工程材料--合金的相結(jié)構(gòu)和二元合金相圖

1、第第 四四 章章 合金的相結(jié)構(gòu)和二元合金相圖合金的相結(jié)構(gòu)和二元合金相圖 1、有關(guān)概念:合金、組元、合金系、相、組織2、合金的相結(jié)構(gòu)3、二元合金相圖4、合金性能與相圖的關(guān)系基本要求：基本要求：1、掌握有關(guān)概念和組成合金的基本相結(jié)構(gòu)2、學(xué)會(huì)分析相圖 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 3、會(huì)分析典型合金的結(jié)晶過程4、會(huì)運(yùn)用杠桿定律進(jìn)行計(jì)算5、了解合金性能與相圖的粗略關(guān)系6、熟悉合金組織的概念 引言引言1、【合金】 由一種金屬組元和另外的金屬、非金屬或化合物組元組成的、具有金屬特性的物質(zhì)。如：鋼、銅合金、鋁合金等 2、【組元】 組成合金的最基本的、獨(dú)立存在的物質(zhì)。一般合金的組元是組成合金的元素。 例：鋼的組元：F

2、e、C、Mn、Cm 二元合金、三元合金、多元合金 3、【成分】 指合金系中各組元的重量相對(duì)含量。有重量百分比(wt%)、原子百分比(at%)、體積百分比等，一般用重量百分比. 例：45鋼，含0.45%C，其余主要是Fe。 4、【合金系】 指由給定組元按不同比例配制的一系列成分不同的合金。 例如： FeC合金系 5、 【相】指材料中成分、結(jié)構(gòu)、性能相同并有界面與其他部分隔開的均勻組成部分。 6、【合金的組織】 指組成合金的各個(gè)相的大小、形態(tài)、數(shù)量、分布的總稱?？梢允怯梢粋€(gè)或幾個(gè)相組成；多個(gè)相按一定方式排列、組合而成稱為機(jī)械混合物。鋼 鑄造鋁合金第一節(jié)合金的相結(jié)構(gòu)第一節(jié)合金的相結(jié)構(gòu) 根據(jù)結(jié)構(gòu)、性能

3、以及形成條件，將合金中的相根據(jù)結(jié)構(gòu)、性能以及形成條件，將合金中的相分為：固溶體和化合物。分為：固溶體和化合物。一、固溶體一、固溶體 1、定義：溶質(zhì)元素的原子均勻地溶入溶劑元素的晶格中所形成的單相固體。 2、按位置分類固溶體 【置換式【置換式】溶質(zhì)原子取代一部分溶劑原子，占據(jù)溶劑原子晶格中某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體 。 【間隙式【間隙式】溶質(zhì)原子不占據(jù)溶劑晶格結(jié)點(diǎn)位置而是填嵌在溶劑原子之間所形成的固溶體。固溶體類型固溶體類型ZXY間隙原子間隙原子間隙固溶體間隙固溶體置換固溶體置換固溶體置換原子置換原子YXZ 3、固溶體特點(diǎn) 1）晶格同溶劑； 2）成分不固定：T 溶解度 ； 3）晶格畸變 ； 4）

4、性能性能固溶強(qiáng)化：強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象正常晶格正常晶格晶格畸變晶格畸變二、金屬化合物二、金屬化合物 1、定義：合金元素之間相互作用形成的具有金屬特性的新相（AmBn）。 新相的結(jié)構(gòu)與組元的不相同。 2、常見金屬化合物 1）正常價(jià)化合物 受化合價(jià)規(guī)律制約形成。 例：Mg2Si、SiC 2）電子化合物：受電子濃度規(guī)律制約形成。 C電化合物中價(jià)電子數(shù)化合物中原子總數(shù) 例：Cu3Al ： C電(13+31)/(3+1)=3/2 3）間隙化合物：受原子尺寸大小制約形成。 間隙相：例VC、TiC 復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物：例Fe3C、Cr23C6 合金中間隙化合物的合理存在可有效的提高合金

5、 的使用性能。三類金屬化合物的比較三類金屬化合物的比較正常價(jià)化合物電子化合物間隙化合物間隙相間隙化合物形成條件電化學(xué)性差別不大時(shí)形成取決于電子濃度rm / Rx0.59成分固定不固定不固定不固定晶胞復(fù)雜由C電決定 簡(jiǎn)單復(fù)雜性能硬、脆較硬、脆很硬、脆極硬、脆舉例 Mg2Si Cu3Al VC Fe3C三、合金的組織三、合金的組織 1、基體多為單質(zhì)金屬或固溶體 2、強(qiáng)化相多為金屬化合物。 例：基體：F(88%) HB=80強(qiáng)化相：Cm(12%) HB=800T8 3、改善合金性能的思路： 改變強(qiáng)化相的大小、數(shù)量形態(tài)、分布 得到不同的合金組織具有不同性能滿足不同的使用要求第二節(jié)第二節(jié) 二元合金相圖二

