第二章-金属材料的基础知识

第二章金属材料的基础知识实践和研究表明：决定工程材料的性能的基本因素是它们的成分、内部的微观结构和组织状态。

本章所涉及的材料结构，除了原子（或分子）结构之外，重点在于材料原子（或分子）的相互作用和排列方式上。本章的内容介绍：理想金属晶体的结构→实际金属的晶体结构→合金的相结构；纯金属的结晶→合金的结晶→二元合金相图→铁碳合金相图第一节金属的晶体结构一、晶体与非晶体自然界的固体物质分为两大类：晶体和非晶体晶体：原子（或分子）在三维空间的排列有规则的固态物质；非晶体：原子（或分子）是无规则地堆积在一起；晶体与非晶体的区别：晶体具有固定的熔点或凝固点；各向异性而非晶体则没有固定的熔点，各向同性。晶体在一定的条件下可以转变成非晶体，近年来，采用特殊的制备方法已能获得非晶态的金属和合金。原子由一个核心（称为晶核）按同一方向进行排列生长而形成的晶体称为单晶体，一些天然晶体如金刚石、水晶等，都是单晶体。而金属材料通常是由许多不同方位的小晶体组成，称为多晶体。多晶体材料一般不显各向异性。二、金属的晶体结构固体物质由于组成不同，其原子（或分子）的结构各不相同，原子间的结合性质和状态也不同。原子之间的结合方式一般有离子键、共价键、金属键、分子键和氢键。

金属键金属中的金属离子“沉浸”在自由运动的电子气中，成为均匀对称的离子，没有方向性，也不存在键的饱和性。所以，可以把金属离子设想为圆球，呈高度对称、紧密和简单的排列。用金属键可以解释金属的一般特性：如导电性、导热性、正的电阻温度系数、具有光泽等。金属离子的这种排列，决定了金属具有密度大、强度高、塑性和韧性好等优良的性能特征，从而成为最重要的工程材料。

理想金属的晶体结构晶格：为了便于研究晶体结构，假设通过原子的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。这种假想的格架在晶体学上称为晶格。晶格的结点位原子(离子)平衡中心的位置。晶格也称为晶体点阵。晶胞：从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、具有代表性的最小的空间几何单元作为点阵的组成单元，这个基本单元称为晶胞。晶胞在三维空间的重复排列构成晶格并形成晶体。如图晶面：在晶体中通过原子中心的平面称为“晶面”。晶向：通过原子中心的直线称为原子列，其所代表的方向称为“晶向”。在三维空间中，晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边的边长a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、γ六个参数来描写。a、b、c称为晶格常数

关于金属的晶体结构特征，还有以下几个重要的基本概念：（1）晶格尺寸许多金属具有相同的晶体结构，但他们的晶胞大小各不相同，每种金属在一定温度下都有其特有的晶格尺寸。晶格尺寸可用晶格常数表达。金属晶格的晶格常数在（1~7）×10-10m。（2）晶胞原子数晶胞原子数是指一个晶胞内包含的原子数目。晶胞原子数可通过计算每个原子在晶胞中所占的分数，然后进行加和获得。（3）原子半径原子半径通常是指晶胞中原子密度最大的方向上相邻的两个原子之间平衡距离的一半，它与晶格常数有一定的关系，是金属原子行为的一个非常重要的参量。同一种金属原子处于不同类型的晶格中时，原子半径是不一样的。（4）配位数配位数是晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目。配位数越大，原子排列的致密度越高。

2.典型的金属晶体结构根据晶胞的几何形状或自身的对称性，晶体结构分为七大晶系十四种晶格。三斜、单斜、正交、正方、菱方、六方、立方由于金属的原子之间是通过较强的金属键结合，因而金属原子趋于紧密排列，构成少数几种具有高对称性的简单晶体结构。在金属元素中，约有百分之九十以上的金属晶体结构都属于下面三种密排的晶格形式。（1）体心立方晶格

