第2章 合金的結(jié)構(gòu)及相圖2012

2.2合金的晶體結(jié)構(gòu)1、基本概念2、合金中的相結(jié)構(gòu)固溶體、

金屬化合物合金：

是指由兩種以上的金屬或金屬和非金屬元素結(jié)合在一起而形成具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金最簡單、最基本且能獨(dú)立存在的物質(zhì)。二元合金、三元合金、四元合金。。。。。相：合金中化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并以界面互相分開的均勻組成部分。

(合金結(jié)晶后可以是一種相，也可以是由若干種相所組成)

不同相→不同組織→不同性能的合金組織是指合金中用肉眼或顯微鏡所觀察到的材料的微觀形貌，也稱為顯微組織2.2.2合金中的相結(jié)構(gòu)固態(tài)合金中的相，按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性分可以分為固溶體和化合物兩大類。1.固溶體固態(tài)合金中，在一種元素的晶體結(jié)構(gòu)中包含有其它元素的合金相（單相）前一種元素稱為溶劑元素，后一種元素稱為溶質(zhì)元素溶質(zhì)原子溶于固溶體中的量，稱為固溶體的濃度在一定條件下溶質(zhì)元素在固溶體中的極限濃度叫做溶質(zhì)在固溶體中的溶解度固溶體固溶體的分類

(ⅰ)置換固溶體

當(dāng)溶質(zhì)原子代替了一部分溶劑原子而占據(jù)溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)位置時，所形成的固溶體稱為置換固溶體有限固溶體無限固溶體根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度是否有限制，固溶體分為：原子直徑差別小元素周期表位置近晶格類型相同銅－鋅銅－錫鐵－鉻銅－鎳溫度高，溶解度高（ⅱ）間隙固溶體

若溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格各結(jié)點(diǎn)之間的空隙中，所形成的固溶體稱為間隙固溶體由于溶劑晶格的空隙有限，通常只有當(dāng)溶質(zhì)原子直徑與溶劑原子直徑之比小于0.59時，才能形成間隙固溶體。因此形成間隙固溶體的溶質(zhì)原子都是原子直徑較小的非金屬元素，如氫、氧、氮、硼、碳等。如碳鋼中的鐵素體和奧氏體就是碳原子溶入α—Fe和γ—Fe中所形成的兩種間隙固溶體固溶體的性能由于溶質(zhì)原子與溶劑原子的半徑不同，會使固溶體的晶格發(fā)生畸變σbHB溶質(zhì)原子溶入→晶格畸變→位錯遠(yuǎn)動阻力上升→金屬塑性變形困難→強(qiáng)度、硬度升高（變形抗力增加）由于溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韌性沒有很明顯降低固溶強(qiáng)化2金屬化合物及其性能金屬化合物是合金組元間發(fā)生相互作用而生成的一種具有明顯的金屬特性的新固相，其晶格類型和性質(zhì)完全不同于原來的任一組元（離子鍵+共價鍵+金屬鍵）金屬化合物可以成為合金的組成相，如碳鋼中的滲碳體Fe3C熔點(diǎn)、硬度高、脆性大除金屬化合物外，合金中還有另一類為非金屬化合物，沒有金屬特性，如FeS、MnS1．金屬化合物的種類遵循正?；蟽r規(guī)律、具有一定的成分的化合物。（2）電子化合物（3）間隙化合物按一定電子濃度（化合物價電子數(shù)/原子數(shù)）組成

