工程材料 3二元合金相圖

1、3 3 二元合金與相圖二元合金與相圖 合金：合金：由兩種或兩種以上的金屬元素（組元），或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。 相：相：合金中化學(xué)成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并以界面互相分開(kāi)的均勻組成部分。有單相和多相合金。 顯微組織顯微組織實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下觀(guān)察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。 一一 合金的基本概念合金的基本概念 固態(tài)合金的相可分為固溶體和金屬化合物兩大類(lèi)。二二 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)3.1 .1 固溶體固溶體3.1 固態(tài)合金相結(jié)構(gòu)固態(tài)合金相結(jié)構(gòu)一一 . 固溶體的分類(lèi)固溶體的分類(lèi) 合金組元通過(guò)溶解形成成分和性能均勻、結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的

2、固相稱(chēng)為固溶體固溶體。習(xí)慣以、表示。l按溶質(zhì)原子所處位置分為：l間隙固溶體間隙固溶體(a) 和置換固溶體置換固溶體(b)l按溶解度可分為：l有限固溶體有限固溶體和無(wú)限固溶體無(wú)限固溶體。溶質(zhì)原子呈無(wú)序分布的稱(chēng)無(wú)序固溶體無(wú)序固溶體，有序分布的稱(chēng)有序固溶體有序固溶體。1)間隙固溶體間隙固溶體: 溶質(zhì)原子處于溶劑晶格各結(jié)點(diǎn)間的空隙中。溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子溶劑原子溶劑原子2)置換固溶體置換固溶體: 溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子，占據(jù)著溶劑晶格中的某些結(jié)點(diǎn)位置。1)固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化: :隨溶質(zhì)含量增加, 固溶體的強(qiáng)度、硬度增加, 塑性、韌性下降，這一現(xiàn)象稱(chēng)為固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化。2)產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因是溶質(zhì)原子使晶

3、格發(fā)生畸變及對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用。 與化合物相比，固溶體的硬度低，而塑性和韌性則要高得多。與純金屬相比，固溶體的強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性低。 固溶體是合金的重要組成相，實(shí)際合金多是固溶體是合金的重要組成相，實(shí)際合金多是單相固溶體合金單相固溶體合金或或以固溶體為基的多相合金以固溶體為基的多相合金。二二. 固溶體的性能固溶體的性能 合金組元間相互作用而形成的新相，其晶格類(lèi)型及性能不同于任一組元，可用化學(xué)式大致表示其組成。 如圖示的Fe3C 。3.1.2 金屬化合物金屬化合物 正常價(jià)化合物符合原子價(jià)規(guī)律，一般由金屬元素與、族元素組成，例如鋼中夾雜物MnS、鋁中Mg2Si。 正常價(jià)化合物一般硬度較高，脆性

4、較大。 電子化合物不遵守原子價(jià)規(guī)律，但其晶體結(jié)構(gòu)與電子濃度（即價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目之比，用N價(jià)表示）有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系： 當(dāng)N價(jià)=21/14時(shí)，形成體心立方結(jié)構(gòu)的相，例如CuZn， Cu3Al等等； 當(dāng)N價(jià)=21/13時(shí)，形成復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)的相，例如Cu5Zn8， Cu31Sn8等等； 當(dāng)N價(jià)=21/12時(shí)，形成密排六方結(jié)構(gòu)的相，例如CuZn3， Cu3Sn等等。 電子化合物具有很高的熔點(diǎn)和硬度，脆性大。1）正常價(jià)化合物）正常價(jià)化合物2）電子化合物）電子化合物一、金屬化合物的分類(lèi)一、金屬化合物的分類(lèi) 由過(guò)渡族金屬元素與原子半徑較小的非金屬元素氫、氮、碳、硼等所形成。 間隙相是簡(jiǎn)單晶格的間隙化合物，

