二元合金以及其相圖

1、關于二元合金及其相圖第1頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四純金屬導電體、導熱體(散熱器)裝飾品、工藝 美術品(化學穩(wěn)定性、美麗的光澤) 但：力學性能差（b）、品種有限 （約80種）、提純成本高合金材料HB、b，數量上萬種，生產成本低， 廣為開發(fā)利用。1、 合金金屬元素+幾種其它元素、具有金屬性幾個基本概念：2、 成分合金中各種元素的含量，稱為成分3、 組元組成合金的最簡單，最基本，能夠獨立存 在的物質。 (比如純元素)4、 合金系由兩個或兩個以上組元按不同比例配制 成的一系列不同成份的合金。第2頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四3-1 固態(tài)合金相

2、的種類及特點對于合金：L冷卻S晶時，各區(qū)域間成份、結構 相：在金屬或合金中凡是具有相同成分、相同結構并與其他部分有界面分開的，均勻的組成部分，稱之為相。完全一致 相的概念不完全一致但注意：多晶體可以是單相相可分為兩大類：即“固溶體”和“金屬化合物”組織：由相組成的，是由于組成相的種類、相對數量、晶粒形狀、大小及分布形態(tài)等的不同，而分別具有不同形貌特征的相的組合物。第3頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四一、 固溶體 固溶體的晶格結構類型與溶劑金屬組元的晶格相同。定義： 在固態(tài)下，溶質原子以不同方式進入固態(tài)金屬溶 劑組元的晶格中，這樣所形成的新相稱為固溶體。 （一）、固溶體

3、晶體結構特點（二）、固溶體分類及特性 根據溶質原子在溶劑晶格中占據位置的不同， 固溶體可分為兩類：即 和 。置換固溶體 間隙固溶體1 、置換式固溶體 是指溶質原子置換溶劑晶格結點上的溶劑原子而形成的固溶體。（原子直徑相近時形成）根據溶質原子分布位置可分為： 無序固溶體和有序固溶體第4頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四（1）、 無序固溶體：溶質原子在溶劑晶格中的呈 分布。（多數） （2）、 有序固溶體：溶質原子在溶劑晶格中的呈 分布。 （為數不多）有規(guī)律無規(guī)律2、間隙固溶體 是指溶質原子進入溶劑晶 格間隙而形成的固溶體。（原子直徑相差很大。）間隙固溶體只能形成無序固溶體第

4、5頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四 在一定溫度及壓力下，溶質元素在固溶體中的最大溶入量與固溶體總量之比。 （三）、固溶體的溶解度及其影響素1、 溶解度： 溶解度在0100%間可以任意改變的固溶體。（1）、無限固溶體： 只能是置換式固溶體在溶質與溶劑原子尺寸差別較小且晶格類型相同時產生。形成條件：溶解度有限的固溶體。（2）有限固溶體： 置換式固溶體，可以形成無限固溶體。 間隙式固溶體，只能形成有限固溶體而不能形成無限固溶體。 第6頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四 由于組元間原子大小不同，所以溶質溶入將導致溶劑的晶格畸變。 因為間隙固溶體中溶質原

5、子,都比溶劑晶格間隙尺寸大，所以隨著溶質原子溶入量的增加，固溶體晶格將產生嚴重的正畸變，溶質原子溶入一定數量以后便不可能繼續(xù)溶入，所以造成有限的溶解度，并且溶解度也不可能很大 。主要原因：間隙固溶體中的晶格畸變 2、溶解度影響因素組元間晶格類型相同，溶解度 較大。 （1）晶體結構因素： 對于置換固溶體，組元間晶格類型相同是形成無限固溶體的必要條件。晶格類型不同，溶解度有限。（2）原子大小因素：第7頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四置換固溶體的晶格畸變 原子尺寸差別越小溶解度越大。當差別小到一定程度，就可能產生無限固溶體。若差別較大，則只能形成有限固溶體。 對置換固溶體

6、：溶質原子直徑越小，溶解度越大。 對間隙固溶體 ： 是指元素的原子從其它原子奪取電子而轉變?yōu)樨撾x子的能力。（3）電負性因素：電負性因素： 溶質、溶劑的電負性越接近溶解度越大。越有利于形成無限固溶體。當元素間的電負性的差別大到一定程度后，就難于形成固溶體，而傾向于形成化合物。第8頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四 通過向溶劑金屬中溶入溶質元素形成固溶體，而使固溶體合金強度、硬度升高的現象， （四）、 固溶強化固溶強化。溶質溶入晶格畸變位錯運動阻力增加金屬塑性變形困難（抗力）高強度、硬度（能量其他性能）。 1、產生固溶強化的原因：間隙式固溶體的晶格畸變大固溶強化效果明顯。

7、2、固溶強化效果：化合物合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種新相。當溶質含量溶解度時，將出現新相化合物分類金屬化合物具有一定程度金屬鍵， 有金屬特性非金屬化合物具有離子鍵，無金屬特性第9頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四二、 金屬化合物具有相當程度的金屬鍵并具有一定程度的金屬性質的化合物。 金屬化合物： 晶體結構復雜，熔點高、硬度高、脆性大。一般只用作強化相 金屬化合物的晶格結構類型不同于任一組元（可用分子式大致表示）（一）、金屬化合物晶體結構特點（二）、金屬化合物的特性（三）、金屬化合物的種類及其特征常見三種類型：正常價化合物、電子化合物、間隙化合物）第10頁，共43頁

