第二章 合金的相结构与二元合金相图
由于纯金属的机械性能比较低，很难满足机械制造业对材料性能的要求，尤其是一些特殊性能如高强度、耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等的要求，加上它冶炼困难，价格昂贵，所以在工业生产中广泛使用的金属材料主要是合金。
合金的性能比纯金属的优异，主要是因为合金的结构与组织与纯金属不同，而合金的组织是合金结晶后得到的，合金相图就是反映合金结晶过程的重要资料，也是制订各种热加工工艺的重要理论依据，所以本章着重介绍合金的结构与相图。
第一节 固态合金中的相结构
相：指具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相，合金在室温时只有一个相组成的合金称为单相合金，由两个相组成的合金称为两相合金。由多个相组成的合金称为多相合金。
组织：指用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像，一般用肉眼观察到的称为宏观组织，用显微镜放大后观察到的组织称为微观组织。
材料的组织是由相组成的，当组成相的数量、大小、形态和分布不同时，其组织也就不同。从而导致其性能不同，因此可以通过改变合金的组织来改变合金的性能。
合金：是由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或用其他方法制成的具有金属特性的物质。
合金系：由给定的若干组元按不同的比例配制成的一系列不同成分的合金，为一个合金系统，简称为合金系。如由A、B两个组元配制成的称为A-B二元系，同样由三个组元或多个组元配制成的称为三元系合金或多元系合金，本章主要介绍二元系合金的有关知识。
由于组成合金的各组元的结构和性质不同，因此它们在组成合金时，它们之间的相互作用也就不同，所以它们之间可以形成许多不同的相。但按这些相的结构特点，可以将它们分为两大类：即固溶体和金属间化合物。
固溶体的主要特点是：其晶体结构与溶剂组元的相同；而金属间化合物的主
要特点是其晶体结构与两组元的结构均不相同，而是一种新的晶体结构。
一、固溶体 1、固溶体
由两种或两种以上组元在固态下相互溶解，而形成得具有溶剂晶格结构的单一的、均匀的物质。
溶剂：固溶体中含量较多的并保留原有晶格结构的组元称为溶剂。 溶质：固溶体中含量较少的并失去原有晶格结构的组元称为溶质。 2、固溶体的分类
固溶体的分类方法很多，下面简单介绍几种： （1）按溶质原子占据的位置不同分：
置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格中某些结点位置而形成的固溶体。见图2-1，它主要在金属元素之间形成。
间隙固溶体：是溶质原子占据溶剂晶格间隙而形成的固溶体，见图2-1，它主是由原子半径很小（<0.1nm）的非金属元素氢、氧、氮、碳、硼与金属元素之间形成。
图2-1 固溶体的两种类型
（2）按溶质原子的溶解度分 有限固溶体
有限固溶体是溶质原子在溶剂晶格中的溶解量具有一定的限度，超过该限度，它们将形成其它相。一般发现随温度的升高，固溶体的溶解度增大，随温度的降低固溶体的溶解度减小。这样在高温时具有较大溶解度的固溶体到低温时会从中析出新相（多余的溶质与部分溶剂所形成）。
无限固溶体
溶质能以任意比例溶入溶剂所形成的固溶体，其溶解度可达100%，即两组
元可连续无限置换。只有置换固溶体有可能形成无限固溶体，当两组元具有相同的晶格类型，并且原子尺寸相差不大，负电性相近（在元素周期表中比较靠近）时，才可能形成无限固溶体。即使形成有限固溶体，它们之间的溶解度也较大。
（3）按溶质原子在晶格中的分布状态分
无序固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点的位置是随机的，任意的和不固定的。
有序固溶体：溶质原子只占据溶剂晶格结点的某几个固定位置，这样的固溶体也称为超结构或超点阵。
加热 有序化转变：有序固溶体 缓冷 无序固溶体，在一恒温下转变，该临界温度称为有序化转变温度。
一般当溶质与溶剂原子数成一定比例时，形成的固溶体在缓慢冷却时，易发生有序化转变。如铜金合金，当原子比为1:1（50%Cu，50%Au，在385℃）或3:1（75%Cu，25%Au，在390℃）时在缓冷到一定温度时由无序转化为有序。
固溶体由无序转变为有序，将使合金的性能发生明显的变化，如硬度↑，脆性↑，塑性↓，电阻↓等。
3、固溶体的性能
（1）机械性能：产生固溶强化