5、如圖所示為釩與碳形成的間隙相結(jié)構(gòu)。 A .間隙相中元素的比例是簡(jiǎn)單的化學(xué)式：M4X、M2X、MX、 MX2，并與晶格類(lèi)型有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 B. 間隙相有明顯的金屬特性，極高熔點(diǎn)和硬度，例如TiC、VC、ZrC、TaC、NbC等。 間隙化合物具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)，其熔點(diǎn)、硬度高（比間隙相低，也較易分解）。例如Fe3C、Cr23C6等。3）間隙化合物）間隙化合物 間隙相 間隙化合物二、金屬化合物的性能二、金屬化合物的性能 1)金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。 2)當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。 金屬化合物也是合金的重要組成相。3.2

6、二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立3.2.1 相圖概述相圖概述 合金的結(jié)晶過(guò)程比純金屬?gòu)?fù)雜，常用相圖進(jìn)行分析。 相圖是用來(lái)表示合金系中各合金在緩冷條件下結(jié)晶過(guò)程的簡(jiǎn)明圖解。又稱(chēng)狀態(tài)圖或平衡圖。 相圖的表示方法：相圖的表示方法：3.2.2 相圖的建立相圖的建立第一步第一步：配制不同比例（成分）的一系列合金；wCu=100； wCu (80)+wNi(20)； wCu(60)+wNi (40)； wCu (40)+ wNi (60)； wCu (20)+ wNi (80)； wNi =100第三步第三步：建立成分溫度坐標(biāo)系；第二步：第二步：用實(shí)驗(yàn)方法（常用熱分析法）測(cè)出冷卻曲線(xiàn)；第四步第四步：將

7、冷卻曲線(xiàn)中特征點(diǎn)標(biāo)在坐標(biāo)圖中；第五步第五步：把性質(zhì)相同的特征點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來(lái)。相圖的建立相圖的建立時(shí)間時(shí)間溫度15 305070AB溫度A溫度 在液態(tài)和固態(tài)兩組元都能無(wú)限互溶的相圖稱(chēng)為勻晶相圖勻晶相圖。二元合金系Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Cr、Fe-Ni、W-Mo等具有這類(lèi)相圖。3.2.3 二元合金基本相圖二元合金基本相圖一一. 勻晶相圖勻晶相圖1相圖分析相圖分析ab : 液相線(xiàn)液相線(xiàn)ab : 固相線(xiàn)固相線(xiàn)L : 液相區(qū)液相區(qū) : 固相區(qū)固相區(qū)L+:兩相區(qū)兩相區(qū) 液固共存液固共存baLAB溫度L+相圖的線(xiàn)和相區(qū)相圖的線(xiàn)和相區(qū)熔點(diǎn)熔點(diǎn)熔點(diǎn)熔點(diǎn)1相圖分析相圖分析2Cu-Ni合金的平衡結(jié)晶過(guò)程合金的平

8、衡結(jié)晶過(guò)程CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 12acba1b1c1T1T21. 1. 在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)每在兩相區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)每一確定的溫度，兩相的成一確定的溫度，兩相的成分是確定的。分是確定的。2. 2. 隨著溫度的降低，兩隨著溫度的降低，兩相的成分分別沿液相線(xiàn)和相的成分分別沿液相線(xiàn)和固相線(xiàn)變化。固相線(xiàn)變化。 勻晶合金與純金屬不同勻晶合金與純金屬不同，它沒(méi)有一個(gè)恒定的熔點(diǎn)，而是，它沒(méi)有一個(gè)恒定的熔點(diǎn)，而是在液、固相線(xiàn)劃在液、固相線(xiàn)劃定的溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶定的溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶。 勻晶轉(zhuǎn)變：勻晶轉(zhuǎn)變： L 實(shí)際生產(chǎn)條件下為非平

