二元合金相結(jié)構(gòu)與相圖

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：合金、相圖等相關(guān)概念，以及合金的類型；三種基本相圖、及其平衡結(jié)晶過(guò)程分析，形成合金的顯微組織及杠桿定律；合金的結(jié)晶過(guò)程第二章 二元合金的相結(jié)構(gòu)與相圖1. 1. 純金屬的強(qiáng)度不高，耐熱、耐蝕性能較差，純金屬的強(qiáng)度不高，耐熱、耐蝕性能較差，如何改善？如何改善？2. 2. 合金的結(jié)晶過(guò)程是否與純金屬的結(jié)晶過(guò)程合金的結(jié)晶過(guò)程是否與純金屬的結(jié)晶過(guò)程相同？相同？3. 3. 相同成分不同含量的合金的結(jié)晶過(guò)程是否相相同成分不同含量的合金的結(jié)晶過(guò)程是否相同？怎樣表示？同？怎樣表示？第二章 二元合金的相結(jié)構(gòu)與相圖第二章 二元合金的相結(jié)構(gòu)與相圖合金：合金：由金屬元素與其他元素（這些元素可以是金屬

2、元素，也可以是非金屬元素）組成的有金屬特征金屬特征的金屬材料。金屬與非金屬組成的是不是一定就是合金？金屬與非金屬組成的是不是一定就是合金？Fe + CFe(C)合金（鋼）Fe3C (化合物）2.1 基本概念組元：組元：組成合金獨(dú)立的最基本單元。組元可以是元素元素或是穩(wěn)定化合物穩(wěn)定化合物。Fe(C)合金Fe、C組元Fe、Fe3C組元類比雞蛋雞蛋水，蛋白質(zhì)，脂肪，膽固醇水，蛋白質(zhì)，脂肪，膽固醇2.1 基本概念相：相：具有相同結(jié)構(gòu)，相同成分和性能（也可以是連續(xù)變化的）并以界面相互分開的均勻組成部分，如液相、固相是兩個(gè)不同的相。 類比類比雞蛋雞蛋蛋白、蛋黃工業(yè)純鐵單相鐵素體共析碳鋼鐵素體相、滲碳體相普

3、通陶瓷晶相、玻璃相、氣相2.1 基本概念組織：組織：用肉眼或顯微鏡觀察到的材料內(nèi)部形貌圖像的統(tǒng)稱（宏觀組織、微觀組織）。組織是影響材料性能的重要因素。相是組織的基本組成部分相同的相，但當(dāng)組成相的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布不同時(shí)，其組織也不同！不同的相構(gòu)成不同的組織！2.1 基本概念固溶體固溶體：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溶體。 “固體溶液” 按固態(tài)溶解度分：按固態(tài)溶解度分：有限固溶體有限固溶體：間隙固溶體只能是有限固溶體無(wú)限固溶體無(wú)限固溶體：無(wú)限固溶體只能是置換固溶體形成無(wú)限固溶體的必備條件：形成無(wú)限固溶體的必備條件： 置換固溶體 組元點(diǎn)陣相同 原子尺寸相差不大 負(fù)電性

4、相同2.1 基本概念2.2.固溶體的性能固溶體的性能正常晶格正常晶格大原子置換引起的晶格畸變大原子置換引起的晶格畸變小原子置換引起的晶格畸變小原子置換引起的晶格畸變間隙原子引起的晶格畸變間隙原子引起的晶格畸變2.1 基本概念金屬間化合物：金屬間化合物：兩組元形成合金時(shí)，當(dāng)超過(guò)固溶體的溶解極限時(shí)，形成的一種晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元的新相，稱為金屬間化合物，金屬間化合物，也稱中間相中間相。 晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元金屬 性能不同于任一組元金屬 一般具有較高的熔點(diǎn)、硬度，較大的脆性1. 1. 特點(diǎn)特點(diǎn) 正常價(jià)化合物 電子化合物 間隙相和間隙化合物2. 2. 分類分類2.1 基本概念返回返回2.2 二元合

