合金中的相及相结构

1、合金中的相及相结构合金中的相及相结构1 2合金中的相及相结构合金中的相及相结构 二元合金相图的建立二元合金相图的建立 相图分析相图分析 二元相图的分析和使用二元相图的分析和使用 匀晶相图及固溶体的凝固匀晶相图及固溶体的凝固 共晶相图及合金的凝固共晶相图及合金的凝固 包晶相图包晶相图及合金的凝固及合金的凝固 其他类型的二元合金相图其他类型的二元合金相图 合金中的相及相结构合金中的相及相结构 合金中的相及相结构合金中的相及相结构3 n 为何工业上很少使用纯金属为何工业上很少使用纯金属, ,而多使用合金而多使用合金? ? 3.13.1 4合金中的相及相结构合金中的相及相结构 u虽然纯金属在工业上获得

2、了一定的应用，但由于虽然纯金属在工业上获得了一定的应用，但由于 纯金属的性能有一定的局限性，特别是强度等重要纯金属的性能有一定的局限性，特别是强度等重要 性能指标往往不能满足要求，因此它的应用范围也性能指标往往不能满足要求，因此它的应用范围也 受到了限制。实际使用的金属材料绝大部分是合金，受到了限制。实际使用的金属材料绝大部分是合金， 合金化后纯金属的性能得到大大的提高，合金化后纯金属的性能得到大大的提高，合金化是合金化是 提高纯金属性能的最主要的途径提高纯金属性能的最主要的途径。 u所谓合金是由两种或两种以上的金属或金属与非所谓合金是由两种或两种以上的金属或金属与非 金属，经过熔炼、烧结或其

3、它方法组合而成并具有金属，经过熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有 金属特性的物质。金属特性的物质。 5合金中的相及相结构合金中的相及相结构 工业纯工业纯FeFe、AlAl、CuCu合金化前后合金化前后b b的变化的变化 6合金中的相及相结构合金中的相及相结构 合金 组元 相 7合金中的相及相结构合金中的相及相结构 8合金中的相及相结构合金中的相及相结构 （1 1）固溶体）固溶体 9合金中的相及相结构合金中的相及相结构 u溶质和溶剂原子占据一个共同的布拉菲点阵，且溶质和溶剂原子占据一个共同的布拉菲点阵，且 此点阵类型和溶剂点阵类型相同。此点阵类型和溶剂点阵类型相同。 u有一定的成分范围，也就是说

4、，组元的含量可在有一定的成分范围，也就是说，组元的含量可在 一定范围内改变而不会导致固溶体点阵类型的改变。一定范围内改变而不会导致固溶体点阵类型的改变。 由于固溶体的成分范围是可变的，而且有一个溶解由于固溶体的成分范围是可变的，而且有一个溶解 度极限，故通常固溶体不能用一个化学式来表示。度极限，故通常固溶体不能用一个化学式来表示。 u具有比较明显的金属性质，例如，具有一定的导具有比较明显的金属性质，例如，具有一定的导 电、导热性和一定的塑性等等。固溶体中的结合键电、导热性和一定的塑性等等。固溶体中的结合键 主要是金属键。主要是金属键。 10合金中的相及相结构合金中的相及相结构 置换固溶体置换固

5、溶体 间间 隙隙 固固 溶溶 体体 11合金中的相及相结构合金中的相及相结构 12合金中的相及相结构合金中的相及相结构 绝大多数金属元素之间都能形成置换固溶体，但绝大多数金属元素之间都能形成置换固溶体，但 是只有少部分金属元素之间，可以形成无限固溶体，是只有少部分金属元素之间，可以形成无限固溶体， 即不同溶质元素在不同溶剂中的固溶度大小是不相同即不同溶质元素在不同溶剂中的固溶度大小是不相同 的。固溶度的大小，主要受以下一些因素的影响：的。固溶度的大小，主要受以下一些因素的影响： （a a）组元的晶体结构类型）组元的晶体结构类型 （b b）原子尺寸因素）原子尺寸因素 （c c）电负性因素（化学亲

