工程材料：第3章1.2 二元合金與相圖

1、工程材料,授課教師：,第3章 二元合金與相圖,主要內(nèi)容： 合金、相圖等相關(guān)概念，以及合金的類型； 2. 三種基本相圖、及其平衡結(jié)晶過程分析，形成合金的顯微組織及杠桿定律； 3. 合金的結(jié)晶過程,思考,第三章 二元合金與相圖,1. 純金屬的強(qiáng)度不高，耐熱、耐蝕性能較差，如何改善？,2. 合金的結(jié)晶過程是否與純金屬的結(jié)晶過程相同？,3. 相同成分不同含量的合金的結(jié)晶過程是否相同？怎樣表示？,3.1.1 固態(tài)合金中的相結(jié)構(gòu)及組織概念,組元：組成合金獨(dú)立的最基本的單元。組元可以是元素或是穩(wěn)定化合物。,合金：一種元素同另一種或幾種其他元素，通過熔化或其他方法結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。,由兩個(gè)

2、組元組成的合金稱為二元合金。,如：鐵碳合金、銅鎳合金,相,相：凡化學(xué)成分相同（可連續(xù)變化 ）、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其他部分分開的均勻組成部分稱為相。,液相,固相,固溶體,金屬化合物,合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同。,合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相。,相：,組元：,與固溶體晶格相同的組元為溶劑，一般在合金中含量較多，另一組元為溶質(zhì)，含量較少。 固溶體用、等符號表示，A、B組元組成的固溶體用A(B),其中A為溶劑，B為溶質(zhì)；,固溶體：溶質(zhì)原子溶入金屬熔劑中形成的合金相稱為固溶體。 “固體溶液”,*均一的、保持熔劑金屬的晶體結(jié)構(gòu) *晶格常

3、數(shù)發(fā)生一定變化,1. 固溶體,固溶體的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn),按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置，固溶體可分為：置換固溶體和間隙固溶體,(1) 固溶體的分類,溶解度：溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度即為溶質(zhì)在固溶體中的溶解度。 若超過這個(gè)溶解度有其他相形成，則此種固溶體為有限固溶體。 若溶質(zhì)可以任意比例溶入，即溶質(zhì)的溶解度可達(dá)100，則固溶體為無限固溶體。,按溶解度固溶體可分為：有限固溶體和無限固溶體,按溶質(zhì)原子在固溶體中分布是否有規(guī)律可分為：無序固溶體和有序固溶體,什么是固溶強(qiáng)化?造成固溶強(qiáng)化的原因是什么?,固溶強(qiáng)化就是通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象。,造成固溶強(qiáng)化的原因是固溶體隨著溶質(zhì)原子的溶入而晶格發(fā)

4、生畸變,晶格畸變增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力,使金屬的滑移變形變得更加困難,從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。,(2) 固溶體的性質(zhì),2.金屬化合物,Fe3C,金屬化合物特點(diǎn)： 熔點(diǎn)較高、硬度高、脆性大。,金屬化合物,正常價(jià)化合物,電子化合物,間隙化合物,復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物,間隙相,(1)正常價(jià)化合物 嚴(yán)格遵守化合價(jià)化合規(guī)律的化合物稱正常價(jià)化合物。如：Mg2Si,(2)電子化合物 不遵守化合價(jià)規(guī)律但符合一定電子濃度的化合物稱電子化合物。 電子濃度是指化合物中價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之比。,例：求CuZn的電子濃度？ 在元素周期表中Cu排29，Zn排30 則價(jià)電子數(shù)：1(Cu)+2(Zn)=3 原子數(shù)：1(Cu)+1(

5、Zn)=2 電子濃度=3/2,問Cu5Zn8 電子濃度為多少？,價(jià)電子指原子核外電子中能與其他原子相互作用形成化學(xué)鍵的電子,(3)間隙化合物 由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物為間隙化合物。,間隙相：當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59時(shí)，形成具有簡單晶格的間隙化合物稱為間隙相。例：VC,復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物：當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時(shí)，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)晶格的間隙化合物。例： Fe3C,間隙固溶體和間隙相有什么不同？,間隙固溶體：溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙之中的固溶體叫間隙固溶體。其結(jié)構(gòu)與組元之一相同。,間隙相：當(dāng)非金屬原子半

6、徑與金屬原子半徑之比小于0.59時(shí)，形成具有簡單晶格的間隙化合物稱為間隙相。其結(jié)構(gòu)和特性完全不同于任一組元。,3.1.2金屬材料的組織,1.組織的概念,金相試樣的制備： 取樣(小塊金屬材料) 磨光(用金相砂紙) 拋光(用絨布+拋光劑) 腐蝕吹干,在顯微鏡下觀察，可以看到金屬材料內(nèi)部的微觀形貌。這種微觀形貌稱做顯微組織，簡稱組織。,拋光機(jī),1-光源 2-撥盤 3-底座物鏡 4-孔徑光闌 5-視場光闌旋鈕 6-視場光闌滾花螺絲 7-固定滾花螺釘 8-雙筒目鏡鏡管 9-目鏡 10-載物臺(tái) ll-物鏡 12-物鏡轉(zhuǎn)換盤 13-鏡架 14-粗調(diào)手輪 15-微調(diào)手輪,金相顯微鏡,化學(xué)成分不同顯微組織不同。

