第二章__二元合金的相結(jié)構(gòu)與相圖終1_W

1、第三章二元合金相圖及結(jié)晶主要內(nèi)容： 合金、相圖等相關(guān)概念，以及合金的類(lèi)型； 三種基本相圖、及其平衡結(jié)晶過(guò)程分析，形成合金的顯微組織及杠桿定律； 合金的結(jié)晶過(guò)程 重點(diǎn)掌握：杠桿定律及運(yùn)用杠桿定律進(jìn)行計(jì)算固溶體和金屬化合物的種類(lèi)和性能特征1問(wèn)題的提出：純鐵強(qiáng)度：250MPa 45鋼強(qiáng)度：610MPa主要原因：純鐵是一個(gè)相F（純金屬）純鐵45鋼是兩個(gè)相F+Fe3C（合金）245號(hào)鋼第二章二元合金的相結(jié)構(gòu)與相圖第三章合金的相結(jié)構(gòu)與二元相圖33.1 基本概念合金：由兩種或兩種以上金屬元素與其他元素（這些元素可以是金屬元素，也可以是非金屬元素）組成的有金屬特征的金屬材料。思考 金屬與非金屬組成的是不是一定

2、就是合金？ Fe + CFe(C)合金（鋼） Fe3C(化合物） 成分合金中各種元素的含量，稱(chēng)為成分42.1 基本概念組元：組成合金基本、獨(dú)立的最基本單元。組元可以是元素或是穩(wěn)定化合物。 Fe(C)合金 類(lèi)比 Fe、C組元 Fe、Fe3C組元 水，蛋白質(zhì)，脂肪，膽固醇 雞蛋 合金系由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按不同比例配制 5成的一系列不同成份的合金。 普通陶瓷 共析碳鋼 工業(yè)純鐵 3.1 基本概念相：具有相同結(jié)構(gòu)，相同成分和性能（也可以是連續(xù)變化的）并以界面相互分開(kāi)的均勻組成部分，如液相、固相是兩個(gè)不同的相。單相鐵素體 鐵素體相、滲碳體相 晶相、玻璃相、氣相 類(lèi)比雞蛋蛋白、蛋黃 63.1 基本概念組

3、織：用肉眼或顯微鏡觀察到的材料內(nèi)部形貌圖像的統(tǒng)稱(chēng)（宏觀組織、微觀組織）。組織是影響材料性能的重要因素。相是組織的基本組成部分不同的相構(gòu)成不同的組織！ 相同的相，但當(dāng)組成相的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布不同時(shí)，其組織也不同！ 7液相：合金在熔點(diǎn)以上，各組元相互溶解成為均勻的溶液。當(dāng)合金凝固后形成兩種基本相：固溶體和金屬化合物。固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)固溶體：溶質(zhì)原子溶入金屬熔劑中形成的合金相稱(chēng)為固溶體?！肮腆w溶液”1.晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 均一的、保持熔劑金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶格常數(shù)發(fā)生一定變化82.固溶體的分類(lèi)2.1 基本概念 按溶質(zhì)原子所占據(jù)的位臵臵換固溶體：溶質(zhì)原子替代溶劑部分原子占據(jù)溶劑 晶格的正常位臵 溶質(zhì)原子

4、一般為半徑相差不大的原子間隙固溶體：溶質(zhì)原子存在于溶劑晶格間隙處 溶質(zhì)原子半徑小的非金屬原子 （H、O、N、C、B） 9 按固態(tài)溶解度分：2.1 基本概念有限固溶體：間隙固溶體只能是有限固溶體無(wú)限固溶體：無(wú)限固溶體只能是臵換固溶體 形成無(wú)限固溶體的必備條件：臵換固溶體 組元點(diǎn)陣相同 原子尺寸相差不大 負(fù)電性相同：原子在形成化學(xué)鍵時(shí)對(duì)成鍵電子的 吸引力 按溶質(zhì)原子在晶格中的分布狀態(tài)分：有序固溶體、無(wú)序固溶體 10溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度稱(chēng)為溶解度（或固溶度） 2、溶解度影響因素 （1）晶體結(jié)構(gòu)因素：組元間晶格類(lèi)型相同，溶解度較大。 對(duì)于置換固溶體，組元間晶格類(lèi)型相同是形成無(wú)限固溶體的必 要條件。

