華科金屬學(xué)與熱處理04二元合金

1、1第四章第四章 二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶3 2 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)一、基本概念一、基本概念1. 合金：合金： 一種金屬元素與若干種其它種元素結(jié)合成的具有金屬特一種金屬元素與若干種其它種元素結(jié)合成的具有金屬特 性的物質(zhì)。性的物質(zhì)。2. 組元：組元： 組成合金的基本物質(zhì)，可以是元素，也可以是化合物。組成合金的基本物質(zhì)，可以是元素，也可以是化合物。3. 相：相： 合金中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)相同，且以界面相互分開的組合金中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)相同，且以界面相互分開的組 成部分。成部分。二、二、 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)1. 固溶體固溶體 （ solid solution ） 合金

2、中各組元在固態(tài)互相溶解形成的晶格與某組元相同的新合金中各組元在固態(tài)互相溶解形成的晶格與某組元相同的新 相。該組元稱溶劑，其它稱溶質(zhì)。相。該組元稱溶劑，其它稱溶質(zhì)。 固溶體的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑相同。固溶體的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑相同。 濃度：濃度： 溶質(zhì)原子溶入固溶體溶質(zhì)原子溶入固溶體 中的量。中的量。 溶解度：一定溫度下的最大濃度，也稱固溶度。溶解度：一定溫度下的最大濃度，也稱固溶度。2 固溶體的分類：固溶體的分類： 置換固溶體：溶質(zhì)原子處于晶格結(jié)置換固溶體：溶質(zhì)原子處于晶格結(jié) 點(diǎn)上。點(diǎn)上。 間隙固溶體：溶質(zhì)原子處于晶格間間隙固溶體：溶質(zhì)原子處于晶格間 隙中。隙中。固溶體的性能：固溶體的性能： 因溶質(zhì)原子

3、的溶入，溶劑晶格產(chǎn)生畸因溶質(zhì)原子的溶入，溶劑晶格產(chǎn)生畸變，使固溶體的強(qiáng)度、硬度升高，而變，使固溶體的強(qiáng)度、硬度升高，而塑性、韌性下降。塑性、韌性下降。 固溶強(qiáng)化：因形成固溶體使材料的強(qiáng)固溶強(qiáng)化：因形成固溶體使材料的強(qiáng)度、硬度上升的現(xiàn)象。度、硬度上升的現(xiàn)象。32. 金屬化合物金屬化合物 合金組元相互作用而形成的晶格不同于任一組元的新相。合金組元相互作用而形成的晶格不同于任一組元的新相。 分類：分類： 正常價(jià)化合物：正常價(jià)化合物： 由元素周期表中相距較遠(yuǎn)的元素組成，電由元素周期表中相距較遠(yuǎn)的元素組成，電負(fù)性相差較大負(fù)性相差較大, 符合化合價(jià)規(guī)律，如：符合化合價(jià)規(guī)律，如： Mg2Si, ZnS, 電

4、子化合物：由元素周期表中相距較近電子化合物：由元素周期表中相距較近, 且原子尺寸相差較且原子尺寸相差較小的的元素組成，一般不符合化合價(jià)規(guī)律，小的的元素組成，一般不符合化合價(jià)規(guī)律， 其晶體結(jié)構(gòu)由電子其晶體結(jié)構(gòu)由電子濃度（價(jià)電子總數(shù)與原子總數(shù)之比）決定，如下表所例：濃度（價(jià)電子總數(shù)與原子總數(shù)之比）決定，如下表所例：4 間隙化合物：由過渡族金屬元素（原子半徑較大）與非金屬間隙化合物：由過渡族金屬元素（原子半徑較大）與非金屬元素（原子半徑較?。┙M成，非金屬原子（元素（原子半徑較小）組成，非金屬原子（C、N、B等）處等）處于晶格間隙中。于晶格間隙中。 間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元，如：間隙化合物的