5、金相圖2.2 二元合金相圖成分溫度表象點(diǎn)2.2.1 相圖的建立2.2.1 相圖的建立時(shí)間溫度溫度成分熱分析法建立熱分析法建立Cu-Ni相圖相圖固相線固相線液相線液相線CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 純銅純銅熔點(diǎn)熔點(diǎn)純鎳純鎳熔點(diǎn)熔點(diǎn)液相線液相線固相線固相線液相區(qū)液相區(qū)固相區(qū)固相區(qū)液固兩相區(qū)液固兩相區(qū)2.2.1 相圖的建立返回返回由相圖某成分合金在某溫度時(shí)的相由相圖某成分合金在某溫度時(shí)的相由相圖確定給定合金的相變溫度由相圖確定給定合金的相變溫度由相圖某成分合金在某溫度時(shí)的兩個(gè)平由相圖某成分合金在某溫度時(shí)的兩個(gè)平衡相

6、的成分和相對(duì)質(zhì)量杠桿定律衡相的成分和相對(duì)質(zhì)量杠桿定律2.2.2 相圖的使用2.2.2 相圖的使用2.2.2 相圖的使用 設(shè)合金的質(zhì)量為Q合金 , 其中 Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為b%, 在 T1溫度時(shí), L相中的 Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為a%, 相中的Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c%。2.2.2 相圖的使用 所以 化簡(jiǎn)后得2.2.2 相圖的使用返回返回1 1勻晶相圖勻晶相圖2 2共晶相圖共晶相圖3 3包晶相圖包晶相圖 4. 4. 共析相圖共析相圖2.2.3 典型相圖分析CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 勻晶相圖abcdT,CtL L L勻晶轉(zhuǎn)變 L

7、 冷卻曲線CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個(gè)恒定的熔點(diǎn)，勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個(gè)恒定的熔點(diǎn)，而是在液、固相線劃定的溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶。而是在液、固相線劃定的溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶。勻晶合金的結(jié)晶過(guò)程勻晶合金的結(jié)晶過(guò)程勻晶相圖3. 固溶體的不平衡結(jié)晶固溶體的不平衡結(jié)晶1)1)工業(yè)生產(chǎn)中合金溶液澆注后的冷卻速度較工業(yè)生產(chǎn)中合金溶液澆注后的冷卻速度較快，在每一溫度下不能保持足夠的擴(kuò)散時(shí)快，在每一溫度下不能保持足夠的擴(kuò)散時(shí)間，使凝固過(guò)程偏離平衡條件，稱為非平間，使凝固過(guò)程偏離平衡條件，稱為非平

8、衡凝固衡凝固( (結(jié)晶結(jié)晶) ) 。2)2)非平衡凝固非平衡凝固( (結(jié)晶結(jié)晶) )得到的組織稱為不平衡得到的組織稱為不平衡組織。組織。勻晶相圖 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，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)形成成分不均勻的固溶體。固溶體一般都原子擴(kuò)散不能充分進(jìn)行，則會(huì)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)晶的樹枝晶晶枝含高熔點(diǎn)組元以枝晶狀方式結(jié)晶，使得一個(gè)晶粒中先結(jié)晶的樹枝晶晶枝含高熔點(diǎn)組元較多，后結(jié)晶的樹枝晶晶枝含低熔點(diǎn)組元較多，結(jié)果造成在一個(gè)晶粒內(nèi)較多，后結(jié)晶的樹枝晶晶枝含低熔點(diǎn)

9、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。 枝晶偏析的合金對(duì)合金的力學(xué)性能影響較大。容易導(dǎo)致合金塑性韌性枝晶偏析的合金對(duì)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。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消除枝晶偏析的方法采用擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火。勻晶相圖勻晶相圖偏析實(shí)例通過(guò)對(duì)非平衡凝固分析得到如下結(jié)論：(1) 固相、液相的平均成分分別與固相線、液相線不同，有固相、液相的平均成分分別與固相線、液相線不同，有一定的偏離（固相成分按平均成分線變化），其偏離程一定的偏

