合金的结构与二元状态.ppt

第四章 合金的结构与 二元状态图,1 合金中的相结构,一、合金的基本概念 合金 :通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。 组元 :组成合金的最基本的、独立的物质称为组元 。 相：在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均称之为相 组织 ：在金属和合金中，在显微镜下能观察到的微观形貌、图象称为组织，它是由单相物质或多相物质组合成的，具有一定形态特征的聚合体 。,二、合金中的相结构 固溶体 ：在合金结晶时所形成的固相的晶格结构与合金的某一种组元的晶格结构相同。 化合物：形成合金的组元相互作用并且所形成合金的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新物质。,1. 固溶体,固溶体分类： 按溶质原子在溶剂点阵中的位置分: 置换固溶体、间隙固溶体 按溶解度分:无限固溶体、有限固溶体 按原子在点阵中排列的秩序性分: 无序固溶体、有序固溶体,1)置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。 影响固溶度的因素 原子尺寸因素：原子半径差越小，固溶度越大。 晶体结构因素：结构相同，溶解度大； 负电性因素(化学亲和力)：负电性差越大，溶解度小。（负电性差很大时，形成化合物） 电子浓度因素：电子浓度e/a越大，溶解度越小。 c=e/a=xu +(1-x)v（电子浓度：合金中两个组元的价电子总数和原子总数之比。）,2)间隙固溶体：原子半径小于0.1nm的非金属元素溶入到溶剂金属晶体点阵的间隙中形成的固溶体。 非金属元素：H, N, C , B, O 溶解度一般都很小，只能形成有限固溶体。,固溶体的性能,当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等，即固溶强化。,置换固溶体 间隙固溶体,固溶体成份与性能的关系,2. 金属间化合物,金属间化合物：在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将析出新相，若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质，称为化合物 力学性能：高硬度、高熔点、低塑性 类型： 正常价化合物：符合原子价规则的化合物，AmBn 电子化合物（电子相）：按照一定电子浓度值形成。 间隙化合物：受原子尺寸因素控制。,2 二元合金状态图,一. 相图的相关概念 组元：通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的物质称为组元。在所研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可称为组元，如Fe3C。 合金系:由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系。 相图:用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解，又称状态图或平衡图。相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。,二、二元合金状态图的建立,测定方法：最基本、最常用的方法是热分析法 首先配制一系列不同成分的CuNi合金； 用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线； 找出各冷却曲线上的相变点； 将各个合金的相变点分别标注在温度成分坐标图中相应的合金垂线上。 连接各相同意义的相变点，所得的线称为相界线，这样就得到CuNi合金相图,三、二元状态图的基本类型分析,二元匀晶相图 二元共晶相图 二元包晶相图 具有共析转变的相图,1083,1455,L,L+ ,纯铜熔点,纯镍熔点,液相线,固相线,液相区,固相区,液固两相区,1.二元匀晶相图,相图分析,平衡结晶,结晶过程分析,杠杆定律,不平衡结晶过程示意图,实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。扩散过程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡的条件下进行的。这使得先结晶出来的固溶体合金富含高熔点组元，构成晶体的树枝状骨架，后结晶出的部分富含低熔点组元较少，填充于枝间。这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析或称晶内偏析。 出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能和加工工艺性能变坏。 出现枝晶偏析后，可通过扩散退火予以消除。一般采用将铸件加热到低于固相线100200的温度，进行长时间保温，使偏析元素进行充分扩散，成分均匀化。,2.二元共晶相图,共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。,点：共晶点E，纯组元熔点， 线：液相线、固相线，共晶线，固溶线 区：3个单相区，3个两相区， 1个三相区（线） 合金类型：固溶体合金，共晶型合金(亚共晶，共晶，过共晶),结晶过程分析共晶合金,共晶组织金相图,片间距示意图,结晶过程分析亚共晶合金,结晶过程分析,相图的相组成物,相图的组织组成物,3. 二元包晶相图,包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变。,点：包晶点 线：包晶线 区：有3个单相区;3个两相区;一个三相共存点,4. 二元共析相图,3 相图与性能的关系,根据相图判断材料的力学和物理性能,溶质元素 晶格畸变 强度、硬度（ 浓度50%时最大 ） 硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。 HB = HB % + HB % 强度与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织细小、均匀细密，强度达最高值。）,根据相图判断材料的工艺性能,铸造性能：根据液固相线之间的距离X X越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差别大）； X越大，流动性越差（因为枝晶发达）； X越大，热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大）。 塑性加工性能：选择具有单相固溶体区的合金。 热处理性能：选择具有固态相变或固溶度变化的合金,1,组织与相的关系与区别 相是系统中结构相同,成分及性能均一的组成部分,相与相之间的有界面分开.从结构上讲,相是合金中的一种原子聚集状态,固相具有一定的晶格类型和性质. 组织一般是指用肉眼或显微镜观察到的具有某种形态特征的合金组成物,实质上它是一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体的总称. 97 因此,相构成了组织.合金的组织可以由单相固熔体或金属间化合物组成,也可由一个固熔体和一个金属间化合物或两个固熔体和两个金属间化合物等组成.就是由于这些相的相对数量,形状,尺寸和分布的不同,才形成了各种各样的组织. 如Pb-Sn共晶系合金,常温下只有和,而组织