材料科学基础第7章 合金的相结构与结晶

合金与相

（alloyandphase)2相(phase)（1）相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分。（如单相、两相、多相合金。）

©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.合金中有两类基本相

——固溶体和化合物二、合金的相结构1、固溶体合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。形成固溶体后，晶格保持不变的组元称溶剂，晶格消失的组元称溶质。固溶体的晶格类型与溶剂组元相同。如，Fe(C)固溶体。（1）固溶体的分类1）置换固溶体：若溶质原子代替一部分溶剂原子而占据溶剂中的某些结点位置，称为置换固溶体。2）间隙固溶体：溶质原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点的位置，而是在结点间的空隙中，这种形式的固溶体称为间隙固溶体。固溶体分类ZXY间隙原子间隙固溶体置换固溶体置换原子YXZ（2）固溶体的性能由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，变形抗力增大，使金属的强度硬度升高的现象称为固溶强化。当溶质的质量分数适当时，固溶体不仅有着较纯金属高的强度和硬度，而且有着好的塑性和韧性。

固溶强化形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象正常晶格晶格畸变晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变2、金属间化合物（intermetalliccompound)金属间化合物是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任一组元，因此性能也不同于组元。

（1）金属间化合物的分类1）正常价化合物——这类金属化合物通常由金属元素与周期表中第IV、V、Ⅵ族的元素组成的。例如Mg2S、MnS、Mg2Si等，其分子式符合原子价规律，并且成分是固定不变的。

2)电子化合物——这类金属化合物是按一定电子浓度组成的具有一定晶格类型的化合物。

3)

间隙化合物——间隙化合物一般是由原子直径较大的过渡族金属元素（Fe、Cr、Mo、W、V等）与原子直径较小的非金属元素（H、C、N、B等）组成。间隙化合物间隙相根据半径的比值另一类是具有复杂结构的间隙化合物，如Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C等

间隙化合物中分为两类，一类是具有简单晶格形式的间隙化合物。如VC、WC、TIC等间隙固溶体间隙相晶格畸变晶格改变间隙固溶体与间隙相的区别晶格类型间隙相间隙化合物间隙固溶体晶格改变晶格畸变Al-In偏晶相图Temperature,℃0102030405060708090100InAlIn,wt%In,at%1002003004005006007008009001000510203040506010080017.597639℃156℃(Al)(ln)660℃Pb-Sn共晶相图第7章相图(Phasediagram)第7章相图相图：表示平衡条件下材料系统中相的状态与温度及成分之间关系的一种图形。又称状态图或平衡图。相图是材料科学工作者必不可少的

重要工具。相图的用途：由相图可以知道材料的凝固或熔化温度及系统中可能发生的固态相变或其他转变；材料的性能与相图有一定关系，掌握了有关相图的知识，就可以通过相图预测材料的某些性能。§7.2相、相平衡及相图制作7.1.3相图的表示与测定横坐标：成分纵坐标：温度点图中任一：状态点状态与成分表示法质量分数(w)和摩尔分数(x)二元相图中的成分按现在国家标准有两种表示方法：质量分数和摩尔分数。一般情况下，如果没有特别注明，均指质量分数。§7.2相、相平衡及相图制作7.2.1相图的表示与测定状态与成分表示法Cu305070Ni相图的建立：计算法：实验法：热分析法，金相组织法，X射线分析法，硬度法，电阻法，热膨胀法，磁性法。配制一系列成分的合金－测冷却曲线－确定转变温度－填入坐标－绘出曲线。测定合金的冷却（或加热）曲线金属结晶的条件和过程§4.1相、相平衡及相图制作7.2.2相图的表示与测定图4-2用热分析建立Cu-Ni相图。(a)冷却曲线，(b)相图。由凝固开始温度连接起来的相界线称为液相线，由凝固终结温度连接起来的相界线称为固相线。相图中由相界线划分出来的区域称为相区，表明在此范围内存在的平衡相类型和数目。在二元相图中有单相区和两相区。在相图中，任意一点都叫“表象点”。一个表象点的坐标值反映一个给定合金的成分和温度。在相图中由表象点所在的相区可以判定在该温度下合金由哪些相组成。CoolingCurvesPureMetalsAlloysMetalAandMetalBAlloysA+BFreezingorMeltingpointSolidificationorFreezingrange相图的测绘方法§7.2.2固溶体的平衡凝固7.2.2.2杠杆定律注意：只适用于两相区；三点（支点和端点）要选准。WL+Wα=W0WLXL+WαXα=W0X固溶体合金的平衡结晶过程（equilibriumsolidificationofsolidsolutionalloy)2.固溶体合金的非平衡结晶过程3.合金凝固过程中的成分过冷(constitutionalundercoolinginthesolidificationprocess)（non-equilibrium