5、晶格類(lèi)型不同，溶解度有限。 （2）原子大小因素：由于組元間原子大小不同，所以溶質(zhì)溶 入將導(dǎo)致溶劑的晶格畸變。 對(duì)間隙固溶體 ：溶質(zhì)原子直徑越小，溶解度越大。 對(duì)置換固溶體 ：原子尺寸差別越小溶解度越大。當(dāng)差別小到一定程度，就可能產(chǎn)生無(wú)限固溶體。 （3） 電負(fù)性因素：溶質(zhì)、溶劑的電負(fù)性越接近溶解度越大。 112.1 基本概念3.固溶體的性能固溶強(qiáng)化：固溶體的強(qiáng)度、硬度隨溶質(zhì)原子濃度升高而明顯增加，塑性、韌性稍有下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為 。 純銅抗拉強(qiáng)度為220MPa，硬度為40HBW，斷面收縮率為70%，而加入1%Ni后，為390MPa， 70HBW，50%。 金屬材料重要的強(qiáng)化方式之一，固溶體具有良

6、好的綜合機(jī)械性能（強(qiáng)硬度、塑韌性的綜合），一般作為合金的基體相。 122.1 基本概念正常晶格大原子臵換引起的晶格畸變小原子臵換引起的晶格畸變間隙原子引起的晶格畸變133.1 基本概念金屬間化合物：兩組元形成合金時(shí)，當(dāng)超過(guò)固溶體 的溶解極限時(shí)，形成的一種晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元的新相，稱(chēng)為金屬間化合物，也稱(chēng)中間相。 1.特點(diǎn) 晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元金屬 性能不同于任一組元金屬 2.分類(lèi) 一般具有較高的熔點(diǎn)、硬度，較大的脆性 正常價(jià)化合物 電子化合物 返回 間隙相和間隙化合物143.2 二元合金相圖相圖是表明合金系中各種合金相的平衡條件和 相與相之間關(guān)系的一種簡(jiǎn)明示圖，也稱(chēng)為平衡圖或 狀態(tài)圖。是合

7、金體系中材料的狀態(tài)與溫度、成分間關(guān)系的簡(jiǎn)明圖解。 平衡是指在一定條件下合金系中參與相變過(guò) 程的各相的成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再變化所達(dá)到一種 狀態(tài)。此時(shí)合金系的狀態(tài)穩(wěn)定，不隨時(shí)間而改變。合金在極其緩慢冷卻的條件下的結(jié)晶過(guò)程，一般可以認(rèn)為是平衡的結(jié)晶過(guò)程。152.2 二元合金相圖2.2.1 相圖的建立2.2.2 相圖的使用2.2.3 典型相圖分析2.2.4 性能與相圖的關(guān)系162.2.1 相圖的建立溫表象點(diǎn) 度 成分 172.2.1 相圖的建立熱分析法建立Cu-Ni相圖 CuCu 70%Cu 30%Ni100% 100%Ni 30% Ni 70%溫 溫度 度 液相線(xiàn) 固相線(xiàn) 時(shí)間Cu30 成分70Ni/

8、%CuNi合金的冷卻曲線(xiàn)CuNi合金相圖18液相線(xiàn)T,C 15001400130012001100純銅熔點(diǎn)10001083LL+ aa2.2.1 相圖的建立純鎳熔點(diǎn)液相區(qū)1455固相線(xiàn)CuNi固相區(qū)20406080100液固兩相區(qū)Ni%19返回2.2.2 相圖的使用202.2.2 相圖的使用 由相圖某成分合金在某溫度時(shí)的相 由相圖確定給定合金的相變溫度 由相圖某成分合金在某溫度時(shí)的兩個(gè)平 衡相的成分和相對(duì)質(zhì)量杠桿定律212.2.2 相圖的使用v 設(shè)合金的質(zhì)量為Q合金 , 其中 Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為b%, 在 T1溫度時(shí),L相中的 Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為a%,相中的Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為c%。 222.2.2 相圖的

9、使用合金中含Ni的總質(zhì)量 = L相中含Ni的質(zhì)量 + 相中含Ni的質(zhì)量因?yàn)樗曰?jiǎn)后得23質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.2.2 相圖的使用24返回杠桿定律總結(jié) v 過(guò)程：1）過(guò)成分點(diǎn)做合金線(xiàn)，過(guò)溫度點(diǎn)做溫度線(xiàn)； 2） 找出支點(diǎn)和端點(diǎn)。支點(diǎn)為合金的成分點(diǎn)，端點(diǎn)為給定溫度下兩相的成分點(diǎn)； 3） 利用杠桿定律列出公式； 4） 帶入數(shù)值計(jì)算。 v 注意：杠桿定律只適用于兩相區(qū)； 必須是兩相處于平衡狀態(tài)。 252.2.3 典型相圖分析1. 勻晶相圖2. 共晶相圖3. 包晶相圖4. 共析相圖26T,C 15001400130012001100勻晶相圖:兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無(wú)限互溶所構(gòu)成的相圖L1455L+ a100010

