材料科学基课件-之合金的结构二元系相图三元系相图全套课件

材料科学基础 Fundamentals of Materials Science 第三章 合金相结构 二元和三元相图 3.1 合金相结构 3.2 液态合金固化 3.3 二元相图的建立 3.4 二元匀晶相图 3.5 二元共晶相图 3.6 二元包晶相图 3.7 其它类型二元相图 3.8 相图与性能 3.9 二元相图热力学初步 3.10 三元相图 主要内容 n为何工业上很少使用纯金属，而多使用合金？ 纯金属性能有限。 n合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属 ，经熔炼或烧结 ，或用其他方法组合而成的具 有金属特性的物质。 n组元：组成合金最基本的、独立的物质。(如二 元、三元、多元合金)可以是纯元素，也可以是 化合物。 合金相结构 3.1 合金相结构 n相(phase) ：合金中具有同一聚集状态、成分 和性能均一，并以界面分开的组成部分。 n合金相由固溶体和中间相两大类相组成。 3.1.2 固溶体 Solid Solution n固溶体：溶质原子完全溶入固态溶剂中，并 能保持溶剂元素的晶格类型所形成的合金相 。 1.分类： A B A为纯金属：第一类固溶体 A为化合物：第二类固溶体 置换固溶体(Substitutional SS) 间隙固溶体(Interstitial SS) 有限固溶体(Finitude SS) 无限固溶体(Infinitude SS) 有序固溶体(Ordered SS) 无序固溶体(Random SS) 2.置换固溶体(Substitutional SS) 溶质原子取代了溶剂原子在结构中的位置所形 成的固溶体。 影响固溶度的因素 (1) 尺寸因素(Size Factor) 溶质和溶剂的相对尺寸差别 r(r质-r剂)/r剂 必须小于15%，才可能有比较大的固溶度。 点阵畸变： rbra 膨胀 rbra 收缩 (2) 电负性因素(Electronegativity Factor) 电负性：原子吸引电子形成负离子的倾向。 影响固溶度的因素 (3) 电子浓度因素(Electron concentration Factor) 电子浓度：合金相中各组元价电子总数与原子 总数之比。 溶剂原子与溶质原子的电负性差越大 ，固溶度越小。 影响固溶度的因素 尺寸因素有利情况下，溶质元素的原 子价越高，固溶度越小。 Zn,Ga,Ge,As在一价铜中最大溶解度分别为 38%,20%,12%,7%; 溶剂元素为1价面心立方时，C电子极限1.36 溶剂元素为1价体心立方时，C电子极限1.48 溶剂元素为1价密排六方时，C电子极限1.75 (4) 晶体结构因素(Structure Factor) 溶质原子与溶剂原子的晶体结构不同时，一般 是有限固溶体。晶体结构相同并同时满足电负 性和尺寸相近的条件下可能形成无限固溶体。 Ni-Cu, Fe-Cr, Au-Ag 影响固溶度的因素 3.间隙固溶体 (Interstitial SS) 尺寸很小的溶质原子，在固溶体中处在晶胞 的间隙位置，形成间隙固溶体。 溶质原子HBCNO 原子半径()0.460.970.770.710.60 r0.41 n间隙固溶体都是有限固溶体。 n间隙固溶体的固溶度还与晶格类型有关。 面心立方：八面体间隙四面体间隙 体心立方：更容易进入到八面体间隙 碳和氮与铁形成的间隙固溶体是钢中的重 要合金相。 面心立方的-Fe, C, N在八面体间隙。 体心立方的-Fe, C, N在八面体间，尽管四 面体间隙大。 (1) 晶格畸变 溶质溶剂原子大小不同局部晶格畸变 弹性应力场晶格常数变化。 补充： 固溶体的微观不均匀性 固溶体中的溶质原子分布可分为无序分布、偏 聚分布和短程有序分布。 (2) 偏聚与有序 n溶质原子和溶剂原子分别占居固定位置，而 且晶胞中溶质和溶剂原子之比都是一定的， 又称有序固溶体。 (3) 有序固溶体 固溶强化：间隙原子造成的点阵不对称畸变， 产生一个强应力场，该应力场与位错产生强烈 的交互作用。 固溶体的性能 马氏体转变：马氏体具有较高的强度。 3.1.3 金属间化合物/中间相 n定义：不和相图端际相连接的相。成分处在A于B 中和B于A中的最大溶解度之间。可以是化合物， 也可以是以化合物为基的固溶体。 n结构不同于组成化合物的组元。 n主要为金属键，兼有离子键、共价键。具有金属的 性质，又称为金属间化合物。 中间相的分类 n正常价化合物(Valence Compoud)：电负性控制，符 合原子价规律 n电子化合物(Electron Compound)：电子浓度控制，电 子浓度与晶体结构有关 n尺寸因素化合物(Size-Factor Compound)：间隙相， 间隙化合物，r41%结构简单， r0.59,如硼化物与硅化物(Cr,Mn,Fe,Al的 碳化物),则会形成复杂的结构 (1) 间隙相 n结合一般是共价键和金属键，一般可用简单 化学式表示，并且一定化学式对应一定的晶 体结构。 具有极高硬度和熔点 ，多数具有金属性， 是合金工具钢及硬质 合金中的强化相。 (2) 间隙化合物 Fe3C 种类多，结 构复杂。 熔点和硬度 均比间隙相 略低，是钢 中最常见的 强化相。 4. 拓扑密堆相(Topologically Close- Packed Phase) n拓扑学形成空间利用率很高配位数大的一类结 构。利用两种尺寸不同原子的配合，尽是成四 面体堆垛(为主)。密堆结构配位数很高，都大 于12，可为14、15、16。 n拓扑密堆结构可用配位多面体来描述：原子为 中心，周围原子用直线连接构成的多面体。多 面体的面为三角形，称为三角形配位多面体， 如此类推 拓扑密堆相(Topologically Close- Packed Phase) 配位多面体的几何特性 n拓扑结构也可以看作层状结构，主要原子层通常 由较小的原子所组成。具有一定的形状，常常包 含有六角形、四角形和三角形的图案。次层由大 原子组成并分布于主层的大空隙中。 n拓扑密堆结构相通常有下面几种：拉弗斯(Laves) 相、 相、R相和P相。 nLaves：MgZn2型结构,MgCu2结构,MgNi2相 MgCu2 每个单胞： 16个Cu原子 8个Mg原子 相 n相比较稳定，引起钢中脆性，特别在不锈钢中 合金相结构总结 合金相 固溶体 中间相/ 金属间 化合物 置换固溶体 间隙固溶体 正常价化合物 电子化合物 间隙相与 间隙化合物 拓扑密堆相 n当二组元的电负性差别较大时，可能形成正常价化合 物。 n当电子浓度是控制因素，并达到21/12、21/13、 21/14时，可能形成电子化合物。 n当尺寸因素为主要因素时，还要看电子浓度因素与电 化学因素： 1.当二组元的原子半径差r41%，电负性相差较大，可能形成 间隙相。 4. r41%，电负性相差不大，可能形成 间隙固溶体。 合金相结构总结 由一种元素或化合物构成的晶体称为单组元晶体或 纯晶体，该体系称为单元系。 3.3 二元相图的建立 对于不含气相的凝聚体系，相律可写成： 二元合金相图的基本知识 相图的物理意义 n二元相图通常用纵坐标表示温度，横坐标表示 成分 a.已知合金成分，根据相图找出不同温 度下合金所处的状态和相变点。 b.温度一定，合金所处的状态以及合金 随成分发生的相转变。 c.相图表明的是热力学的平衡状态。 d.相图并未表明各相的分布状态。如弥散度、晶 粒大小，与形状。 e.许多理论研究和实际生产工艺都是从相图出发 或以此为依据的。 f.不同温度时组织状态随成分而改变的规律-金 相分析的重要依据。 (新合金的研制-熔铸-加工-热处理工艺规范) 47 Phase Diagrams Indicate phases as a function of Temp, Comp and Pressure. Focus on: - binary systems: 2 components. - independent variables: T and C (P = 1 atm is almost always used). Cu-Ni system 2 phases: L (liquid) (FCC solid solution) 3 different phase fields: L L + wt% Ni 204060801000 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 T(C) L (liquid) (FCC solid solution) L + liquidus solidus 48 Changing T can change # of phases: path A to B. Changing Co can change # of phases: path B to D. Effect of Temperature V 原子间的结合能。) . 第七节 相图的热力学基础 2 化学位与相平衡条件 （1）化学位：偏摩尔吉布斯自由能。用 表示。 化学位的确定：在自由能成分曲线上，过成分点的切线与两纵 轴的交点。 （2）相平衡的条件：两组元在各相中的化学位分别相等。 A= A= 在自由能成分曲线上，表现为各曲线间有公切线。 . 第七节 相图的热力学基础 3 二元系自由能曲线与相图的关系 . 本章小结 二 元 相 图 包晶相图 共晶相图 匀晶相图 铁碳相图 应用：铸锭的 三种不均匀性 成因 如何消除或减弱 本章内容要点 1、合金、相、组织（显微） 2、二元匀晶、共晶、包晶相图、二元共晶、包晶、共析反 应 3、平衡结晶组织、伪共晶、离异共晶、晶内（枝晶）偏析 4、共晶体、共晶、亚（过）共晶合金 5、成分过冷、平衡分配系数k。 1. 会利用相律来判断相图的正确与否。 2. 会进行二元合金平衡组织的分析。 3. 利用杠杆定律计算：相组成物与组织组成物的百分含量。 4. 明确合金结晶过程与纯金属结晶过程的异同点。 5. 根据相图简单判断合金的性能。 3.10 三元相图 一、三元相图的成分表示法 二、杠杆定律及重心法则 三、匀晶三元相图 四、简单三元共晶相图 五、固态有限溶解的三元共晶相图 六、有包共晶反应的三元相图 七、 三元包晶相图 八、形成稳定化合物的三元相图 九、三元相图分析法总结 十、三元相图实例 必要性：工业材料为多元合金 本章主要内容： 1. 三元相图的表达方式，使用方法 2几种基本的三元相图立体模型 3各种等温截面，变温截面及各相区在浓 度三角形上的投影图 4典型合金的凝固过程及组织，各种相变过程及 相平衡关系。 一、三元相图的成分表示法 1浓度等边三角形： 三个顶点为纯组元，三条边为二元合金，三角形内任一点为三 元合金 一三元相图的成分表示法：等腰三角形 一三元相图的成分表示法：直角坐标系 3浓度三角形中特殊线： 3.1 平行浓度三角形任一边的直线 3.2 从浓度三角形的一个顶点到对边的任意直线 二、杠杆定律及重心法则 单相平衡勿须计算，四相平衡无从计算 1两相平衡：杠杆定律 共线法则：三元合金中两相平衡时合金 成分点与两平衡相成分点在浓度三角形 的同一直线上 杠杆定律表达式 %=EO/DE100%， =OD/DE100% 注意：当一个合金O在液相的凝固 过程中，析出相成分不变时，液 相成分一定沿相成分点与O点 连线延长线变化。 2三相平衡重心法则（重量三角形重心） x，y，z分别为，成分点，则 %=oa/ax100%，=ob/by100%， %=oc/cz100% 三、匀晶三元相图 1 立体模型 液相区，固相区，液、固两相区 匀晶三元相图-合金凝固过程及组织 a.平衡凝固 b.蝶形法则：如图 匀晶合金凝固中相成分变化 ，凝固中固、液相成分沿固 相面、液相面呈曲线变化，每一个温度下的固、液相成分连线在浓度三角形 中投影呈蝴蝶状 3匀晶三元系的等温截面 匀晶三元系两相区中的共轭线，等温截面中两相区平 衡两相的成分连线 共轭线的确定：实验确定，测定两平衡相中任一相的一 个组元含量 等温截面作用 匀晶三元系等温截面作用： 1.