定的化合物 影响影响置换固溶体置换固溶体溶解度的因素溶解度的因素 4 4．．电子子浓度度 在金属材料在金属材料( (合金合金) )中，价中，价电子数目子数目(e)(e)与原子数目与原子数目(a)(a)之比之比称称为电子子浓度由于溶度由于溶质和溶和溶剂的价的价电子数可能不同，子数可能不同，电子子浓度度 e/a = Ve/a = VA A(1-x) + (1-x) + V VB Bx x 其中其中x x为溶溶质的原子百分比的原子百分比浓度度( (摩摩尔尔分数分数) )，，V VA A、、V VB B分分别为溶溶剂和溶和溶质的价的价电子数 一方面，溶一方面，溶质和溶和溶剂的价的价电子数目相差大，它子数目相差大，它们的的负电性性的差的差别也大，溶解度会下降也大，溶解度会下降 另一方面，当另一方面，当 e/a e/a 为某些特定某些特定值时形成一新的晶体形成一新的晶体结构，构，因此它因此它们的溶解度也就受到相的溶解度也就受到相应的限制 影响影响置换固溶体置换固溶体溶解度的因素溶解度的因素 影响影响间隙固溶体间隙固溶体溶解度的因素溶解度的因素与溶质原子尺寸因素与溶质原子尺寸因素有关有关 形成的基本条件形成的基本条件r r质/r/r剂<0.59<0.59。
在在间隙固溶隙固溶体中，体中，显然然r r质/r/r剂愈小，即溶愈小，即溶质原子的尺寸愈小，溶解度也大原子的尺寸愈小，溶解度也大 溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体，溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体，间隙固溶体仍保持着溶剂金属的晶格类型间隙固溶体仍保持着溶剂金属的晶格类型 间隙固溶体都是有限溶解固溶体在金属材料中，通常是过渡族间隙固溶体都是有限溶解固溶体在金属材料中，通常是过渡族金属元素为溶剂，小尺寸的金属元素为溶剂，小尺寸的C、、N、、H、、O、、B等元素为溶质等元素为溶质 与溶剂的晶格类型有关与溶剂的晶格类型有关 面心立方晶格的固溶度比体心立方晶格大面心立方晶格的固溶度比体心立方晶格大 固溶体的结构特点：固溶体的结构特点：晶格畸变的大小可由晶格常数的变化来反映晶格畸变的大小可由晶格常数的变化来反映 随固溶体中溶质原子浓度的增加，晶格常数基本上呈随固溶体中溶质原子浓度的增加，晶格常数基本上呈直线变化规律直线变化规律 对于对于置换固溶体置换固溶体，，若溶质原子尺寸若溶质原子尺寸大于大于溶剂原子，则使周围晶格发溶剂原子，则使周围晶格发生膨胀位移，生膨胀位移，晶格常数将出现晶格常数将出现正偏差正偏差；；反之，若溶质原子尺寸反之，若溶质原子尺寸小于小于溶剂原子，将引起收缩，晶格常数出现溶剂原子，将引起收缩，晶格常数出现负偏差。
负偏差 在在间隙固溶体间隙固溶体中，溶质原子尺寸多大于点阵间隙，故通常使晶格发中，溶质原子尺寸多大于点阵间隙，故通常使晶格发生膨胀变化，晶格生膨胀变化，晶格常数随溶质原子浓度提高而增加常数随溶质原子浓度提高而增加晶格畸变晶格畸变在固溶体中，由于溶质原子的存在及其尺寸差别，将使周围溶剂原在固溶体中，由于溶质原子的存在及其尺寸差别，将使周围溶剂原子排列的规律性在一定范围内受到不同程度的干扰，并引起弹性应子排列的规律性在一定范围内受到不同程度的干扰，并引起弹性应变变——晶格畸变晶格畸变 固溶体的性能特点固溶体的性能特点1)由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上与由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上与原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的性能主要决定于溶原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的性能主要决定于溶剂的性能，或在溶剂性能基础上发生一些改变剂的性能，或在溶剂性能基础上发生一些改变 2）固溶体的性能与原溶剂性能的差别，或称性能变化的大小，）固溶体的性能与原溶剂性能的差别，或称性能变化的大小，随着溶质的浓度随着溶质的浓度( (含量含量) )的增加而加大的增加而加大。