9、衡結(jié)晶，因此，先后結(jié)晶的部分成分會(huì)不相同。3成分偏析成分偏析 區(qū)域偏析區(qū)域偏析：由于不平衡冷卻造成宏觀(guān)區(qū)域成分不一致。例如焊接接頭中的中心線(xiàn)偏析和層狀偏析。 枝晶偏析枝晶偏析（晶內(nèi)偏析）：先結(jié)晶的枝軸與后結(jié)晶的枝軸間成分不同。密度偏析密度偏析：由于密度不同而引起的偏析，稱(chēng)為密度偏析。1）確定兩平衡相的成分）確定兩平衡相的成分 如圖（a）所示，水平線(xiàn)與液相線(xiàn)L的交點(diǎn)，即為相的成分。 設(shè)液、固相含Ni濃度分別為、c，而x（b）為試驗(yàn)合金中的平均含Ni量(%)， 則 QL +Q c = Q Me b4杠桿定理杠桿定理2）確定兩平衡相的相對(duì)量）確定兩平衡相的相對(duì)量 方法是： 設(shè)試驗(yàn)合金總量Q Me為1

10、，液、固相的量分別為QL、Q ， 則 Q Me =QL+Q =1 不同條件下，相的成分及其相對(duì)量相的成分及其相對(duì)量可用杠桿定理求得。Q QL LQ Q可得:QL +Q c = Q Me b = （QL+Q ）b = QL b +Q bQc -Q b = QL b - QL Q（c -b ）= QL（ b ）Q b c（長(zhǎng)度）（長(zhǎng)度） = QL b（長(zhǎng)度）（長(zhǎng)度）b c（長(zhǎng)度）（長(zhǎng)度） b（長(zhǎng)度）（長(zhǎng)度）（杠桿定律）（杠桿定律）QQLQ / QL = b（長(zhǎng)度）（長(zhǎng)度） / b c（長(zhǎng)度）（長(zhǎng)度） 或acbcQL acabQa 用圖中線(xiàn)段來(lái)表示%100 acbcQL%100 acabQa所以：3

11、）注意：杠桿定律只能用于兩相平衡共存時(shí)計(jì)算。）注意：杠桿定律只能用于兩相平衡共存時(shí)計(jì)算。QL+Q =1Q b c（長(zhǎng)度）（長(zhǎng)度） = QL b（長(zhǎng)度）（長(zhǎng)度）QL=1 Q代入上式：代入上式：Q b c = （ 1 Q ） b = b Q bQ b c +Q b = bQ （b c + b ）= b c （長(zhǎng)度）（長(zhǎng)度） 或或同理：QQL例：求例：求30%Ni30%Ni合金在合金在1280 1280 時(shí)時(shí) 相的相對(duì)量相的相對(duì)量1083L L+ 30a1b1c1CuT,C100011001200130014001500aNiNi% 20 4060801001455c1280 C解：解：作成分線(xiàn)和溫

12、度線(xiàn)如圖。6618根據(jù)杠桿定律 Q b1 c1 = QL a1b1 Q = a1b1 /a1c1 Q =12/48 =1/4答答: :所求合金在1280 時(shí)相的相對(duì)質(zhì)量為1/4 (25%)。Q Q Q QL L設(shè)設(shè) 相的相對(duì)量Q L相的相對(duì)量QL BCEL C183。 二組元在液態(tài)無(wú)限互溶，而在固態(tài)僅有限互溶且發(fā)生共晶反應(yīng)。以Pb-Sn合金為例。1相圖分析相圖分析二二. . 共晶相圖共晶相圖共晶反應(yīng) ：一定成分的合金液相，冷卻至共晶反應(yīng)線(xiàn)溫度時(shí)，發(fā)生同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)不同固相的混合物的反應(yīng)；其產(chǎn)物稱(chēng)為共晶組織。PbSnSn%T, C鉛-錫合金共晶相圖液相線(xiàn)液相線(xiàn)L固相線(xiàn)固相線(xiàn) + L + L +