solidificationofsolidsolutionalloy)§7.2相、相平衡及相图制作7.2.相平衡与相律（phaserule)相平衡：某一温度下，系统中各相长时间不相互转变，处于平衡状态。动态平衡相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系。f=c-p+1

（恒压条件下）相律应用：确定系统中可能存在的最多平衡相数，判断相图正误Phaserule§7.3相图分析匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的过程。相律：f=c-p+1匀晶相图：完全具有匀晶转变的相图。相图分析（以Cu-Ni相图为例）两点：纯组元熔点两线：液相线，固相线三区：L,α,L+αLL+α两相区：f=2-2+1=1温度可变，两相区存在于一个温度范围内，温度一定时，液、固成分一定Pb-Sn二元相图Phaserule§7.3.2固溶体的平衡凝固7.2.2.1固溶体平衡凝固过程及组织平衡凝固：无限缓慢冷却时的凝固方式。凝固过程中的每个阶段都能达到平衡，即在相变过程中有充分时间进行组元间的扩散，以达到平衡相的成分。平衡结晶过程分析第二节二元匀晶相图三、固溶体材料冷却时组织转变1点以上液体冷却1点开始凝固，固体成分在对应固相线处1－2之间，温度下降，液体数量减少，固体数量增加，成分沿液相线和固相线变化，到2点，液体数量为0，固体成分回到合金原始成分，凝固完成2点以下固体冷却，无组织变化过程：§7.3.2固溶体的平衡凝固7.3.2.1固溶体平衡凝固过程及组织第二节二元匀晶相图固溶体结晶特点：结晶出的固相与原液相成分不同。在形核时不但要求溶液中有能量起伏，还要有浓度起伏。在一定温度范围内结晶，凝固速率较慢。在每一温度下，平衡凝固实质包括三个过程：①液相内的扩散过程。②固相的继续长大。③固相内的扩散过程。第二节二元匀晶相图

2固溶体合金的平衡结晶

（3）与纯金属结晶的比较①

相同点：基本过程：形核－长大；热力学条件：⊿T>0；能量条件：能量起伏；结构条件：结构起伏。②不同点：合金在一个温度范围内结晶合金结晶是异分结晶（选择结晶）需成分起伏。

2.固溶体合金的非平衡结晶过程2.固溶体合金的非平衡结晶过程2.固溶体合金的非平衡结晶过程2.固溶体合金的非平衡结晶过程2.固溶体合金的非平衡结晶过程2.固溶体合金的非平衡结晶过程2.固溶体合金的非平衡结晶过程§7.3.3固溶体的非平衡凝固与微观偏析消除枝晶偏析：均匀化退火晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀现象。枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。