具有体心立方结构的金属有α－Fe、Cr、V、Nb、Mo、W等共约30种，约占金属元素的一半左右。原子半径：r晶胞实际包含原子数为2

致密度：0.68（2）面心立方晶格

面心立方晶胞如图所示。具有面心立方晶格结构的金属有γ－Fe、Al、Cu、Ag、Au、Pb、Ni、β－Co等金属。原子半径：r晶胞实际包含原子数为4致密度：0.74

（3）密排六方晶格：是原子排列最密集的晶体结构之一。密排六方的点阵常数由两个：一个是柱体的高度c，另一个是底面六边形的边长a，c/a称为轴比。在理想情况下，c/a的轴比为1.633。致密度为0.74。具有密排六方晶格结构的金属有Mg、Zn、Be、Cd等金属。3.金属晶体中的晶面和晶向指数(1)晶面指数在晶体学中，晶面采用晶面指数的方式表达。确定步骤如下第一步：在晶格中，沿晶胞的相互垂直的三条棱边为空间坐标轴X、Y、Z，坐标的原点0位于该待定晶面的外面，以免出现零截距；第二步：以晶格常数a，b，c分别为X、Y、Z轴上的长度度量单位，求出待定晶面在三个坐标轴上的截距；第三步：取待定晶面在这三个轴上截距的倒数；第四步：将这三个截距的倒数化为三个最小整数；第五步：把三整数写在圆括号内，即得到晶面指数（hkl）。（2）晶向指数确定步骤如下：第一步：选定坐标系（与求晶面指数的方法相同）；第二步：过坐标原点作一平行于待求晶向的直线；第三步：求出该直线上任一结点的空间坐标值；第四步：将此空间坐标的三个值按比例化为最小整数；第五步：将整数记在方括号内，即得晶向指数[uvw]。若指数为负值，则在相应指数上方加一负号，如。两组晶向的全部指数数字相同而符号相反时，则它们相互平行，但方向相反。晶向指数表示一组相互平行的晶向。图中给出了立方晶格的几个主要晶向。在晶体学上等同的晶向，统称为晶向族，用尖括号表示，即〈uvw〉。在立方晶系中，同一晶向族中的各晶向的指数数值相同而符号和顺序不同。例如，面心立方晶格的面对角线〈110〉晶向族包括[110]，[101]，[011]，，，，，，，，，等十二个晶向。

立方晶格中的几个主要晶向在立方晶系中，晶面指数与晶向指数相同时，则晶面与晶向相互垂直，例如（111）⊥[111]（图2-６）。4.金属晶体的各向异性金属晶体沿不同方向表现出性能不相同的现象叫做晶体的各向异性。不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，它们之间的原子结合力也就不同，是晶体具有各向异性的本质原因。例如，铁的单晶体，在［111］方向上的弹性模量E为290MPa，而在[100]方向上的E则是135MPa。晶体的各向异性在其化学性能、物理性能和力学性能等方面都同样会表现出来。在实际应用的工业金属材料中，是不显示各向异性的特征。只有在特定条件下，如定向凝固等，使各晶粒的位相趋于一致，才能显示出其各向异性。三、实际金属的晶体结构前面介绍是理想状态的金属晶体结构，即金属的整个晶体都是规则重复地排列。但实际上金属晶体结构是一个多晶体的，并且存在很多不完整的区域，这些不完整的区域称为晶体缺陷。按照几何特性，晶体缺陷主要分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。多晶体结构在工业生产中，单晶体的金属材料除专门制作外基本上不存在，实际的金属材料都是由很多小的单晶体组成的，我们把这些小的单晶体称为晶粒，每个晶粒内部晶格是一样的，晶粒之间的界面称为晶界。由于实际金属的各个晶粒的取向不同，其各向异性显示不出来，因此实际金属是各向同性的。但当个晶粒取向一致时，则又显各向异性。