6、和力）电负性因素（化学亲和力） （d d）电子浓度因素）电子浓度因素 13合金中的相及相结构合金中的相及相结构 u 晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条 件，组元间要无限互溶，晶体结构类型必须要相同。件，组元间要无限互溶，晶体结构类型必须要相同。 因为只有这样，组元之间才可能连续不断地置换而因为只有这样，组元之间才可能连续不断地置换而 不改变溶剂的晶格类型。不改变溶剂的晶格类型。 u 形成有限固溶体时，如果溶质与溶剂的晶体结构形成有限固溶体时，如果溶质与溶剂的晶体结构 类型相同，则溶解度通常也较不同结构时为大；否类型相同，则溶解度通常也较不同结构

7、时为大；否 则，反之。则，反之。 （a a）组元的晶体结构类型）组元的晶体结构类型 14合金中的相及相结构合金中的相及相结构 u所谓原子尺寸因素，是指形成固溶体的溶质原子半径与溶剂所谓原子尺寸因素，是指形成固溶体的溶质原子半径与溶剂 原子半径的相对差值大小，常以原子半径的相对差值大小，常以 R表示。表示。 u r （rArB）/rA100% uR越大，固溶度越小，这是因为溶质原子溶入将引起溶剂越大，固溶度越小，这是因为溶质原子溶入将引起溶剂 晶格产生畸变。晶格产生畸变。 u随着溶质原子溶入量的增加，引起的晶格畸变亦越严重，畸随着溶质原子溶入量的增加，引起的晶格畸变亦越严重，畸 变能越高，结构稳

8、定性越低。所以变能越高，结构稳定性越低。所以 R的大小限制了固溶体中的大小限制了固溶体中 的固溶度。显然，溶入同量溶质原子时，的固溶度。显然，溶入同量溶质原子时， R越大，引起的晶越大，引起的晶 格畸变越大，畸变能越高，极限溶解度就越小。格畸变越大，畸变能越高，极限溶解度就越小。 （b b）原子尺寸因素）原子尺寸因素 15合金中的相及相结构合金中的相及相结构 形成置换固溶体时的点阵畸变形成置换固溶体时的点阵畸变 16合金中的相及相结构合金中的相及相结构 元素的原子直径元素的原子直径 （虚线表示与铁的原子直径相差（虚线表示与铁的原子直径相差的上下限）的上下限） 17合金中的相及相结构合金中的相及

9、相结构 u元素间化学亲和力的大小显著影响它们之间的固溶度。元素间化学亲和力的大小显著影响它们之间的固溶度。 如果它们之间的化学亲和力很强，则倾向于形成化合物如果它们之间的化学亲和力很强，则倾向于形成化合物 而不利于形成固溶体；即使形成固溶体，固溶度亦很小。而不利于形成固溶体；即使形成固溶体，固溶度亦很小。 u电负性是指元素吸引电子的能力，即表示该元素的原电负性是指元素吸引电子的能力，即表示该元素的原 子在化学反应中或和异类原子形成合金时，能够得到电子在化学反应中或和异类原子形成合金时，能够得到电 子成为负离子的能力。子成为负离子的能力。 u元素的电负性具有周期性，同一周期的元素，其电负元素的电

10、负性具有周期性，同一周期的元素，其电负 性随原子序数的增大而增大；而在同一族元素中，电负性随原子序数的增大而增大；而在同一族元素中，电负 性随原子序数增大而减小。性随原子序数增大而减小。 （c c）电负性因素）电负性因素 18合金中的相及相结构合金中的相及相结构 u人们在研究以人们在研究以Cu、Ag、Au为基的固溶体时，发现随为基的固溶体时，发现随 着溶质原子价的增大，其溶解度极限减少。着溶质原子价的增大，其溶解度极限减少。 u如果将浓度坐标以电子浓度来表示，则它们的溶解如果将浓度坐标以电子浓度来表示，则它们的溶解 度极限是近似重合的。度极限是近似重合的。 u所谓电子浓度是指固溶体中价电子数目

