第三章 二元合金与相图
教学目的及要求
通过本章学习，使学生掌握固态合金的相结构相图，了解几种最基本的二元相图，理解合金相图与合金性能之间的相互关系。
主要内容
1．二元相图及合金的结晶过程
2．合金相图与合金性能之间的关系
学时安排
讲课3学时。
教学重点
1．合金的相结构
2． 几种最基本的二元相图的特征
3．二元合金的结晶
教学难点
1．合金的相结构
2．二元相图及合金的结晶
教学过程
第一节 固态合金的相结构
一、基本概念
1．合金。两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为合金。合金具有比纯金属高得多的强度、硬度、耐磨性等机械性能，是工程上使用得最多的金属材料。
2．相：指系统中具有同一聚集状态、同一物理化学成分、同一结构并以界面相互隔开的均匀组成部分。
二、合金的相结构
两大类：固溶体和金属化合物。
1．固溶体
定义：就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，并保持溶剂元素的晶体结构。
结构：同溶剂的晶格结构。
分类：置换固溶体和间隙固溶体
（1）置换固溶体：溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，形成固溶体时溶质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子，就形成了置换固溶体。例如：Fe与Mn、Si 、Al 、Cr 、Ti 、Nb等形成置换固溶体。
（2）间隙固溶体：溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置上，则形成间隙固溶体。 例如：Fe 与 C、N 、O 、H 形成间隙固溶体。
固溶体的性能：与基体金属相比，强度硬度增加，塑性韧性降低，电阻、矫顽力增加。
固溶强化：通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材料强度增加的现象称为固溶强化。强化材料的方法之一。
2．金属化合物
定义：合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。
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金属的晶体结构与二元合金相图
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（1）、晶体结构的基本概念：
1、金属的晶体结构：金属材料内部的原子排列的规律，决定着材料的显微组织特性和材料的宏观性能。
2、晶格：用于描述原子在晶体中排列规律的三维空间集合点阵。
3、晶胞：晶格中存在能够代表晶格特征的最小集几何单元。
4、晶格参数：用来描述晶胞大小与形状的几何参数，包括晶胞的三个棱边长度a、b、c和三个棱边夹角A、B、R，共六个参数。
5、晶格常数：决定晶胞大小的三个棱长。
（2）、金属中常见的晶格：
体心立方晶格
面心立方晶格
密排六方晶格
（3）、晶格的致密度：
1、致密度：每个晶胞中原子所占的总体积与晶胞的体积之比。
（4）、晶粒与亚晶粒：
1、晶粒：晶格位向基本一致的区域，并有边界与邻区分开就称为一个晶粒。
2、晶界：晶粒之间原子排列不规则的区域。
3、晶粒大小决定因素：出取决于金属种类外，主要取决于结晶条件和热处理工艺。
4、“为无向性”
（5）、晶体缺陷：
1、凡是原子排列不规则的区域都是晶体缺陷。 2、点缺陷：以一个点为中心，在它的周围造成原子排列不规则，产生晶格畸变和内应力的晶体缺陷。主要有间隙原子、置换原子、晶格空位三种。
a、正畸变：大直径原子置换引起晶格局部“撑开”现象。
b、负畸变：小直径原子置换引起晶格局部“靠拢”现象。
c、点缺陷处于不断变化和运动之中，位置随时在变。是原子扩散的一种主要方式，也是金属在固态下“相变”和化学热处理工艺的基础。
3、线缺陷：主要是指各种形式的位错。
a、位错：晶体中某一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。
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第二章 二 元 合 金 相 图
纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。合金相图正是研究这些规律的有效工具。
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叫做合金。其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。二元以上的合金称多元合金。合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。
合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。
本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。
2.1 合金中的相及相图的建立
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叫做相。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。如果合金仅由一个相组成，称为单相合金；如果合金由二个或二个以上的不同相所构成则称为多相合金。如含30%Zn的铜锌合金的组织由相单相组成；含38%Zn的铜锌合金的组织由和相双相组成。这两种合金的机械性能大不相同。
第二章 合金的相结构与二元合金相图
由于纯金属的机械性能比较低，很难满足机械制造业对材料性能的要求，尤其是一些特殊性能如高强度、耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等的要求，加上它冶炼困难，价格昂贵，所以在工业生产中广泛使用的金属材料主要是合金。
合金的性能比纯金属的优异，主要是因为合金的结构与组织与纯金属不同，而合金的组织是合金结晶后得到的，合金相图就是反映合金结晶过程的重要资料，也是制订各种热加工工艺的重要理论依据，所以本章着重介绍合金的结构与相图。
第一节 固态合金中的相结构
相：指具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相，合金在室温时只有一个相组成的合金称为单相合金，由两个相组成的合金称为两相合金。由多个相组成的合金称为多相合金。
组织：指用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像，一般用肉眼观察到的称为宏观组织，用显微镜放大后观察到的组织称为微观组织。
材料的组织是由相组成的，当组成相的数量、大小、形态和分布不同时，其组织也就不同。从而导致其性能不同，因此可以通过改变合金的组织来改变合金的性能。
合金：是由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或用其他方法制成的具有金属特性的物质。
合金系：由给定的若干组元按不同的比例配制成的一系列不同成分的合金，为一个合金系统，简称为合金系。如由A、B两个组元配制成的称为A-B二元系，同样由三个组元或多个组元配制成的称为三元系合金或多元系合金，本章主要介绍二元系合金的有关知识。
由于组成合金的各组元的结构和性质不同，因此它们在组成合金时，它们之间的相互作用也就不同，所以它们之间可以形成许多不同的相。但按这些相的结构特点，可以将它们分为两大类：即固溶体和金属间化合物。
固溶体的主要特点是：其晶体结构与溶剂组元的相同；而金属间化合物的主要特点是其晶体结构与两组元的结构均不相同，而是一种新的晶体结构。