晶体缺陷实际金属晶体结构中存在着缺陷，缺陷的存在破坏了晶体的完整性，对晶体的性能影响非常大。根据其几何特征主要分为：

1.点缺陷点缺陷是指在三维尺度上都很小，尺寸范围不超过几个原子直径的缺陷。主要的点缺陷有空位和间隙原子。位于晶格间隙中的原子叫做间隙原子;在空位和间隙原子的附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使其周围的原子离开了原来的平衡位置，发生了靠拢和被撑开的不规则排列，这种现象称为晶格畸变。空位和自间隙原子的运动是金属中原子扩散的主要方式之一，这对热处理和化学热处理过程都是极为重要的。2.线缺陷线缺陷是指在三维空间中二维尺度很小而另一维尺度很长的缺陷。这类缺陷的主要是指在晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，这类现象称为位错。晶体中的位错主要有刃形位错和螺型位错。(1)刃型位错（2）螺型位错

位错最重要的性质之一是它可以在晶体中运动。刃型位错的运动可有两种方式：一种是位错线沿着滑移面移动，称为位错的滑移；另一种是位错线垂直于滑移面的移动，称为位错的攀移。用透射电子显微镜可以观察到位错线（图2-11）和位错的运动。位错能够在金属的结晶、相变和塑性变形等过程中形成。晶体中的位错密度对金属的性能、塑性变形及其组织转变等都有着极其重要的影响。位错的密度是指单位体积中位错线的总长度，金属强度与位错密度的关系如图

在充分退火金属晶体中，位错密度一般为105～108/cm2。而经过剧烈冷变形的金属,位错密度可增至1010～1012/cm2。图2-12所示为金属的强度与位错的关系曲线。由图可见，位错是影响金属力学性能最重要的晶体缺陷，由于金属晶体中位错的存在，使金属的强度降低了2-3个数量级。3.面缺陷

面缺陷是指二维尺度很大而三维尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界（1）晶界实际的金属是由大量外形不规则的小晶粒组成的。晶粒与晶粒之间的接触面叫做晶界。（2）亚晶界一般晶粒的内部是由很多位向相差很小的亚晶粒组成，亚晶粒的尺寸比晶粒小2～3个数量级，常为10-6～10-4cm。亚晶粒之间的位向差小于1°。亚晶粒之间的边界叫亚晶界，亚晶界实际上是由一系列刃型位错所形成的小角度晶界。亚晶界是晶粒内部的一种面缺陷，对金属性能也有一定的影响。例如:在晶粒大小一定时,亚晶界越细,金属的屈服强度就越高.第二节合金的晶体结构一、合金的基本概念由两种或两种以上的金属、或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质称为合金。例如，应用最普遍的碳钢和铸铁就是由铁和碳所组成的铁碳合金。组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元。组元通常是纯元素，也可以是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可分成二元合金、三元合金或多元合金等。合金中具有同一化学成分且结构相同的与其它部分有界面分开的均匀部分称为相。合金在固态下可以形成单相合金，也可以是多相合金。合金中相与相之间的界面称为相界。合金的组织是用金相显微镜观察到的，在金属及合金内部各组成相（晶体或晶粒）的相对大小、形状、数量、分布的总合。合金的性能除了取决于组成相的晶体结构外，也取决于其金相组织或显微组织。合金中的组成相是多种多样的，但它们可以归纳为固溶体和化合物这两种基本类型。这两种类型，可分为置换固溶体和间隙固溶体；化合物可分为金属化合物和非金属化合物，金属化合物又包括：正常价化合物、电子化合物、间隙相和间隙化合物和超结构（有序固溶体）等。二、合金的相结构1.固溶体是指合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相；而其他组元的晶格结构将消失。保留晶格结构的组元称为溶剂；晶格结构消失的组元称为溶质。固溶体的晶格与溶剂的晶格相同，而溶质以原子状态分布在溶剂的晶格中。按照溶质原子在溶剂中分布情况的不同，固溶体可分为以下两种类型：（1）间隙固溶体溶质原子处于溶剂晶格的空隙中的固溶体称为间隙固溶体，如图。实验证明：当溶质元素与溶剂元素的原子直径比D质／D剂＜0.59时才能形成间隙固溶体。如H、C、O、N等。碳钢中碳原子溶入α－Fe晶格的间隙中形成间隙固溶体，称为铁素体。碳原子溶入γ－Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体，称为奥氏体。（2）置换固溶体溶剂晶格中的某些结点位置被溶质原子取代的固溶体称为置换固溶体，如图。在合金中，如锰、铬、硅、镍、钼等金属元素都能与铁形成置换固溶体。固溶体的分类溶解度固溶体间隙固溶体置换固溶体有限固溶体无限固溶体有限固溶体2.金属化合物

