合金的結(jié)構(gòu)與二元狀態(tài)圖

1、第三章 合金的結(jié)構(gòu)與二元狀態(tài)圖,,合金的結(jié)構(gòu)與二元狀態(tài)圖,§1 合金中的相結(jié)構(gòu) §2 二元合金狀態(tài)圖,§1 合金中的相結(jié)構(gòu),一、合金的基本概念及實(shí)用意義 二、合金中的相結(jié)構(gòu) 1．固溶體 置換固溶體 間隙固溶體 固溶體的性能 2．化合物,一、合金的基本概念,合金 通過(guò)熔煉，燒結(jié)或其它方法，將一種金屬元素同一種或幾種其它元素結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的新物質(zhì)，稱為合金。組元 組成合金的最

2、基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元,合金中的相結(jié)構(gòu)相關(guān)概念,相在金屬或合金中，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，均稱之為相組織 在金屬和合金中，在顯微鏡下能觀察到的微觀形貌、圖象稱為組織，它是由單相物質(zhì)或多相物質(zhì)組合成的，具有一定形態(tài)特征的聚合體,二、合金中的相結(jié)構(gòu),固溶體 置換固溶體 間隙固溶體 固溶體的性能 化合物,兩種類型的固溶體,置換固溶體 間隙固溶體,,置

3、換固溶體,溶質(zhì)原子代替溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上的一部分原子而組成的固溶體稱置換固溶體。溶質(zhì)原子在溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上呈無(wú)序分布的置換固溶體稱為無(wú)序固溶體；溶質(zhì)原子在溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上按一定秩序排列的置換固溶體稱有序固溶體。顯然，只有當(dāng)溶質(zhì)原子和溶劑原子成一定比例時(shí)，才有可能形成有序固溶體。此外，按照溶解度的大小，置換固溶體，又可分為無(wú)限置換固溶體和有限置換固溶體。,間隙固溶體,溶質(zhì)原子填充在溶劑晶格的間隙中形成的固溶體，即間隙固溶體，間隙固溶體仍保持著

4、溶劑金屬的晶格類型。已有研究表明，當(dāng)溶質(zhì)元素的原子直徑與溶劑元素的原子直徑之比小于0.59時(shí)，易于形成間隙固溶體，而在直徑大小差不多的元素之間易于形成置換固溶體。且溶質(zhì)原子在間隙固溶體中只能呈統(tǒng)計(jì)分布，形成無(wú)序固溶體，而且當(dāng)溶劑晶格間隙被溶質(zhì)原子填充到一定程度后就不能再繼續(xù)溶解，多余的溶質(zhì)原子將以新相出現(xiàn)，因此，間隙固溶體的溶解總是有限的，間隙固溶體總是有限固溶體。,固溶體的性能,無(wú)論置換固溶體，還是間隙固溶體，由于溶質(zhì)原子的存在都會(huì)

5、使晶格發(fā)生畸變，使其性能不同于原純金屬。當(dāng)溶質(zhì)元素的含量極少時(shí)，固溶體的性能與溶劑金屬基本相同。隨溶質(zhì)含量的升高，固溶體的性能將發(fā)生明顯改變，其一般情況下，強(qiáng)度、硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降，電阻率升高，導(dǎo)電性逐漸下降等。,化合物,若新相的晶格結(jié)構(gòu)不同于任一組成元素，則新相是組成無(wú)素間相互作用而生成的一種新物質(zhì)，屬于化合物，如碳鋼中的Fe3C，黃銅中的β相（CuZn）以及各種鋼中都有的FeS、MnS等等，都是化合物。在這些化合

6、物中，F(xiàn)e3C和β相均具有相當(dāng)程度的金屬鍵及一定的金屬性質(zhì)，是一種金屬物質(zhì)，稱為金屬化合物，而FeS、MnS具有離子鍵，沒(méi)有金屬性質(zhì)，屬于一般的化合物，因而又稱為非金屬化合物。在合金中，金屬化合物可以成為合金材料的基本組成相，而非金屬化合物是合金原料或熔煉過(guò)程帶來(lái)的，數(shù)量少且對(duì)合金性能影響很壞，因而一般稱為非金屬夾雜。金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而脆。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬間化合物時(shí)，通常能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。,&

