第二章合金的結(jié)構(gòu)和相圖

第二章合金的結(jié)構(gòu)和相圖1第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三本章重點(diǎn)：1、固溶體的分類及性能。2、金屬間化合物的分類及性能。3、共晶合金的結(jié)晶過程。4、亞（過）共晶合金的結(jié)晶過程。5、共析反應(yīng)。第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三合金：由兩種或兩種以上金屬、或金屬與非金屬，通過熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)叫做組元。通常，組元為組成合金的元素。穩(wěn)定化合物也可以作為組元。

第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三合金的一個(gè)主要組元必須是金屬元素，其他組元可以是金屬元素，也可以是非金屬元素。合金具有比純金屬更優(yōu)越的性能，在工程中得到廣泛使用。第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三§2-1固態(tài)合金中的相結(jié)構(gòu)相：成分、結(jié)構(gòu)相同并與其他部分有界面分開的均勻組成部分。同一結(jié)構(gòu)不同成分：銅、鎳是不同的相。同一組元不同狀態(tài)：水、冰、水蒸汽是不同的相。第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三同一組元同一狀態(tài)不同結(jié)構(gòu)：α鐵、γ鐵是不同的相。不同形態(tài)（形狀、大小、分布）同一成分同一結(jié)構(gòu)是同一個(gè)相：片狀滲碳體、球狀滲碳體、網(wǎng)狀滲碳體、帶狀滲碳體。第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三單相合金第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三多相合金第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三合金相的分類：1、固溶體：晶體結(jié)構(gòu)和某一組元相同。2、化合物：晶體結(jié)構(gòu)和所有組元都不相同。第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三一、固溶體定義：溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中的一種金屬晶體。溶劑：和固溶體晶格類型相同的組元。溶質(zhì)：和固溶體晶格類型不相同的組元。第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三C溶入α-Fe(bcc)，F(xiàn)e是溶劑，C是溶質(zhì)。Zn(hcp)溶入Cu(fcc)，Cu是溶劑，Zn是溶質(zhì)。Ni(fcc)溶入Cu(fcc)，兩者互為溶劑和溶質(zhì)。第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三(一)固溶體的分類按溶劑晶格中的位置（正常結(jié)點(diǎn)或晶格間隙），可分為二類。第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1、置換固溶體(1)定義：溶質(zhì)原子替代一部分溶劑原子而占據(jù)溶劑晶格結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體。(2)溶質(zhì)為金屬元素時(shí)，因原子尺寸較大，不能存在晶格間隙中，只能形成置換固溶體。第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三2、間隙固溶體(1)定義：溶質(zhì)原子分布在溶劑晶格的間隙中所形成的固溶體。(2)溶質(zhì)為非金屬元素時(shí)，因原子尺寸較小，只能存在晶格間隙中形成間隙固溶體。第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三(二)固溶體中的晶格畸變1、定義：固溶體中溶質(zhì)原子附近的溶劑原子發(fā)生位移，點(diǎn)陣常數(shù)發(fā)生改變。2、置換固溶體中，溶質(zhì)原子比溶劑原子大，則溶質(zhì)原子周圍點(diǎn)陣發(fā)生膨脹；反之，則溶質(zhì)原子周圍點(diǎn)陣發(fā)生收縮。3、間隙固溶體中，溶質(zhì)原子周圍點(diǎn)陣總是發(fā)生膨脹。第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三(三)固溶體的溶解度1、定義：在一定條件下溶質(zhì)元素在固溶體中的極限濃度。2、溶解度的表示方法：重量百分比；原子百分比。3、有限固溶體：溶解度小于100%，溶質(zhì)元素的含量有一定限度。4、無限固溶體：溶解度等于100%，可以形成任何成分比例的固溶體。第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三(四)影響溶解度的因素1、間隙固溶體(1)晶格中間隙位置的數(shù)量有一定限度，所以只能形成有限固溶體。(2)間隙固溶體中的晶格畸變大，因而和置換固溶體相比溶解度小。(3)γ－Fe間隙尺寸較大，溶解度也較大；α－Fe間隙尺寸小，溶解度也很小。第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三2、置換固溶體溶質(zhì)和溶劑元素必須同時(shí)滿足下列四個(gè)條件，才可能形成無限固溶體，否則只能形成有限固溶體。原子尺寸△d：<8~10%。(2)晶體結(jié)構(gòu)類型相同。(3)負(fù)電性差△x：<0.4～0.5。(4)電子濃度在一定范圍之內(nèi)。第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三3、硼：原子半徑為0.97A，，既不利于作為間隙原子，也不利于作為置換原子，故在α－Fe和γ－Fe中溶解度都非常小。