10、83aCuNi20406080100Ni%27勻晶相圖勻晶合金的結(jié)晶過(guò)程L T,C1500140013001200110010001083LL+ aaTa1455L勻晶轉(zhuǎn)變 L aLaCu20406080100Nita冷卻曲線(xiàn) 勻晶合金與純金屬不同，N它i%沒(méi)有一個(gè)恒定的熔點(diǎn)， 28而是在液、固相線(xiàn)劃定的溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶。 勻晶相圖3. 固溶體的不平衡結(jié)晶 1) 工業(yè)生產(chǎn)中合金溶液澆注后的冷卻速度較快，在每一溫度下不能保持足夠的擴(kuò)散時(shí)間， 使凝固過(guò)程偏離平衡條件，稱(chēng)為非平衡凝固(結(jié)晶)。2) 非平衡凝固(結(jié)晶)得到的組織稱(chēng)為不平衡組織。29勻晶相圖固溶體結(jié)晶時(shí)成分是變化的 （固相線(xiàn)和液相線(xiàn)），如

11、冷卻較快， 原子擴(kuò)散不能充分進(jìn)行，則會(huì)形成成分不均勻的固溶體。固溶體一般都以枝晶狀方式結(jié)晶，使得一個(gè)晶粒中先結(jié)晶的樹(shù)枝晶晶枝含高熔點(diǎn)組元較多，后結(jié)晶的樹(shù)枝晶晶枝含低熔點(diǎn)組元較多，結(jié)果造成在一個(gè)晶粒內(nèi)化學(xué)成分的分布不均，這種現(xiàn)象稱(chēng)為枝晶偏析。 枝晶偏析的合金對(duì)合金的力學(xué)性能影響較大。容易導(dǎo)致合金塑性韌性下降；易引起晶間腐蝕，降低合金的抗蝕性能。消除枝晶偏析的方法采用擴(kuò)散退火。 3031偏析實(shí)例 勻晶相圖勻晶相圖通過(guò)對(duì)非平衡凝固分析得到如下結(jié)論： 的平均成分分別與固相線(xiàn)、液相線(xiàn)不同，有 相成分按平均成分線(xiàn)變化），其偏離程度與。冷卻速度越大，其偏離程度越嚴(yán)重；冷卻離程度越小，越接近于平衡條件。 含有

12、較多的高熔點(diǎn)組元(Ni)，后結(jié)晶部分含有組元(Cu)。 條件下，凝固的終結(jié)溫度低于平衡結(jié)晶時(shí)的 (1) 固相、液相一 定的偏離（固冷卻速度有關(guān)速度越小，偏 (2) 先結(jié)晶部分 較多的低熔點(diǎn) (3) 非平衡結(jié)晶終 止溫度。 32返回共晶相圖共晶相圖：液相組元無(wú)限互溶，固相組元有限溶解的合金系，當(dāng)溶質(zhì)超出固溶體溶解極限時(shí)，冷卻過(guò)程中發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，這類(lèi)合金構(gòu)成的相圖稱(chēng)為共晶相圖。從一個(gè)液相中同時(shí)析出兩個(gè)固相L a + b33共晶相圖簡(jiǎn)介T(mén),CAL共晶相圖液相線(xiàn) 固相線(xiàn) Ba固溶線(xiàn) L+ aEL + bb固溶線(xiàn) aMNba + bPbFGSnSn%34T,CAL + a共晶相圖LBEL + b共晶反應(yīng)

13、線(xiàn)表示從M點(diǎn)到N點(diǎn)范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)生不同程度上的共晶反應(yīng)。aMNba + bPbFG共晶點(diǎn)表示E點(diǎn)成分的合Sn金冷卻到此溫度LE aM+ bN上發(fā)生完全的共晶轉(zhuǎn)變。35共晶相圖1. 共晶轉(zhuǎn)變?cè)诤銣叵逻M(jìn)行。 2. 轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種液相中結(jié)晶出兩個(gè)不同的固相 3. 存在一個(gè)確定的共晶點(diǎn)。在該點(diǎn)凝固溫度最低。 4. 成分在共晶線(xiàn)范圍的合金都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。 共晶轉(zhuǎn)變要點(diǎn)須知 T,C183aLL + aL + b ba + bPbSn36共晶相圖La共晶相圖結(jié)晶過(guò)程分析（）T,CT,CL1LL + aL + b183abaa + ba + b 2L+ aLFa4aPbX1室溫組織：a 、

