材料成型基础教学课件1.5

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1.5 合金相结构 合金：由两种或两种以上的金属，或金属与非金属， 合金：由两种或两种以上的金属，或金属与非金属，

经熔炼、 经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的 物质称为合金。 物质称为合金。 组元：组成合金最基本的独立的物质称为组元，或元。 组元：组成合金最基本的独立的物质称为组元，或元。 相：是指合金中结构相同、成分和性能均一并以界面 是指合金中结构相同、

相互分开的组成部分。 相互分开的组成部分。 不同的相具有不同的晶体结构，虽然其种类繁多， 不同的相具有不同的晶体结构，虽然其种类繁多， 但根据相的晶体结构特点可以将其分为固溶体和金属 但根据相的晶体结构特点可以将其分为固溶体和金属 化合物两大类。 化合物两大类。

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一 、固溶体 合金的组元之间以不同的比例相互混合，混 合金的组元之间以不同的比例相互混合，

合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某 合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某 一组元的相同，这种相就称为固溶体， 一组元的相同，这种相就称为固溶体，这种 组元称为溶剂，其它的组元即为溶质。 组元称为溶剂，其它的组元即为溶质。

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1 分类(1)按溶质原子在晶格中所占位置分为置换固溶体和间 )按溶质原子在晶格中所占位置分为置换固溶体和间 隙固溶体； 隙固溶体； (2)按固溶度分为有限固溶体和无限固溶体； )按固溶度分为有限固溶体和无限固溶体； (3)按溶质原子与溶剂原子的相对分布分为无序固溶体 ) 和有序固溶体。 和有序固溶体。

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2 置换固溶体是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形 成的固溶体。 成的固溶体。 金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但 金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体， 固溶度的大小往往相差十分悬殊。 固溶度的大小往往相差十分悬殊。 影响因素有： 影响因素有：

(1)原子尺寸因素 组元间原子半径之差与其中一组 ) 元的原子半径之比表示△ 元的原子半径之比表示△R=│(Ra – Rb)/Ra│。当△R 。 越大时，则固溶度越小。 越大时，则固溶度越小。有利于大量固溶的原子尺寸 因素△ 不超过 不超过± 因素△R不超过±(14%—15%)。 )。

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2 置换固溶体为什么原子尺寸因素会影响固溶度？ 为什么原子尺寸因素会影响固溶度？ 当溶质原子溶入溶剂晶格后，会引起晶格畸变， 当溶质原子溶入溶剂晶格后，会引起晶格畸变， 形成这样的状态必然引起能量的升高， 形成这样的状态必然引起能量的升高，这种升高的能 量称为晶格畸变能。 量称为晶格畸变能。 组元间

的原子半径相差越大，晶格畸变能越高， 组元间的原子半径相差越大，晶格畸变能越高， 晶格便越不稳定。 晶格便越不稳定。

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2 置换固溶体是指组成合金的组元原子 合金的组元原子， (2)电负性因素 是指组成合金的组元原子，吸引电 ) 子形成负离子的倾向。当组元间的电负性之差小时， 子形成负离子的倾向。当组元间的电负性之差小时， 则固溶度较大， 则固溶度较大，如果溶质原子与溶剂原子的电负性相 差很大，即两者之间的化学亲和力很大时， 差很大，即两者之间的化学亲和力很大时，则倾向于 形成比较稳定的金属化合物。 形成比较稳定的金属化合物。 (3)电子浓度因素 所谓电子浓度是指合金晶体的价 ) 电子数与其原子数之比， 电子数与其原子数之比，可用下式表示 C=(Va(100-x)+Vbx)/100 ( ) 式中， 分别为溶剂和溶质的原子价， 为溶质 式中，Va 、Vb分别为溶剂和溶质的原子价，x为溶质 分别为溶剂和溶质的原子价 B的物质的量比(原子百分数)。 的物质的量比( 的物质的量比 原子百分数)。 固溶体的电子浓度有一极限值。 固溶体的电子浓度有一极限值。 (4)晶体结构因素 ) (5)温度 )