该温度下三元系中各合金的相态 2杠杆定律计算平衡相的相对量 3反映液相面、固相面走向和坡度，确定熔点 、凝固点 匀晶三元系变温截面：某合金不同温度下状 态分析合金的相变过程 四、简单三元共晶相图 1立体模型： 简单三元共晶相图模型 3个初晶液相面，3条单变量线或二元共晶线， 一个三 元共晶点, 三相区开始面，结束面， 各相区在浓度三角形上的投影图 简单三元共晶中共晶点 3.二元共晶成分的确定 F4-14 二元共晶成分的确定 共晶成分在变化，切线法确定 简单三元共晶结晶过程 如图x合金LA，LA+B，LA+B+C 2 合金的凝固过程和组织 简单三元共晶 4 简单三元共晶的等温截面 二相区：共轭线，三相区：三角形，三个顶点代表成分点 5简单三元共晶的变温截面：平行于浓度三角形一边的 变温截面cd ，合金x的结晶过程：LB，LA+B， LA+B+C， 练习：分析p-f之间合金的结晶过程 简单三元共晶的变温截面：通过顶点的变温截面 ，注意：不能用杠杆定律，F4-17中A1g1 非四相平衡 五、固态有限溶解的三元共晶相图 1 固态有限溶解三元共晶立体模型 三个液相面，三个固溶体相面，一个三元共晶固相面 三个二元共晶完毕固相面， 三组二元共晶开始面 固态有限溶解的三元共晶相图 固态有限溶解三元共晶三组六个固溶度面 ： 三条同析线及构成的一个同析台 固态有限溶解三元共晶各相区在浓度三角形上的投影图 固态有限溶解的三元共晶凝固过程 2固态有限溶解三元共晶合金的凝固过程和组织 合金IV L，L+， 合金VI：L，L + ， L+ 同析反应 固态有限溶解三元共晶合金的凝固过程和 组织 2 3 4 3固态有限溶解三元共晶合金的等温截面 4固态有限溶解三元共晶合金的变温截面 xy变温截面 x1：L+，L+ x2：L，L+ x3：L，L+，L+ x4：L，L+， x5：L，L+， nOP变温截面 n六、有包共晶反应的三元相图 1立体模型 包共晶反应 L+AM+C 4个液相面 5条单变量线 三相平衡反应开始面与结束面 （二元共晶结束与四相面重合） 二元包晶反应开始面，结束面 2个水平面，2个四相平衡点 2合金的凝固过程和组织 各点合金的组织 如表4-3（表中nmp区需修正） 如合金I：LA 剩余液相交np于n1：L+AM 至n2点，A消失，LM 液相沿e1E：LM+B 液相成分在E点：LM+B+C 3等温截面 4。变温截面 x合金结晶： LA，L+AM，LM，LM+C，LM+B+C y合金结晶： LA，L+AM，L+AM+C，LM+C，LM+B+C 5固相有固溶度时的包共晶 包共晶：L+PMd1+c1 包晶反应 LEMd2+b+c2 d1d2，c2c1为M+二元共晶结 束面投影 x合金凝固过程： L， 液相与np接触，L+M， 至P点LP+aMd1+c1，消失 多余液相发生LM+结束 七、有三元包晶反应 的三元相图 1空间模型（可以与有固溶度三元共晶比较） 三个液相面 三个单相固相面 一个三元包晶 反应水平面 一组二元共晶 开始、结束面 两组二元包晶 反应开始、结束面 六个单相固度面 七、 三元包晶相图 三元包晶 由二元相图推断 三元包晶相图 三元包晶相图： 浓度三角形的上投影图 八、形成稳定化合物的三元相图 1形成一个稳定二元化合物的三元相图 特殊截面 2.形成一个稳定三元化合物的三元相图及简化 3.形成几个稳定化合物的三元相图及简化 两种划分法：CX及BY , 正确的划分：检查W的成分 九、三元相图分析法总结-两相平衡-等温截面-成 分变化：蝶形规则，共轭线：可用杠杆定律 三元相图分析法总结-两相平衡之变温截面- 判定转变温度范围和相转变过程，不能用杠杆定律。 2三元相图分析法总结-三相平衡-等温截 面：直边三角形，三顶点为相成分点，可用重心法则 三元相图分析 法总结- 三相平衡变温 截面： 曲边三角形 或多边形 三元相图分析法总结-三相平衡-三相反应的判 定