—有色金屬組成相。由原子半徑較大的過渡族金屬元素與原子半徑較小的C、N、B、H等非金屬元素互相作用而形成。（1）正常價化合物（3）間隙化合物1）、簡單結(jié)構(gòu)的間隙化合物/間隙相：非金屬元素原子半徑/金屬元素原子半徑<0.59，如TiC、VC、WC等。特點(diǎn)：高熔點(diǎn)、高硬度，高合金鋼和硬質(zhì)合金組成相。2）、復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合物：非金屬元素原子半徑/金屬元素原子半徑>0.59,Fe3C、Cr23C6、Cr7C3特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬而脆，高合金鋼組成相—強(qiáng)化相VC的晶格示意圖。VC為面心立方晶格，V原子占據(jù)晶格的正常位置．而C原子則規(guī)則地分布在晶格的空隙之中1）、簡單結(jié)構(gòu)的間隙化合物/間隙相：Fe3C的晶格結(jié)構(gòu)，碳原子構(gòu)成一個正交晶格(即三個軸間夾角α＝β＝γ＝90°，三個晶格常數(shù)a≠b≠c)，在每個碳原子周圍都有六個鐵原子構(gòu)成八面體，各個八面體的軸彼此傾斜一角度，每個八面體內(nèi)都有一個碳原子，每個鐵原子為兩個八面體所共有。故Fe3C中Fe與C原子數(shù)的比例為：3131621CFe==*=2）、復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合物：金屬化合物的性能金屬化合物一般具有復(fù)雜的化合鍵和晶格結(jié)構(gòu)，其熔點(diǎn)高，硬而脆。合金中的金屬化合物使合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性提高，但會降低塑性和韌性。是碳鋼、合金鋼、硬質(zhì)合金和許多有色合金的重要強(qiáng)化相。與固溶體適當(dāng)配合，可以滿足材料所需要的性能要求。如碳鋼中的Fe3C、工具鋼中的VC、高速鋼中的W2C、硬質(zhì)合金中的WC和TiC等，提高了材料的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和熱硬性等。3機(jī)械混合物單一固溶體：強(qiáng)度、硬度較低單一化合物：硬而脆機(jī)械混合物——不是一種單一相3.2二元合金相圖比純金屬結(jié)晶復(fù)雜合金的結(jié)晶過程1、結(jié)晶溫：純金屬：恒溫合金：溫度范圍2、成分：純金屬：無變化合金：變化概念：組元：組成合金的最簡單、最基本、能獨(dú)立存在的物質(zhì)稱為組元。元素，固溶體及穩(wěn)定的化合物都是組元。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分的合金，稱為合金系。相圖：表示合金系在平衡條件下，合金的狀態(tài)與成分、溫度之間相互關(guān)系的圖形。1、配制不同成分Cu-Ni合金若干；2、測定緩冷時各合金冷卻曲線；3、溫度—成分坐標(biāo)系標(biāo)出冷卻曲線臨界溫度；3.2.1二元合金相圖的建立（熱分析法）相圖分析（一）、勻晶相圖1、特點(diǎn)：兩組元能形成無限固溶體，Ag-Au、Fe-Cr、Cr-MoL→L+a→a(2)合金的平衡結(jié)晶過程t合金Ⅰ:t1時，La,,a,L勻晶轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)b.兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定成分確定c.兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定兩相相對量一定a.形核、長大，樹枝狀長大枝晶偏析：實(shí)際金屬結(jié)晶時，由于不平衡結(jié)晶，先析出的晶體含有較多的高熔點(diǎn)組元，由此形成晶粒內(nèi)部的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。枝晶偏析→力學(xué)性能、耐腐蝕性能↓工藝性能惡化消除法：高溫擴(kuò)散退火冷速快→原子擴(kuò)散不充分→成分不均。(3)杠桿定律(3)杠桿定律證明：Q合金，其Ni含量b%，T1溫度時：Q%b%=QL%a%+Qa%c%所以（QL+Qa

）%b%=QL%a%+Qa%c%L相中Ni%=a%，a相中Ni%=c%又因?yàn)镼=QL+Qa

%abQa

=QL

bc2、共晶相圖：共晶反應(yīng)：一定成分的液相，在恒溫下同時結(jié)晶出兩種成分、結(jié)構(gòu)都不同的固相的反應(yīng)。共晶轉(zhuǎn)變的合金系構(gòu)成共晶相圖Pb-Sn,Al-Si,Ag-Cu