3 3））以金属元素为溶剂的固溶体，随着溶质的溶入，强度将提高，以金属元素为溶剂的固溶体，随着溶质的溶入，强度将提高，称为称为固溶强化固溶强化，溶质的溶入可造成晶格畸变，材料的塑性变，溶质的溶入可造成晶格畸变，材料的塑性变形的阻力加大，同时塑性略有下降，但不明显在材料中是形的阻力加大，同时塑性略有下降，但不明显在材料中是有效提高金属材料力学性能的途径之一有效提高金属材料力学性能的途径之一 金属间化合物金属间化合物一、一、 化合物（中间相）概念化合物（中间相）概念 金属金属间化合物化合物是构成的是构成的组元相互作用，生成不同与任何元相互作用，生成不同与任何组元元晶体晶体结构的新物构的新物质它们的位置都在相的位置都在相图的中的中间，所以也称，所以也称为中中间相相 金属金属间化合物化合物结构的特点构的特点一是有基本固定的原子数目比，可用化学分子式表示，一是有基本固定的原子数目比，可用化学分子式表示，二是晶体二是晶体结构不同于其任何构不同于其任何组元金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，一般具有复金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。
当合金中出现金属间化杂的晶格结构，熔点高，硬而脆当合金中出现金属间化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性 二、金属间化合物的类型二、金属间化合物的类型1.1.正常价化合物正常价化合物 两两组元服从原子价元服从原子价规律而生成的化合物通常是律而生成的化合物通常是金属元金属元素素与与非金属元素非金属元素组成，成，组元元间负电性差起主要作用，两性差起主要作用，两组元元间负电性差性差较大特点：特点：它它们符合一般化合物的原子价符合一般化合物的原子价规律，有律，有严格的化合格的化合比，成份固定不比，成份固定不变，可用化学式表示可用化学式表示较高的硬度，脆性高的硬度，脆性较大例如例如MnSMnS、、AlAl2 2O O3 3、、TiNTiN、、ZrOZrO2 2等，其等，其结合合键为离子离子键；也有的；也有的是共价是共价键，如，如SiCSiC；少数也有以金属；少数也有以金属键结合合, ,如如MgMg2 2PbPb 2.2.电子化合物电子化合物 由第由第ⅠⅠ族或族或过渡族金属元素与第渡族金属元素与第ⅡⅡ至第至第ⅤⅤ族金属元素族金属元素结合而成。
合而成这类中中间相与相与电子子浓度有关，当度有关，当 e/a e/a 为某些特定某些特定值时形成一新的晶体形成一新的晶体结构构，，并且并且电子子浓度不同，其度不同，其对应的晶体的晶体结构的构的类型也就不同型也就不同常常见的的电子子浓度度值有有3/23/2（（21/1421/14）、）、21/1321/13、、7/47/4（（21/1221/12）二、金属间化合物的类型二、金属间化合物的类型特点：特点：晶体结构与电子浓度有关，它们也可以用分子式表示，但大多晶体结构与电子浓度有关，它们也可以用分子式表示，但大多不符合正常化学价规律高熔点和硬度，但脆性大不符合正常化学价规律高熔点和硬度，但脆性大 3.3. 间隙化合物间隙化合物（（1 1））间隙相：隙相：当当r rX X/r/rM M<0.59<0.59时，，形成具有形成具有简单晶体晶体结构的化合物，构的化合物，如如fccfcc、、bccbcc、、hcphcp或或简单立方，通立方，通常称常称为间隙相隙相，相，相应的分子式也的分子式也较简单，如，如M M4 4X X、、M M2 2X X、、MXMX、、MXMX2 2等 二、金属间化合物的类型二、金属间化合物的类型 主要受组元的主要受组元的原子尺寸因素原子尺寸因素控制，通常是由控制，通常是由过渡族金属过渡族金属原子与原子半原子与原子半径小于径小于0.1nm0.1nm的非金属元素的非金属元素碳、氮、氢、氧、硼碳、氮、氢、氧、硼所组成所组成。