5、晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元，如： VC (fcc 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)) Fe 3C (復(fù)雜晶格復(fù)雜晶格)5 性能：金屬化合物都具有高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)的性能：金屬化合物都具有高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)的特點(diǎn)，如下表所例：特點(diǎn)，如下表所例：6三、二元合金相圖三、二元合金相圖 1。相圖：表明合金系中不同成分合金在。相圖：表明合金系中不同成分合金在極緩慢加熱極緩慢加熱(冷卻冷卻)過過程中的不同溫度時(shí)，由哪些相構(gòu)成以及這些程中的不同溫度時(shí)，由哪些相構(gòu)成以及這些相之間的平衡相之間的平衡關(guān)系關(guān)系的圖形。的圖形。 極緩慢加熱（冷卻）過程：即是在每一溫度都停留足夠長極緩慢加熱（冷卻）過程：即是在每一溫度都停留足夠長時(shí)間，使合

6、金中的原子充分?jǐn)U散，組織中各相的化學(xué)成分時(shí)間，使合金中的原子充分?jǐn)U散，組織中各相的化學(xué)成分和相對(duì)量最終達(dá)到動(dòng)平衡的狀態(tài)。這樣的過程稱平衡過程。和相對(duì)量最終達(dá)到動(dòng)平衡的狀態(tài)。這樣的過程稱平衡過程。 生產(chǎn)實(shí)踐中的緩慢加熱（冷卻）過程近似看成是平衡過程。生產(chǎn)實(shí)踐中的緩慢加熱（冷卻）過程近似看成是平衡過程。 相之間的平衡關(guān)系：各相的相之間的平衡關(guān)系：各相的化學(xué)成分化學(xué)成分和和相對(duì)量相對(duì)量（質(zhì)量分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。數(shù)）。72。相圖的建立。相圖的建立 ： 用實(shí)驗(yàn)方法測繪，如用實(shí)驗(yàn)方法測繪，如Cu Ni合金系：合金系： 配置不同成分的配置不同成分的Cu Ni合金；合金； 將各液態(tài)合金自高溫緩慢冷卻，作冷卻曲線。

7、冷卻曲線將各液態(tài)合金自高溫緩慢冷卻，作冷卻曲線。冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)表示相變開始、終了的溫度。記下這些臨界點(diǎn)；上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)表示相變開始、終了的溫度。記下這些臨界點(diǎn)； 連點(diǎn)成線。連點(diǎn)成線。8四、二元相圖及合金的平衡結(jié)晶分析四、二元相圖及合金的平衡結(jié)晶分析 勻晶相圖：勻晶相圖：兩組元在液態(tài)、固兩組元在液態(tài)、固 態(tài)均無限互溶則形成勻晶相態(tài)均無限互溶則形成勻晶相 圖，如圖，如 Cu Ni 相圖：相圖：1. 相圖簡介：相圖簡介： 線：液相線、固相線，線：液相線、固相線， 液相線與固相線的交點(diǎn)液相線與固相線的交點(diǎn) A, B分別為兩組元分別為兩組元Cu, Ni的熔點(diǎn)。的熔點(diǎn)。 相區(qū)：液相區(qū)相區(qū)：液相區(qū): 單相液

8、態(tài)合金單相液態(tài)合金L 固相區(qū)固相區(qū): 單相固溶體單相固溶體 兩相區(qū)兩相區(qū): L與與共存共存92. 兩相區(qū)內(nèi)的相平衡關(guān)系兩相區(qū)內(nèi)的相平衡關(guān)系 兩相的成分兩相的成分 過過T1作水平線交液相線、固相線于作水平線交液相線、固相線于a、c，則，則a、c的成分的成分就分別就分別 是液相和固相的成分。是液相和固相的成分。 兩相的相對(duì)量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）滿足杠桿定律：兩相的相對(duì)量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）滿足杠桿定律： mLaxm xc 設(shè)設(shè) mL m 100%則則 mL xc/ac 100%， m ax/ac 100% 103. 兩相區(qū)內(nèi)合金的平衡結(jié)晶兩相區(qū)內(nèi)合金的平衡結(jié)晶隨溫度緩慢下降，液相、固相的成分分別沿著液相隨溫度緩慢