8、，2022年，5月20日，17點58分，星期四 1、正常價化合物：符合一般原子價規(guī)律、成分固定可用化學分子式表達。 通常由強金屬性的元素與非金屬或類金屬元素（如 IV、V、VI族）形成。 如：Mg2Si、Mg2SnMg2Pb 原子結合力：以離子鍵、共價鍵為主 性能：具有很高的硬度和脆性。 2、電子化合物 ：服從電子濃度規(guī)律(不遵守原子價規(guī)律）電子濃度達到某一數值，便形成具有某種晶格結構的化合物。 電子濃度（Ce):在合金相中，組元所貢獻的價電子數目之和與合金相的原子數目之比值。 例：CuZn 電子濃度：統計結果表明： Ce=21/14 為相，體心立方晶格。 Ce=21/13 為 相，復雜立方晶

9、格。 Ce=21/12 為 相，密排六方晶格。第11頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四（三）間隙化合物 （主導因素為原子尺寸） 由過渡族金屬元素與原子半徑較小的碳、氮、硼等非金屬元素所形成。 間隙相 ：d非/d金0.59 根據原子直徑比和結構特點，分為兩類：三、 固溶體同化合物晶體結構的區(qū)別固溶體的晶格結構類型與溶劑組元的晶格相同?；衔锏木Ц窠Y構類型與任一組元的晶格不同。第12頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四3-2 二元合金相圖 是表示合金系中合金在平衡條件下各相的存在狀態(tài)與溫度、成分間關系的圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖。相圖： 在合金系中，參與

10、結晶或相轉變過程中的各相之間相對重量和相的濃度不再改變時所達到的一種平衡。相平衡：L合金 S合金 單相，雙相，多相一、 二元合金的結晶分析及相圖的建立 最常采用的熱分析法， 以Cu-Ni 合金為例說明測定二元相圖的步驟如下： 所以，相圖上相及組織，都是在十分緩慢冷卻條件下獲得的。第13頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四1、配制合金系，熔化；2、測冷卻曲線確定臨界點3.畫溫度-成分坐標標定臨界點4.具有相同意義的點連線 0 20 50 80 100 Cu% 100 80 50 20 0 Ni %時間時間100%Cu20%Ni50%Ni80%Ni100%Ni溫度 1500

11、1400130012001100溫度 溫度 1083118011301245132513701410LL+ABCu 10 30 50 70 90 Ni Ni (%)1453第14頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四二、二元合金相圖的基本類型（一）勻晶相圖：兩組元在液態(tài)、固態(tài)均無限互溶的 二元合金系所形成的相圖。（如 Cu-Ni Cu-Au Au-Ag Fe-Ni等）a、b：純組元A、B的熔點液相線：acb固相線：adb 兩個單相區(qū)：L、一個兩相區(qū)：L +1、相圖分析第15頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四2、平衡結晶過程分析第16頁，共43頁，20

12、22年，5月20日，17點58分，星期四 計算某一成分的合金處于兩相平衡時在某溫度下，合金中兩個相的相對含量。3、二元相圖的杠桿定律、杠桿定律的推導：設合金總重為1；液相與合金總重之比為QL;固相與合金總重之比為Q。則可得方程組：QL+Q=1 (1)QLX1+QX2= X (2)解方程組得：化簡為線段比： XX1Q = X2 X1 X2XQL =1 Q = X2 X1第17頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四、應用條件（在二元相圖中）A、只能在兩相區(qū)對“相”的相對含量計算B、必須是兩相處于平衡狀態(tài)4、枝晶偏析 可以采用擴散退火或均勻化退火工藝予以消除。 即加熱到固相線10

13、0200，長時間保溫，使偏析充分擴散，達到成份均勻。 先后結晶的樹枝狀晶體內成分不均勻的現象。第18頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四 （二） 二元共晶相圖： 二組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)僅有限互溶并能發(fā)生共晶轉變的二元相圖。（如：Pb-Sn Pb-Sb Al-Si Ag-Cu等）1、相圖分析a、b ：純組元A、B的熔點。液相線：acb固相線：adceb固溶線：df、eg兩種固溶體：、三個單相區(qū)： L、三個兩相區(qū)：（L+ ) 、 （L+ )、(+）一個三相區(qū)：L+ +三相線平衡水平線：dce第19頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四 溫度固定、三相

14、成分 固定，在相圖中表現為水平線。共晶反應：在一定溫度下，由一定成分的液相同時結晶出成分一定且不相同的兩個固相的轉變，稱為共晶轉變（或共晶反應）。反應式為：Lctcd+e反應特征：共晶轉變產物稱為共晶組織(體)。C點為共晶點 （共晶成分、共晶溫度）c 成分的合金稱為dc間成分的合金成為ce間成分的合金稱為共晶合金亞共晶合金，過共晶合金。第20頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四2、典型合金的平衡結晶過程 1）、共晶合金 成分為 c ，見圖中的 I 合金。次生相（二次相）：因溶解度減少，由已有的固相中析出的新相小晶體。室溫下的相：、； 室溫下的組織：()共晶體第21頁，共4