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(五)固溶體的性能1、固溶強(qiáng)化：溶質(zhì)元素產(chǎn)生晶格畸變，使固溶體強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象。2、固溶體在顯著提高強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，仍然保持相當(dāng)好的塑性和韌性。3、固溶體是金屬材料最主要最基本的相組成物，是金屬材料的基體。第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三二、金屬間化合物當(dāng)溶質(zhì)含量超過固溶體的溶解度時(shí)，將出現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)和任一組元都不相同的新相，即金屬間化合物。第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三(一)正常價(jià)化合物1、符合一般化合物的原子價(jià)規(guī)律，成分固定并可用化學(xué)式表達(dá)。2、硬度高、脆性大，在固溶體基體上合理分布時(shí)可提高強(qiáng)度，起強(qiáng)化相作用。如Al-Mg-Si合金中的Mg2Si 。第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三

(二)電子化合物1、化合物的晶格類型和電子濃度有關(guān)。2、硬度高、韌性低，在有色合金中可起強(qiáng)化相作用。第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三

(三)間隙相和間隙化合物由原子尺寸較大的過渡族金屬元素和原子尺寸較小的非金屬元素組成，金屬原子組成一種新的晶格，非金屬原子處于晶格的間隙之中。兩種原子的尺寸比決定了化合物的晶格特點(diǎn)。第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1、間隙相(1)定義：當(dāng)r非/r金<0.59時(shí)，化合物具有簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)。(2)簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)：一個(gè)金屬原子占據(jù)晶格的一個(gè)結(jié)點(diǎn)。VC：V原子組成fcc點(diǎn)陣，C原子處在點(diǎn)陣的間隙之中。(3)種類：V、Ti、Nb的碳化物，W、Mo的部分碳化物，過渡族金屬的氮化物。第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三2、間隙化合物(1)定義：當(dāng)r非/r金＞0.59時(shí),化合物具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。(2)復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)：一個(gè)金屬團(tuán)占據(jù)點(diǎn)陣的一個(gè)結(jié)點(diǎn)。如Cr7C3是復(fù)雜六方點(diǎn)陣，一個(gè)晶胞由56個(gè)金屬原子，24個(gè)碳原子組成。第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三(3)種類：W、Mo的部分碳化物；Cr、Fe的碳化物；硼化物。(4)滲碳體：是Fe的碳化物，以Fe3C表示，每個(gè)晶胞由12個(gè)Fe原子和4個(gè)C原子組成，是鋼中最常見的化合物。(5)合金滲碳體：滲碳體中的鐵原子被其它金屬原子置換。如（Fe，Cr，Mo）3C。第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三(6)間隙化合物中的金屬原子也可被其它金屬原子置換。如（Cr，W，Mo，F(xiàn)e）23C6。(7)碳化物中的碳原子也可被氮、硼原子置換。如碳氮化物Ti(C，N)，碳硼化物(Cr,Fe,W,Mo)23（C，B）6。3、間隙相和間隙化合物熔點(diǎn)高、硬度高，是鋼中的強(qiáng)化相。第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三