14、b 室溫相： a 、 b37SnbLaT,C2.要經(jīng)過(guò)二次析出反應(yīng)，室溫 組織組成物為a + b L共晶相圖1.沒(méi)有共晶反應(yīng)過(guò)程， 而是經(jīng)過(guò)勻晶反應(yīng)形成單相a固相。LaLaaa + b b 冷卻曲線(xiàn)a 組織組成物組織中，由一定的相構(gòu)成 的，具有一定形態(tài)特征的組成部分。 38共晶相圖共晶相圖結(jié)晶過(guò)程分析（）T,CT,CL1L(a+ b)LL + aL + bL(a+ b) 共83aba + b(a+ b)(a+ b)L晶體PbSnX2冷卻曲線(xiàn)t室溫組織： (a+ b)共晶體室溫相： a 、 b39共晶相圖40共晶相圖共晶相圖結(jié)晶過(guò)程分析（）T,CT,CL183aMLa + b(a+ b)a +

15、b SnPbL + b+ aENbL1L+ a2L+(a+ b)+a(a+ b)+ a室溫組織： (a+ b)共晶體、a + b 室溫相： a 、 b41共晶相圖共晶相圖結(jié)晶過(guò)程分析（）T,CT,C183LaL + aL + bda + bce bL1L+ b2L+(a+ b)+ b(a+ b)+ bPbX3(a+ b)+ bSn+a t室溫組織： (a+ b)共晶體、 b +a 室溫相： a 、 b42共晶相圖43共晶相圖標(biāo)注了組織組成物的相圖44返回包晶相圖包晶相圖：液相組元無(wú)限互溶，固相組元有限溶解的合金系，當(dāng)溶質(zhì)超出固溶體溶解極限時(shí)，冷卻過(guò)程中發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，這類(lèi)合金構(gòu)成的相圖稱(chēng)為包晶相

16、圖。一種液相與一種固相反應(yīng)生成另一種固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程稱(chēng)為包晶轉(zhuǎn)變 L + a b45包晶相圖包晶相圖簡(jiǎn)介AL + aLaCDPL + ba + bEbFT,C三個(gè)單相區(qū)：L、 a、b三個(gè)兩相區(qū)：L+ a 、 L + b 、a+b一個(gè)三相區(qū)：CDPBPtAg%46包晶相圖T,C包晶轉(zhuǎn)變： LP + aC bDAT,CLaL + aLL + bc CDPL + aL + a beBbF gba +b+ aEfPtAgtAg%室溫組織： b +a 47室溫相： a 、 b2 ） II合金（c、d之間） 室溫相組成物為： 、室溫組織組成L 物為： + II + IIL溫 度LaL1LT,CAL + aD

17、LPac C EfabF gBL + be+ bbaaL+ ammbb/aaIIbaaII/bII時(shí)間bIIPtAg%483 ） III 合金室溫相組成物為：、 室溫組織組成物為： +IILaT,CL1anLL+anbbbLLbL溫度AL + aLCDPacbfPt E時(shí)間ea + bAg%L + bBbgF49包晶相圖50返回2、二元共析相圖高溫形成的固溶體，在冷卻至某一溫度時(shí)，固溶體又將發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成兩種成分一定且不相同的新的固相。這種相圖稱(chēng)為二元共析相圖。 共析轉(zhuǎn)變：在一定溫度下， 由成分一定的固相同時(shí)析出兩種成分一定且不相同的新固相的轉(zhuǎn)變，稱(chēng)為共析轉(zhuǎn)變（或共析反應(yīng)）。a恒溫51cbd+ ge共析相圖共析轉(zhuǎn)變： a (g + b) 共析體LT,CL +aab + ag + abcdegg+ bAB52L共析轉(zhuǎn)變示意圖溫度LLa11Laa2a2ab ga33(b + g)b + g3時(shí)間53(五)二元合金相圖小節(jié)1、兩個(gè)單相區(qū)只能相鄰于一點(diǎn)，而不能相鄰于一條線(xiàn)2、兩個(gè)單相區(qū)之間必定有一個(gè)由這兩個(gè)單相組成的兩相區(qū)。3、三相平衡共存時(shí)，必定是一條水平線(xiàn)，每條水平線(xiàn)必定和三個(gè)兩相區(qū)相遇。542.2.4 性能與相圖的關(guān)系固溶體的性能與溶質(zhì)元素的溶入量有關(guān)。溶質(zhì)的溶入量越多，晶格畸變?cè)酱螅瑒t合金的強(qiáng)度、硬度越高，電阻越大。兩相組織合金的力學(xué)性能和物理性能與成