7、,(a) w(c)=0.01%鐵素體 (b) w(c)=0.45%鐵素體+珠光體,(c) w(c)=0.77%珠光體 (d) w(c)=1.2%珠光體 +二次滲碳體,2.組織的決定因素,組織的決定因素：化學(xué)成分和工藝過程,化學(xué)成分相同，熱處理工藝不同，顯微組織形態(tài)不同。,w(c)=0.77% 片狀珠光體,w(c)=0.77% 球狀珠光體,3.組織與性能的關(guān)系,金屬材料的性能由金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)所決定。,注意： (1)在某些情況下，金屬的組織名稱相同，組成相也相同，但晶粒形狀、大小不同，則它們的性能也不同。 (2)在某些合金中，在顯微鏡下觀察它們的組織，組成相相同，且形狀、大小無明顯差異，只是其

8、成分有所不同，這時(shí)表現(xiàn)出來的性能也不相同。,3.1.3 金屬材料的工藝性能,工藝性能：指制造工藝過程中材料適應(yīng)加工的性能。,1.2.1金屬材料的工藝性能,使用性能：指金屬材料在使用情況下所表現(xiàn)出來的性能。,零 件,1.鑄造性能 金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能。,2.鍛造性能 金屬材料用鍛壓加工方法成形的適應(yīng)能力稱為鍛造性能。,3.焊接性能 金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性稱為焊接性能。,4.切削加工性能 切削加工一般用切削后的表面質(zhì)量和刀具壽命來表示。,5.熱處理工藝性能 鋼的熱處理工藝性能主要考慮其淬透性，即鋼接受淬火的能力。,3.2 二元合金的結(jié)晶與相圖,表明合金系中各種合金相的

9、平衡條件和相與相之間關(guān)系的一種簡明示圖 （溫度-成分-（表）相）,合金的結(jié)晶通常運(yùn)用合金相圖來分析（合金的結(jié)晶過程）。,什么是相圖？(phase diagram),相圖的制作過程四步：,配制一系列成分的合金 （合金系概念） 如：(1) 100%Ni+0%Cu (2) 80%Ni+20%Cu (3) 60%Ni+40%Cu (4) 40%Ni+60%Cu (5) 20Ni%+80%Cu (6) 0%Ni+100%Cu,2.測出上述合金的冷卻曲線 （平衡狀態(tài)-原子充分?jǐn)U散）,3.根據(jù)各冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定合金的臨界點(diǎn),4.將這些臨界點(diǎn)標(biāo)在相圖坐標(biāo)系中的相應(yīng)位置上，最后把各意義相同的臨界點(diǎn)連起來。

10、,相圖的制作,P14,3.2.1 勻晶相圖(uniform grain phase diagram),1. Cu-Ni合金的結(jié)晶過程,L,L+,純金屬為恒溫結(jié)晶,2. 勻晶結(jié)晶的特點(diǎn)(5個(gè)特點(diǎn)),生核,長大,(3) 在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時(shí)，液相和固相的成分是確定的 。,確定相成分的方法： 過指定溫度T1作水平線，分別交液相線和固相線于a1點(diǎn)、c1點(diǎn),隨著溫度的下降，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化。,求a1點(diǎn)、c1點(diǎn)在成分軸上的投影點(diǎn)即為液相L和固相的成分。,到溫度T2時(shí)，L相成分及相成分分別為a2、c2在成分軸上的投影。,2. 勻晶結(jié)晶的特點(diǎn)(5個(gè)特點(diǎn)),(4) 在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一

11、定時(shí)，兩相的質(zhì)量比是確定的,2. 勻晶結(jié)晶的特點(diǎn)(5個(gè)特點(diǎn)),杠桿定律的證明,設(shè)合金的總量為Q合金，其中Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為b，在T1溫度時(shí)，L中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為a，中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c,T1,合金中含Ni的總質(zhì)量=L相中含Ni的質(zhì)量+ 中含Ni的質(zhì)量,聯(lián)合求解上述兩式,合金中液相和固相在合金中所占的相對質(zhì)量。,杠桿定律的理解,QL.ab=Q.bc,bc長度代表液相的質(zhì)量，隨著溫度下降，液相越來越少，bc越來越短。 ab長度代表固相的質(zhì)量，隨著溫度下降，固相越來越多，ab越來越長。,T1,ac長度代表合金的質(zhì)量。,將20kg純銅與30kg純鎳熔化后慢冷至如圖所示的溫度T1，求此時(shí) (1) 兩相的成分； (