10、離（固相成分按平均成分線變化），其偏離程度與冷卻速度有關(guān)。冷卻速度越大，其偏離程度越嚴(yán)重度與冷卻速度有關(guān)。冷卻速度越大，其偏離程度越嚴(yán)重；冷卻速度越小，偏離程度越小，越接近于平衡條件。；冷卻速度越小，偏離程度越小，越接近于平衡條件。(2) 先結(jié)晶部分含有較多的高熔點(diǎn)組元先結(jié)晶部分含有較多的高熔點(diǎn)組元(Ni)，后結(jié)晶部分含后結(jié)晶部分含有較多的低熔點(diǎn)組元有較多的低熔點(diǎn)組元(Cu)。(3) 非平衡結(jié)晶條件下，凝固的終結(jié)溫度低于平衡結(jié)晶時(shí)的非平衡結(jié)晶條件下，凝固的終結(jié)溫度低于平衡結(jié)晶時(shí)的終止溫度。終止溫度。 返回返回勻晶相圖共晶相圖共晶相圖：共晶相圖：液相組元無(wú)限互溶，固相組元有限溶解的合金系，當(dāng)溶質(zhì)

11、超出固溶體溶解極限時(shí)，冷卻過(guò)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。共晶相圖PbSnT, CL + L + L + 共晶反應(yīng)線共晶反應(yīng)線表示從表示從M點(diǎn)到點(diǎn)到N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E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。dLE M + NABEMNFGPbSnT, CL + L + L + 183ced 共晶轉(zhuǎn)變?cè)诤銣叵逻M(jìn)行。 轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種液相中結(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

12、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 共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機(jī)械混合物稱機(jī)械混合物稱共晶體共晶體或或共晶共晶組織組織。發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱稱共晶溫度。共晶溫度。代表共晶溫度代表共晶溫度和共晶成分的點(diǎn)稱和共晶成分的點(diǎn)稱共晶點(diǎn)。共晶點(diǎn)。Pb-Sn共晶組織共晶組織共晶體長(zhǎng)大示意圖共晶體長(zhǎng)大示意圖 Sn原子原子擴(kuò)散擴(kuò)散Pb原子原子擴(kuò)散擴(kuò)散 具有共晶成分的合金稱共晶合金。在共晶線上，凡成分位于具有共晶成分的合金稱共晶合金。在共晶線上，凡成分位于共晶點(diǎn)以左的合金稱亞共晶合金，位于共晶點(diǎn)以右的合金稱共晶點(diǎn)以左的合金稱亞共晶合金，位于共晶點(diǎn)以

13、右的合金稱過(guò)共晶合金。過(guò)共晶合金。 凡具有共晶線成分的合凡具有共晶線成分的合金液體冷卻到共晶溫度金液體冷卻到共晶溫度時(shí)都將發(fā)生共晶反應(yīng)。時(shí)都將發(fā)生共晶反應(yīng)。L+ CDABcefgX1T, CtL L LL+ 冷卻曲線冷卻曲線 + 1234PbSnT, CL + L + L + 183ced共晶相圖結(jié)晶過(guò)程分析（）共晶相圖T, CtL L LL+ 冷卻曲線冷卻曲線 + 1.沒有共晶反應(yīng)過(guò)程，沒有共晶反應(yīng)過(guò)程，而是經(jīng)過(guò)勻晶反應(yīng)形成而是經(jīng)過(guò)勻晶反應(yīng)形成單相單相 固相。固相。2.要經(jīng)過(guò)二次析出反要經(jīng)過(guò)二次析出反應(yīng)，室溫應(yīng)，室溫 組織組成組織組成物物為為 + 組織組成物組織組成物 組織中，由一定的相構(gòu)成

14、的，具有一定形態(tài)特征的組成部分。共晶相圖X2T, CtL( + )L( + )LL( + ) 共晶體共晶體冷卻曲線冷卻曲線( + )PbSnT, CL + L + L + 183ced共晶相圖結(jié)晶過(guò)程分析（）共晶相圖 析出過(guò)程中兩相相間形核析出過(guò)程中兩相相間形核、互相促進(jìn)、共同長(zhǎng)大，、互相促進(jìn)、共同長(zhǎng)大，因而共晶組織較細(xì)，呈片因而共晶組織較細(xì)，呈片、棒、點(diǎn)球等形狀。、棒、點(diǎn)球等形狀。共晶組織形態(tài)共晶組織形態(tài)層片狀層片狀(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)條棒狀條棒狀(Sb-MnSb橫截面橫截面)螺旋狀（螺旋狀（Zn-Mg）Pb-Sn共晶組織共晶組織共晶相圖X3T, CtLL+ ( + )+ +