合金中溶质含量超过溶剂的溶解度时将出现一种晶格类型和性能完全不同于任意合金组元的化合物，这种化合物可以用分子式表示，它的结合力除了离子键和共价键外，金属键也起不同的作用，使这种化合物具有一定程度的金属性质（如导电性），所以把这种化合物称为金属化合物。例如碳钢中的Fe3C（渗碳体）和黄铜中的β相（CuZn）。(1)正常价化合物组成正常价化合物的元素是严格按照原子价规律结合的，因而其成分固定不变，可用化学式表示。通常金属性强的元素与非金属或类金属能形成这种类型的化合物。如Mg2Si,Mg2Sn等。(2)电子化合物电子化合物不遵循原子价规律，而是按照一定的电子浓度比组成一定晶格结构的化合物。如铜锌合金中的CuZn（电子浓度为3/2）等。电子浓度是指化合物中价电子数与原子数之比；Cu、Ag每个原子贡献的价电子数为1Mg、Zn每个原子贡献的价电子数为2(3)间隙化合物间隙化合物一般由原子直径较大的过渡族金属元素（Fe、Cr、Mo、W、V等）和原子直径较小的非金属元素（如H、C、N、B等）组成。如合金钢中各种类型的碳化物，都是间隙化合物。Fe3C的晶体结构

合金的性能1.固溶体与固溶强化由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，位错的移动受到的阻力，结果使金属材料的强度、硬度升高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的变形抗力增大，强度、硬度升高的现象称为固溶强化，它是金属材料强化的重要途径之一。实践证明，适当掌握固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。例如，往铜中加入19％的镍，可使合金的强度极限σb由220MPa提高到380～400MPa，硬度由44HBS提高到70HBS。而延伸率仍然保持在50%左右。所以对力学性能要求较高的结构材料，几乎都是以固溶体作为最基本的组成相。2.化合物与第二相强化化合物的性能特点是高熔点、高硬度和高脆性。在合金中一般作为强化相并分布在固溶体基体上提高合金材料的强度。多数工业合金均为固溶体和少量化合物所构成的混合物。通过调整固溶体的溶解度和其中的化合物的形态、数量、大小及分布，可使合金的力学性能在一个相当大的范围内变动，从而满足不同性能的要求。化合物作为第二相提高合金的性能称为第二相强化，也称为弥散强化或沉淀硬化。第三节纯金属的结晶一、金属结晶的基本概念金属自液态经冷却转变为固态的过程称为金属的结晶过程。研究金属的结晶过程的基本规律，对改善金属材料的组织和性能，都具有重要的意义。金属由液态转变为固态的结晶过程，实质上就是原子由不稳定的近程有序状态过渡为稳定的长程有序状态的过程。广义地讲，金属从一种原子排列状态过渡为另一种原子规则排列状态的转变都属于结晶过程。金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶，而金属从一种固态过渡为另一种固体的转变称为二次结晶。二、金属的冷却曲线和过冷现象纯金属都有一个固定的熔点（或结晶温度），因此纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下进行。金属的结晶温度可用热分析等试验方法来测定。

