金属学与热处理 第03章 二元合金的相结构与结晶

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1、第三章二元合金的相结构与结晶1.合金的相结构2.匀晶相图及固溶体的凝固3.二元共晶相图4.二元包晶相图5.复杂二元相图的分析方法第一节：合金相结构组元1

2、

3、

4、合金相组元N金属间合金中结构相同、固溶体成分性能均一并化合物以界面相互分开的区域1.1固溶体(Solidsolution)按溶质原子在晶格中所占位置分：置换固溶体、间隙固溶体。按固溶度分类：无限固溶体或连续固溶体、有限固溶体。按溶质和溶剂原子的相对分布：无序固溶体、有序固溶体。a)置换固溶体b)间隙固溶体1.1.1置换固溶体(Substitutionalsolidsolution)不同金属元素之间置换固溶度相差十分悬殊，如Cu-Ni（1

5、00%）、Zn-Cu（39%）、Fe-W（0%）等体系，概括起来影响置换固溶度有以下因素：(a)组元的晶体结构类型溶质与溶剂晶格结构相同则固溶度较大，反之较小。(b)原子尺寸因素溶剂原子半径r与溶质原子半径r的相对差

6、r-r

7、／rABABA不超过15％有利于大量固溶，反之固溶度非常有限。(c)电负性因素当电负性相差不大时，随电负性差值增大，置换固溶度提高。但电负性相差超过一定值后将生成化合物，固溶度反而降低。(d)电子浓度因素电子浓度定义为合金中价电子数目与原子数目的比值。e/a=[V(100-x)+vx]/100，V、v为溶剂和溶质的原子价，x为溶质的原子百分数。对于IB族金属溶剂时，溶质

8、元素的原子价愈高，e/a越大，其极限固溶度愈小。1.1.2间隙固溶体Interstitialsolidsolution一些原子半径小于0.1nm的非金属元素如H，O，N，C，B等受原子尺寸因素的影响，不能与过渡族金属元素形成置换固溶体，却可处于溶剂晶格结构中的某些间隙位置，形成间隙固溶体。1.1.3固溶体的微观不均匀性置换固溶体中的溶质原子分布方式：无序分布、偏聚分布、短程有序短程有序参数a：a=1-P/x，P为B原子周围出现A原子的AAA几率，x为A组元摩尔分数。Aa=0，B原子周围出现A的几率与原子分数相同，固溶体完全无序；a<0，B原子周围出现A原子的几率大于A原子百分数，B即倾向于与

9、异类原子为邻，出现短程有序；a>0，B原子周围出现A原子几率小于A的百分数，说明B原子倾向于以同类原子为近邻，出现B原子偏聚。a)完全无序b)偏聚c)部分有序d)完全有序1.1.4长程有序固溶体对于某些固溶体，当其成分接近一定原子比时，较高温度时为短程有序，缓冷到某一温度以下，会转变为完全有序状态称为有序固溶体，这一转变过程称为固溶体的有序化。有序固溶体又称超结构或超点阵。1.1.5固溶体的性能点阵常数的改变①间隙固溶体的晶格常数随固溶度的提高而增大。②置换固溶体，一定浓度范围内满足Vegard定理：a=xa+(1-x)aSBBBA固溶强化。强度高于母相纯金属。电阻率增大。随固溶度提高

10、，电阻率增大，电阻温度系数减小。有序化。一般而言，一定有序度范围内，随有序程度的提高，强度、硬度提高，塑性及电阻率下降。完全有序后，强度和硬度又将下降。1.2金属间化合物(Intermetalliccompound)两组元组成的合金中，在形成有限固溶体，如果溶质含量超过其溶解度时．将会出现新相，其成分处在A在B中和B在A中的最大溶解度之间，故叫中间相。因此中间相具有金属的性质又称金属间化合物。1.2.1正常价化合物两种电负性相差较大的元素按通常的化学价形成的化合物。主要是金属元素与IVA-VIIA族元素形成的化合物。成分符合化学价规律。化合物包括从离子键，共价键过渡到金属键为主的一系列化合

11、物，如MgS、Mg2Sn等。1.2.2电子化合物IB族贵金属Ag、Au、Cu或过渡族金属与IIB、IIIA、IVA族元素形成的化合物，不符合化合价规律，而是按一定电子浓度的比值形成化合物，电子浓度不同，形成的化合物的结构也不同。这类化合物又称电子化合物或Hume-Rothery化合物。电子化合物的结合键为金属键，熔点一般较高，硬度高，脆性大，是金属中的重要强化相。1.2.3间隙相与间隙化合物过渡族金属M可与非金属元素H，B，C，N等原子半径很小的非金属元素形成化合物。rx/rm<0.59，形成具有简单晶体结构（fcc、bcc、hcp）的化合物称为间隙相rx/rm>0.59，形成化合物结构

12、复杂，通常称为间隙化合物或复杂间隙相。(a)间隙相间隙相可用简单化学式如M4X、M2X、MX、MX2表示，并且一定化学式对应一定晶体结构，间隙相具有极高硬度和熔点，虽然间隙相中非金属原子占的比例很高，但多数间隙相具有明显的金属性，是合金工具钢及硬质合金的主要强化相。(b)间隙化合物间隙化合物种类较多，钢中出现的主要类型有MC，MC，MC等。373236一般合金钢中常出现的间隙化合物为Cr，Mn，Mo，Fe的碳