15、 12( + )+ PbSnT, CL + L + L + 183cedL+( + )+ 共晶相圖結(jié)晶過(guò)程分析（）共晶相圖共晶相圖Pb-Sn合金的結(jié)晶過(guò)程合金的結(jié)晶過(guò)程組織組成物在相圖上的標(biāo)注組織組成物在相圖上的標(biāo)注組織組成物是指組成合金顯微組織的獨(dú)立部分。組織組成物是指組成合金顯微組織的獨(dú)立部分。 和和 , , 和和 , ,共晶體共晶體( ( + + ) )都是組織都是組織組成物。組成物。相與相之間的相與相之間的差別主要在結(jié)差別主要在結(jié)構(gòu)和成分上。構(gòu)和成分上。Pb-Sn亞共晶組織亞共晶組織組織組成物之間的差別主要在形態(tài)上。如組織組成物之間的差別主要在形態(tài)上。如 、 和共晶和共晶 的結(jié)構(gòu)成分相

16、同，屬同一個(gè)相，但它們的形態(tài)不同，分屬不同的組織的結(jié)構(gòu)成分相同，屬同一個(gè)相，但它們的形態(tài)不同，分屬不同的組織組成物。組成物。將組織組成物標(biāo)注在相圖中，可使所標(biāo)注的組織與顯微鏡下觀將組織組成物標(biāo)注在相圖中，可使所標(biāo)注的組織與顯微鏡下觀察到的組織一致。察到的組織一致。組織組成物組織組成物在相圖上的在相圖上的標(biāo)注標(biāo)注包晶相圖包晶相圖：包晶相圖：液相組元無(wú)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(guò)程中發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，這類合金構(gòu)成的相圖稱為包晶相圖。一種液相與一種固相反應(yīng)生成另一種固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為包晶轉(zhuǎn)變L + 合金的結(jié)晶過(guò)程合金的結(jié)晶過(guò)程 包晶成分合金包晶成分合金：勻晶勻晶包

17、晶包晶二次析出二次析出。 室溫組織為室溫組織為 + II包晶轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變： LC + P DPtAgAg%T, CL + L + L + cefgT, CtLL + L + + ABCPDEF包晶相圖 PD成分成分合金合金：勻晶勻晶包晶包晶二次析出二次析出。 室溫組織為室溫組織為 +II+ + II時(shí)間溫度 DC成分成分合金合金：勻晶勻晶包晶包晶勻晶勻晶二次析出二次析出 室溫組織為室溫組織為 + II。時(shí)間溫度返回返回包晶相圖形成穩(wěn)定化合物的二元相圖形成穩(wěn)定化合物的二元相圖 穩(wěn)定化合物是指在熔化前不發(fā)生分解的化合物穩(wěn)定化合物是指在熔化前不發(fā)生分解的化合物( (如如Mg-SiMg-Si系的系的M

18、gMg2 2SiSi和和Fe-CFe-C系的系的FeFe3 3C) C) 。其成分固定，在相圖中是一條垂線。其成分固定，在相圖中是一條垂線( (代表一個(gè)單相區(qū)代表一個(gè)單相區(qū)) )。垂足是其。垂足是其 成分成分, , 頂點(diǎn)是其熔點(diǎn)頂點(diǎn)是其熔點(diǎn), , 結(jié)結(jié)晶過(guò)程同純金屬晶過(guò)程同純金屬. . 分析這類相圖時(shí)，可把穩(wěn)分析這類相圖時(shí)，可把穩(wěn)定化合物當(dāng)作純組元看待，定化合物當(dāng)作純組元看待，將相圖分成幾個(gè)部分進(jìn)行將相圖分成幾個(gè)部分進(jìn)行分析分析. .Mg2SiMg2Si+SiMg+ Mg2SiSiL+ Mg2SiL+ SiL+ Mg2SiL+ Mg 共析轉(zhuǎn)變也是固共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)相變。態(tài)相變。 最常見的共析轉(zhuǎn)