纯金属液体在无限缓慢的冷却条件下结晶（即理想的平衡条件下）所得到的结晶温度称为理论结晶温度，用T0表示。实际结晶温度Tn过冷现象；理论结晶温度与实际结晶温度的差ΔT叫做过冷度，过冷度ΔT＝T0-Tn。V↑；ΔT↑；Tn↓结晶的条件热力学定律指出，自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态；金属的自由能随温度的提高而降低。聚集状态不同，其斜率不同，因此金属的液态和固态之间存在一个自由能差ΔF当结晶温度小于T0后，固态金属的自由能才能小于液态金属的自由能，即ΔF=F固-F液<0，这时结晶过程才能自发进行。而且ΔT越大，液态与固态之间能量状态差就越大，促使液体结晶的驱动力就越大，结晶就越容易进行。三、纯金属的结晶过程金属的结晶都要经历晶核的形成和晶核的长大两个过程1.晶核的生成：研究表明，在液态金属中存在两种晶核，自发形核和非自发形核。（1）自发形核从液体内部自发生成的结晶核心叫做自发晶核。能够自发长大的最小自发晶核称为临界晶核。（2）非自发形核液态金属依附在一些未熔微粒表面所形成的晶核称为非自发形核。这些未熔微粒可能是液态金属存在的杂质，也可以是人为加入的。从能量条件分析，非自发形核更容易。2.晶核的长大（1）平面生长方式在平衡条件下或在过冷度较小的情况下，纯金属晶体主要以其结晶表面向前平移的方式长大，即进行所谓平面式的长大。晶体的长大应服从表面能最小的原则。在结晶表面的前沿，晶体沿不同方向的长大速度是不同的，以沿原子最密排面的垂直方向的长大速度最慢，而非密排面的长大速度较快，所以，平面式长大的结果，晶体获得表面为原子最密面的规则形状。（2）树枝状生长方式

树枝状生长方式当过冷度较大，特别是液态金属内存在非自发晶核时，金属晶体往往按树枝状的形式长大。在晶核生长的初期，晶粒可以保持晶体规则的几何外形；但在晶体继续生长的过程中，由于晶体的棱边和顶角处的散热条件优于其他部位，能使结晶时放出的结晶潜热迅速逸出，此处晶体优先长大并沿一定方向生长出空间骨架。这种骨架如同树干，称为一次晶轴。在一次晶轴伸长和变粗的同时，在一次晶轴的棱边又生成二次晶轴、三次晶轴，四次晶轴……。从而形成一个树枝状晶体，称为树枝状晶，简称枝晶。（图2-21）。四、金属晶粒的大小与控制晶粒度的概念:晶粒的大小即晶粒度。通常在放大100倍的金相显微镜下观测金属试样，并同标准晶粒度图进行对比。标准晶粒度一般分八级，级数越高晶粒越细。实验证明，在一般的情况下，晶粒越细，金属的强度、塑性和韧性就越好。因此，晶粒细化是提高金属力学性能的最重要途径之一。金属结晶后单位体积中的晶粒数目Z，与结晶时的形核率N（单位时间、单位体积中形成的晶核数目）和晶核的长大速度V存在着以下的关系：

晶粒度（晶粒数/mm2）σbMPaσsMPaδ%6.32374635.3512747044.819429410847.5纯铁的晶粒度与力学性能的关系晶粒大小的控制细化晶粒是提高金属力学性能的重要途径之一。也是一种重要的强化方法：细晶强化。控制晶粒大小的方法有：1.增加过冷度图2-22是形核速率N和晶粒长大速度V与过冷度ΔT的关系。由图可见，随过冷度的增大，N和V值增大，但N的增长速率大于V的增长速率。因此提高过冷度可以增加单位体积内晶粒的数目，使晶粒细化。但过冷度过大或温度过低时，原子的扩散能力降低，形核的速率反而减少。增大过冷度的主要办法是提高液体金属的冷却速度。在铸造生产中，为