7、#167;2 二元合金狀態(tài)圖,一、相圖的意義及相關(guān)概念二、二元合金狀態(tài)圖的建立 三、平衡相組成的分析 四、二元狀態(tài)圖的基本類型分析,一、相圖的意義及相關(guān)概念,相圖的意義相關(guān)概念組元 合金系 相圖,相圖的相關(guān)概念,1． 組元：通常把組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本，能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)稱為組元。但在所研究的范圍內(nèi)既不分解也不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定化合物也可稱為組元，如Fe3C看作一組元。2． 合金系由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按不同比例

8、配制成的一系列不同成分的合金，稱為合金系。3．相圖用來(lái)表示合金系中各個(gè)合金的結(jié)晶過(guò)程的簡(jiǎn)明圖解稱為相圖，又稱狀態(tài)圖或平衡圖。相圖上所表示的組織都是十分緩慢冷卻的條件下獲得的，都是接近平衡狀態(tài)的組織。,二、二元合金狀態(tài)圖的建立,目前，合金狀態(tài)圖主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的，且測(cè)定合金狀態(tài)圖的方法很多，但應(yīng)用最多的是熱分析法。以Cu—Ni合金相圖測(cè)定為例，說(shuō)明熱分析法的應(yīng)用及步驟：（1）配制不同成分的合金試樣，如Ⅰ純銅；Ⅱ75%Cu+25

9、%Ni；Ⅲ50%Cu+50%Ni；合金Ⅳ　25%Cu+75%Ni；Ⅴ：純Ni。（2）測(cè)定各組試樣合金的冷卻曲線并確定其相變臨界點(diǎn)；（3）將各臨界點(diǎn)繪在溫度—合金成分坐標(biāo)圖上；（4）將圖中具有相同含義的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，即得到Cu、Ni合金相圖。,,用熱分析法測(cè)定Cu、Ni相圖,a）冷卻曲線 b）相圖,三、平衡相組成的分析,1．平衡相成分的確定 2．平衡相相對(duì)重量的確定：（杠桿定律）,

10、平衡相成分分析示意圖,平衡相相對(duì)重量的確定（杠桿定律）,,,四、二元狀態(tài)圖的基本類型分析,1.二元?jiǎng)蚓鄨D 2.二元共晶相圖3.二元包晶相圖4.形成穩(wěn)定化合物的相圖 5.具有共析轉(zhuǎn)變的相圖 6.合金的性能與相圖的關(guān)系,1.二元?jiǎng)蚓鄨D,1．相圖的組成及特征 2．合金平衡結(jié)晶過(guò)程及組織3．枝晶偏析及其消除,Cu-Ni二元均晶相圖,,,Cu-Ni合金枝晶偏析示意圖,,,枝晶偏析及其消除,由于實(shí)際生產(chǎn)中，合金冷卻速度快，原子擴(kuò)

11、散不充分。擴(kuò)散過(guò)程總是落后于結(jié)晶過(guò)程，合金結(jié)晶是在非平衡的條件下進(jìn)行的。這使得先結(jié)晶出來(lái)的固溶體合金含高熔點(diǎn)組元較多，合金的熔點(diǎn)較高，構(gòu)成晶體的樹枝狀骨架，后結(jié)晶出的部分含高熔點(diǎn)組元較少，熔點(diǎn)較低，填充于枝間。這種在晶粒內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為枝晶偏析或稱晶內(nèi)偏析。出現(xiàn)枝晶偏析后，使合金材料的機(jī)械性能、耐蝕性能和加工工藝性能變壞。出現(xiàn)枝晶偏析后，可通過(guò)擴(kuò)散退火予以消除。一般采用將鑄件加熱到低于固相線100～200℃的溫度，進(jìn)行長(zhǎng)