6、元合金相圖 相圖：相圖：是描述合金“成分、溫度、組織”三者平衡關(guān)系的簡(jiǎn)明圖解。 平衡：指在一定條件下合金系中參與相變過程的各相的成分和相對(duì)重量不再變化所達(dá)到的一種狀態(tài)。 二元相圖二元相圖：指的只有兩組元合金系的相圖。 三元相圖三元相圖：三組元合金系的相圖。本節(jié)討論三個(gè)問題： 1、相圖是如何建造的? 2、如何識(shí)別相圖? 3、相圖有什么用途？ 1、建立坐標(biāo)（T合金系成分 ） 2、配制典型合金 如：合金1100%Cu + 0%Ni 合金280%Cu+20%Ni 合金n0%Cu+100%Ni 3、測(cè)各典型合金的冷卻曲線找出“變態(tài)點(diǎn)” 4、在坐標(biāo)上標(biāo)出各變態(tài)點(diǎn)的位置 5、將意義相同的點(diǎn)連接起來一、相圖的

7、建造（以一、相圖的建造（以CuCuNiNi合金為例）合金為例）時(shí)間溫度 tBCuNitA80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni100%Cu80100%Ni604020LL+ 二、勻晶相圖二、勻晶相圖 兩組元在液態(tài)、固態(tài)下均可無限互溶的二元合金系所形成勻晶相圖。 例CuNi、AuAg等 1 1、相圖分析、相圖分析 CuNiNi%LL+ 10831455點(diǎn)：線：液相線 固相線；區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)：L 、 雙相區(qū)：L2 2、合金的結(jié)晶過程、合金的結(jié)晶過程 3 3、杠桿定律、杠桿定律 1）確定在給定溫度下平衡兩相區(qū)中各相的成分； 2）計(jì)算在給定溫度下某一成分合金在平衡兩相區(qū)中各相的相對(duì)重量。 設(shè)下圖K成分合

8、金總重量為Q，溫度T時(shí)液相重QL，成分為X ；固相重Q成分為X“ 。 則有 Q = QL + Q （1） Q X = QL X+ QX“ （2） （1）-（2）聯(lián)立解得 QLQaxkxxkkxxxxxkkkNiNi%溫度CuAB圖4-9 杠桿定律的證明及比喻液相相對(duì)重量為： QL/Q ()=XK/ XX 100%固相相對(duì)重量為： Q/Q (%)=K X/ XX100%舉例：成分為60Ni(40% Cu)合金500 時(shí)各相相對(duì)重量如何？4 4、相圖應(yīng)用、相圖應(yīng)用 分析結(jié)晶過程、確定合金的組織狀態(tài)、相分析結(jié)晶過程、確定合金的組織狀態(tài)、相組成和成分、各相的相對(duì)重量；組成和成分、各相的相對(duì)重量； 預(yù)測(cè)

9、材料性能；預(yù)測(cè)材料性能； 指導(dǎo)和制定熱加工工藝。指導(dǎo)和制定熱加工工藝。 5 5、枝晶偏析的產(chǎn)生與消除、枝晶偏析的產(chǎn)生與消除 【平衡結(jié)晶】冷卻極其緩慢，原子擴(kuò)散得以充分進(jìn)行。 【不平衡結(jié)晶】冷卻速度較快（一般工業(yè)生產(chǎn)冷速），原子擴(kuò)散過程不能充分進(jìn)行，此時(shí)將會(huì)合金化學(xué)成分的不均勻即偏析。 【枝晶偏析】指晶粒內(nèi)部化學(xué)成分分布不均勻的現(xiàn)象，因結(jié)晶呈樹枝狀，又稱枝晶偏析。 偏析的危害：耐蝕性、機(jī)械性能 偏析的消除：出現(xiàn)枝晶偏析后，可通過擴(kuò)散退火予以消除。一般采用將鑄件加熱到低于固相線100200的溫度，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間保溫，使偏析元素進(jìn)行充分?jǐn)U散，成分均勻化。 三、共晶相圖三、共晶相圖 液態(tài)無限互溶，固態(tài)有限

10、互溶，并發(fā)生共晶反應(yīng)的二元合金系形成的相圖。 例：AgCu、AlCu、PbSb等合金相圖 （一）相圖分析 1、點(diǎn)：A、B、C、D、E、F、G 2、線：液相線、固相線、固溶線，共晶線 CF：Sb在Pb中的溶解度曲線 DG：Pb在Sb中的溶解度曲線 3、共晶點(diǎn)與共晶反應(yīng)： 1）共晶轉(zhuǎn)變：在一定的溫度下，由成分一定的液相，同時(shí)結(jié)晶出成分一定的兩個(gè)固相的轉(zhuǎn)變過程。 LETE(+)共 3）共晶組織：即共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，為兩相的機(jī)械混合物，也稱共晶體。 2）共晶（E）點(diǎn)：、相共同結(jié)晶時(shí)的溫度和成分點(diǎn)。共晶體形態(tài)片狀粒狀桿狀4、單相區(qū)：、單相區(qū)：L、 雙相區(qū)：雙相區(qū)：L+、L+、 4)共晶反應(yīng)線共晶反應(yīng)線(C