固溶强化：随溶质原子浓度强化的增加，固溶体强度、硬度升高，而塑性、韧性稍有降低的现象。固溶强化是金属材料的重要途径之一，它在生产中得到广泛应用，几乎生产中使用的绝大部分合金材料都是以固溶体作为主体相（基体相）。例如，南京长江大桥的建筑中，大量采用的含锰为wMn=1.30%~1.60%的低合金结构钢，就是由于锰的固溶强化作用提高了该材料的强度，从而大大节约了钢材，减轻了大桥结构的自重。
产生固溶强化的原因：因为溶质原子与溶剂原子的尺寸大小不同，当它溶入溶剂形成固溶体时会造成晶格畸变，一般大的溶质原子使点阵常数增大，产生正畸变；而小的溶质原子使点阵常数减小，产生负畸变；间隙溶质原子总是使点阵常数增大，产生正畸变（其原子尺寸大于晶格间隙尺寸），晶格畸变对位错运动有阻碍作用，故使固溶体的硬度、强度↑，塑性、韧性↓，一般间隙溶质原子的强化效果大于置换溶质原子的强化效果。
（2）物理性能：随溶质原子含量的增加，固溶体合金的电阻温度系数减小，
导电性↓，电阻↑。
二、中间相（金属化合物）
两组元在组成合金时，当它们的溶解度超过固溶体的极限溶解度后，一般将形成新的合金相，这种新相一般称为化合物。化合物通常可以分为金属间化合物和非金属化合物。凡是由相当程度的金属键结合，并具有明显金属特性的化合物，称为金属化合物，它可以成为金属材料的组成相。例如，碳钢中的渗碳体（Fe3C）、黄铜中的β相（CuZn），都属于金属化合物。
金属化合物的熔点较高，性能硬而脆。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。金属化合物是各类合金钢、硬质合金和许多有色金属的重要组成相。
金属化合物的种类很多，常见的有以下三种类型。 1、正常价化合物
组成正常价化合物的元素是严格按原子价规律结合的，因而其成分固定不变，并可用化学式表示，如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等。正常价化合物具有高的硬度和脆性。在合金中，当它在固溶体基体上细小而均匀地分布时，将使合金得到强化，因而起着强化相的作用。
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。电子化合物虽然可以用化学式表示，但实际上它是一个成分可变的相，也就是在电子化合物的基础上可以再溶解一定量的组元，形成以该化合物为基的固溶体。电子化合物的熔点和硬度都很高，但塑性很差，因此与正常价化合物一样，一般只能作为强化相存在于合金中。
3、间隙化合物
间隙化合物一般是由原子直径较大的过渡族金属元素（Fe、Cr、Mo、W、V）和原子直径较小的非金属元素（H、C、N、B等）所组成。如合金钢中不同类型的碳化物（VC、Cr7C3、Cr23C6等）和钢经化学热处理后在其表面形成的碳化物和氮化物（如Fe3C、Fe4N、Fe2N等）都是属于间隙化合物。
间隙化合物的晶格结构特点是：直径较大的过渡族元素的原子占据了新晶格的正常位置，而直径较小的非金属元素的原子则有嵌入晶格的空隙中，因而称为间隙化合物。间隙化合物又可分为两类，一类是具有简单晶格结构的间隙化合物，
也称为间隙相，如VC、WC、TiC等。VC的晶体结构如图2-3所示。另一类是具有复杂晶格结构的间隙化合物，如Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C等。Fe3C的晶体结构就是这一类间隙化合物结构的典型例子。
间隙化合物具有极高的硬度和熔点（如表2.6所示），而且十分稳定，尤其是间隙相更为突出。所以间隙化合物在钢铁材料和硬质合金中具有很大的作用。如碳钢中的Fe3C也可以提高钢的强度和硬度；工具钢中VC可以提高钢的耐磨性；高速钢中的WC、VC等可使钢在高温下保持高硬度；而WC和TiC则是硬质合金的主要组成物。
图2-2 VC的晶体结构 图2-3 Fe3C的晶体结构
第二节 二元合金相图
一、二元合金相图的建立
相图是表示合金系中各合金在平衡状态（在极缓慢冷却条件下，各相成分和相质量比不再随时间变化）下，在不同温度时，合金具有的状态和组成相关系的图解，所以也称它为合金状态图或平衡图。
1、相图的表示方法
合金相图的测定一般都是通过试验法进行。目前已可借助计算机，通过理论计算（各相的自由能）绘制简单的相图。建立相图的过程实际上就是测定各合金相变温度，即临界点的过程。（合金在相转变时伴随有某些物理化学性质的突变，如潜热、膨胀系数、电阻和磁性、硬度等的变化），测定合金临界点的方法很多，如热分析法、硬度法、金相法、膨胀法、电阻法、磁性法、X射线结构分析法等。要想测定一张精确的相图，必须将上述几种方法互相补充使用。
二元合金相图，是以温度为纵坐标、以合金成分为横坐标的平面图形。现以Cu-Ni合金相图为例来说明二元合金相图表示方法。
第二章 合金的相结构与二元合金相图第1-3节