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3 间隙固溶体 一些原子半径很小的溶质原子溶

入到溶剂中时， 入到溶剂中时，不是占据溶剂晶 格的正常结点位置， 格的正常结点位置，而是填入到 溶剂晶格的间隙中， 溶剂晶格的间隙中，形成间隙固 溶体，其结构如图1.32所示。 1.32所示 溶体，其结构如图1.32所示。 形成间隙固溶体的溶质元素，都 形成间隙固溶体的溶质元素，

是一些原子半径小于0.1nm的非金 是一些原子半径小于0.1nm的非金 0.1nm 属元素(如氢、 属元素(如氢、氧、氮、碳、 ),而溶剂元素则都是过渡族 硼),而溶剂元素则都是过渡族 元素。 元素。

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3 间隙固溶体 实践证明，只有当溶质与溶 实践证明，

溶质/ 剂的原子半径比为 R溶质/ R 溶剂< 溶剂<0.59 时，才有可能形 成间隙固溶体。 成间隙固溶体。 间隙固溶体的固溶度还与溶

剂的晶格类型有关。 剂的晶格类型有关。 由溶剂晶格中的间隙是有一

定限度的， 定限度的，所以间隙固溶体 只能是有限固溶体

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4 固溶体的结构(1)晶格畸变 ) 由于溶质与溶剂的原子大 小不同， 小不同，因而在形成固溶体 时，必然造成局部的晶格畸 变。 对置换固溶体， 对置换固溶体，当溶质原 子较溶剂原子大时，晶格常 子较溶剂原子大时， 数增大，反之， 数增大，反之，晶格常数减 小。 形成间隙固溶体时， 形成间隙固溶体时，晶格 常数总是随着溶质原子的溶 入而增大，见图1.34。 入而增大，

见图 。

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4 固溶体的结构(2)偏聚与有序 当同种原子间的结合力大于异种原 ) 子间的结合力时溶质原子倾向于成群的聚集在一起， 子间的结合力时溶质原子倾向于成群的聚集在一起， 形成许多偏聚区(见图1.35b);反之，异种原子间的 反之， 形成许多偏聚区(见图 ) 反之 结合力较大时，则溶质原子的近邻皆为溶剂原子，即 结合力较大时，则溶质原子的近邻皆为溶剂原子， 溶质原子倾向于按一定的规则有序排列 的规则有序排列， 溶质原子倾向于按一定的规则有序排列，但通常只在 短距离小范围内存在，称之为短程有序(见图1.35c) 短距离小范围内存在，称之为短程有序(见图 )

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4 固溶体的结构(3)有序固溶体 ) 具有短程有序的固溶体，当低于某一温度时， 具有短程有序的固溶体，当低于某一温度时，可 能使溶质和溶剂原子在整个晶体中都按一定的顺序排 列起来，即由短程有序转变为长程有序， 列起来，即由短程有序转变为长程有序，这样的固溶 体称为有序固溶体。有序固溶体有确定的化学成分， 体称为有序固溶体。有序固溶体有确定的化学成分， 可以用化学式表示。 可以用化学式表示。 发生有序化的临界温度称为固溶体的有序化温度。 发生有序化的临界温度称为固溶体的有序化温度。 严格说来， 严格说来，有序固溶体实质上是介于固溶体和化 合物之间的一种相，但更接近于金属化合物。 合物之间的一种相，但更接近于金属化合物。

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5 固溶体的性能在固溶体中，随着溶质浓度的增加， 在固溶体中，随着溶质浓度的增加，故溶 体的强度，硬度提高，而塑性，韧性有所下降， 体的强度，硬度提高，而塑性，韧性有所下降， 这种现象称为固溶强化 固溶强化。 这种现象称为固溶强化。

固溶体的塑性和韧性，如延伸率， 固溶体的塑性和韧性，如延伸率，断面收 缩率和冲击功等， 缩率和冲击功等，虽比组成它的纯金属的平均 值低，但比一般的化合物高的多。因此， 值低，但比一般的化合物高的多。因此，各种 金属材料总是以固溶体为其基体相。 金属材料总是以固溶体为其基体相。

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二 、金属化合物是指合金组元间发生相互作用而形成的一种新相， 是指合金组元间发生相互作用而形成的一种新相， 新相 又称为中间相 其晶各类型和性能均不同于任一组元 中间相， 不同于任一组元， 又称为中间相，其晶各类型和性能均不同于任一组元， 一般可以用分子式大致表示其组成 分子式大致表示其组成。 一般可以用分子式大致表示其组成。