11、所谓电子浓度是指固溶体中价电子数目e与原子数目与原子数目 a之比。之比。 u除此之外，固溶度还与温度有密切关系。在大多数除此之外，固溶度还与温度有密切关系。在大多数 情况下温度越高，固溶度越大。而对少数含有中间相情况下温度越高，固溶度越大。而对少数含有中间相 的复杂合金系的复杂合金系(例例Cu-Zn)，则随温度升高，固溶度减小。，则随温度升高，固溶度减小。 （d d）电子浓度因素）电子浓度因素 19合金中的相及相结构合金中的相及相结构 u当一些原子半径比较小的非金属元素作为溶质溶入金当一些原子半径比较小的非金属元素作为溶质溶入金 属或化合物的溶剂中时，这些小的溶质原子不占有溶剂属或化合物的溶剂

12、中时，这些小的溶质原子不占有溶剂 晶格的结点位置，而存在于间隙位置，形成间隙固溶体。晶格的结点位置，而存在于间隙位置，形成间隙固溶体。 形成间隙固溶体的溶剂元素大多是过渡族元素，溶质元形成间隙固溶体的溶剂元素大多是过渡族元素，溶质元 素一般是原子半径小于素一般是原子半径小于0.1nm的一些非金属元素，即氢、的一些非金属元素，即氢、 硼、碳、氮、氧等。硼、碳、氮、氧等。 u溶质原子存在于间隙位置上引起点阵畸变较大，所以溶质原子存在于间隙位置上引起点阵畸变较大，所以 它们不可能填满全部间隙，而且一般固溶度都很小。固它们不可能填满全部间隙，而且一般固溶度都很小。固 溶度大小除与溶质原子半径大小有关以

13、外，还与溶剂元溶度大小除与溶质原子半径大小有关以外，还与溶剂元 素的晶格类型有关，因为它决定了间隙的大小。素的晶格类型有关，因为它决定了间隙的大小。 20合金中的相及相结构合金中的相及相结构 u溶质原子的分布通常会偏离完全无序状态，呈现微观溶质原子的分布通常会偏离完全无序状态，呈现微观 的不均匀性。若同类原子结合力较强，会产生溶质原子的不均匀性。若同类原子结合力较强，会产生溶质原子 的偏聚；若异类原子结合力较强，则溶质原子趋于以异的偏聚；若异类原子结合力较强，则溶质原子趋于以异 类原子为邻的短程有序分布。类原子为邻的短程有序分布。 （）完全无序（）偏聚（）短程有序（）完全无序（）偏聚（）短程有

14、序 固溶体中溶质原子分布示意图固溶体中溶质原子分布示意图 21合金中的相及相结构合金中的相及相结构 25 25Au75Cu合金的晶体结构合金的晶体结构 CuAu型超结构，半周期型超结构，半周期 M5 22合金中的相及相结构合金中的相及相结构 u 固溶体的点阵畸变固溶体的点阵畸变 u 固溶体的强度和硬度固溶体的强度和硬度 固溶体的强度和硬度往往高于各组元，而塑性则固溶体的强度和硬度往往高于各组元，而塑性则 较低，这种现象就称为较低，这种现象就称为固溶强化固溶强化。 间隙式溶质原子的强化效果间隙式溶质原子的强化效果般要比置换式溶质般要比置换式溶质 原子更显著。原子更显著。 溶质和溶剂原子尺寸相差越

15、大或固溶度极限越小，溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度极限越小， 固溶强化越显著，则单位浓度溶质原子所引起的强固溶强化越显著，则单位浓度溶质原子所引起的强 化效果越大。化效果越大。 23合金中的相及相结构合金中的相及相结构 24合金中的相及相结构合金中的相及相结构 u固溶体的物理性能固溶体的物理性能 固溶体的电学、热学、固溶体的电学、热学、 磁学等物理性质也随磁学等物理性质也随 成 分 而 连 续 变 化 ，成 分 而 连 续 变 化 ， 但但般都不是线性关般都不是线性关 系。系。 固溶体的电阻率是随固溶体的电阻率是随 溶质浓度的增加而增溶质浓度的增加而增 加的，而且在某加的，而且在某中中 间