13、固溶線(xiàn)固溶線(xiàn) 固溶線(xiàn)固溶線(xiàn)1相圖分析相圖分析相、相區(qū)：相、相區(qū)：、L相；相； 三個(gè)單相區(qū)、三個(gè)單相區(qū)、三個(gè)兩相區(qū)。三個(gè)兩相區(qū)。二二. . 共晶相圖共晶相圖共晶反應(yīng)分析共晶反應(yīng)分析PbSnT, CL + L + L + 共晶反應(yīng)線(xiàn)共晶反應(yīng)線(xiàn)表示從表示從c點(diǎn)到點(diǎn)到e點(diǎn)點(diǎn)范圍的合金，在范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)該溫度上都要發(fā)生不同程度上的生不同程度上的共晶反應(yīng)。共晶反應(yīng)。ce共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)表示表示d點(diǎn)成分的合點(diǎn)成分的合金冷卻到此溫度金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共上發(fā)生完全的共晶轉(zhuǎn)變。晶轉(zhuǎn)變。dLd c + e（共晶組織）共晶組織）共晶反應(yīng)共晶反應(yīng) ：一定成分的合金液相，冷卻至共晶反應(yīng)線(xiàn)溫度時(shí)，發(fā)生一定

14、成分的合金液相，冷卻至共晶反應(yīng)線(xiàn)溫度時(shí)，發(fā)生同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)不同固相的混合物的反應(yīng)；其產(chǎn)物稱(chēng)為共晶組織。同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)不同固相的混合物的反應(yīng)；其產(chǎn)物稱(chēng)為共晶組織。共晶反應(yīng)要點(diǎn)共晶反應(yīng)要點(diǎn)PbSnT, CL + L + L + 183ced 共晶轉(zhuǎn)變?cè)诠簿мD(zhuǎn)變?cè)诤銣睾銣叵逻M(jìn)行。下進(jìn)行。 轉(zhuǎn)變是從轉(zhuǎn)變是從一種液相一種液相中結(jié)晶出中結(jié)晶出兩個(gè)不同的固相兩個(gè)不同的固相。 存在一個(gè)確定的存在一個(gè)確定的共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)。在該點(diǎn)凝固溫度最低。在該點(diǎn)凝固溫度最低。 成分在成分在共晶線(xiàn)范圍的合金共晶線(xiàn)范圍的合金都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。 合金、合金、合金、合金的結(jié)晶過(guò)程及其組織如圖所示。分析： 相組成: 組

15、織組成物: 屬這類(lèi)相圖的合金還有Pb-Sn、Al-Si、Al-Sn、Al-Cu、Pb-Sb、Ag-Cu等。2合金的結(jié)晶過(guò)程及組織合金的結(jié)晶過(guò)程及組織合金合金 結(jié)晶過(guò)程分析結(jié)晶過(guò)程分析cefgX1T, CtL L LL+ 冷卻曲線(xiàn)冷卻曲線(xiàn) + 1234PbSnT, CL + L + L + 183ced室溫組織室溫組織: + 合金合金 結(jié)晶特點(diǎn)結(jié)晶特點(diǎn)2.要經(jīng)過(guò)脫溶反應(yīng)，室溫要經(jīng)過(guò)脫溶反應(yīng)，室溫 組織組成物組織組成物為為 + 1.沒(méi)有共晶反應(yīng)過(guò)程，而是經(jīng)過(guò)勻晶反應(yīng)形成單相沒(méi)有共晶反應(yīng)過(guò)程，而是經(jīng)過(guò)勻晶反應(yīng)形成單相 固相。固相。組織組成物：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

16、成部分。合金合金合金合金合金合金 二組元在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)有限固溶且發(fā)生包晶反應(yīng)。包晶相圖組成如圖。Fe-Fe3C合金結(jié)晶過(guò)程如圖。(一一) 包晶相圖包晶相圖1相圖分析相圖分析2合金結(jié)晶過(guò)程合金結(jié)晶過(guò)程JBHAL 四四. 其它相圖其它相圖1固態(tài)轉(zhuǎn)變主要有：固態(tài)轉(zhuǎn)變主要有： 固溶體的脫溶轉(zhuǎn)變； 共析轉(zhuǎn)變； 包析轉(zhuǎn)變； 固溶體的同素異晶轉(zhuǎn)變； 有序無(wú)序轉(zhuǎn)變等。ABT C + + + cedL + L(二二) 共析相圖共析相圖固態(tài)轉(zhuǎn)變相圖固態(tài)轉(zhuǎn)變相圖具有共析反應(yīng)的相圖。具有共析反應(yīng)的相圖。3共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變 從某一固相中同時(shí)析出兩種不同新固相的反應(yīng)。 共析反應(yīng)的產(chǎn)物為共析物。 由于共析反應(yīng)在固態(tài)