液相線

adb固相線

acdeb三個單相區(qū)：L、α、β溶解度線：cf，egT↓→過飽和固溶體析出另一相l(xiāng)l成分的合金到達(dá)d點(diǎn)時:(2)合金的平衡結(jié)晶過程及其組織（1）固溶體合金（合金Ⅰ）成分位于M點(diǎn)以左（即WSn≤19%）或N點(diǎn)以右（即WSn≥97.5%）的合金稱為固溶體合金從α中析出β是二次相（βⅡ）合金Ⅰ室溫平衡組織為（α+βⅡ）。

αL2）共晶合金（合金Ⅱ）成分為WSn=61.9%的合金Ⅱ即為共晶合金，冷卻曲線和結(jié)晶過程te=183℃L（αc

+βe

）3）亞共晶合金（合金Ⅲ）成分位于M、E點(diǎn)之間（即wSn=19~61.9%之間）的合金即為亞共晶合金以wSn=50%的合金Ⅲ為例，分析亞共晶合金的結(jié)晶過程及其組織αLα+（αc+βe

）α+（αc

+βe）+βⅡ4）過共晶合金（合金Ⅳ）成分位于E、N點(diǎn)之間（即wSn=61.9~97.5%之間）的合金為過共晶合金，其結(jié)晶過程與亞共晶合金相似，不同的是初生相是β固溶體，二次相是αⅡ。所以，合金Ⅳ的室溫平衡組織為β+αⅡ+（α+β），其組織組成物有三，即β、αⅡ、（α+β）；相組成物仍為兩種，即α相β相3、其它相類型反應(yīng)及相圖1)包晶反應(yīng)：恒溫條件下由一種液相與一種固相相互作用轉(zhuǎn)化為另一種固相的反應(yīng)。Ld+αc→βe

L+α

βL+β

α

α+β

Le

dc2).共析反應(yīng)：從均勻的固相同時析出兩中化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的反應(yīng)，其產(chǎn)物—共析體。γd→αc+βe

γαcdeβ共晶反應(yīng)與共析反應(yīng)異同點(diǎn)：相同點(diǎn)：形式相同，一種相同時析出二種新相不同點(diǎn)：共晶反應(yīng)前：液相；共析反應(yīng)前：固相反應(yīng)產(chǎn)物粗細(xì)：共析反應(yīng)固態(tài)中進(jìn)行，原子擴(kuò)散慢，共析體較共晶細(xì)密。五、由相圖分析合金性能1、合金的使用性能與相圖的關(guān)系溶質(zhì)元素→晶格畸變大→強(qiáng)度、硬度↑復(fù)相組織組成相或組織組成物越細(xì)密，強(qiáng)度越高（共晶點(diǎn)處，共晶組織呈細(xì)小、均勻細(xì)密的復(fù)相組織，強(qiáng)度可達(dá)最高值。）2、合金的工藝性能

