工程材料学 第2章.ppt

1 第2章 合金的相结构与二元合金相图 2 2 1固态合金中的相结构 合金 由两种或以上金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质 组元 组成合金的独立的最基本的单元 一般是一种元素或一种稳定的化合物 相 具有相同化学成分 相同晶体结构和相同的物理或化学性能 并与该合金系统其它部分有明显分界的均匀组成部分 组织 用显微镜观察到的材料的微观形貌 3 组织 相1 Ni 相2 Cu 10Sn 明显的分界 合金组元1 Cu组元2 Sn 图片出自 胥橙庭 沈以赴 顾冬冬 稀有金属材料与工程 2005 34 341 344 4 按照合金中组元原子的存在方式 合金可分为两类基本的相结构 固溶体和金属间化合物 1 固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A B A 溶剂 B 溶质 5 固溶体的分类 无序固溶体 有序固溶体 分布有序度 无限固溶体 有限固溶体 溶解度 原子半径较小 间隙固溶体 晶格类型相同 原子半径相差不大 电化学性质相近 置换固溶体 溶质原子的位置 6 置换固溶体示意图 间隙固溶体示意图 7 固溶强化由于溶质原子溶入溶剂晶格中产生晶格畸变 以及对位错的钉扎作用 阻碍了位错的运动 而造成材料强度 硬度升高 塑性和韧性没有明显降低 溶质原子溶入 晶格畸变 位错运动阻力上升 金属塑性变形困难 强度 硬度升高 形成固溶体时的晶格畸变 8 图片出自 W P Tong N R Tao Z B Wang J Lu K Lu NitridingIronatLowerTemperatures SCIENCE299 2003 686 688 固溶强化SCIENCE 纳米化表层 10 m Fe N2 Fe2 3N相 颗粒 固溶强化 9 2 金属间化合物金属间化合物是合金组元相互作用而形成的具有金属特性 而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物 中间相 两组元有一定比例 可用化学式AmBn表示 特点 金属间化合物一般有较高的熔点 较高的硬度和较大的脆性 合金中出现化合物时 可提高强度 硬度和耐磨性 但降低塑性 10 正常价化合物周期表上相距较远 电化学性质相差较大的两元素容易形成正常价化合物 其特点是符合一般化合物的原子价规律 成分固定 并可用化学式表示 如Mg2Pb Mg2Sn Mg2Si MnS SiC等 正常价化合物具有高的硬度和脆性 当其在合金中弥散分布于固溶体基体中时 将起到强化相的作用 使合金强化 11 SiC particulatereinforcedAlmetalmatrixcomposite MMC Ni P SiC Co P SiC 图片出自 EwaRudnik Surf CoatTechnol 202 2008 2584 12 电子化合物电子化合物是由第 族或过渡族元素与第 至第 族元素结合而成的 它们不遵循原子价规律 而服从电子浓度规律 电子浓度是指合金中化合物的价电子数目与原子数目的比值 电子化合物具有高的熔点和硬度 但塑性较低 一般只能作为强化相存在于合金 特别是有色金属合金 中 电子化合物的结构取决于电子浓度 当电子浓度为3 2时 晶体结构为体心立方晶格 称为 相 电子浓度为21 13时 晶体结构为复杂立方晶格 称为 相 电子浓度为7 4时 晶体结构为密排六方晶格 称为 相 Epsilon 13 14 间隙化合物间隙化合物是由过渡族金属元素与碳 氮 氢 硼等原子半径较小的非金属元素形成的金属化合物 根据组成元素原子半径比值及结构特征的不同 可将间隙化合物分为两类 15 A 间隙相 r非 r金 0 59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物 如 M4X Fe4N M2X Fe2N W2C MX TiC VC TiN 等 VC面心立方晶格 V原子占据晶格正常位置 而C原子规则分布在晶格的空隙之中 这类化合物还可相互溶解 结构相同的两种化合物之间甚至可以形成无限互溶 如ZrC TiC TiC VC ZrC NbC 16 间隙相具有极高的熔点 硬度和脆性 而且十分稳定 是高合金工具钢的重要组成相 也是硬质合金和高温金属陶瓷材料的重要组成相 抛光WC 断口WC 抛光WC 1VC 断口WC 1VC 抛光WC 4VC 抛光WC 12VC 图片出自 S G Huang Int J RefractoryMetalHardMater 26 2008 256 17 纯Ti表面合成TiC ZrC涂层 图片出自 D Ferro Surf CoatTechnol 202 2008 1455 18 B 具有复杂结构的间隙化合物当0 7 r非 r金 0 59时形成复杂结构间隙化合物 如FeB