12、2) 兩相的質(zhì)量比； (3) 兩相的相對質(zhì)量； (4) 兩相的質(zhì)量。,兩相的成分，T1溫度時(shí)： 液相：含Cu 50% Ni 50%,合金質(zhì)量： Q合金=20+30=50kg 合金的成分：含Cu:20/50=40% 含Ni:30/50=60%,例題(應(yīng)用),固相：含Cu 20% Ni 80%,(2）兩相的質(zhì)量比,(3）兩相的相對質(zhì)量,(4）兩相的質(zhì)量,(5) 固溶體結(jié)晶時(shí)成分是變化的，緩慢冷卻時(shí)由于原子的擴(kuò)散能充分進(jìn)行，形成的是成分均勻的固溶體 。,枝晶偏析：一個(gè)晶粒內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。,2. 勻晶結(jié)晶的特點(diǎn),固溶體結(jié)晶時(shí)成分是變化的（固相線和液相線），如冷卻較快，原子擴(kuò)散不能充分進(jìn)行，則會(huì)

13、形成成分不均勻的固溶體。固溶體一般都以枝晶狀方式結(jié)晶，使得一個(gè)晶粒中先結(jié)晶的樹枝晶枝桿含高熔點(diǎn)組元較多，后結(jié)晶的樹枝晶枝間含低熔點(diǎn)組元較多，結(jié)果造成在一個(gè)晶粒內(nèi)化學(xué)成分的分布不均，這種現(xiàn)象稱為枝晶偏析。 枝晶偏析的合金對合金的力學(xué)性能影響較大。容易導(dǎo)致合金塑性韌性下降；易引起晶間腐蝕，降低合金的抗蝕性能。 消除枝晶偏析的方法采用擴(kuò)散退火。,組織組成物：指合金組織中那些具有確定本質(zhì)，一定形成機(jī)制的特殊形態(tài)的組成部分。組織組成物可以是單相，或兩相混合物。,亞共析鋼：( 鐵素體)F+（珠光體）P,在顯微鏡下，白色為F和黑色為P,F,P,相圖的種類,相圖的種類,(1)勻晶相圖,(2)共晶相圖,(3)包

14、晶相圖,(4)共析相圖,(5)含有穩(wěn)定化合物的合金的結(jié)晶相圖,(2)共晶相圖(eutectic phase diagram),Pb-Sn(鉛-錫)合金相圖,一種液相,固相1,固相2,恒溫,共晶反應(yīng),共晶相圖,共晶相圖：液相組元無限互溶，固相組元有限溶 解的合金系，當(dāng)溶質(zhì)超出固溶體溶解極限時(shí)，冷 卻過程中發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，這類合金構(gòu)成的相圖稱 為共晶相圖。,從一個(gè)液相中同時(shí)析出兩個(gè)固相的 轉(zhuǎn)變過程稱為共晶轉(zhuǎn)變。,共晶轉(zhuǎn)變式：L + ,Pb,Sn,Sn%,T,C,液相線,L,固相線, + ,L+ ,L + ,固溶線,固溶線,共晶相圖,A,B,E,M,N,F,G,共晶相圖簡介,共晶相圖,Pb,Sn,T,

15、C,L, + ,L + ,L + ,共晶反應(yīng)線 表示從M點(diǎn)到N點(diǎn)范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)生不同程度上的共晶反應(yīng)。,c,e,共晶點(diǎn) 表示E點(diǎn)成分的合金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共晶轉(zhuǎn)變。,d,LE M + N,A,B,E,M,N,F,G,共晶轉(zhuǎn)變在恒溫下進(jìn)行。 轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種液相中同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)不同的固相。 存在一個(gè)確定的共晶點(diǎn)。在該點(diǎn)凝固溫度最低。 成分在共晶線范圍的合金都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。,共晶轉(zhuǎn)變要點(diǎn)須知,共晶相圖,c,e,f,g,X1,T,C,t,L,L,L,L+ ,冷卻曲線, + ,1,2,3,4,共晶相圖結(jié)晶過程分析（）,共晶相圖,T,C,t,L,L,L,L+ ,冷卻曲線, + , ,1.沒有共晶反應(yīng)過程，而是經(jīng)過勻晶反應(yīng)形成單相固相。,2.要經(jīng)過二次析出反應(yīng)，室溫 組織組成物為 + ,組織組成物 組織中，由一定的相構(gòu)成的，具有一定形態(tài)特征的組成部分。,共晶相圖,X2,T,C,t,L,(+ ),L,L,L(+ ) 共晶體,冷卻曲線,(+ ),共晶相圖結(jié)晶過程分析（）,共晶相圖,