4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖

第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖一、基本概念

1、合金：是以一種金屬元素為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金屬元素，經(jīng)過熔合而組成的具有金屬特性的物質(zhì)，即合金是由兩種或兩種以上的元素所組成的金屬材料。在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的金屬材料是合金。

2、組元：組成合金的最基本的能獨(dú)立存在的物質(zhì)，簡稱為元。合金按組元的數(shù)目，可分為二元合金、三元合金及多元合金。如黃銅是銅和鋅兩種元素組成的二元合金；硬鋁是鋁、銅和鎂三種元素組成的三元合金；保險(xiǎn)絲是錫、鉍、鎘和鉛四種元素組成的四元合金等。

3、相：是指在金屬或合金中具有相同化學(xué)成分、相同結(jié)構(gòu)并以界面分開的各個(gè)均勻的組成部分。

4、組織：是指用肉眼或顯微鏡所觀察到的不同相或相的形狀、分布及各相之間的組合狀態(tài)。是決定合金性能的基本因素。在工業(yè)生產(chǎn)中，可以通過控制和改變合金相的大小、形態(tài)、分布以及合金相的不同組合來改變組織，從而調(diào)整合金的性能。4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖二、合金的相結(jié)構(gòu)

1、固溶體

是指溶質(zhì)原子溶人溶劑中形成的均一的結(jié)晶相。按照溶質(zhì)原子在溶劑中分布情況的不同，固溶體可分為以下兩種類型：1)間隙固溶體溶質(zhì)原子處于溶劑晶格的空隙中的固溶體，圖a。2)置換固溶體溶劑晶格中的某些結(jié)點(diǎn)位置被溶質(zhì)原子取代的固溶體，圖b。性能:由于溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，使金屬材料的強(qiáng)度、硬度升高。這種通過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體,使金屬材料的變形抗力增大，強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化，它是金屬材料強(qiáng)化的重要途徑之一。4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖所謂相是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。顯微組織實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。固態(tài)合金中的相分為固溶體和金屬化合物兩類。單相合金兩相合金4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖⑴固溶體合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固

相稱固溶體。習(xí)慣以、、表示。與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶劑。其它元素稱溶質(zhì)。固溶體是合金的重要組成相，實(shí)際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。按溶質(zhì)原子所處位置分為置換固溶體和間隙固溶體。Cu-Ni置換固溶體Fe-C間隙固溶體4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖①置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體。溶質(zhì)原子呈無序分布的稱無序固溶體，呈有序分布的稱有序固溶體。黃銅置換固溶體組織4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖②

間隙固溶體溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般是過渡族元素。形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r質(zhì)/r劑<0.59。間隙固溶體都是無序固溶體。4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖③固溶體的溶解度溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。溶解度有一定限度的固溶體稱有限固溶體。組成元素?zé)o限互溶的固溶體稱無限固溶體。組成元素原子半徑、電化學(xué)特性相近，晶格類型相同的置換固溶體，才有可能形成無限固溶體。間隙固溶體都是有限固溶體。Cu-Ni無限固溶體Cu-Zn有限固溶體固溶體化合物4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖④

固溶體的性能隨溶質(zhì)含量增加,固溶體的強(qiáng)度、硬度增加,塑性、韌性下降—固溶強(qiáng)化。產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因是溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸變及對位錯(cuò)的釘扎作用。與純金屬相比，固溶體的強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性低。但與化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖

2．金屬化合物：合金各組成元素之間相互作用而生成的一種新的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)。通常，金屬化合物的熔點(diǎn)高、硬而脆，當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，能提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但會降低其塑性和韌性。金屬化合物是各類合金鋼、硬質(zhì)合金及許多有色合金的重要組成部分。金屬化合物一般具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)，與構(gòu)成化合物各組元的晶格皆不相同,種類很多，常見的有以下三種類型：正常價(jià)化合物,電子化合物,間隙化合物。

如果金屬化合物呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體的基體上，將使合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱彌散強(qiáng)化。

4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖⑵金屬化合物合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。例如，鋼中的滲碳體(Fe3C)具有復(fù)雜的斜方晶格（如圖3-3）。