特点：特点：极高的熔点和硬度，具有极高的熔点和硬度，具有明显的金属特性明显的金属特性 3.3.间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物（（2 2））具有复具有复杂结构的构的间隙化合物：隙化合物：当当r rX X/r/rM M>0.59>0.59时，形成的化合，形成的化合物的晶体物的晶体结构也构也较复复杂，通常，通常称称为间隙化合物隙化合物，相，相应的分子的分子式也式也较复复杂，如，如M M3 3C (FeC (Fe3 3C)C)、、 M M7 7C C3 3 (Cr (Cr7 7C C3 3) )、、 M M2323C C6 6(Cr(Cr2323C C6 6) )等 二、金属间化合物的类型二、金属间化合物的类型特点：特点：高的熔点和硬度，高的熔点和硬度，但加热但加热时易分解时易分解间隙间隙化合物化合物为溶溶剂的固溶体的固溶体FeFe3 3C C中溶入一定的中溶入一定的MnMn，形成合金渗碳体，形成合金渗碳体(Fe,Mn)(Fe,Mn)3 3C C 三三、、金属化合物的性能特点金属化合物的性能特点 大多数化合物，特别是正常价化合物，熔点都较大多数化合物，特别是正常价化合物，熔点都较高高(结合键强的表现之一结合键强的表现之一)，力学性能表现为，力学性能表现为硬而脆。
硬而脆 第二节第二节 二元合金相图二元合金相图相与相图相与相图 相相：：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀组成部分，称之为相相图相图：：相图又称为状态图，相图是利用图解方法表示合金的状态与温度、成分间的关系的图解，是表示合金系在平衡条件下，在不同温度、成分下的各相关系的图解二元相图的表示方法二元相图的表示方法1 1、单元系相图、单元系相图 只用一根温度轴表示2 2、二元系相图、二元系相图用两个坐标轴表示，横坐标表示成分，纵坐标表示温度在成分和温度坐标平面上任意一点成为表象点 二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界点表示物质结构状态发生本质变化的相变点. 二元相图主要是通过实验测定的，且测定二元相图的方法很多，但应用最多的是热分析法 建立二元合金相图的具体步骤如下建立二元合金相图的具体步骤如下：（1）配制不同成分的合金试样（2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点（3）将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上（4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到合金相图二元合金相图的测定方法二元合金相图的测定方法 二元合金相图的测定方法二元合金相图的测定方法 测定时所配制的合金数目越多、所用金属纯度越高、测温精度越高、测定时所配制的合金数目越多、所用金属纯度越高、测温精度越高、冷却速度越慢，则所测得的相图越精确。