15、3頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四室溫下的相 ： 相、相；室溫下的組織：（）共晶體、初、II , or 初、 II 2）、亞共晶和過共晶合金亞共晶： d、c點之間的合金。（圖中II ）過共晶： e、c點之間的合金。（圖中III） 初II初初初第22頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四 3）、邊際固溶體合金 e的合金室溫下的相 ： 相、相；室溫下的組織： 初、 II特別注意：雖然只有在共晶點（共晶溫度、共晶成分）才發(fā)生共晶反應，但是在de水平線所包含成分范圍內的所有成分合金在從液態(tài)向固態(tài)轉變過程中在共晶溫度，都要發(fā)生共晶轉變。這時其液態(tài)合金的成分已沿著液相線

16、轉變?yōu)楣簿С煞至恕５?3頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四3、具有共晶相圖的Pb-Sn二元合金的典型平衡組織 共晶合金 亞共晶合金 過共晶合金第24頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四4、關于相和組織的概念相：在金屬或合金中凡是具有相同成分、相同結構并與其他部分有界面分開的，均勻的組成部分，稱之為相。 組織：金屬和合金的組織是由相組成的，是由于組成相的種類、相對數量、晶粒形狀、大小及分布形態(tài)等的不同，而分別具有不同形貌特征的相的組合物。顯微組織：借助于各種不同放大倍數的金相顯微鏡所觀察到的金屬和合金中的晶粒形狀、大小及各組成相的分布形態(tài)等形貌，稱為

17、顯微組織或金相組織（簡稱金相）。第25頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四圖3-22 由相所構成的不同組織的示意圖 固溶體：、； 金屬化合物：、第26頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四5、杠桿定律的應用1) 計算（f、g）成分范圍內，任意成分二元合金室溫下相組成物的相對量（重量百分數） 。 圖中 I 合金室溫下為、兩相應用杠桿定律可得： 第27頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四5、杠桿定律的應用 2）計算亞共晶合金（或過共晶合金）室溫下組織組成物的相對量（重量百分數）。 該合金室溫時的組織組成物為：初+ II +(+)dLc

18、初IId共晶溫度第28頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四 （三）二元包晶相圖：二組元在液態(tài)下無限互溶，在固態(tài)下生成有限固溶體，并發(fā)生包晶轉變的相圖稱為包晶相圖。1、相圖分析液相線：aeb 固相線：acdbcf、dg線：分別是B組元在固溶體和A組元在固溶體中的溶解度曲線。包晶線：水平線cde； d為包晶點。包晶轉變：在一定溫度下，成分一定的固相與包圍它的液相相互作用而轉變?yōu)槌煞忠欢ǖ男碌墓滔嗟霓D變稱為包晶轉變（或包晶反應）。反應式：Le+ c dtd相圖中還有三個單相區(qū)：、L 三個兩相區(qū)： L +、 L +、 +第29頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星

19、期四2、典型合金的平衡結晶及組織1）I合金（d點成分）室溫相組成物為： 、 室溫組織組成物為： + IILLLLLII時間溫度1ddL+ II第30頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四2 ） II合金 （c、d之間） 室溫相組成物為： 、 室溫組織組成物為： + II + IILLLLLIIII1mm時間溫度L+ /II /II第31頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四3 ） III 合金 室溫相組成物為： 室溫組織組成物為： LLLLL時間溫度1nnL+ L第32頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四 （四） 其它類型的二元相圖

20、1、形成穩(wěn)定化合物的二元 相圖穩(wěn)定化合物：在熔化前既不分解，也不產生任何化學反應的化合物稱為穩(wěn)定化合物。 穩(wěn)定化合物可視為該合金中的一個組元。通常它們具有嚴格的成分，固定熔點，在相圖中可用一根垂線表示。 。第33頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四2、二元共析相圖 高溫形成的固溶體，在冷卻至某一溫度時，固溶體又將發(fā)生轉變，形成兩種成分一定且不相同的新的固相。這種相圖稱為二元共析相圖。共析轉變：在一定溫度下，由成分一定的固相同時析出兩種成分一定且不相同的新固相的轉變，稱為共析轉變（或共析反應）。c d+ e恒溫第34頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四LL + 時間溫度LL( + )1231233共析轉變示意圖第35頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四 (五)二元合金相圖小節(jié)1、兩個單相區(qū)只能相鄰于一點，而不能相鄰于一條線3、三相平衡共存時，必定是一條水平線，每條水平線必定和三個兩相區(qū)相遇。2、兩個單相區(qū)之間必定有一個由這兩個單相組成的 兩相區(qū)。第36頁，共43頁，2022年，5月20日，17點58分，星期四第三節(jié) 合金的性能與相圖的關系一、合金的機械性能、物理性能與相圖的關系單相固體時，其性能取決于溶劑本身的性能及溶質的類型和溶入量。 1