鐵碳合金中的Fe3C當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金屬化合物也是合金的重要組成相。4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖3.合金的組織：合金的組織是是由合金的相組成的。多數(shù)工業(yè)合金均為固溶體和少量化合物所構(gòu)成的混合物。通過調(diào)整固溶體的溶解度和其中的化合物的形態(tài)、數(shù)量、大小及分布，可使合金的力學(xué)性能在一個(gè)相當(dāng)大的范圍內(nèi)變動，從而滿足不同性能的要求。4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖三、合金的結(jié)晶與二元合金相圖

相圖是表示合金在緩慢冷卻的平衡狀態(tài)下相或組織與溫度、成分間關(guān)系的圖形，又稱為平衡相圖或狀態(tài)圖。掌握合金相圖的分析和使用方法，有助于了解合金的組織狀態(tài)和預(yù)測合金的性能，也可按要求研究配制新的合金。是制訂鑄造、鍛造、焊接和熱處理等工藝的重要依據(jù)。1、二元合金相圖的建立建立相圖，先要通過實(shí)驗(yàn)測出合金系中一系列不同成分合金的相轉(zhuǎn)變溫度，即臨界點(diǎn)。然后將這些臨界點(diǎn)畫在溫度-成分坐標(biāo)圖中相應(yīng)位置上，便可繪得二元相圖。以銅鎳合金為例，步驟如下：（1）配制幾種不同成分的Cu-Ni合金；（2）將上述合金熔化后作出各成分合金的冷卻曲線。并找出各冷卻曲線上的臨界點(diǎn)(即轉(zhuǎn)折點(diǎn)和平臺)的溫度值。(3)畫出溫度一成分坐標(biāo)系，在相應(yīng)成分垂直線上標(biāo)出臨界點(diǎn)溫度。(4)將物理意義相同的點(diǎn)連成曲線，并根據(jù)已知條件和實(shí)際分析結(jié)果寫上數(shù)字、字母和各區(qū)域內(nèi)的組織或相的名稱，即得完整的Cu-Ni二元合金平衡相圖(或狀態(tài)圖)，如圖3-4。4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖相圖的建立名稱A金屬B金屬晶格類型bccbcc熔點(diǎn)高低合金1100%0%合金290%10%合金380%20%……..……..…….合金920%80%合金1010%90%合金110%100%4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖熱分析法4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖

相圖的建立時(shí)間溫度90705030AB溫度A溫度溫度4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖abab

:液相線ab

:固相線LL+SSL:液相區(qū)S:固相區(qū)L+S:液固共存區(qū)AB溫度4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖圖3-5Cu-Ni二元合金狀態(tài)圖的示意圖

相圖分析：相圖上的每個(gè)點(diǎn)、線、區(qū)均有一定的物理意義。例如A、B點(diǎn)分別為Cu和Ni的熔點(diǎn)（純銅純鎳?yán)鋮s曲線上各有一個(gè)“平臺”，表明它們是在恒溫下結(jié)晶的，其他合金是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)結(jié)晶的）。圖中有兩條曲線，上面的曲線為液相線，代表各種成分的銅一鎳合金在冷卻過程中開始結(jié)晶的溫度；下面的曲線為固相線，代表各種成分的銅一鎳合金在冷卻過程中結(jié)晶終了的溫度。液相線和固相線將整個(gè)相圖分為三個(gè)區(qū)域，液相線以上為液相區(qū)(L)，固相線以下為固相區(qū)(α)；在液相線與固相線之間為液相與固相共存的兩相區(qū)(L+α)。4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖2、二元?jiǎng)蚓鄨D現(xiàn)以wNi=40％的Cu-Ni合金為例，說明勻晶合金的結(jié)晶過程(圖3-5)。當(dāng)合金由液態(tài)緩冷至與液相線相交t1時(shí)，開始從液相中結(jié)晶出固溶體α相。在繼續(xù)冷卻過程中α相的量不斷增多，液相的量不斷減少，最后冷至固相線t4時(shí)，液相消失，全部成為單相α固溶體。在整個(gè)結(jié)晶過程中，液相和固相的成分也通過原子的擴(kuò)散不斷改變，液相的成分沿液相線變化，固相的成分沿固相線變化。但是只有在極其緩慢地冷卻的條件下，使原子有足夠的時(shí)間擴(kuò)散，才能得到成分均勻的固溶體。否則，將會產(chǎn)生化學(xué)成分的偏析現(xiàn)象。