在该化合物中，除了离子键，共价键外， 在该化合物中，除了离子键，共价键

外，金属键 也参与作用，因而它具有一定的金属性质，所以称之 也参与作用，因而它具有一定的金属性质， 为金属化合物。 为金属化合物。

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二、 金属化合物的种类 金属化合物的种类很多，这里介绍三种 金属化合物的种类很多，这里介绍三种:

服从原子价规律的正常价化合物； 服从原子价规律的正常价化合物； 决定于电子浓度的电子化和物； 决定于电子浓度的电子化和物； 小尺寸原子与过渡族金属之间形成的间隙化合物。 小尺寸原子与过渡族金属之间形成的间隙化合物。 1 正常价化合物： 正常价化合物： 通常是由金属元素与周期表第Ⅳ Ⅴ Ⅵ族元素 通常是由金属元素与周期表第Ⅳ 所组成。例如Mg2Si 、MnS等。正常价化合物的 所组成。例如 等 成分符合原子价规律，可用化学式表示， 成分符合原子价规律，可用化学式表示，具有较 高的硬度和脆性。 高的硬度和脆性。

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二、 金属化合物的种类2 电子化合物： 电子化合物： 是由第一族或过渡族金属元素与第Ⅱ至第Ⅴ 是由第一族或过渡族金属元素与第Ⅱ至第Ⅴ族金 属元素形成的金属化合物，它不遵守原子价规律， 属元素形成的金属化合物，它不遵守原子价规律，而 是按照一定的电子浓度的比值形成的化合物。 是按照一定的电子浓度的比值形成的化合物。

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二、 金属化合物的种类例如： 方晶格，简称β相 例如：a 电子浓度为 3/2(21/14)时，具有体心立 方晶格，简称 相； ( ) b 电子浓度为 电子浓度为21/13时，为复杂立方晶格，简称 相； 时 为复杂立方晶格，简称γ相 c 电子浓度为 7/4(21/12)时，为密排六方晶格，称为 相。 为密排六方晶格，称为ε相 ( ) 电子化合物可以用化学式表示，具有很高的熔点和硬度，但脆性很大。 电子化合物可以用化学式表示，具有很高的熔点和硬度，但脆性很大。

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二、 金属化合物的种类3 间隙相和间隙化合物： 间隙相和间隙化合物： 过渡族金属能与原子甚小的非金属元素氢、 过渡族金属能与原子甚小的非金属元素氢、氮、 硼形成化合物，它们具有金属的性质， 碳、硼形成化合物，它们具有金属的性质，很高的 熔点和极高的硬度。 熔点和极高的硬度。 根据非金属元素( 表示) 根据非金属元素(以X表示)与金属元素(以 表示 与金属元素( M表示)原子半径之比，可分为两类：当Rx/Rm< 表示) 表示 原子半径之比，可分为两类： < 0.59时，化合物具有比较简单的晶体结构，称为间 时 化合物具有比较简单的晶体结构， 隙相；> ;>0.59其结构复杂，称为间隙化合物。 其结构复杂， 隙相；> 其结构复杂 称为间隙化合物。

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间隙相

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间隙化合物间隙化合物的类型很多， 间隙化合物的类型很多，合金钢中常遇到 的间隙化合物有M 型 的间隙化合物有 3C型(如Fe3C、Mn3C)、 、 )、 M7C3型(如Cr7C3、)、 23C6型(如Cr23C6)、 、)、M M6C型(如Fe3W3C、)等。 、)等 型 、) Fe3C是钢铁材料中一种基本组成相，称为 是钢铁材料中一种基本组成相， 是钢铁材料中一种基本组成相 渗碳体， 渗碳体，其中铁原子可被 Mn、Cr、Mo、W 等 、 、 、 原子所置换，形成以间隙化合物为基的固溶体， 原子所置换，形成以间隙化合物为基的固溶体， 、(Fe、 ) 等 如(Fe、Mn)3C、( 、Cr)3C等，称为合 、 ) 、( 金渗碳体。 金渗碳体。

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