9、下降，液相、固相的成分分別沿著液相 線、固相線、固相線變化，兩相的相對(duì)量也不斷變化。溫度降至固相線的時(shí)候，線變化，兩相的相對(duì)量也不斷變化。溫度降至固相線的時(shí)候，液相消失，結(jié)晶完成，組織為均勻的固溶體。液相消失，結(jié)晶完成，組織為均勻的固溶體。114. 固溶體合金的不平衡結(jié)晶固溶體合金的不平衡結(jié)晶 實(shí)際結(jié)晶一般都是不平衡結(jié)晶。實(shí)際結(jié)晶一般都是不平衡結(jié)晶。 如右圖，在溫度如右圖，在溫度t2，在晶體表面結(jié)，在晶體表面結(jié)晶出成分為晶出成分為2 2的固相，但晶體內(nèi)部的固相，但晶體內(nèi)部的成分還是的成分還是1 1，由于，由于冷速較快，原冷速較快，原子來不及充分?jǐn)U散，子來不及充分?jǐn)U散，1 1還未變成還未變成2

10、2，溫度就下降了，又有新固相結(jié)晶出來。溫度就下降了，又有新固相結(jié)晶出來。這樣直至結(jié)晶完成，最終這樣直至結(jié)晶完成，最終形成成分不形成成分不均勻的固溶體，這種成分不均勻的現(xiàn)均勻的固溶體，這種成分不均勻的現(xiàn)象稱象稱成分偏析成分偏析。 在成分偏析的固溶體中，先結(jié)晶在成分偏析的固溶體中，先結(jié)晶出來的部分含有較多的高熔點(diǎn)組元。出來的部分含有較多的高熔點(diǎn)組元。 12成分過冷及其對(duì)晶體長大的影響成分過冷及其對(duì)晶體長大的影響成分過冷的產(chǎn)生成分過冷的產(chǎn)生如右圖，固溶體合金結(jié)晶到如右圖，固溶體合金結(jié)晶到達(dá)達(dá)T2溫度。其液固界面前沿液相溫度。其液固界面前沿液相具有正溫度梯度具有正溫度梯度，界面前沿液界面前沿液相中溶質(zhì)

11、相中溶質(zhì)B的濃度分布不均勻的濃度分布不均勻 ，該處液相的理論結(jié)晶溫度發(fā)生如該處液相的理論結(jié)晶溫度發(fā)生如的變化，使實(shí)際溫度低于理論的變化，使實(shí)際溫度低于理論結(jié)晶溫度，產(chǎn)生了一個(gè)過冷區(qū)域，結(jié)晶溫度，產(chǎn)生了一個(gè)過冷區(qū)域，這種因溶質(zhì)濃度改變而在界面液這種因溶質(zhì)濃度改變而在界面液相產(chǎn)生的過冷現(xiàn)象稱為成分過冷相產(chǎn)生的過冷現(xiàn)象稱為成分過冷。成分過冷區(qū)的大小取決于液成分過冷區(qū)的大小取決于液相實(shí)際溫度的分布情況和成分不相實(shí)際溫度的分布情況和成分不均勻的程度。均勻的程度。L1LL2T1T2C0溫度溶質(zhì)B%溫度溫度溫度距離距離距離T2L1L2T1T2B%13成分過冷對(duì)晶體長大方式的影響成分過冷對(duì)晶體長大方式的影響溫

12、度梯度為溫度梯度為G1時(shí)時(shí) 界面前沿液相出現(xiàn)較大成分過冷，過界面前沿液相出現(xiàn)較大成分過冷，過冷度隨距離增大明顯加大，晶體以樹枝狀冷度隨距離增大明顯加大，晶體以樹枝狀長大，即長大，即枝晶成長枝晶成長。溫度梯度為溫度梯度為G2時(shí)時(shí) 界面前沿液相中的成分過冷較小，過界面前沿液相中的成分過冷較小，過冷度隨距離增大不明顯加大，晶體以胞狀冷度隨距離增大不明顯加大，晶體以胞狀長大，形成長大，形成胞狀結(jié)構(gòu)胞狀結(jié)構(gòu)。溫度梯度為溫度梯度為G3時(shí)時(shí) 界面前沿液相中無成分過冷，晶體平界面前沿液相中無成分過冷，晶體平面長大。面長大。 在實(shí)際生產(chǎn)條件下，金屬結(jié)晶時(shí)界在實(shí)際生產(chǎn)條件下，金屬結(jié)晶時(shí)界面前沿液相中的溫度梯度不大