二元合金系中兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無限互溶，并由液相結(jié)晶出單相固溶體的相圖稱為二元?jiǎng)蚓鄨D，圖3-5。圖3-5Cu-Ni合金的相圖與冷卻曲線固溶體合金的結(jié)晶與純金屬的結(jié)晶不同點(diǎn)：1）固溶體合金的結(jié)晶不是在恒溫下進(jìn)行；2）結(jié)晶過程中，溫度降低，液相不斷減少，固相不斷增多，最后結(jié)晶任何比例互溶的無限固溶體合金。3）結(jié)晶過程中平衡的兩個(gè)相的成分沿液（固）相線不斷變化。4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖⑵杠桿定律處于兩相區(qū)的合金，不僅由相圖可知道兩平衡相的成分，還可用杠桿定律求出兩平衡相的相對重量?，F(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律：①確定兩平衡相的成分：設(shè)合金成分為x，過x做成分垂線。在成分垂線相當(dāng)于溫度t的o點(diǎn)作水平線，其與液固相線交點(diǎn)a、b所對應(yīng)的成分x1、x2即分別為液相和固相的成分。12

t4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖則QL

+Q

=1

QL

x1+Q

x2=x

解方程組得式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的長度。②確定兩平衡相的相對重量設(shè)合金的重量為1，液相重量為QL，固相重量為Q

。4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖因此兩相的相對重量百分比為：兩相的重量比為：4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿定律。即合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠(yuǎn)的成分線段之比。在杠桿定律中，杠桿的支點(diǎn)是合金的成分，杠桿的端點(diǎn)是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。杠桿定律只適用于兩相區(qū)。例（如圖）4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖合金的結(jié)晶只有在緩慢冷卻條件下才能得到成分均勻的固溶體。但實(shí)際冷速較快，結(jié)晶時(shí)固相中的原子來不及擴(kuò)散，使先結(jié)晶出的枝晶軸含有較多的高熔點(diǎn)元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后結(jié)晶的枝晶間含有較多的低熔點(diǎn)元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。⑶枝晶偏析4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱作枝晶偏析。不僅與冷速有關(guān)，而且與液固相線的間距有關(guān)。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。枝晶偏析會影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下100-200℃長時(shí)間保溫，以使原子充分?jǐn)U散、成分均勻，消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作擴(kuò)散退火。4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖Cu-Ni合金的平衡組織與枝晶偏析組織平衡組織枝晶偏析組織4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖3．二元共晶相圖

合金系的兩組元在液態(tài)下無限互溶，在固態(tài)下有限互溶，形成兩種不同固相并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為二元共晶相圖。共晶轉(zhuǎn)變：指在一定溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出不同成分、結(jié)構(gòu)的兩個(gè)固相的過程稱為共晶轉(zhuǎn)變。圖3-7所示的Pb-Sn合金相圖為典型的二元合金共晶相圖。圖3-7Pb-Sn合金二元合金共晶相圖4第三章合金的結(jié)構(gòu)與鐵碳相圖4.二元包晶相圖通常把在一定溫度下，已結(jié)晶的一定成分的固相與剩余的一定成分的液相發(fā)生轉(zhuǎn)變生成另一固相的過程稱為包晶轉(zhuǎn)變。合金系的兩組元在液態(tài)下無限互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為二元包晶相圖，如圖3-8所示?，F(xiàn)以Pt-Ag合金相圖(見圖3-8)為例進(jìn)行分析。在圖3-8中，ACB為液相線，PE和DF線分別為Ag在Pt中的α固溶體和Pt在Ag中的β固溶體的溶解度曲線。水平線PDC就是包晶轉(zhuǎn)變線，D點(diǎn)是包晶點(diǎn)，所有的成分在PC范圍內(nèi)的合金在此溫度都會發(fā)生三相平衡的包晶轉(zhuǎn)變：LC+αP→βDPt-Ag和Ag-Sn等合金有包晶相圖，常見的Fe-C，Cu-Zn,Cu-Sn等合金相圖中也包含這類