17、進(jìn)行，所以共析組織比共晶組織要細(xì)得多。2固溶體的脫溶轉(zhuǎn)變固溶體的脫溶轉(zhuǎn)變 固溶體因溶解度變化而發(fā)生的脫溶轉(zhuǎn)變。共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變( (反應(yīng)反應(yīng)) )： d ( c+ e) 共析體共析體ABT C + + + cedL + L分析： 穩(wěn)定化合物指熔化前不分解的化合物。 可將穩(wěn)定化合物看作一個(gè)組元，從而把整個(gè)相圖看成由若 干個(gè)簡(jiǎn)單相圖所組成。(三三) 形成穩(wěn)定化合物的二元合金相圖形成穩(wěn)定化合物的二元合金相圖3.2.4 二元合金相圖讀圖法二元合金相圖讀圖法 一一.相區(qū)分析的規(guī)律相區(qū)分析的規(guī)律 1.單相區(qū)的確定：?jiǎn)蜗鄥^(qū)的確定： 液相線(xiàn)以上的區(qū)域?yàn)橐合鄥^(qū)。 靠著純組元的封閉區(qū)域是以該組元為基的單相固溶體區(qū)

18、。 相圖中除代表兩組元的垂直線(xiàn)以外，若出現(xiàn)另一條垂直線(xiàn)，該線(xiàn)即代表形成一定成分的化合物。如果該化合物具有固定熔點(diǎn)，就是穩(wěn)定化合物。分析相圖時(shí)，可將其視為純組元。以它把相圖分為幾個(gè)單獨(dú)部分來(lái)分析。 當(dāng)圖中出現(xiàn)水平線(xiàn)時(shí)，一條水平線(xiàn)必然連著3個(gè)單相區(qū)，這3個(gè)單相區(qū)分別處于水平線(xiàn)的兩端或中間。2.兩相區(qū)的確定：兩相區(qū)的確定： 兩個(gè)單相區(qū)之間，必夾有一個(gè)兩相區(qū)，根據(jù)杠桿定律，該兩相區(qū)必定由相鄰相區(qū)的兩個(gè)相組成。應(yīng)用杠桿定律求出各相的相對(duì)量。 兩相區(qū)中如遇到固溶線(xiàn)傾斜的情況，會(huì)發(fā)生二次相的析出。 相鄰相區(qū)中的相數(shù)只相差一個(gè)（點(diǎn)接觸的情況除外）。3.2.4 二元合金相圖讀圖法二元合金相圖讀圖法 一一.相區(qū)分析的規(guī)律相區(qū)分析的規(guī)律二二.相區(qū)接觸法則：相區(qū)接觸法則：3.三相水平線(xiàn)：三相水平線(xiàn)： 三相共存水平線(xiàn)，點(diǎn)接觸的三個(gè)單相區(qū)。 根據(jù)單相區(qū)在水平線(xiàn)段的上、下、左、右各方的分布狀況與相的性質(zhì)便可確定該反應(yīng)的類(lèi)型。三三.結(jié)晶過(guò)程的分析方法結(jié)晶過(guò)程的分析方法 合金垂直線(xiàn)由高溫到低溫，分析垂線(xiàn)穿越的區(qū)和相交的線(xiàn)。3.3 合金的性能與相圖的關(guān)系合金的性能與相圖的關(guān)系1 1、單相固溶體的合金：、單相固溶體的合金： 性能隨成分呈曲線(xiàn)變化， 隨溶質(zhì)含