13、，所以固面前沿液相中的溫度梯度不大，所以固溶體合金的結(jié)晶一般都成長為樹枝狀晶溶體合金的結(jié)晶一般都成長為樹枝狀晶體。體。G2G1G3溫度界面距離熔點(diǎn)曲線實(shí)際溫度成分過冷對(duì)晶體長大影響示意圖146.6.枝晶偏析枝晶偏析 產(chǎn)生原因：在固溶體合金實(shí)際結(jié)晶過程中，因不平衡產(chǎn)生原因：在固溶體合金實(shí)際結(jié)晶過程中，因不平衡結(jié)晶和枝晶生長，先結(jié)晶出來的枝晶晶軸與后結(jié)晶出結(jié)晶和枝晶生長，先結(jié)晶出來的枝晶晶軸與后結(jié)晶出來的分支及枝間部分成分不一，形成成分不均勻的樹來的分支及枝間部分成分不一，形成成分不均勻的樹枝狀晶體。枝狀晶體。 枝晶偏析對(duì)金屬的力學(xué)性能有不良影響，尤其使塑性枝晶偏析對(duì)金屬的力學(xué)性能有不良影響，尤其

14、使塑性韌性下降明顯。枝晶偏析可用擴(kuò)散退火消除。韌性下降明顯。枝晶偏析可用擴(kuò)散退火消除。 影響影響枝晶偏析的因素枝晶偏析的因素合金在相圖中液、固相線距離越大，則合金在相圖中液、固相線距離越大，則枝晶偏析越嚴(yán)重。枝晶偏析越嚴(yán)重。合金的冷卻速度越大，則合金的冷卻速度越大，則枝晶偏析越嚴(yán)重。枝晶偏析越嚴(yán)重。合金中原子擴(kuò)散能力越小，則合金中原子擴(kuò)散能力越小，則枝晶偏析越嚴(yán)重。枝晶偏析越嚴(yán)重。15 共晶相圖共晶相圖1. 相圖簡介：相圖簡介：線：線： 液相線：液相線： aEb，固相線：，固相線： aCEDb 溶解度線（固溶線）：溶解度線（固溶線）： CG: Sn在在中的溶解度線中的溶解度線 ， DH: Pb

15、在在中的溶解度線中的溶解度線 。 共晶線：一條水平線共晶線：一條水平線 CED。相區(qū)：相區(qū)：單相區(qū)：單相區(qū)：L, , 雙相區(qū)：雙相區(qū)：L + ， L + ， + 三相區(qū)：三相區(qū)： L + + 二元相圖中的三相區(qū)二元相圖中的三相區(qū)都是水平線。都是水平線。 162. 共晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變 恒溫下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩種成分一定的固相恒溫下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩種成分一定的固相的轉(zhuǎn)變。的轉(zhuǎn)變。 LE C + D 產(chǎn)物稱為產(chǎn)物稱為共晶體共晶體， 為兩相細(xì)密交替分布的機(jī)械混合物，如為兩相細(xì)密交替分布的機(jī)械混合物，如下右圖所示下右圖所示。共晶體總是寫在括號(hào)內(nèi)共晶體總是寫在括號(hào)內(nèi), 如如 (C