19、最常見的共析轉(zhuǎn)變是鐵碳合金中變是鐵碳合金中的珠光體轉(zhuǎn)變的珠光體轉(zhuǎn)變: S P+ Fe3C 。具有共析反應(yīng)的二元相圖具有共析反應(yīng)的二元相圖l共析反應(yīng)共析反應(yīng)( (共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變) )是指在一定溫度下，由一定成分的固是指在一定溫度下，由一定成分的固相同時(shí)析出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過(guò)程。相同時(shí)析出兩個(gè)成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過(guò)程。PS( ( 奧氏體，奧氏體， 鐵素體，鐵素體，F(xiàn)eFe3 3CC滲碳體滲碳體) )鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖 共析反應(yīng)的產(chǎn)物是共析體（鐵碳合金中的共析體稱珠共析反應(yīng)的產(chǎn)物是共析體（鐵碳合金中的共析體稱珠光體光體），也是兩相的機(jī)械混合物（鐵素體，也是兩相的機(jī)械混

20、合物（鐵素體+ +滲碳體滲碳體) )。l與共晶反應(yīng)不同的是，與共晶反應(yīng)不同的是，共析反應(yīng)的母相是固相，共析反應(yīng)的母相是固相，而不是液相。而不是液相。l另外，由于固態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)另外，由于固態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)冷度大，因而共析組織冷度大，因而共析組織比共晶組織細(xì)。比共晶組織細(xì)。珠光體珠光體恒溫下由一個(gè)固相同時(shí)恒溫下由一個(gè)固相同時(shí)析出兩個(gè)成分結(jié)構(gòu)不同析出兩個(gè)成分結(jié)構(gòu)不同的新固相。的新固相。 + 共析反應(yīng)共析反應(yīng)恒溫下由一個(gè)液相包著恒溫下由一個(gè)液相包著一個(gè)固相生成另一個(gè)新一個(gè)固相生成另一個(gè)新的固相。的固相。L + 包晶反應(yīng)包晶反應(yīng)恒溫下由一個(gè)液相同時(shí)恒溫下由一個(gè)液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分結(jié)構(gòu)不結(jié)晶出兩個(gè)成分結(jié)構(gòu)不同的新固

21、相。同的新固相。L L + 共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)說(shuō)明說(shuō)明反應(yīng)式反應(yīng)式圖形特征圖形特征反應(yīng)名稱反應(yīng)名稱常見三相等溫水平線上的反應(yīng)常見三相等溫水平線上的反應(yīng)相圖與合金性能之間的關(guān)系相圖與合金性能之間的關(guān)系 相圖與合金力學(xué)性能、物相圖與合金力學(xué)性能、物理性能的關(guān)系理性能的關(guān)系 兩相機(jī)械混合物的合金兩相機(jī)械混合物的合金: :性性能與合金成分呈直線關(guān)系，是能與合金成分呈直線關(guān)系，是兩相性能的算術(shù)平均值，如：兩相性能的算術(shù)平均值，如： 混混= = Q Q + + Q Q HBHB混混=HB=HB Q Q +HB+HBQ Q ( (Q Q 、Q Q為兩相相對(duì)重量為兩相相對(duì)重量) ) 單相固溶體的合金：?jiǎn)蜗喙倘荏w的合金： 性能隨成分呈曲線變化，隨溶質(zhì)性能隨成分呈曲線變化，隨溶質(zhì)含量增加，含量增加，、HBHB、 增加，塑增加，塑性下降。性下降。 形成穩(wěn)定化合物的合金：形成穩(wěn)定化合物的合金： 性能性能- -成分曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。成分曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。 相圖與鑄造性能的相圖與鑄造性能的關(guān)系關(guān)系 l固溶體合金固溶體合金液固相線液固相線間距越大、偏析傾向大間距越大、偏析傾向大, , 樹枝晶發(fā)達(dá)樹枝晶發(fā)達(dá), , 流動(dòng)性降流動(dòng)性降低低, , 補(bǔ)縮能力下降補(bǔ)縮能力下降, , 分分散縮孔增加散縮孔增加. . l共晶合金共晶合金結(jié)晶溫度低，結(jié)晶溫度低，流動(dòng)性好，縮孔集中，流動(dòng)