Fe3C Cr23C6等 其中Fe3C称渗碳体 是钢中重要强化相 具有复杂斜方晶格 Fe3C的晶格 19 钢中常见间隙化合物的硬度及熔点 20 2 2二元合金相图的建立 组元 组成合金的独立的最基本的单元 一般是一种元素 如Pb Sn合金中的Pb和Sn 或一种稳定的化合物 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 如Pb Sn系 Fe Fe3C系 相图 用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图 2 2 1名词涵义 21 相图上所表示的组织都是在非常缓慢冷却的条件下获得的 都是接近平衡状态的组织 也称为平衡图 相图是用图解的方法表示合金系中各种合金状态与温度和成分之间关系 也称为状态图 Cu Ni相图 相图的意义 分析合金组织的重要参考资料 制定热加工工艺的重要依据 Cu Sn相图 22 本科学习的相图理论 管用 再先进的制备及加工工艺 背后隐藏的基本机理 也许还要回归到经典理论 给我印象最深刻Metall Mater Trans B的一句评审意见 Theauthorsarerecommendedtouserelevantphasediagramstoexplaintheirresults Thiswouldbeusefulevenifthelasersinteredmaterialsarenotinequilibrium 23 现代激光加工工艺中涉及的冶金机理 借助传统合金相图作合理解释 24 相图用纵坐标表示温度变化 横坐标表示成分变化 一般采用热分析法 原理是凝固时释放凝固潜热 以Cu Ni合金为例 说明热分析法建立相图的步骤 1 配制不同成分的Cu Ni合金 2 将合金熔化后 测定它们的冷却曲线 并找出曲线上临界点 即转折点和停歇点 3 将上述数据引入相应成分的温度 成分坐标图中 4 将物理意义相同的临界点连成曲线 即得Cu Ni合金相图 2 2 2相图的建立 25 纯铜 75 Cu 25 Ni 50 Cu 50 Ni 25 Cu 75 Ni 纯Ni 金属和合金在冷却到该温度时发生了冷却速度的突然改变 原因 金属和合金在结晶 相变 时有结晶潜热释放 抵消了部分或全部热量的散失 结晶开始 结晶中了 26 2 3 1匀晶相图分析两组元在液态和固态下均能以任何比例相互溶解 冷却时发生匀晶转变的合金系的相图是匀晶相图 2 3匀晶相图 Cu Ni合金匀晶相图 点 A B 线 液相线固相线 区 L L 27 2 3 2合金的平衡结晶过程以 点成分的Cu Ni合金 Ni的质量分数为40 为例分析结晶过程 匀晶结晶特点 固溶体结晶是在一个温度区间内进行 即为一个变温结晶过程 在两相区内 温度一定时 两相的成分 即Ni含量 是确定的 先结晶出的固溶体和后结晶出的固溶体成分不同 平衡结晶条件下 可通过原子扩散使成分均匀化 最终获得与原合金成分相同的单相 固溶体 与纯金属一样 固溶体从液相中结晶出来的过程中 包括有生核与长大两个过程 但固溶体更趋向于树枝状长大 28 2 3 3杠杆定律及应用 匀晶相图合金的结晶过程 QL Qa 29 QL ab Qa bc 杠杆定律 杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点 而支点为合金的成分点 杠杆定律与力学比喻 QL Qa 30 证明 Q合金 其中Ni含量b T1温度时 L相中Ni质量分数a a相中Ni质量分数c Q0 b QL a Qa c 又因为Q0 QL Qa所以 QL Qa b QL a Qa c Q0合金总质量 QL液相质量 Qa固相质量 31 由杠杆定律可算出T1时液相和固相在合金中质量分数 运用杠杆定律时注意 它只适用于相图中的两相区 并且只能在平衡状态下使用 杠杆定律的应用 确定某一温度下两平衡相的成分 确定某一温度下两平衡相的相对量 32 实际金属的结晶主要以树枝状长大 这是由于当冷却速度较大 特别是存在有杂质时 晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度 形成负温度梯度 且晶核棱角处的散热条件好 生长快 先形成一次轴 一次轴又会产生二次轴 树枝间最后被填充 2 3 4非平衡结晶与固溶强化 33 树枝状结晶 34 固溶体结晶时成分是变化的 如果冷却较快 原子扩散不能充分进行 则形成成分不均匀的固溶体 一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多 后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多 结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均 这种现象称为枝晶偏析 