第二章合金相结构 几个重要概念: 合金:由两种或两种以上元素(其中至少有一种是金 属)组成的具有金属特性的材料。如铁碳合金、 铁铬镍合金(不绣钢)、铜锡合金(青铜)等 组元:组成合金的最基本的、独立的物质。通常, 组元即为组成合金的各元素,但元素间所形 成的稳定化合物也可为组元。根据组元数目, 有二元合金、三元合金和多元合金等 相:合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构,成 分基本相同,并有明确界面与其它部分分开的 均匀组成部分。该界面称相界面。根据相的数 目,有单相合金、多相合金等 组织:用肉眼或显微镜所观察到的不同组成相的形 状、分布及各相之间的组合状态。由于合金 的成分及加工、处理等条件不同,其合金相 将以不同的类型、形态、数量、大小与分布 相结合,构成不同的合金组织状态。相是组 织的基本组成部分,而组织是决定材料性能 的一个重要因素。 合金相的分类:固溶体和中间相(金属化合物)
第二章 合金相结构 几个重要概念： 合金: 由两种或两种以上元素(其中至少有一种是金 属)组成的具有金属特性的材料。如铁碳合金、 铁铬镍合金（不绣钢）、铜锡合金（青铜）等。 组元：组成合金的最基本的、独立的物质。通常， 组元即为组成合金的各元素，但元素间所形 成的稳定化合物也可为组元。根据组元数目， 有二元合金、三元合金和多元合金等。 相：合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构，成 分基本相同，并有明确界面与其它部分分开的 均匀组成部分。该界面称相界面。根据相的数 目，有单相合金、多相合金等。 组织：用肉眼或显微镜所观察到的不同组成相的形 状、分布及各相之间的组合状态。由于合金 的成分及加工、处理等条件不同，其合金相 将以不同的类型、形态、数量、大小与分布 相结合，构成不同的合金组织状态。相是组 织的基本组成部分，而组织是决定材料性能 的一个重要因素。 合金相的分类：固溶体和中间相（金属化合物）
§21固溶体 固溶体:以合金某一组元为溶剂,在其 晶格中溶入其他组元原子(溶质)后所形成 的一种合金相,其特征是仍保持溶剂晶格类 型,结点上或间隙中含有其他组元原子。 主要讨论溶剂为纯金属的固溶体 固溶体的分类 根据溶质原子在溶剂晶格中所占据 的位置:置换固溶体和间隙固溶体; 根据溶质原子在溶剂中的固溶能力 有限固溶体和无限固溶体。固溶度(溶解 度):在一定温度和压力下,溶质在固溶体 中的浓度有一定限度,该浓度极限称为固溶 度 根据溶质原子在固溶体中的分布是否 有规律:无序固溶体和有序固溶体 置换固溶体 影响置换固溶体固溶度的主要因素 1.晶体结构因素 晶体结构相同是组元间形成无限固
§2.1 固溶体 固溶体：以合金某一组元为溶剂，在其 晶格中溶入其他组元原子（溶质）后所形成 的一种合金相，其特征是仍保持溶剂晶格类 型，结点上或间隙中含有其他组元原子。 主要讨论溶剂为纯金属的固溶体。 一、固溶体的分类 根据溶质原子在溶剂晶格中所占据 的位置：置换固溶体和间隙固溶体； 根据溶质原子在溶剂中的固溶能力 ：有限固溶体和无限固溶体。固溶度（溶解 度）：在一定温度和压力下，溶质在固溶体 中的浓度有一定限度，该浓度极限称为固溶 度。 根据溶质原子在固溶体中的分布是否 有规律：无序固溶体和有序固溶体。 二、置换固溶体 影响置换固溶体固溶度的主要因素 1．晶体结构因素 晶体结构相同是组元间形成无限固
溶体的必要条件。 2.原子尺寸因素 指溶剂、溶质原子半径之差与溶剂 原子半径之比,即△r=|rA-rB|/rA,A-溶 剂,B-溶质,△r越小,即组元间原子半径 越接近,固溶度越大。△r<0.14-0.15时,固 溶度较大,或形成无限固溶体。 3.电负性因素 电负性:原子接受电子形成负离子 的能力,即元素得失电子的能力。易得电子, 电负性大。在周期表中,同一周期元素的电 负性从左到右递增;同一族元素的电负性从 下到上递增。两元素电负性越相近,固溶度 越大。两元素电负性相差大,化学亲和力越 强,易形成化合物。 4.电子浓度因素 电子浓度:各组元价电子总数e与原子 总数a之比, 即C电子=ea=VA(100-X)+VBX]/100 VA-溶剂原子价;100-X-溶剂原子百分数 VA(100-X)-溶剂价电子数 ⅤB-溶质原子价;X-溶质原子百分数;VBⅩ-溶