11、ED): 只有具有只有具有E點(diǎn)成分的合金才能發(fā)生共晶反應(yīng)點(diǎn)成分的合金才能發(fā)生共晶反應(yīng),但是在但是在CED成分范圍內(nèi)的合金結(jié)晶時(shí)都存在共成分范圍內(nèi)的合金結(jié)晶時(shí)都存在共晶反應(yīng)晶反應(yīng). CE亞共晶亞共晶 E共晶共晶 ED過共晶過共晶（二）典型合金的結(jié)晶過程（二）典型合金的結(jié)晶過程1、合金1的結(jié)晶過程：(含Sb量 3.5%） 結(jié)晶過程：L L+ 室溫時(shí)組織： 相組成： 各相相對(duì)重量：fg4 = 4g/fg 100%=f4/fg 100%組織相對(duì)重量：=4g/fg 100%=f4/fg 100% 2、共晶合金、共晶合金2的結(jié)晶過程：的結(jié)晶過程： E點(diǎn)以上：液相L； E點(diǎn)溫度：全部轉(zhuǎn)變?yōu)椋?）共晶； E點(diǎn)

12、以下：同上 室溫組織： （+）共晶 相組成： + 各相相對(duì)量 ：fgE =Eg/fg 100%=fE/fg 100%組織相對(duì)量組織相對(duì)量 ： 3 3、亞共晶合金、亞共晶合金3 3的結(jié)晶過程：的結(jié)晶過程： 結(jié)晶過程： 室溫組織： + （+）共晶 相組成： + 組織相對(duì)量： CE2（+）共晶+=C2/CE 100%（+）共晶=2E/CE 100% 4 4、過共晶合金、過共晶合金4 4的結(jié)晶過程：的結(jié)晶過程： 結(jié)晶過程： 室溫組織： + （+）共晶 相組成： + 組織相對(duì)量： 相相對(duì)量：5 5、室溫下的顯微組織、室溫下的顯微組織（三）共晶相圖特例（三）共晶相圖特例ABAB四、包晶相圖四、包晶相圖（略

13、）五、形成化合物的相圖五、形成化合物的相圖 1、舉例 AB AmBn2、舉例六、共析相圖六、共析相圖 溫度LL+ a1a2b1b2ABB%1 +2 12dce +1 +2 1、相圖特點(diǎn)：勻晶相圖共析相圖 2、共析反應(yīng)： （1 +2）共析 3、相圖分析： 4、共析轉(zhuǎn)變（與共晶轉(zhuǎn)變相比） 屬固態(tài)轉(zhuǎn)變，因而具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)： (1)所需過冷度大； (2)新舊相比容不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)生較高內(nèi)應(yīng)力； (3)不均勻形核 。七、合金性能與相圖的關(guān)系七、合金性能與相圖的關(guān)系 1 1、使用性能與相圖、使用性能與相圖 單相固溶體合金： 與溶劑金屬比，隨溶質(zhì)元素量的增加，其強(qiáng)度、硬度和電阻率升高，而電阻溫度系數(shù)降低，并

14、在某一成分下達(dá)到最大或最小值。ABB% LL+ 溫度強(qiáng)度 硬度電阻電阻電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù) 兩相混合物合金：兩相混合物合金： 其物理、機(jī)械性能隨成分呈直線變化?？梢园唇M成相性能依百分比含量的關(guān)系疊加混合法則 例：某合金含70%和 30%， 又HB200， HB500 則合金HB=200 0.7+500 0.3=290共析（共晶）組織合金共析（共晶）組織合金：比一般兩相混合物合金具有較高的比一般兩相混合物合金具有較高的機(jī)械性能以化合物為基體的合金：以化合物為基體的合金：無工程應(yīng)用價(jià)值無工程應(yīng)用價(jià)值強(qiáng)度溫度ABB% 電阻電阻電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù) 2、工藝性能與相圖、工藝性能與相圖 鑄造性能流動(dòng)性、收縮性、偏析傾向垂直溫差 L流動(dòng)性 枝晶偏析傾向分散縮孔傾向鑄件缺陷鑄造性單相固溶體合金？?jī)上嗷旌衔锖辖穑緼B溫度 AB流動(dòng)性ABB，分散集中縮孔性質(zhì)AB流動(dòng)性AB溫度 分散集中ABB，縮孔性質(zhì) 鍛造性（即壓力加工性能）鍛造性（即壓力加工性能） 單相固溶體合金： b低高可鍛性雙相合金：硬脆相b 可鍛性AB123合金1：適