平衡分配系数：在一定温度下，固、液两平衡相中溶质浓度的比值。k0=Cs/CLT1T2T3T1T2T3§7.2.5成分过冷与固溶体的组织热温过冷：液体的过冷度完全取决于实际温度的分布。成分过冷：由于液相成分改变而形成的过冷。热温过冷：液体的过冷度完全取决于实际温度的分布1.固溶体合金的凝固时，凝固前沿富集了溶质2.从平衡相图可知，溶质浓度高的对应的平衡结晶温度低TTCC远离凝固界面的距离7.2.5.1成分过冷的形成成分过冷：由于液相成分改变而形成的过冷。§4.2.5成分过冷与固溶体的组织4.2.5.2成分过冷的控制产生成分过冷的条件：第二节二元匀晶相图影响成分过冷的因素(1)G小，R大时，易产生成分过冷(2)合金性质：m大，k0较小时，易产生成分过冷§7.2.5成分过冷与固溶体的组织第二节二元匀晶相图7.2.5.3成分过冷对固溶体生长形态及组织的影响正温度梯度下，成分过冷增大，使界面生长形态从平直界面向胞状晶、胞状树枝晶、树枝晶、等轴晶发展。§7.2.5成分过冷与固溶体的组织第二节二元匀晶相图7.2.5.3成分过冷对固溶体生长形态及组织的影响§7.2.5成分过冷与固溶体的组织第二节二元匀晶相图二元合金相图的总结1.合金的相结构（phasestructure)3.固溶体的凝固（solidificationofsolidsolution)固溶体（solidsolution)间隙化合物(intermetallics)2.二元合金相图的建立（binaryphasediagram)相律Phaserule2）杠杆定律leverrule固溶体合金的平衡结晶过程（equilibriumsolidificationofsolidsolutionalloy)2.固溶体合金的非平衡结晶过程3.合金凝固过程中的成分过冷(constitutionalundercoolinginthesolidificationprocess)（non-equilibrium

solidificationofsolidsolutionalloy)三、固溶体材料冷却时组织转变1点以上液体冷却1点开始凝固，固体成分在对应固相线处1－2之间，温度下降，液体数量减少，固体数量增加，成分沿液相线和固相线变化，到2点，液体数量为0，固体成分回到合金原始成分，凝固完成2点以下固体冷却，无组织变化过程：§7.3.3固溶体的非平衡凝固与微观偏析不平衡原因：冷速快，固相不能均匀化不平衡结晶特点：(1)相成分按平均成分线变化(2)结晶温度范围增大(3)成分偏析：晶内偏析（枝晶偏析）先结晶的部分含高熔点的组分多，后结晶的部分含低熔点的组分多，熔液只能在固态表层建立平衡。§7.4.1相图分析

相图的基本类型:匀晶相图共晶相图包晶相图二元相图§7.4.1相图分析共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。LE=αM+βN

f=2-3+1=0共晶相图：具有共晶转变特征的相图。液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）βαL§7.4.1相图分析(1)点：共晶点E，纯组元熔点，最大溶解度点，室温溶解度点(2)线：结晶开始线（液相线），结晶结束线（固相线），共晶线，固溶线(3)区：3个单相区：L、α、β

f=23个两相区：L+α、L+β、α+βf=11个三相区（线）：L+α+βf=0合金类型：端部固溶体合金，共晶型合金(亚共晶合金，共晶合金，过共晶合金)Pb-Sn二元相图§7.4.2共晶系合金的平衡凝固和组织7.4.2.1端部固溶体合金结晶过程：Lα(匀晶)αβⅡ(脱溶)过饱和固熔体中分离出另一种固相的过程,称为脱溶转变室温组织：α+βⅡ相组成：α、β§7.4.2共晶系合金的平衡凝固和组织7.4.2.1端部固溶体合金Pb-Sn二元相图βⅡ10%Sn-Pb合金平衡结晶后的组织室温组织：α+βⅡ相组成：α、βα、β相对含量？§7.4.2共晶系合金的平衡凝固和组织7.4.2.2共晶合金(ωSn=0.619)第三节二元共晶相图结晶过程：

α→βⅡβ→αⅡ

室温组织：(α+β+αⅡ+βⅡ)共片层状称为：共晶体（共晶组织）简写为：(α+β）共α、β相对含量？Pb-Sn二元相图§7.4.2共晶系合金的平衡凝固和组织7.4.2.3亚共晶合金室温组织：α初+(α+β)共+βⅡ相组成：α、β结晶过程：t1-t2:L→