鋼中常見碳化物的硬度和熔點(diǎn)類型

間隙相

間隙化合物NbCTiCVCW2CMo2CCr23C6Fe3C熔點(diǎn)℃3770341030233130296016771227硬度HV205028502010172016801450800第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三特點(diǎn)：兩組元在液態(tài)時(shí)無限互溶，在固態(tài)時(shí)有限互溶，且發(fā)生共晶反應(yīng)。共晶反應(yīng)：在恒溫下，由一個(gè)液相同時(shí)結(jié)晶出兩種成分不同的固相的轉(zhuǎn)變。Le→αc+βd液相和生成的兩種固相成分固定，分別為e、c、d?！?-2二元共晶相圖第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三一、相圖分析1、液相線：aeb，表示結(jié)晶開始。固相線：acedb，表示結(jié)晶結(jié)束。溶解度曲線：cf，dg。表示α、β固溶體在不同溫度時(shí)的溶解度。2、單相區(qū)：、L，α、β。兩相區(qū)：α+L，β+L，α+β。第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三3、三相共存水平線：ced。(1)也叫共晶線，表示共晶反應(yīng)的溫度和反應(yīng)物、生成物的成分。（反應(yīng)物在共晶線的中間，生成物在共晶線的兩端）(2)成分垂直線和共晶線相交的合金，在冷卻過程中均會(huì)發(fā)生共晶反應(yīng)。4、共晶點(diǎn)：發(fā)生共晶反應(yīng)的液相溫度和成分。第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三二、合金的結(jié)晶過程(一)共晶合金的結(jié)晶過程1、共晶合金：具有共晶點(diǎn)成分的合金。2、結(jié)晶過程第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1點(diǎn)以上：液相。1-1＇：恒溫，發(fā)生共晶反應(yīng)，得到共晶體。Le→(αc+βd)1＇：液相完全消失，固相全部為共晶體。1＇以下：組織無變化。室溫組織：共晶體(α+β)。室溫相組成：α和β。第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三3、共晶體(1)定義：共晶反應(yīng)得到的非常致密的兩相機(jī)械混合物。(2)形成過程：合金溶液中存在成分偏析，在含Pb多的地方優(yōu)先生成α相晶核，因?yàn)棣料嗪休^多的Pb，此時(shí)α相晶核周圍的液體含Pb量降低，有利于形成β相晶核，而β相晶核周圍含Pb量增加，又有利于形成α晶核。因此，會(huì)迅速形成一個(gè)α相和β相彼此相間排列的組織。第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三(二)亞共晶合金的結(jié)晶過程1、亞共晶合金：發(fā)生共晶反應(yīng)，且濃度低于共晶點(diǎn)的合金。2、結(jié)晶過程第47頁圖3-17，要注意每一個(gè)相的數(shù)量和成分的變化。第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三1點(diǎn)以上：液相。1-2：液相中析出先共晶α固溶體。液相數(shù)量減少，成分沿ae線變化；α固溶體數(shù)量增加，成分沿ac線變化。其相對(duì)數(shù)量符合杠桿定律。2：由成分為c的先共晶α固溶體和成分為e的液相組成。第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三

2-2＇：液相發(fā)生共晶反應(yīng)，得到共晶體；先共晶α固溶體的數(shù)量和成分不發(fā)生變化。2＇：液相消失，組織為先共晶α固溶體和(αc+βd)共晶體。2＇以下：α、β相的溶解度隨溫度下降而減小，析出新相。第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三

先共晶α固溶體中析出次生相βⅡ。共晶體(α+β)中析出的次生相可以不考慮。室溫組織：α+(α+β)+βⅡ。室溫相組成：α和β。第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三3、同一種相的三種不同組織（形態(tài)）(1)初生相(一次相)：從液體中析出，可以自由生長(zhǎng)，常為樹枝狀、塊狀或片狀，尺寸較大。(2)共晶相：兩個(gè)相從液體中同時(shí)析出，交叉排列，比較致密。(3)次生相(二次相)：從固相中析出，難以長(zhǎng)大，以小顆粒狀分布在母相晶內(nèi)或晶界。(4)表示方法：初生相不用專門注明，共晶相用括號(hào)表示，次生相用下標(biāo)Ⅱ表示。第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三4、晶內(nèi)偏析(1)定義：晶粒內(nèi)出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象。(2)產(chǎn)生原因：先、后結(jié)晶固溶體的成分不同，又來不及擴(kuò)散均勻。(3)枝晶偏析:固溶體常以樹枝狀生長(zhǎng)方式結(jié)晶，使枝干和分枝的成分不一致。第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三第55頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三第56頁，共65頁，2023年，2月20日，星期三(三)過共晶合金的結(jié)晶過程1、過共晶合金：發(fā)生共晶反應(yīng)，且濃度高于共晶點(diǎn)的合金。2、結(jié)晶過程和亞共晶合金類似，不同點(diǎn)是先析出β相，隨后發(fā)生共晶反應(yīng)，繼續(xù)冷卻時(shí)從β相中析出αⅡ。3、室溫組織：β+(α+β)+αⅡ。室溫