了提高铸件的冷却速度，可以用导热系数大的金属铸型代替砂型。

2.变质处理是在液体金属中加入能非自发形核的物质，这种物质称为变质剂。变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核长大。例如，在冶金过程中，用钛、锆、铝等元素做脱氧剂的同时，也能起到细化晶粒的作用。在铸造铝硅合金时，加入钠盐，使钠附着在硅的表面，阻碍粗大片状硅晶体的形成，也可以使合金的晶粒细化。3.振动或搅拌金属结晶时，如对液态金属采取机械振动、超声波振动、电磁振动或机械搅拌等措施，可以造成枝晶破碎细化，而且破碎的枝晶还起到新生晶核作用，增加了形核率N，使晶粒得到细化。第四节合金的结晶一、二元合金相图的基本知识1.相图的基本概念由两种或两种以上的组元按不同的比例配制成一系列不同成分的所有合金称为合金系，如Al-Si系合金,Fe-C-Si系合金。合金相图就是用图解的方法表示合金系中合金的状态、组织、温度和成分之间的关系，利用合金相图可以知道各种成分的合金在不同的温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时可能发生的变化。掌握合金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。也可按要求研究配制新的合金。生产实践中，合金相图是制定合金熔炼、锻造和热处理工艺的重要依据。2.二元合金相图的建立二元合金相图是通过实验建立的，常用的实验方法是热分析法，现以Cu-Ni合金为例，说明用热分析法建立相图的步骤。

1）.配制不同成分的Cu-Ni合金；

2）.作出各成分合金的冷却曲线。并找出各冷却曲线上的临界点（即转折点和平台）的温度值。3）.画出温度－成分坐标系，在相应成分垂直线上标出临界点温度。4）分析结果写上数字、字母和各区域内的组织或相的名称，即得完整的Cu-Ni二元合金平衡相图（或状态图）。注意：平衡结晶是非常缓慢的接近平衡的冷却。3.杠杆定律在两相区结晶过程中，两相的成分和相对量都在不断的变化，杠杆定律就是确定状态图中两相区内平衡相的成分和相对重量的重要工具。现仍以Cu-Ni合金为例，设成分为ｋ的合金重量为１，在某温度下，液相的重量百分数为QL，固相的重量百分数为Qa，已知液相中含Ni量为X‘，固相中含Ni量为X’‘，可得方程：4.枝晶偏析

在实际生产中，一般合金的冷却速度都很大，由于合金中固相内部的原子扩散来不及充分进行，使先结晶的树枝状晶含Ni量高于后结晶的含Ni量，造成晶粒中心部位与表层的成分不均匀。这种晶粒内部化学成分不均匀的现象称为晶内偏析或枝晶偏析。冷却速度越大，实际结晶温度越低，枝晶偏析越严重。枝晶偏析的存在，使晶粒内部的性能不一致，严重影响合金的力学性能和耐腐蚀性能。一般可以用扩散退火的热处理方法消除这种偏析。二、二元相图的基本类型1.二元匀晶相图二元合金系中两组元在液态和固态下均能无限互溶，并由液相结晶出单相固溶体的相图称为二元匀晶相图。例如Cu-Ni合金2.二元共晶相图通常把在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的过程称为共晶转变。合金系的两组元在液态下无限互溶，在固态下有限互溶，并在凝固过程中发生共晶转变的相图称为二元共晶相图。

例如Pb-Sn合金相图3.二元包晶相图通常把在一定温度下，已结晶的一定成分的固相与剩余的一定成分的液相发生转变生成另一固相的过程称为包晶转变。两组元在液态下无限互溶，固态下有限互溶，并发生包晶转变构成的相图，称为二元包晶相图，如图2-27所示。4.共析转变相图在恒定的温度下，一个有特定成分的固相分解成另外两个与母相成分不相同的固相的转变称为共析转变，发生共析转变的相图称为共析相图。如图2-28所