鑄造性能結(jié)晶溫度范圍愈小→合金流動性好→有利于澆注。液固相線距離大→分散縮孔傾向大共晶成分和近共晶成分或選擇結(jié)晶溫度間隙最小的成分。b.鍛造、軋制性能單相固溶體合金單相組織變形抗力小，變形均勻，不易開裂，塑性好3.3鐵碳合金1．鐵碳合金的基本組織2．鐵碳合金狀態(tài)圖3．鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程與組織元素4．含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響1．鐵碳合金的基本組織（1）鐵素體（2）奧氏體（3）滲碳體（4）珠光體（5）萊氏體（1）鐵素體碳溶解在α-Fe中形成的間隙固溶體，以符號“F”或“α”表示。鐵素體中溶解碳的能力很小，最大溶解度在727℃時，為0.0218%，隨著溫度的降低，其溶解度逐漸減小，室溫時鐵素體中只能溶解0.0008%的碳。鐵素體的力學(xué)性能以及物理、化學(xué)性能與純鐵極相近，塑性、韌性很好（δ=30%~50%），強(qiáng)度、硬度很低（σb=180~280Mpa）。（2）奧氏體碳溶解在γ-Fe形成的間隙固溶體，以符號“A”或“γ”表示。奧氏體的溶碳能力比鐵素體大，在1148℃時，碳在γ-Fe中的最大溶解度為2.11%，隨著溫度降低，其溶解度也減小，在727℃時，為0.77%。奧氏體的強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性高。在鐵碳合金平衡狀態(tài)時，奧氏體為高溫下存在的基本相，也是絕大多數(shù)鋼種進(jìn)行鍛壓、軋制等加工變形所要求的組織。（3）滲碳體滲碳體是具有復(fù)雜晶格的鐵與碳的間隙化合物，每個晶胞中有一個碳原子和三個鐵原子。滲碳體一般以“Fe3C”表示，其含碳量為6.69%。滲碳體的硬度很高，為800HB，塑性、韌性很差，幾乎等于零，所以滲碳體的性能特點(diǎn)是硬而脆。滲碳體在鋼與鑄鐵中，一般呈片狀、網(wǎng)狀或球狀存在。滲碳體是鋼中重要的硬化相，它的數(shù)量、形狀、大小和分布對鋼的性能有很大的影響。滲碳體是一個亞穩(wěn)定化合物，它在一定的條件下，可以分解而形成石墨狀態(tài)的自由碳：Fe3C→3Fe+C（石墨），這種反應(yīng)在鑄鐵中有重要意義。（4）珠光體珠光體是鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物，用符號“P”表示。其含碳量為0.77%。珠光體由滲碳體片和鐵素體片相間組成，其性能介于鐵素體和滲碳體之間，強(qiáng)度、硬度較好、脆性不大（5）萊氏體萊氏體是奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，用符號“Ld”表示，其含碳量為4.3%萊氏體由含碳量為4.3%的金屬液體在1148℃時發(fā)生共晶反應(yīng)時生成。在室溫時變?yōu)樽儜B(tài)萊氏體，用稱號“Ld′”表示。萊氏體硬度很高，塑性很差。2．鐵碳合金狀態(tài)圖（1）鐵碳合金狀態(tài)圖中的各特性點(diǎn)的意義（2）鐵碳合金狀態(tài)圖中各特性線的意義（3）鐵碳合金狀態(tài)圖中的相區(qū)（1）鐵碳合金狀態(tài)圖中的各特性點(diǎn)的意義Fe—Fe3C相圖中14個特性點(diǎn)及具體意義如下：A——純鐵的熔點(diǎn)。溫度為1538℃，wC×100為0。B——包晶轉(zhuǎn)變時液態(tài)合金的成分。溫度為1495℃，wC×100為0.53。C——共晶點(diǎn)LCAＥ+Fe3C。溫度為1148℃，wC×100為4.3。D——Fe3C的熔點(diǎn)。溫度為1227℃，wC×100為6.6900。E——碳在γ—Fe中的最大溶解度。溫度為1148℃，wC×100為2.11。F——Fe3C的成分。溫度為1148℃，wC×100為6.69。G——α—Feγ—Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)（A3）。溫度為912℃，wC×100為0。H——碳在δ—Fe中的最大溶解度。溫度為1495℃，wC×100為0.09。J——包晶點(diǎn)LB+δHAJ。溫度為1495℃，wC×100為0.17。K——Fe3C的成分。溫度為727℃，wC×100為6.69。N——γ—Feδ—Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)（A4）。溫度為1394℃，wC×100為0。P——碳在α—Fe中的最大溶解度。溫度為727℃，wC×100為0.0218。S——共析點(diǎn)（A1）ASFP+Fe3C。溫度為727℃，wC×100為0.77。Q——600℃（或室溫）時碳在α—Fe中的溶解度。溫度為600℃，wC×100為0.0057（0.0008）。（2）鐵碳合金狀態(tài)圖中各特性線的意義（3）鐵碳合金狀態(tài)圖中的相區(qū)（1）五個單相區(qū)