12、時(shí)間保溫，使偏析元素進(jìn)行充分?jǐn)U散，成分均勻化。,2.二元共晶相圖,1．相圖的組成分析 2．典型合金平衡結(jié)晶過(guò)程分析,二元共晶相圖,,,1．相圖的組成分析,共晶相圖中有三個(gè)單相區(qū)：液相區(qū)L，固相α和β相區(qū)；三個(gè)兩相區(qū)：L+α區(qū)，L+β區(qū)，α+β區(qū)；一個(gè)三相共存點(diǎn)：C點(diǎn),共晶合金結(jié)晶過(guò)程示意圖,,,亞共晶合金結(jié)晶過(guò)程示意圖,,,合金Ⅳ的結(jié)晶過(guò)程示意圖,,,3.二元包晶相圖,1．相圖的組成分析 2．典型合金平衡結(jié)晶過(guò)程分析,二元包晶相

13、圖,,,1．相圖的組成分析,在二元包晶相同中，有三個(gè)單相區(qū)：液相區(qū)L、固相區(qū)α和β相區(qū)； 三個(gè)兩相區(qū)：L+α、L+β、α+β；一個(gè)三相共存點(diǎn)：e點(diǎn)（L、α、β共存）,合金I結(jié)晶過(guò)程示意圖,,,合金Ⅱ結(jié)晶過(guò)程示意圖,,,合金Ⅲ結(jié)晶過(guò)程示意圖,,,4.形成穩(wěn)定化合物的相圖,合金系中兩組元之間還可能形成穩(wěn)定的金屬化合物，其組成可用通式AmBn表示，它具有固定的成分和一定的熔點(diǎn)，可把它看成獨(dú)立的組元。

14、它的分析可作為兩個(gè)簡(jiǎn)單相圖進(jìn)行。,5.具有共析轉(zhuǎn)變的相圖,,,共析轉(zhuǎn)變,共析轉(zhuǎn)變屬于固態(tài)相變的一種類型。和共晶反應(yīng)一樣是由一個(gè)相分解為兩個(gè)相的三相平衡等溫轉(zhuǎn)變。共析轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)是：由特定成分的單相固態(tài)合金，在恒定的溫度下，分解成兩個(gè)新的，具有一定晶體結(jié)構(gòu)的固相。其反應(yīng)式可表達(dá)為： 反應(yīng)產(chǎn)物和的相對(duì)重量有一固定的比例：由于共析反應(yīng)是在固態(tài)下進(jìn)行的，其原子擴(kuò)散條件很差，晶核成長(zhǎng)速度很小，所以共析轉(zhuǎn)變物的組織是比較細(xì)密的兩相相間的機(jī)械混合物。

15、,5.合金的性能與相圖的關(guān)系,,,,（1）合金的使用性能與相圖的關(guān)系,由圖可見，當(dāng)合金形成單相固溶體時(shí)，隨溶質(zhì)溶入量的增加，合金的硬度、強(qiáng)度升高，而電導(dǎo)率降低，呈透鏡形曲線變化，在合金性能與成分的關(guān)系曲線上有一極大值或極小值。當(dāng)合金形成兩相混合物時(shí)，其性能是兩相性能值的算術(shù)平均值。隨著成分的變化，合金的強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電率等性能在兩組成相的性能間呈線性變化，對(duì)于共晶成分或共析成分的合金，其性能還與兩組成相的致密程度有關(guān)，組織愈細(xì)，性能愈好

16、。當(dāng)合金形成穩(wěn)定化合物時(shí)，在化合物處性能出現(xiàn)極大值或極小值。,（2）合金工藝性能與相圖的關(guān)系,合金的工藝性能與相圖也有密切的聯(lián)系。如鑄造性能（包括流動(dòng)性、縮孔分布、偏析大?。┡c相圖中液相線和固相線之間的距離密切相關(guān)。相圖中液相線與固相線的距離愈寬，形成枝晶偏析的傾向越大，同時(shí)先結(jié)晶出的樹枝晶阻礙未結(jié)晶液體的流動(dòng)，則流動(dòng)性愈差，分散縮孔愈多。,合金的流動(dòng)性、縮孔性質(zhì) 與相圖之間的關(guān)系,,合金的性能與相圖的關(guān)系小結(jié),固溶體中溶質(zhì)含量