α初

(+L)

t2:L→(α+β)

t2-t3:α→βⅡ(+α),β→αⅡ

α→βⅡ§7.7.2共晶系合金的平衡凝固和组织7.4.2.3亚共晶合金第三节二元共晶相图§7.7.2共晶系合金的平衡凝固和组织7.4.2.4过共晶合金第三节二元共晶相图室温组织：β初+(α+β)共+αⅡ结晶过程：t1-t2:L→

β初

(+L)

t2:L→(α+β)

t2-t3:β→αⅡ(+β),β→αⅡ

α→βⅡ第三节二元共晶相图§7.5二元包晶相图包晶转变：一定温度下，由特定成分的固相与确定成分的液相发生反应生成另一种特定成分的固相的转变。包晶相图：两组元液态无限互溶，固态有限互溶并具有包晶转变的相图。图形特点：第四节二元包晶相图LαβLp+αc=βD§7.5二元包晶相图第四节二元包晶相图三种类型包晶相图§7.5二元包晶相图第四节二元包晶相图7.5.1相图分析

点：线：区：§7.5.2包晶合金的平衡凝固和组织7.5.2.1ωAg=0.424的Pt-Ag合金（包晶合金）结晶过程：包晶转变机理：第四节二元包晶相图§7.5.2包晶合金的平衡凝固和组织7.5.2.1ωAg=0.424的Pt-Ag合金（包晶合金）结晶过程：包晶转变机理：第四节二元包晶相图包晶反应时原子迁移示意图§7.5.2包晶合金的平衡凝固和组织7.5.2.2其他包晶合金的平衡凝固第四节二元包晶相图§7.5.2包晶合金的平衡凝固和组织7.5.2.2其他包晶合金的平衡凝固第四节二元包晶相图例题例题4.4.2：(1)水平线上反应的性质。(2)各区域的组织组成物。(3)合金Ⅰ、Ⅱ的冷却过程第四节二元包晶相图§7.6其他二元相图7.6.1形成化合物的二元相图稳定化合物：有固定的熔点，熔点以下保持固有的结构而不发生分解。在相图上，可将其看作一个独立组元不稳定化合物：加热至一定温度时发生分解。分解为液相及另一个固相，而液相成分不同于化合物的成分。第五节其他二元相图K-Na

二

元

相

图§7.6其他二元相图第五节其他二元相图§7.6.2具有三相平衡恒温转变的其他二元相图7.6.2具有三相平衡恒温转变的其他二元相图恒温反应类型：分解型，合成型7.6.2.1分解型恒温转变相图(1)具有共析转变的相图共析转变：由一个固相在恒温下转变为另外两个固相。反应式：γα+β图形特点：第五节其他二元相图共析组织：共析转变产物，为两相交替排列的混合物，比共晶组织细密。相图实例：铁碳相图βαγ铁碳相图第五节其他二元相图βαγ§7.6.2具有三相平衡恒温转变的其他二元相图7.6.2.1分解型恒温转变相图(2)偏晶相图偏晶转变：一定温度下从一定成分的一种液相中分解出一个固相与另一种成份的液相，且固相的相对量总是偏多的转变。反应式：L1L2+α