冷却速度越慢，则所测得的相图越精确 CuNiNi%T, C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 纯铜纯铜熔点熔点纯镍纯镍熔点熔点液相线液相线固相线固相线液相区液相区固相区固相区液固两相区液固两相区 n两组元在液态、固态均无限互溶，冷却时发生匀晶反应两组元在液态、固态均无限互溶，冷却时发生匀晶反应(结晶结晶)的的合金系，构成合金系，构成匀晶相图匀晶相图n具有这类相图的二元合金系主要有：具有这类相图的二元合金系主要有：Cu-Ni、、Au-Ag、、Pt-Rh、、Fe-Cr、、Cr-Mo、、Fe-Ni等n这类合金结晶时，都是从液相结晶出单相的固溶体，这种结晶过这类合金结晶时，都是从液相结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变程称为匀晶转变CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 匀晶相图匀晶相图点：纯Cu熔点、纯Ni熔点线：液相线、固相线相区：单相区L、α， 两相区L+α 匀晶合金的结晶过程匀晶合金的结晶过程abT,CtL L L匀晶转变匀晶转变 L 冷却曲线CuNiNi%T,C20406080100100011001200130014001500`10831455L L+ T1T2 匀晶合金的结晶过程中的匀晶合金的结晶过程中的特点：特点：1.1.结晶在一温度范围内进行。
结晶在一温度范围内进行 只有在温度不断下将时固只有在温度不断下将时固体量才增加，温度不变，体量才增加，温度不变，液固数量维持平衡不变液固数量维持平衡不变3.3.与纯金属结晶一样由形核和长大来完成与纯金属结晶一样由形核和长大来完成 结晶过程，实际进行在一定的过冷度下结晶过程，实际进行在一定的过冷度下2. 2. 结晶过程中液相和固相的成分不同，并且在不断变化结晶过程中液相和固相的成分不同，并且在不断变化 杠杆定律杠杆定律CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 12acba1b1c1T1T21. 1. 在两相区内，对在两相区内，对应每一确定的温度，应每一确定的温度，两相的成分是确定的两相的成分是确定的2. 2. 随着温度的降低，随着温度的降低，两相的成分分别沿液两相的成分分别沿液相线和固相线变化相线和固相线变化杠杆定律杠杆定律：：在两相区内，对在两相区内，对应每一确定的温度应每一确定的温度T1T1，两相，两相质量的比值是确定的即质量的比值是确定的即Q QL L/Q/Q =b=b1 1c c1 1/a/a1 1b b1 1杠杆定律推论：杠杆定律推论：在两在两相区内，对应温度相区内，对应温度T1T1时两相在合金时两相在合金b b中的相中的相对质量各为对质量各为Q QL L/Q/QH H=b=b1 1c c1 1/a/a1 1c c1 1Q Q /Q/QH H=a=a1 1b b1 1/a/a1 1c c1 1=1- =1- Q QL L/Q/QH H 例：求例：求30%Ni30%Ni合金在合金在1280 1280 时时 相的相对量相的相对量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ ac30a1b1c11280 C解：作成分线和温度线如图。
6618根据杠杆定律推论， Q Q / / Q QH H = = a a1 1b b1 1 /a/a1 1c c1 1 =12/48=1/4=12/48=1/4答：所求合金在1280 时相的相对质量为1/4 晶内偏析的程度决定于：晶内偏析的程度决定于：相相图中液中液—固相固相线相距愈相距愈远，，组元元素原子的迁移元元素原子的迁移能力愈低能力愈低( (扩散系数小散系数小) )，冷却速度愈大，造成的晶内偏析将愈，冷却速度愈大，造成的晶内偏析将愈严重 消除偏析的方法消除偏析的方法：：前两条原因是不可前两条原因是不可更改更改的，但并不是采用慢速冷却，因的，但并不是采用慢速冷却，因为慢速冷慢速冷却会使晶粒却会使晶粒变大，最高和最低成分之大，最高和最低成分之间的的距离加大消除更困距离加大消除更困难，而是，而是快速冷却，快速冷却，细化晶粒，会化晶粒，会带来晶内的偏析，即宏来晶内的偏析，即宏观均匀均匀而而微微观有大的差有大的差别，凝固后重新加，凝固后重新加热到略到略低于熔点温度，低于熔点温度，进行一段行一段时间的保温，的保温，让原子在原子在这时进行行扩散迁移，达到均匀，散迁移，达到均匀，这种种方法称方法称为均匀化退火均匀化退火。
