金屬學(xué)及熱處理課件：合金的結(jié)構(gòu)與相圖

合金的結(jié)構(gòu)與相圖[目標]1.了解二元合金狀態(tài)圖的建立、典型二元合金相圖;

2.掌握二元合金相圖及其與合金性能關(guān)系;

[重點]1.相與組織概念；

2.二元合金相圖的分析應(yīng)用；

3.桿桿定律及其應(yīng)用；

[難點]

1.相與組織概念；2.桿桿定律及其應(yīng)用。合金的結(jié)構(gòu)與相圖3.1合金的基本概念1.合金:以一種金屬元素為主體，加入其他金屬或非金屬元素后具有金屬特性的物質(zhì)。2.組元:組成合金最基本、獨立的物質(zhì)（元）。有二元合金、三元合金、多元合金。3.合金系:一系列由兩個或多個給定組元所組成的具有不同成分的合金構(gòu)成一個合金系。

合金的結(jié)構(gòu)與相圖

碳鋼（CarbonSteel）：由鐵（Fe）和碳（C）組成的合金。

Fe和C是合金的組元

屬于二元合金

Fe、C含量不同的碳鋼同屬于鐵碳合金系

黃銅（Brass）：由銅（Cu）和鋅（Zn）所組成的合金。

Cu和Zn是合金的組元

屬于二元合金

Cu、Zn含量不同的黃銅同屬于銅鋅合金系

例4.相:合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一，并以界面相互分開的組成部分。合金性能與相的性質(zhì)、數(shù)量、大小、形態(tài)及分布密切相關(guān)。3.1合金的基本概念顯微鏡下觀察到的某種鑄鐵的顯微組織石墨（一種固相）鐵素體（另一種固相）5.組織：借助肉眼或顯微鏡所觀察到的金屬材料內(nèi)部各相及其形貌。用肉眼或放大鏡觀察到的為宏觀組織，在顯微鏡下觀察到的為微觀組織。合金組織是由不同性質(zhì)、數(shù)量、大小、形態(tài)及分布的各種相組成。改變其中之一，即可改變組織；改變組織，即可改變材料的性能。1.固溶體：在合金中，金屬或非金屬原子溶入另一種金屬晶格中形成的均勻固相。3.2.1固溶體溶劑（Solvent）+溶質(zhì)（Solute）＝保持原有晶格類型的組元其他組元（一般含量較少）

-Fe+C鐵素體＝固溶體（體心立方）溶劑（體心立方）溶質(zhì)（六方）固溶體3.2合金的相結(jié)構(gòu)例：置換固溶體

間隙固溶體2.固溶體的分類（1）按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占位置分類：

置換固溶體和間隙固溶體例Cu(rCu=0.1276nm)Ni(rNi=0.1244nm)Fe(rFe=0.1260nm)C(rC=0.0770nm)白銅（銅鎳合金）結(jié)構(gòu)示意圖置換固溶體間隙固溶體奧氏體結(jié)構(gòu)示意圖有限固溶體和無限固溶體固溶度（SolubilityLimit）在一定條件下，溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度，又稱為溶解度（SolidSolubility）。例：銅鎳合金

Cu和Ni能按任何比例相互溶解而形成無限固溶體。無限固溶體中兩組元原子置換示意圖（2）按固溶度分類3.固溶體的特點大致保持了溶劑金屬的晶格類型，性能近于純金屬。較低強度、硬度良好塑性、韌性3.2.2金屬化合物1.金屬化合物：合金組元間相互作用所形成的具有金屬特性的一種新相。其晶格類型及性能均不同于任一組元。主要有：（1）正常價化合物（Normal-valenceCompound）符合一般化合價規(guī)律，具有嚴格的化合比，成分固定不變，一般具有較高的硬度、較大的脆性。如：Mg2SiMg2Sn（2）電子化合物（ElectronCompound）按一定電子濃度，成分可在一定范圍內(nèi)變化，通常具有很高的熔點和硬度，脆性也很大。如：AgZn（3）間隙化合物（InterstitialCompound）過渡元素與H、N、C、B等原子直徑較小的非金屬元素形成，一般具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)，很高的熔點和硬度。如Fe3C

