第三章 合金的结构与二元状态图
1．解释下列名词：
合金，组元，相，相图；固溶体，金属间化合物，机械混合物；枝晶偏析，比重偏析；固溶强化，弥散强化。
答：合金：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。
组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。
相：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。
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。
固溶体：合金的组元之间以不同的比例混合，混合后形成的固相的晶格结构与组成合金的某一组元的相同，这种相称为固溶体。
金属间化合物：合金的组元间发生相互作用形成的一种具有金属性质的新相，称为金属间化合物。它的晶体结构不同于任一组元，用分子式来表示其组成。
机械混合物：合金的组织由不同的相以不同的比例机械的混合在一起，称机械混合物。
枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较
多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。
比重偏析：比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起的。如果先共晶相与溶液之间的密度差别较大，则在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液体中上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致，产生比重偏析。
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度、硬度升高的现象称为固溶强化。
弥散强化：合金中以固溶体为主再有适量的金属间化合物弥散分布，会提高合金的强度、硬度及耐磨性，这种强化方式为弥散强化。
2．指出下列名词的主要区别：
1）置换固溶体与间隙固溶体；
答：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。
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。 2）相组成物与组织组成物；
28 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。 29 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。
第三章二元合金的相结构与结晶
3-1 在正温度梯度下，为什么纯金属凝固时不能呈树枝状生长，而固溶体合金却能呈树枝状成长？
答：
原因：
在纯金属的凝固过程中，在正温度梯度下，固液界面呈平面状生长；当温度梯度为负时，则固液界面呈树枝状生长。
固溶体合金在正温度梯度下凝固时，固液界面能呈树枝状生长的原因是固溶体合金在凝固时，由于异分结晶现象，溶质组元必然会重新分布，导致在固液界面前沿形成溶质的浓度梯度，造成固液界面前沿一定范围内的液相其实际温度低于平衡结晶温度，出现了一个由于成分差别引起的过冷区域。所以，对于固溶体合金，结晶除了受固液界面温度梯度影响，更主要受成分过冷的影响，从而使固溶体合金在正温度梯度下也能按树枝状生长。
3-2 何谓合金平衡相图，相图能给出任一条件下合金的显微组织吗？
答：
合金平衡相图是指在平衡条件下合金系中合金的状态与温度、成分间关系的图解，又称为状态图或平衡图。由上述定义可以看出相图并不能给出任一条件下合金的显微组织，相图只能反映平衡条件下相的平衡。
3-3 有两个形状、尺寸均相同的Cu-Ni合金铸件，其中一个铸件的WNi=90%，
另一个铸件的WNi=50%，铸后自然冷却。问凝固后哪一个铸件的偏析严重？为什么？找出消除偏析的措施。
答：
WNi=50%铸件凝固后偏析严重。解答此题需找到Cu-Ni合金的二元相图。
原因：固溶体合金结晶属于异分结晶，即所结晶出的固相化学成分与母相并不相同。由Cu-Ni合金相图可以看出WNi=50%铸件的固相线和液相线之间的距离大于WNi=90%铸件，也就是说WNi=50%铸件溶质Ni的k0（溶质平衡分配系数）高，而且在相图中可以发现Cu-Ni合金铸件Ni的k0是大于1，所以k0越大，则代表先结晶出的固相成分与液相成分的差值越大，也就是偏析越严重。
消除措施：
可以采用均匀化退火的方法，将铸件加热至低于固相线100-200℃的温度，进行长时间保温，使偏析元素充分扩散，可达到成分均匀化的目的。
二元合金的相结构与结晶
组元——组成材料最基本的、独立的物质
合金——指由两种或两种以上的金属、或金属与非金属经熔炼或用其他方法制成的具有金属特性的物质。
相--是指合金中结构相同，成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分
金属化合物，它的晶体结构与固溶体完全不同，成分和性能也不相同
组织：所谓合金组织，是指合金中不同相之间相互组合配置的状态
固溶体——以合金中某一组元作为溶剂，其它组元为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变化的固相。
按溶质原子在溶剂晶格中所占位置：置换固溶体和间隙固溶体。
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
间隙固溶体——溶质原子进人溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体
按溶质与溶剂原子相对分布分类
无序固溶体——溶质原子统计式地或概率地分布在溶剂的晶格中。
有序固溶体——溶质原子在溶剂晶格的结点位或溶剂晶格的间隙中，有规律的排列。
有限固溶体：在一定条件下，溶质组元在固溶体的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再溶解，这种限度称为溶解度或固溶度，这种固溶体是有限固溶体
无限固溶体；溶质能以任意比例溶入溶剂，固溶度的溶解度可达100%，这种 称为固溶体就称为无限固溶体。无限固溶体只可能是置换固溶体
影响置换固溶体溶解度的因素
尺寸因素、晶体结构、电负性差及电子浓度是影响固溶体溶解度的四个主要因素
(1) 尺寸因素
组元间的原子半径越相近，则固溶体的固溶度越大。
晶格畸变（溶质原子相邻的溶剂原子偏离其平衡位置）
溶质原子溶入溶剂晶格引起晶格的点阵畸变。 溶质点阵的膨胀与收缩导致晶体能量升高，这种升高的能量称为晶格畸变能。溶质原子引起的点阵畸变能越大，固溶体的溶解度就越小。
组元间的原子半径相差越大，晶格畸变能越高，晶格便不稳定。
当溶质原子溶入很多时，则单位体积的晶格畸变能越高，直至溶质晶格不能再维持时，便达到了固溶体的固溶度极限。如此时再继续加入溶质原子，溶质原子将不再溶入固溶体中，只能形成其他新相
