一一介绍。

§2二元合金状态图【相图的意义及有关几个名词的含义】合金的炼制通常是用不同的金属熔化在一起形成的合金溶液，再冷却结晶而得到。

在合金溶液冷却结晶过程中，会形成什么样的组织呢？利用相图可以回答这一问题，即利用合金的相图，可以知道，某一定成分的合金在某一定温度下能形成什么样的组织。

1．组元：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。

组元在大多数情况下都是元素，如Cu、Ni合金的组元，Cu、Ni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Fe3C看作一组元。

2．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不同成分的合金，称为合金系。

一个合金系指组元相同的一系列不同成分的合金。

如：Cu、Ni系。

3．相图用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或平衡图。

相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。

【二元合金状态图的建立】目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。

这种方法是将合金加热熔化后缓慢冷却，绘制其冷却曲线。

当合金发生结晶或固态相变时，由于相变潜热放出，抵消或部分抵消外界的冷却散热，在冷却曲线上形成拐点。

拐点所对应的温度就是该合金发生某种相变的临界点。

以Cu—Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤：（1）配制不同成分的合金试样，如Ⅰ纯铜；Ⅱ75%Cu+25%Ni；Ⅲ50%Cu+50%Ni；合金Ⅳ25%Cu+75%Ni；Ⅴ：纯Ni。

（2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点；（3）将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上；（4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu、Ni合金相图。

a）冷却曲线 b）相图图3-2 用热分析法测定Cu、Ni相图相图中的每个点、每条线、每个区域都有明确的物理含义，a、b点分别为纯Cu和纯Ni的熔点。

在aa1a2a3b线以上的温度，合金均处于液相状态，所以称aa1a2a3b为液相线，任何成分的液态合金冷却降温到此线所示的温度，就开始结晶析出固相。

在ab1b2b3b线以下温度的合金都处于固相状态，称ab1b2b3b线为固相线。

当合金加热至固相线温度时，便开始熔化产生液相，在液相线与固相线之间的区域为液相、固相平衡共存的两相区。

在两相区里合金处于结晶或其它的相变过程中。

【平衡相组成的分析】：1．平衡相成分的确定：欲求X 成分合金在T 0温度时两平衡相的成分，先通过X 点作一成分垂线，然后在垂线的T 0温度作一水平线，交固相线于n 点，液相线于m 点，此两点在横坐标上的投影n ’和m ’，即为X 成分合金在T 0温度时相互平衡的固相和液相的化学成分。

理论和实践已证明了这一结论的正确性。

图3-3 平衡相成分分析示意图2．平衡相相对重量的确定：（杠杆定律）前面的分析知道，成分为X 的合金在T 0温度时相平衡的液相和固相的成分分别是m ’和n ’，那么它们的相对重量是多少呢？设合金X 总重量为1，T 0时液相的重量L M ，固相的重量αM则1=+αM M L此外，合金X 中B 的含量应等于液相与固相中含B 量的和X n M m M L ⋅=⋅+⋅1’’α由以上两式可得：mn kn m n X n M L =--=''' mnmk m n m X M =--='''α 或 mk kn m ml =α 与物理中的杠杆定律相似故称为杠杆定律。

即只能用来求某合金在某温度下分解为两平衡相的相对重量。