ABCD線以上的液相區(qū)（L）；AHNA線圍著的δ固溶體相區(qū)（δ）；NJESGN線圍著的奧氏體相區(qū)（A）；GPQG線圍著的鐵素體相區(qū)（F）；DFKL線垂線代表的滲碳體相區(qū)（Fe3C）。（2）七個雙相區(qū)

ABＨA線圍著的L+δ相區(qū)；JBCEJ線圍著的L+A相區(qū)；DCFD線圍著的L+Fe3CⅠ相區(qū)；HJNH線圍著的δ+A相區(qū)；EFKSE線圍著的A+Fe3C相區(qū)；GSPG線圍著的A+F相區(qū)；QPSKLQ線圍著的F+Fe3C相區(qū)。（3）三個三相共存區(qū)

HJB線為F、δ、A三相區(qū)；ECF線為L、A、Fe3C三相區(qū)；PSK線為A、F、Fe3C三相區(qū)。3．鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程與組織元素

（1）鐵碳合金分類1）工業(yè)純鐵（ωc<0.0218%）組織為鐵素體和極少量的三次滲碳體；2）鋼（ωc=0.0218%~2.11%）亞共析鋼（ωc<0.77%）：組織是鐵素體和珠光體；共析鋼（ωc=0.77%）：組織是珠光體；過共析鋼（ωc>0.77%）：組織是珠光體和二次滲碳體。3）白口鑄鐵（ωc=2.11%~6.99%）亞共晶白口鑄鐵（ωc<4.3%）：組織是珠光體、二次滲碳體和萊氏體；共晶白口鑄鐵（ωc=4.3%）：組織是萊氏體；過共晶白口鑄鐵（ωc>4.3%）：組織是一次滲碳體和萊氏體。（2）典型的鐵碳合金平衡結(jié)晶過程及組織1)共析鋼的結(jié)晶過程分析合金①在溫度1以上全部為液體，降溫時，在第1點(diǎn)與第2點(diǎn)溫度之間，從液相（L）中結(jié)晶出奧氏體，隨著溫度的不斷降低，液相越來越少，奧氏體越來越多，液相的成分沿著BC線變化，而奧氏體的成分則沿著JE線變化，在第2點(diǎn)結(jié)晶完畢。第2點(diǎn)與3點(diǎn)溫度之間，是奧氏體的單相冷卻。當(dāng)溫度降到第3點(diǎn)時，奧氏體要發(fā)生共析反應(yīng)：A0.77?P（F0.0218+Fe3C），最終奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。共析鋼的顯微組織見圖1.3-4。共析鋼1．工業(yè)純鐵（C%≤0.0218%）相組成物：F+Fe3C相相對量：F%=

Fe3C%=

組織組成物：

F和Fe3CIII2．共析鋼C%=0.77%L--->L+A--->A--->A+P--->P相組成物：F和Fe3CF%=

Fe3C%=

組織組成物：PP形貌特征：指紋狀，F(xiàn)和Fe3C片層相間3．亞共析鋼0.0218%<C%<0.77%L--->L+A--->A--->A+F--->A+P+F--->P+F相組成物：F，F(xiàn)e3C相相對量：F%=