图形特点：相图实例：Cu-Pb，Cu-O，Mn-Pb，Cu-S第五节其他二元相图L2αL1§7.6.2具有三相平衡恒温转变的其他二元相图Cu-Pb二元相图第五节其他二元相图§7.6.2具有三相平衡恒温转变的其他二元相图7.6.2.1分解型恒温转变相图(3)熔晶相图熔晶转变：一定温度时，从一个固相分解成一个液相和另一个固相的反应。反应式：δγ+L图形特点：相图实例；Fe-B，Fe-S，Cu-Sb第五节其他二元相图Lγδ§7.6.2具有三相平衡恒温转变的其他二元相图Fe-B二元相图第五节其他二元相图§7.6.2具有三相平衡恒温转变的其他二元相图7.6.2.2合成型恒温转变相图(1)具有包析转变的相图包析转变：一定温度时，有两个一定成份的固相生成另一个一定成分的固相的转变。反应式：β+αγ图形特点：相图实例：Fe-B，Fe-Sn，U-Si，Al-Cu第五节其他二元相图βαγ§7.6.2具有三相平衡恒温转变的其他二元相图Fe-B二元相图第五节其他二元相图§7.6.2具有三相平衡恒温转变的其他二元相图7.6.2.2合成型恒温转变相图(2)合晶相图合晶转变：一定温度下，两个液相相互作用形成一个固相的转变。反应式：L1+L2β图形特点：相图实例：Na-Zn第五节其他二元相图L1L2β§7.6.2具有三相平衡恒温转变的其他二元相图第五节其他二元相图§7.6.3具有无序-有序转变相图第五节其他二元相图有些二元系合金在一定成分和一定温度范围会发生有序化转变，形成有序固溶体。§7.5.4具有同素异晶转变的相图第五节其他二元相图当组元具有同素异构转变时，形成的固溶体也常有异晶转变。Fe和Ti在固态均发生同素异构转变，故形成相图时，在近铁一边有转变;在近钛一边有转变。第五节其他二元相图例4.5.1分析WSn=0.2的合金的平衡结晶过程，说明室温相组成物及组织。第五节其他二元相图§7.7.1复杂二元相图的分析方法第六节二元相图的分析方法二元相图中的几何规律①相邻相区的相数差1（点接触除外）－相区接触法则；②三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相的成分点。③若两个三相区中有2个相同的相，则两水平线之间必是由这两相组成的两相区。④单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区。§7.7.1复杂二元相图的分析方法第六节二元相图的分析方法§7.7.1复杂二元相图的分析方法第六节二元相图的分析方法相图分析步骤①以稳定的化合物分割相图；②确定各点、线、区的意义；③分析具体合金的结晶过程及其组织变化。注：虚线、点划线的意义－尚未准确确定的数据、磁学转变线、有序－无序转变线。§7.7.2二元相图分析实例（铁碳相图）第六节二元相图的分析方法7.7.2.1相图中的相铁素体：α或F奥氏体：γ或A渗碳体：Fe3C7.7.2.2相图中的点和线

点：16个。线：两条磁性转变线；三条等温转变线；其余三条线：GS,ES,PQ。

区：5个单相区，7个两相区，3个三相区。LL+L+Fe3C+Fe3C+Fe3CＬ＋δδ＋α＋Ｆｅ３ＣL+＋Ｆｅ３ＣL++δα＋＋Ｆｅ３Ｃδα§7.7.2二元相图分析实例（铁碳相图）第六节二元相图的分析方法Fe3C的结构胞§7.7.2二元相图分析实例（铁碳相图）第六节二元相图的分析方法7.7.2.2相图中的点和线等温转变线包晶线HJB：1495℃L+δγ共晶线ECF：1148℃Lγ+Fe3C

莱氏体Ld共析线PSK:727℃γα+Fe3C

珠光体Pδα＋＋Ｆｅ３ＣLL+L+Fe3C+Fe3C+Fe3CＬ＋δδ＋α＋αＦｅ３ＣL+＋Ｆｅ３ＣL++δ§7.7.2二元相图分析实例（铁碳相图）第六节二元相图的分析方法7.7.2.2相图中的点和线三条特性曲线GS线：A3线，先共析铁素体开始析出线

AFES线：Acm线，碳在A中的溶解度曲线

AFe3CⅡPQ线：碳在F中的溶解度曲线

FFe3CⅢ二元相图习题

Mg-Ni系的一个共晶反应为L0.235==α(纯Mg)+Mg2Ni0.546设ωNi=C1为亚共晶合金，ωNi=C2为过共晶合金，这两种合金中的先共晶相的质量份数相等，但C1合金中的α总量为C2合金中α总量的2.5倍，试计算C1和C2的成分。2.绘制二元系相图：A和B的熔点分别