具有不同于任一組元的，全新的晶體結(jié)構(gòu)。高熔點高硬度脆性大

2.金屬化合物的性能特點合金僅由金屬化合物組成：雖然有很高的硬度，但脆性太大，無法應(yīng)用。

合金僅由固溶體組成：則往往強度、硬度等不夠高，使用受到一定限制。絕大多數(shù)的工業(yè)合金，其組織為固溶體（基體）+少量金屬化合物（強化相）所構(gòu)成的機械混合物（MechanicalMixture），合金的性能就取決于它們的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量等。

分析：關(guān)公的大刀該有什么材料制成？思考：哪種Fe3C的形貌對合金力學(xué)性能更有利相圖：表示合金系在平衡條件下（極其緩慢加熱或冷卻），合金的組成相（或組織）與溫度、成分間關(guān)系的圖解，又稱為平衡狀態(tài)圖。3.3合金的結(jié)晶AT/℃液相線固相線Cu平衡狀態(tài)圖Ni確定狀態(tài)描述結(jié)晶過程確定一定溫度下，相(構(gòu)成物）的含量3.3.1二元合金相圖的建立

二元合金相圖是由實驗測定的。下面以Cu-Ni二元合金系為例，說明應(yīng)用熱分析法（ThermalAnalysis）繪制相圖的方法。熱分析裝置示意圖冷卻曲線（1）配制一系列不同成分的Cu-Ni合金，如：100%Cu、80%Cu-20%Ni、60%Cu-40%Ni、40%Cu-60%Ni、20%Cu-80%Ni、100%Ni等6個合金。（2）分別測定上述合金冷卻曲線；（3）在冷卻曲線上找出合金的各臨界點，即：合金結(jié)晶開始和結(jié)晶終了的溫度點；（4）將各臨界點標在相圖相應(yīng)的成分軸上（縱座標為溫度，橫座標為成分）；（5）將性質(zhì)相同的臨界點分別連接起來，獲得液相線、固相線。Cu-Ni二元合金相圖測定步驟Cu-Ni二元合金相圖wNi（%）時間溫度Cu20406080NiwCu=100%wNi=20%wNi=40%wNi=60%wNi=80%wNi=100%液相線固相線ABLαL+α3.3.2二元合金相圖的基本類型

大多數(shù)二元相圖都是由幾類最基本的相圖組合而成的。

兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無限互溶勻晶相圖：L→α

兩組元在液態(tài)均能無限互溶，固態(tài)下有限溶解共晶相圖：L→α+β共析相圖：α→β1+β2包晶相圖：

L

+α→β（1）典型合金平衡結(jié)晶過程分析

1.二元勻晶相圖Cu-Ni合金相圖及冷卻時的結(jié)晶=T1:L

Q

≈100%+α

Q≈0=T2:L

Q

↓+α

Q

↑=T3:L

Q

≈0+α

Q≈100%≈40%≈40%2″2'3'<T3:α

Q=100%1″>T1:L

Q

=100%=40%=40%與純金屬一樣：形核+長大，需要一定的過冷度。結(jié)晶是在一定溫度范圍內(nèi)進行的；只有在溫度不斷下降時，固相

的相對量才增加；溫度不變，液相L和固相

的相對量保持不變，即達到平衡狀態(tài)；結(jié)晶時，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化。（2）固溶體合金的結(jié)晶特點計算兩個相的相對量QLQ

bac杠桿定律的力學(xué)比喻設(shè)：m=1相的含量=其對面的長度/整個線段的長度

x2bactαL

（3）杠桿定律0.772.116.69727課堂練習(xí)：運用桿桿定律計算成分為0.77%的鋼，727℃時組織中固溶體鐵素體（F）、滲碳體(Fe3C)的相對含量各是多少？QF=SK/PK=(6.69-0.77)/(6.69-0.02)≈88.8%QFe3C=FS/PK=(0.77-0.02)/(6.69-0.02)≈11.2%2.二元共晶相圖Pb-Sn二元合金相圖

共晶轉(zhuǎn)變：一定成分的液相，在一定溫度下，

同時轉(zhuǎn)變出兩種新的固相。（1）合金I的平衡結(jié)晶過程合金的室溫組織：初生α

+

βⅡ組織組成物:α、βⅡ組成相：α相和β相（2）合金II（亞共晶）的平衡結(jié)晶過程合金的室溫組織：初生α

+

βⅡ

+（α+β）組織組成物:α、βⅡ、（α+β）組成相：α相和β相（3）合金III（共晶）的平衡結(jié)晶過程合金的室溫組織：共晶體（α