溶体的必要条件。 2．原子尺寸因素 指溶剂、溶质原子半径之差与溶剂 原子半径之比，即△r = ∣rA-rB∣/ rA , A-溶 剂，B-溶质，△r 越小，即组元间原子半径 越接近，固溶度越大。△r<0.14-0.15 时，固 溶度较大，或形成无限固溶体。 3．电负性因素 电负性：原子接受电子形成负离子 的能力，即元素得失电子的能力。易得电子， 电负性大。在周期表中，同一周期元素的电 负性从左到右递增；同一族元素的电负性从 下到上递增。两元素电负性越相近，固溶度 越大。两元素电负性相差大，化学亲和力越 强，易形成化合物。 4．电子浓度因素 电子浓度：各组元价电子总数 e 与原子 总数 a 之比， 即 C 电子= e/a=[VA(100-X)+VBX]/100 VA-溶剂原子价; 100-X-溶剂原子百分数; VA(100-X)-溶剂价电子数; VB-溶质原子价; X-溶质原子百分数; VBX-溶
质价电子数 电子浓度对固溶度的影响:溶剂为 价FCC金属,不同溶质元素的最大固溶度所 对应的极限电子浓度均为1.36左右;溶剂为 价BCC金属,其极限电子浓度约为148 所以,溶质的原子价越高,其固溶度越低.举 例 总之,组元元素的晶格类型相同,原子 半径相差不大,在周期表中的位置邻近时, 固溶度较大,甚至形成无限固溶体。 三、间隙固溶体 溶质、溶剂元素 溶质元素:原子半径<0.1纳米的非 金属元素,如H、O、N、C、B等。 溶剂元素:多为过渡族金属元素,如W、 Mo、Cr、Fe、Ti、Zr、V等。 2.均为有限固溶体 四、固溶体的结构和性能特点 固溶体的微观不均匀性 在热力学平衡状态下,固溶体在宏观上 溶质是均匀分布的,但微观上是不均匀的
质价电子数. 电子浓度对固溶度的影响: 溶剂为一 价 FCC 金属,不同溶质元素的最大固溶度所 对应的极限电子浓度均为 1.36 左右; 溶剂为 一价 BCC 金属,其极限电子浓度约为 1.48. 所以,溶质的原子价越高,其固溶度越低. 举 例 总之，组元元素的晶格类型相同，原子 半径相差不大，在周期表中的位置邻近时， 固溶度较大，甚至形成无限固溶体。 三、 间隙固溶体 1．溶质、溶剂元素 溶质元素：原子半径 < 0.1 纳米的非 金属元素，如 H、O、N、C、B 等。 溶剂元素：多为过渡族金属元素，如 W、 Mo、Cr、Fe、Ti、Zr、V 等。 2．均为有限固溶体 四、固溶体的结构和性能特点 1．固溶体的微观不均匀性 在热力学平衡状态下，固溶体在宏观上 溶质是均匀分布的，但微观上是不均匀的
存在无序分布、偏聚分布、短程有序分布 和长程有序分布等 2.固溶体的点阵畸变 置换固溶体:溶质半径大时,膨胀, 点阵常数增大,为正畸变;溶质半径小 收缩,点阵常数减小,为负畸变 间隙固溶体:溶质半径大于间隙半径 点阵常数随溶质原子的溶入而增大。 3.固溶体的性能特点 1)固溶强化 固溶强化:固溶体的强度总是高于纯 组元的现象,即随着溶质原子的溶入及浓 度的增加,固溶体的强度和硬度增加 原因:溶质原子与位错间弹性交互作 用,使位错的运动阻力增加,塑性变形更 加困难。 固溶强化是一种重要的强化手段 2)固溶体较之纯金属和化合物具有良好 的综合机械性能 3)物理、化学性能 电阻升高,耐蚀性降低
存在无序分布、偏聚分布、短程有序分布 和长程有序分布等。 2．固溶体的点阵畸变 置换固溶体：溶质半径大时，膨胀， 点阵常数增大，为正畸变；溶质半径小， 收缩，点阵常数减小，为负畸变。 间隙固溶体：溶质半径大于间隙半径， 点阵常数随溶质原子的溶入而增大。 3．固溶体的性能特点 1）固溶强化 固溶强化：固溶体的强度总是高于纯 组元的现象，即随着溶质原子的溶入及浓 度的增加，固溶体的强度和硬度增加。 原因：溶质原子与位错间弹性交互作 用，使位错的运动阻力增加，塑性变形更 加困难。 固溶强化是一种重要的强化手段。 2）固溶体较之纯金属和化合物具有良好 的综合机械性能 3）物理、化学性能 电阻升高，耐蚀性降低