16、浓度时电阻率最大。间浓度时电阻率最大。 Cu-Au Cu-Au合金的电阻率与成分合金的电阻率与成分 的关系的关系(a)淬火合金淬火合金 (b)退火合金退火合金 25合金中的相及相结构合金中的相及相结构 构成合金的各组元间除相互溶解形成固溶体外，还可发构成合金的各组元间除相互溶解形成固溶体外，还可发 生化学相互作用，形成晶体结构不同于组元元素的新相。生化学相互作用，形成晶体结构不同于组元元素的新相。 u它们在二元相图上所处的位置总是在两个端际固溶体之间它们在二元相图上所处的位置总是在两个端际固溶体之间 的中间部位，所以将它们统称为的中间部位，所以将它们统称为中间相中间相。 u中间相大多数是由不同

17、的金属或金属与亚金属组成的化合中间相大多数是由不同的金属或金属与亚金属组成的化合 物，故这类中间相又称为金属间化合物。物，故这类中间相又称为金属间化合物。 u中间相通常按一定或大致一定的原子比组成，可以用化学中间相通常按一定或大致一定的原子比组成，可以用化学 分子式来表示，但是除正常价化合物外，大多数中间相的分分子式来表示，但是除正常价化合物外，大多数中间相的分 子式不遵循化学价规则。子式不遵循化学价规则。 （2 2）中间相）中间相 26合金中的相及相结构合金中的相及相结构 u中间相的性能明显不同于各组元的性能，一般是硬中间相的性能明显不同于各组元的性能，一般是硬 而脆的。中间相是许多合金中重

18、要的第二相，其种而脆的。中间相是许多合金中重要的第二相，其种 类、数量、大小、形状和分布决定了合金的显微组类、数量、大小、形状和分布决定了合金的显微组 织和性能。织和性能。 u中间相的形成也受原子尺寸、电子浓度、电负性等中间相的形成也受原子尺寸、电子浓度、电负性等 因素的影响。许多中间相是在原子尺寸有利的条件因素的影响。许多中间相是在原子尺寸有利的条件 下形成的，常称为几何因素决定的金属间化合物；下形成的，常称为几何因素决定的金属间化合物； 而另一些中间相如电子化合物则决定于电子浓度。而另一些中间相如电子化合物则决定于电子浓度。 27合金中的相及相结构合金中的相及相结构 u金属与化学元素周期表

19、中一些电负性较强的金属与化学元素周期表中一些电负性较强的 A、 A、A族元素，按照化学上的原子价规律所形成的族元素，按照化学上的原子价规律所形成的 化合物，称为正常价化合物。它们的成分可以用分子化合物，称为正常价化合物。它们的成分可以用分子 式来表达，如式来表达，如Mg2Si、Mg2Sn、ZnS、ZnSe等。等。 u这些化合物的稳定性与组元间电负性差有关，电负性这些化合物的稳定性与组元间电负性差有关，电负性 差越大，化合物越稳定，越趋于离子键结合。电负性差越大，化合物越稳定，越趋于离子键结合。电负性 差越小，化合物越不稳定，越趋于金属键结合。差越小，化合物越不稳定，越趋于金属键结合。 u正常价

20、化合物通常具有较高的硬度和脆性。在合金中正常价化合物通常具有较高的硬度和脆性。在合金中 弥散分布在基体上，常可起弥散分布在基体上，常可起弥散强化弥散强化作用。作用。 28合金中的相及相结构合金中的相及相结构 一些正常价化合物及其晶体结构类型一些正常价化合物及其晶体结构类型 29合金中的相及相结构合金中的相及相结构 指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的 化合物。电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，化合物。电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差， 是有色金属中的重要强化相。是有色金属中的重要强化相。 PbPb基轴承合金中的电子化合物基轴承

