二元合金的相结构与合金.doc

第三章二元合金的相结构与合金
本章重点与难点：
①合金的相结构；
②二元合金相图的建立及杠杆定律；
③几种典型而元合金相图及合金的结晶：匀晶、共晶、包晶相图等；
④二元合金相图的分析及使用。
内容提要：
相图就是用来表示系统中相的状态与成分之间关系的综合图形，其中最简单、最基本的相图是二元相图。对材料工作者来说，相图是一种不可缺少的重要工具。本章的重点是较详细的介绍了匀晶、共晶、包晶三种基本相图和它们的平衡及不平衡结晶过程，结晶后的组织形态，相与组织的相对量计算，以及组织对性能的影响规律等。在介绍基本相图的同时，还介绍了其它类型的二元相图，包括包析、共析、形成化合物的相图及具有有序-无序转变的相图等；讨论了相图与合金性能之间的关系，包括使用性能和工艺性能。
本章的难点，一是固溶体合金凝固时的溶质分布，它把偏析的概念和合金凝固时界面前沿液相中溶质的混合程度从定性的分析走向半定量分析的方向；二是相图的热力学，试图通过相平衡时的自由能-成分曲线，来计算相图。
基本要求：1.弄清相、组织、组织组成物等基本概念；2.熟悉匀晶、共晶、共析、包晶等相图，并能应用他们分析相应合金的结晶过程；3.掌握典型的几种二元相图，利用相图能分析任一合金平衡态的组织及推断不平衡态可能的组织变化；
4.能利用相图与性能的关系，预测材料性能；5.理解成分过冷的形成及影响成分过冷的因素；成分过冷对组织形态的影响。
第一节合金中的相
合金（Alloy）的概念：在金属中加入一种或一种以上的金属或非金属元素而组成的物质，其结合键主要是金属键。在广义范围，金属、合金、金属材料三者之间可以不加区别。
组成合金中最基本、独立的物质，不同的组元间由于物理化学的相互作用，形成具有一定晶体结构、化学成分的相。相的数量、形体、分布不同形成了不同的组织。
相（Phase）：在体系内部物理性质和化学性质完全均匀的一部分称为相，体系内相的数目用p表示。
组元（Component）：足以确定平衡体系中的所有各相组成所需的最少数目的独立物质称为独立组元，简称组元，其数目称为组元数，用c表示。
第二节合金的相结构
根据合金相在相图中的位置，可以将其分为固溶体（SolidSolution）和中间相（IntermediatePhase）。位于相图端部的合金相和纯组元相连接，它的晶体结构保持纯组元的晶体结构，这类固溶体称为端际固溶体（TerminalSolidSolution），或一次固溶体（PrimarySolidSolution）简称固溶体；通常说的固溶体就是指的这一类。一次固溶体以外的其它相，在相图中的位置不和端部相连，都是化合物，它们的晶体结构和组成它们的组元不相同，称为金属化合物（MetallicCompound）或中间相。中间相也可能有一定的固溶度（SolidSolubility），这种固溶体称为二次固溶体（SecondarySolidSolution）。
金属化合物是金属元素与其它元素所形成的化合物，一般指无机化合物，这里的其它元素包括金属及非金属。而金属间化合物（IntermetallicCompound）则只包括金属与金属之间所形成的化合物。中间相是指含有金属组元的相图中，端际固溶体之间的各种相，它与金属化合物的含义相同。
1固溶体
1.1固溶体的分类
固溶体就是固体溶液。保留其晶体结构的组元称溶剂，其它的组元即为溶质。有时，溶剂和溶质可以互相转化，它们是相对的。
根据溶质原子在溶剂晶格中的位置，可以将固溶体分为置换（或代位）固溶体（SubstitutionalSolidSolution）和间隙固溶体（InterstitialSolidSolution）。
根据固溶度的变化范围可以将固溶体分为有限固溶体和无限固溶体。无限固溶体也称为连续固溶体（Continuous（Seriesof）SolidSolutionorUnbrokenSolidSolutionSeries）。
由于晶体的间隙是有限的，所以，间隙固溶体必定是有限固溶体。无限固溶体一定是置换固溶体。但是，并不是所有有限固溶体都是间隙固溶体，也并不是所有置换固溶体都是无限固溶体。
此外，还有缺位固溶体，它属于中间相，但成分偏离了理想化合物的比例。有序固溶体的溶质原子按适当比例并按一定方向和顺序，围绕着溶剂原子分布。
1.2置换固溶体
置换固溶体的固溶度可以从0～1变化。影响固溶度的因素有以下几方面：
（1）原子尺寸因素：组元之间原子尺寸的相对大小对固溶度影响较大。因为原子半径不同而产生晶格畸变。原子半径相对差Δr=1-rB/rA。Δr越小，固溶度越大；Δr越大，固溶度越小。当Δr＞0.15时，只能形成固溶度很小的有限固溶体。Δr＜0.15时，对形成固溶度较大的固溶体有利。但尺寸因素只是决定固溶度的一个必要条件，而不是充