§22中间相 合金组元间相互作用,除形成固溶体 外,当超过固溶体的固溶极限时,可形成 晶格结构和特性完全不同于任一组元的新 相,即金属化合物。由于金属化合物在二 元相图中总是位于两组元或端际固溶体区 的中间部位,又称中间相 中间相的主要特点: 1)新的晶型:不同于各组元的晶型, 各组元原子占一定位置,有序排 列 2)有一定或大致一定的原子比值,可 用化学式表示其组成;成分可在 定范围变化。 3)以金属键为主,并有离子键、共价 键和分子键,化学式通常不符合原 子价规律,如Fe3C 4)性能不同于各组元,一般硬而脆 耐磨性好。 正常价化合物 指符合一般化合物原子价规律的金属
§2.2 中间相 合金组元间相互作用，除形成固溶体 外，当超过固溶体的固溶极限时，可形成 晶格结构和特性完全不同于任一组元的新 相，即金属化合物。由于金属化合物在二 元相图中总是位于两组元或端际固溶体区 的中间部位，又称中间相。 中间相的主要特点： 1）新的晶型：不同于各组元的晶型， 各组元原子占一定位置，有序排 列。 2）有一定或大致一定的原子比值，可 用化学式表示其组成；成分可在一 定范围变化。 3）以金属键为主，并有离子键、共价 键和分子键，化学式通常不符合原 子价规律，如 Fe3C. 4）性能不同于各组元，一般硬而脆， 耐磨性好。 一 正常价化合物 指符合一般化合物原子价规律的金属
化合物。通常由周期表中相距较远,电负性 相差较大的金属元素+非金属或类金属组 成,如Mg2Sn、ZnS、SiC等 三种类型:AB、A2B(或AB2)和A3B2 性能:较高的硬度和脆性 、电子化合物 按照一定电子浓度形成的金属化合物 其结构稳定性主要取决于电子浓度因素 化合时不遵循原子价规律,按一定的电 子浓度化合而成。 电子浓度与晶体结构间有一定的对应关 系: 1)当电子浓度为3/2(21/14)时,称为 β相,通常具有bcc结构; 2)当电子浓度为21/13时,称为γ相, 具有复杂立方结构; 3)当电子浓度为7/4(21/12)时,称为 e相,具有hcp结构 性能:熔点高、硬度高,塑性低 三、间隙相与间隙化合物 过渡族金属与C、H、B、N等原子半
化合物。通常由周期表中相距较远，电负性 相差较大的金属元素+非金属或类金属组 成，如 Mg2Sn、ZnS、SiC 等。 三种类型：AB、A2B（或 AB2）和 A3B2。 性能：较高的硬度和脆性。 二、电子化合物 按照一定电子浓度形成的金属化合物。 其结构稳定性主要取决于电子浓度因素。 化合时不遵循原子价规律，按一定的电 子浓度化合而成。 电子浓度与晶体结构间有一定的对应关 系： 1）当电子浓度为 3/2（21/14）时，称为 β相，通常具有 bcc 结构； 2）当电子浓度为 21/13 时，称为γ相， 具有复杂立方结构； 3）当电子浓度为 7/4（21/12）时，称为 ε相，具有 hcp 结构. 性能：熔点高、硬度高，塑性低。 三、 间隙相与间隙化合物 过渡族金属与 C、H、B、N 等原子半
径较小的非金属形成的化合物。 主要受原子尺寸因素控制。根据组元 间原子半径比:【xrm〈0.59(x非金属,m-金 属),形成简单结构的金属化合物,称为间 隙相;rx/rm>0.59,形成复杂晶体结构的间隙 化合物。 间隙相:M4X型(Fe4N);M2X型(MnC MX型(TiC)和MX2型(TiH2)。 间隙化合物:主要是碳化物,如Fe3C、 C6等 性能:间隙相较间隙化合物具有更高的 熔点和硬度
径较小的非金属形成的化合物。 主要受原子尺寸因素控制。根据组元 间原子半径比：rx/rm0.59，形成复杂晶体结构的间隙 化合物。 间隙相：M4X 型（Fe4N）; M2X 型( Mn2C); MX 型（TiC）和 MX2 型（TiH2）。 间隙化合物：主要是碳化物，如 Fe3C、 Cr23C6 等。 性能：间隙相较间隙化合物具有更高的 熔点和硬度