固溶体不平衡结晶固溶体不平衡结晶快速冷却时在一个晶粒内部先后结晶的成分有差别，所以称为快速冷却时在一个晶粒内部先后结晶的成分有差别，所以称为晶内偏析晶内偏析，金，金属的晶体往往以树枝晶方式生长，偏析的分布表现为不同层次的枝晶成分有属的晶体往往以树枝晶方式生长，偏析的分布表现为不同层次的枝晶成分有差别，因此这种偏析又称差别，因此这种偏析又称枝晶偏析枝晶偏析 晶内偏析晶内偏析 PbSnSn%T, C铅-锡合金共晶相图液相线液相线L固相线固相线 + L + L + 固溶线固溶线 固溶线固溶线共晶相图共晶相图两组元在液态无限溶解，在固态有限溶解，且冷却过程中发生共晶反应两组元在液态无限溶解，在固态有限溶解，且冷却过程中发生共晶反应的相图，称为共晶相图的相图，称为共晶相图 如如Pb-SnPb-Sn、、 PbPb- -SbSb、、Ag-CuAg-Cun三个单相区：三个单相区：液相区液相区L，，固相固相α和和β相区相区n三个两相区：三个两相区：L+α区，区，L+β区，区，α+β区；区；n一个三相共存区：一个三相共存区：MENn一条液相线：一条液相线：AEB n一条固相线：一条固相线：AMENBn两条固溶线：两条固溶线： 固溶线固溶线MF为为 Sn在在 Pb中的固溶线。
中的固溶线 固溶线固溶线DG为为Pb在在 Sn中中的固溶线的固溶线MNEABFG 是溶质是溶质Sn在在 Pb中的固中的固溶体溶体 是溶质是溶质Pb在在Sn中的固中的固溶体固溶体的溶解度随温度固溶体的溶解度随温度降低而下降降低而下降 共晶转变分析共晶转变分析PbSnT, CL + L + L + 共晶反应线共晶反应线MEN表示从表示从M点到点到N点范点范围的合金，在该温度围的合金，在该温度上都要发生不同程度上都要发生不同程度上的共晶反应上的共晶反应MN共晶点共晶点E表示表示E点成分的合金点成分的合金冷却到此温度上发生冷却到此温度上发生完全的共晶转变完全的共晶转变ELE M + N这种具有一定成分的液体这种具有一定成分的液体LE在一定温度在一定温度(共晶温度共晶温度)下同时结晶出两种固体下同时结晶出两种固体( M + N )的反应叫做的反应叫做共晶反应共晶反应，所生成的产物称，所生成的产物称共晶体共晶体或或共晶组织共晶组织 共晶反应要点共晶反应要点•共晶转变在恒温下进行共晶转变在恒温下进行•转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。
转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相•存在一个确定的共晶点在该点凝固温度最低存在一个确定的共晶点在该点凝固温度最低•成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变APbSnSn%T, CL + L + L + MNEBFGIIIIII亚共晶合金亚共晶合金——成分在成分在MEME之间的合金之间的合金共晶合金共晶合金——成分在成分在E E点的合金点的合金过共晶合金过共晶合金——成分在成分在ENEN之间的合金之间的合金固溶体合金固溶体合金——成分位于成分位于M M点以左或点以左或N N点以右的合金点以右的合金IVV APbSnSn%T, CL + L + L + MNEBFG成份在成份在AF之间的合金结晶过程分析之间的合金结晶过程分析X1T, CtL L LL+ 冷却曲线冷却曲线123L L → → L+L+αα → α → α 转变过程完全同固溶体，最后程完全同固溶体，最后组织为单相固溶体相固溶体 X1T, CtL L LL+ 冷却曲线冷却曲线 + Ⅱ Ⅱ1234{成份在成份在FM之间的合金结晶过程分析之间的合金结晶过程分析L L → → L+L+αα → α→ → α→ α+βα+βIIIIAPbSnSn%T, CL + L + L + MNEBFG 成份在成份在FM之间的合金结晶特点之间的合金结晶特点T, CtL L LL+ 冷却曲线冷却曲线 + Ⅱ Ⅱ1.没有共晶反应没有共晶反应过程，而是经过程，而是经过匀晶反应形过匀晶反应形成单相成单相 固相。