共析反应具有以下特点：

由于固态中的原子扩散比液态困难得多，故共析反应比共晶反应需要更大的过冷倾向，因而使得成核率较高，得到的两相机械混合物（共析体）也比共晶体更为弥散和细小。共析反应常因母相与子相的比容不同而产生容积的变化，从而引起较大的内应力。四、合金的性能与相图的关系

合金的使用性能取决于它们的成分和组织，而合金的某些工艺性能取决于其结晶特点，因此通过相图可以判断合金的性能和工艺性，为正确地配制合金，选材和制定相应的工艺提供依据。1.合金的使用性能与相图的关系二元合金的室温平衡组织主要有两种类型，即固溶体和两相混合物。图2-33为具有匀晶相图和共晶相图合金的力学性能和物理性能随成分变化的一般规律。由图可见，固溶体合金与作为溶剂的纯金属相比，其强度、硬度升高，导电率降低，并在某一成分存在极值。因固溶强化对强度与硬度的提高有限，不能满足工程结构对材料性能的要求，所以工程上经常将固溶体作为合金的基体。

在共晶相图中有两相混合物。两相组织的力学性能和物理性能将随合金的成分变化而呈直线变化，由于共晶合金形成的是致密的组织，其强度、硬度明显提高。组织越致密，合金的性能提高得越多。2.合金的工艺性能与相图的关系

从相图上也可以判断出合金的工艺性能，如图2-34是合金的铸造性能与相图的关系。相图中的液相线与固相线之间的水平距离和垂直距离越大，合金的流动性就越差，合金成分偏析也越严重，使铸造性能变差。共晶合金的铸造性能最好，故在其它条件许可的情况下，铸造合金尽量选用共晶成分的合金。

单相固溶体合金具有较好的塑性，其压力加工性能良好，但其切削性能较差。当合金形成两相混合物时，合金的加工性能要好于单相合金，但压力加工性能却不如单相固溶体。第五节铁-碳合金相图铁和碳是钢铁中两个最基本的元素，故称为铁碳合金。它包括各种碳钢和铸铁。在铁碳合金中，铁与碳可以形成Fe3C、Fe２C、FeC等一系列化合物，而稳定的化合物可以作为一个独立的组元。因此一般所说的铁碳合金相图，实际上是指铁－渗碳体（Fe－Fe3C）相图。

一、铁碳合金的基本相Fe和Fe3C是组成Fe-Fe3C相图的两个基本组元。铁碳合金固态下的相结构有固溶体和金属化合物两类。属于固溶体相有铁素体与奥氏体，属于金属化合物相的有渗碳体。1.铁素体碳溶于α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以符号F表示。体心立方晶格结构，在727℃时溶碳量最大，可达0.0218％。随着温度的下降，铁素体的溶碳量逐渐减小，在室温时溶碳量几乎等于零。其性能几乎和纯铁相同，即铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。铁素体的性能指标抗拉强度σｂ≈

180～280MPa断面收缩率ψ≈

70～80％屈服强度σ0.2≈

100～170MPa冲击韧性αK≈

160～200J/cm2延伸率δ≈

30～50％硬度HB≈50～80

工业纯铁2.奥氏体碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A表示。面心立方晶格结构，溶溶碳能力在1148℃时溶碳量最大，可达2.11％，随着温度的下降，溶碳量逐渐减少，在727℃时溶碳量最低，为0.77％。奥氏体的性能：硬度为170HB～220HB，延伸率δ为40～50％，易于锻压成形。奥氏体3.渗碳体渗碳体的分子式为Fe3C，是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物（图2-16）。渗碳体的碳质量分数为6.69