Fe3C%=

組織組成物：F、PP%=

F%=

4．過共析鋼L--->L+A--->A--->A+Fe3CII--->A+P+Fe3CII--->Fe3CII相組成物：F，F(xiàn)e3CF%=

Fe3C%=

組織組成物：P，F(xiàn)e3CIIFe3CII%=

P%=

2)亞共析鋼的結(jié)晶過程當(dāng)合金②冷卻到第1點(diǎn)時，開始從液相析出奧氏體，至第2點(diǎn)時，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。冷卻到第3點(diǎn)，從奧氏體中析出鐵素體，同時奧氏體相中碳濃度發(fā)生變化。到第4點(diǎn)即727℃時，奧氏體中的含碳量沿CS 線而趨近于S點(diǎn)，其組織剩余的奧氏體相發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。所以，亞共析鋼先前析出的鐵素體保持不變。室溫組織為鐵素體+珠光體。且隨著含碳量的增加，珠光體量也增加。亞共析鋼的顯微組織如圖1.3-6。3)過共析鋼的結(jié)晶過程合金③冷卻到1點(diǎn)時，從液相結(jié)晶出奧氏體，2點(diǎn)凝固完畢，形成單相奧氏體。冷卻到第3點(diǎn)時，開始從奧氏體中沿晶界析出網(wǎng)狀分布的二次滲碳體（Fe3CⅡ），呈網(wǎng)狀包圍奧氏體晶粒。冷卻到第4點(diǎn)時，奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降為0.77%，于是發(fā)生共析轉(zhuǎn)變；A0.77?P（F0.0218+Fe3C），形成珠光體。4)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程合金④在1點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)L4.3?A2.11+Fe3C，形成萊氏體Ld，即由奧氏體和滲碳體組成的共晶體，在1~2點(diǎn)區(qū)間，共晶奧氏體會析出二次滲碳體，到第三階段點(diǎn)即727℃時，剩余的奧氏體會發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。室溫下，共晶白口鑄鐵的組織是珠光體和共晶滲碳體的混合物，通常把它稱為“低溫萊氏體”或“變態(tài)萊氏體”，以“Ld”表示。所以，共晶白口鐵的室溫組織為低溫萊氏體。共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖1.3-10所示。5．共晶白口鐵（C%=4.3%）L--->L+Le--->Le(A+Fe3C共晶)--->Le(A+Fe3C共晶+Fe3CII)--->Le’(P+Fe3CII+Fe3C)相組成物：

F，F(xiàn)e3CF%=

Fe3C%=

組織組成物：

Le'5)亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程合金⑤從冷卻至1點(diǎn)時，開始從液相中結(jié)晶出“先共晶奧氏體”。隨溫度的降低，奧氏體不斷增多，到第2點(diǎn)（1148℃）時，液相中Wc為4.3%，發(fā)生共晶反應(yīng)：L4.3?A2.11+Fe3C，形成萊氏體，而先生奧氏體保持不變。繼續(xù)冷卻，先共晶奧氏體和共晶奧地利體都析出二次滲碳體，奧氏體的含碳量沿ES線逐漸降低，到第3點(diǎn)（727℃）時，Wc降為0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：A0。77?P（F0.0218+Fe3C）,生成珠光體，此時，Ld轉(zhuǎn)變?yōu)長d’。所以，亞共晶白口鑄鐵的室溫組織為珠光體+二次滲碳體+低溫萊氏體。亞共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖1.3-12所示。6．亞共晶白口鑄鐵，2.11%<C%<4.3%相組成物：F，F(xiàn)e3CF%=

Fe3C%=

組織組成物：P，Le’，F(xiàn)e3CII6)過共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過程合金⑥冷至1點(diǎn)時，開始從液相中結(jié)晶出先共晶滲碳體，也叫一次滲碳體（Fe3C1），一次滲碳體呈粗大片狀，在合金繼續(xù)冷卻的過程中不再發(fā)生變化。當(dāng)溫度繼續(xù)下降到2點(diǎn)時，剩余液相Wc達(dá)到4.3%，這時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體。過共晶白口鑄鐵的室溫組織為一次滲碳體與低溫萊氏體。過共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖1.3-14所示。7．過共晶白口鑄鐵相組成物：F%=

Fe3C%=

組織組成物：