固相2.要经过脱溶要经过脱溶反应，室温反应，室温 组织组成物组织组成物为为 + Ⅱ 共晶合金结晶过程分析共晶合金结晶过程分析X2T, CtL( + )L( + )LL( + ) 共晶体共晶体冷却曲线冷却曲线( + )APbSnSn%T, CL + L + L + MNEBFG 亚共晶合金结晶过程分析亚共晶合金结晶过程分析X3T, CtLL+ ( + )+ + Ⅱ12( + )+ PbSnT, CL + L + L + 183cedL+( + )+ 标注了组织组成物的相图标注了组织组成物的相图 在在亚亚（（过过））共共晶晶合合金金中中，，若若初初生生相相与与剩剩余余液液相相密密度度相相差差较较大大，，则则初初生生相相会会上上浮浮或或下下沉沉，，产产生生偏偏析析现现象象，，称称为为比比重重偏析偏析比比重重偏偏析析与与合合金金组组元元的的密密度度差差、、相相图图的的结结晶晶的的成成分分间间隔隔及及温度间隔温度间隔等有关。
等有关比重偏析的比重偏析的预防预防：：Ø加快冷却速度，使初生相来不及上浮或下沉加快冷却速度，使初生相来不及上浮或下沉Ø加加入入合合金金元元素素，，形形成成高高熔熔点点的的与与液液相相密密度度相相近近的的化化合合物物，，在在结结晶晶时时先先析析出出，，构构成成化化合合物物骨骨架架，，阻阻止止随随后后的的初初生生相相上上浮或下沉浮或下沉比重偏析比重偏析 包晶相图包晶相图包晶转变包晶转变: :一定成分的液相和一定成分的固相在一定的温度下生一定成分的液相和一定成分的固相在一定的温度下生 成一定成分的固相的反应称为包晶反应成一定成分的固相的反应称为包晶反应 LC + P DPtAgAg%T, CL + L + L + T, CtLL + L + + Ⅱ包晶相图：包晶相图：液态完全互溶，固态有限互溶，并发生包晶转变的相图液态完全互溶，固态有限互溶，并发生包晶转变的相图ABCDPEF 包晶相图包晶相图合金合金II的平衡结晶过程的平衡结晶过程室温组织为室温组织为 ＋＋ 包晶相图包晶相图合金合金III的平衡结晶过程的平衡结晶过程室温组织为室温组织为 ＋＋ ＋＋ ＋＋ 由于包晶转变不能充分进行而由于包晶转变不能充分进行而产生化学成分不均匀的现象称产生化学成分不均匀的现象称为为包晶偏析包晶偏析。
包晶偏析包晶偏析 成分在成分在PD之间的合金，由之间的合金，由于包晶转变的不充分，在于包晶转变的不充分，在αα相的相的晶界处会有液体直接凝固生成的晶界处会有液体直接凝固生成的ββ相存在 成分在成分在DC之间的合金，本之间的合金，本来不应该有剩余的来不应该有剩余的αα相，相，由于包由于包晶转变的不充分，在晶转变的不充分，在ββ相的晶体相的晶体内部将会有残留的内部将会有残留的αα相存在 在生产中，可以采用在结晶后进行长时间在生产中，可以采用在结晶后进行长时间扩散退火扩散退火，使原子得，使原子得以充分扩散来减少或消除包晶偏析以充分扩散来减少或消除包晶偏析 4、具有共析转变的相图、具有共析转变的相图 共析转变共析转变共析转变：共析转变：一定成分的固相在一定温度下同时转变为另外两个固相的过程 相图与材料性能相图与材料性能( (力学、物理力学、物理) )的联系的联系1.单相固溶体的合金：单相固溶体的合金：性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，σ、、HB、、 增加，塑性下降增加，塑性下降2. 两相机械混合物的合金两相机械混合物的合金: 性能与合金成分呈直线性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算关系，是两相性能的算术平均值。
术平均值3. 形成稳定化合物的合金：形成稳定化合物的合金：性能性能-成分曲线出现拐点成分曲线出现拐点。