消除枝晶偏析的方法采用扩散退火 或均匀化退火 性能不均匀 成分不均匀 组织不均匀 富Ni区 富Cu区 35 匀晶相图与固溶强化有限溶解的两组元匀晶反应 随温度下降 两组元溶解度也会下降 通过原子扩散 使溶质组元从溶剂组元中析出 但若冷速较快 原子扩散受抑制 溶质组元析出来不及完成 室温可获得高浓度溶质组元合金 破坏了成分平衡 引起溶剂晶格较大畸变 使合金强度上升 塑性 韧性下降 产生固溶强化 36 2 4二元共晶相图 2 4 1相图分析Pb Sn合金相图 这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应 所生成的两相混合物叫共晶体 水平线ced为共晶反应线 37 组元 Pb Sn 相 L 是Sn在Pb中的有限固溶体 是Pb在Sn中的有限固溶体 点 线 a b c d e液相线 aeb固相线 acedb共晶反应线 ced 在共晶温度发生共晶反应 转变过程中是三相 L 共存 溶解度线 cf Sn在Pb中的溶解度线 或称 相的固溶线 固溶体中Sn的溶解度极限曲线 dg Pb在Sn中溶解度线 或称 相的固溶线 固溶体中Pb的溶解度极限曲线 共晶相图 两组元液态时彼此无限互溶 固态下彼此部分固溶 并发生共晶转变的合金系形成的相图 38 相区 三个单相区 L 是有限固溶体 三个双相区 L L 三相区 L 共晶点 共晶体 共晶反应产生共晶体 39 1 合金IV的平衡结晶过程 温度降低 固溶体溶解度下降 从固态 相中析出富Sn的 相称为二次 常写作 这种二次结晶可表示为 由于固溶体中溶解度的减少而析出另一固相的反应叫二次析出反应或脱溶过程 2 4 2典型合金的结晶过程 01234 匀晶 不变 析出 富Sn的 相在冷却过程中 当超过其固溶度时 会析出低Sn的 相 40 室温组织 II 合金IV冷却曲线及结晶过程 二次相通常沿初生相的晶界析出 也可在晶内沿缺陷处析出 41 运用杠杆定律 两相的质量分数 合金IV室温组织由 和 两相组成 42 共晶合金 Le c d合金室温组织全部为共晶体 即只含一种组织组成物 即共晶体 而其组成相仍为 和 两相 2 合金I的平衡结晶过程 43 共晶合金组织的形态 机械混合物 两相交替分布 黑色片层为富Pb的 相 白色基体为富Sn的 相 室温时 合金的室温组织为共晶体 即只含一种组织组成物 其组成相仍为 和 相 共晶转变温度时 相组成物 共晶转变温度以下 共晶体中 和 二次结晶 从 中析出 II 从 中析出 II 成分由c f 成分由d g 两种相的相对重量依杠杆定律变化 II和 II同 和 相连在一起 共晶体形态和成分不发生变化 44 亚共晶合金 结晶过程分三个阶段 即匀晶反应 共晶反应 二次结晶反应 L 初 L 初 c d 初 II 共晶组织中二次相的析出忽略 合金室温组织 初生 合金组成相 和 3 合金II的平衡结晶过程 45 Pb Sn亚共晶组织 黑色斑状组织 三维形态为粗大树枝晶 为初生相 共晶组织 二次相 46 室温下 组成相 质量分数 47 组织组成物质量分数 在共晶温度时 48 室温下初生 次生相 与初生相 成分和结构完全相同 是同一种相 但形貌特征 分布完全不同 属于两种组织 49 位于共晶点e点右侧和d点以左的合金称为过共晶合金 4 合金III的平衡结晶过程 过共晶合金 合金III结晶过程与合金II相似 只是匀晶产物为初晶 二次结晶产物为 室温组织为 50 组织标注相图 填写组织组成物的Pb Sn相图 51 2 4 3时效强化 当次生相以细小粒状形式分布在较软的固溶体基体上时 由于次生相对位错运动的阻碍作用 使材料的强度提高的现象称沉淀强化 由于固溶处理时抑制了过饱和固溶体的析出过程 形成溶质原子富集区 引起固溶体畸变 使位错运动受到阻碍 从而提高了强度 随时间的延长作用强化效果进一步提高 所以称为时效强化 T 固溶体的溶解度 脱溶转变 析出沉淀相T 固溶体的溶解度 次生相来不及析出 过饱和固溶体 冷却速率足够缓慢 快冷 固溶处理 52 2 5其他二元相图 2 5 1二元共析相图 在二元合金中 若合金冷却到固态时 还能发生由一个固相同时分解形成两个新的固相 这种相图叫共析相图 此两相混合物称为共析体 与共晶反应不同点 1 共析反应是固态反应 原子的扩散困难 组织更细 2 因母相与子相的比容不同 反应后易引起较大的内应力 53 具有共析反应的二元合金相图 54 2 5 2包晶反应的合金相图 Pt Ag合金相图 包晶L 55 匀晶L 共晶L 共析 包晶L 56 二元合金两相平衡时 两相成分均随温度而变化 其具体数值可由恒温水平线与两相区相界线的交点来确定 温度变化时 两平衡相成分也分别沿两条相界线相应变化 二元相图的三相平衡区是一条水平线 它与三个单相区均以点接触 从三个单相区的相互位置 可以判断三相平衡的性质 分析复杂相图时 首先要弄清单相区 然后找出三相区 三相点 再弄清