21、合金中的电子化合物 30合金中的相及相结构合金中的相及相结构 u电子化合物的特点是：凡具有相同的电子浓度，则该相电子化合物的特点是：凡具有相同的电子浓度，则该相 的晶体结构类型相同。亦即结构稳定性，主要取决于电的晶体结构类型相同。亦即结构稳定性，主要取决于电 子浓度因素（休姆子浓度因素（休姆-罗塞里定律）。罗塞里定律）。 u电子化合物晶体结构与合金的电子浓度有如下关系：电子化合物晶体结构与合金的电子浓度有如下关系： u当电子浓度为当电子浓度为21/14时，电子化合物（一般称为时，电子化合物（一般称为相）多相）多 数是体心立方结构。数是体心立方结构。 u当电子浓度为当电子浓度为21/13时的电子

22、化合物具有复杂立方结构。时的电子化合物具有复杂立方结构。 u当电子浓度为当电子浓度为21/12时，形成具有密排六方结构的电子时，形成具有密排六方结构的电子 化合物，称为化合物，称为相。相。 31合金中的相及相结构合金中的相及相结构 某些铜合金某些铜合金 银合金的银合金的相区相区 32合金中的相及相结构合金中的相及相结构 u过渡族金属能与原子半径比较小的非金属元素过渡族金属能与原子半径比较小的非金属元素C、 N、H、O、B等形成化合物，它们具有金属的性质、等形成化合物，它们具有金属的性质、 很高的熔点和极高的硬度。很高的熔点和极高的硬度。 u当金属（当金属（M）与非金属（）与非金属（X）的原子半

23、径比值）的原子半径比值 RX/RM0.59且电负性差较大时，化合物具有比较且电负性差较大时，化合物具有比较 简单的晶体结构，称为间隙相（若简单的晶体结构，称为间隙相（若RX/RM0.59且且 电负性差较小时，可形成间隙固溶体）；电负性差较小时，可形成间隙固溶体）； u而当而当RX/RM0.59且电负性差较大时，形成具有复且电负性差较大时，形成具有复 杂结构的化合物，称为间隙化合物。杂结构的化合物，称为间隙化合物。 33合金中的相及相结构合金中的相及相结构 u在间隙相中金属原子组成简单点阵类型的结构，此结构在间隙相中金属原子组成简单点阵类型的结构，此结构 与其为纯金属时的结构不相同。与其为纯金属

24、时的结构不相同。 u间隙相的一般可以用简单的化学式来表达，而且一定的间隙相的一般可以用简单的化学式来表达，而且一定的 化学表达式对应着一定的晶体结构类型。化学表达式对应着一定的晶体结构类型。 u尽管间隙相可以用简单的化学式表示，但大多数间隙相尽管间隙相可以用简单的化学式表示，但大多数间隙相 的成分可以在一定范围内变化。的成分可以在一定范围内变化。 u间隙相具有极高硬度和熔点，但很脆。许多间隙相具有间隙相具有极高硬度和熔点，但很脆。许多间隙相具有 明显的金属特性：金属的光泽、较高的导电性、正的电阻明显的金属特性：金属的光泽、较高的导电性、正的电阻 温度系数。温度系数。 u结合键为共价键和金属键。结合键为共价键和金属键。 34合金中的相及相结构合金中的相及相结构 间隙相间隙相 35合金中的相及相结构合金中的相及相结构 V在纯金属时为在纯金属时为 体心立方点阵，而体心立方点阵，而 在间隙相在间隙相VC中，金中，金 属属V的原子形成面心的原子形成面心 立方点阵，立方点阵，C原子存原子存 在于其间隙位置。在于其间隙位置。 间隙相间隙相VC的晶体结构的晶体结构 36合金中的相及相结构合金中的相及相结构 u间隙化合物具有复杂的晶体结构，它的类型较多。一间隙化合物具有