16、+ D )。 tE共晶體結(jié)構(gòu)示意圖173. 典型合金平衡結(jié)晶分析典型合金平衡結(jié)晶分析合金合金 室溫時(shí)為均勻的單相室溫時(shí)為均勻的單相。合金合金 冷卻至冷卻至 CG 線上的線上的3點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)時(shí)， 相達(dá)到飽和，繼續(xù)冷卻，相達(dá)到飽和，繼續(xù)冷卻，則從則從 相中析出相中析出 相。相。 從固溶體里析出的另一固從固溶體里析出的另一固相稱為相稱為次生相或二次相。次生相或二次相。 合金合金的室溫平衡組織是的室溫平衡組織是 + 。 合金合金 (共晶合金共晶合金) 在在183發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，產(chǎn)物是（產(chǎn)物是（ C + D ），）， 室溫時(shí)的組織是室溫時(shí)的組織是: （ + ）。）。18合金合金為為亞共晶合金亞共

17、晶合金, 冷至冷至 aE 線時(shí)結(jié)晶出固溶體線時(shí)結(jié)晶出固溶體 (稱為稱為初晶初晶或或先共先共晶相晶相），在），在183時(shí)剩余液相的成分到達(dá)時(shí)剩余液相的成分到達(dá) E 點(diǎn)點(diǎn) ，這些液相便發(fā)，這些液相便發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，變成共晶體。共晶轉(zhuǎn)變完成后溫度繼續(xù)下降，初生共晶轉(zhuǎn)變，變成共晶體。共晶轉(zhuǎn)變完成后溫度繼續(xù)下降，初晶晶的溶解度發(fā)生變化，其內(nèi)析出二次相的溶解度發(fā)生變化，其內(nèi)析出二次相 。 至室溫，合金至室溫，合金的平衡組織是（的平衡組織是（ + ）+ + 結(jié)晶過程及組織示意圖如下右圖所示。結(jié)晶過程及組織示意圖如下右圖所示。19 4. 共晶相圖小結(jié)共晶相圖小結(jié) 在共晶線上都有共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生。在共晶線上都有共晶轉(zhuǎn)

18、變發(fā)生。 要區(qū)分共晶體、先共晶相（初晶）、二次相的概念。要區(qū)分共晶體、先共晶相（初晶）、二次相的概念。 相組成物相組成物：組織中的組成相。：組織中的組成相。上圖中填寫的就是相組成物。上圖中填寫的就是相組成物。 組織組成物組織組成物：組織中有一定形貌的組成部分。：組織中有一定形貌的組成部分。 可用杠桿定律計(jì)算相組成物、組織組成物的相對(duì)量?？捎酶軛U定律計(jì)算相組成物、組織組成物的相對(duì)量。思考：在上圖中填寫組織組成物，計(jì)算在共晶溫度時(shí)共晶體內(nèi)相組成思考：在上圖中填寫組織組成物，計(jì)算在共晶溫度時(shí)共晶體內(nèi)相組成物的相對(duì)量。物的相對(duì)量。20 包晶相圖包晶相圖1. 包晶轉(zhuǎn)變：包晶轉(zhuǎn)變： d + Lc p 恒溫

19、下，由一定成分的固相與一定恒溫下，由一定成分的固相與一定成分的液相作用形成另一個(gè)一定成成分的液相作用形成另一個(gè)一定成分的固相的轉(zhuǎn)變。水平線分的固相的轉(zhuǎn)變。水平線 dPc 為包為包晶線。晶線。 新固相是包在舊固相的外層逐漸長新固相是包在舊固相的外層逐漸長大而成，故名包晶轉(zhuǎn)變。大而成，故名包晶轉(zhuǎn)變。包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束形成單相包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束形成單相，在隨后冷在隨后冷卻過程中從其中析出二次卻過程中從其中析出二次相相。 tp212. 典型合金的平衡結(jié)晶典型合金的平衡結(jié)晶合金合金 在在tp 溫度發(fā)生溫度發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，由包晶轉(zhuǎn)變，由d 、 Lc 兩相互相作用，生成兩相互相作用，生成p相，轉(zhuǎn)變終了，相，轉(zhuǎn)變終了， 、 L 兩相同兩相同時(shí)消耗完。時(shí)消耗完。最終室溫組織：最終室溫組織：+ 合金合金 包晶轉(zhuǎn)變終了，包晶轉(zhuǎn)變終了， 有有相剩余。相剩余。最終室溫組織：最終