第四节-合金的结构与相图.ppt

合金 一种金属元素同另一种或几种其它元素 通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金 组元 组成合金的独立的 最基本的单元叫做组元 组元可以是金属 非金属元素或稳定化合物 由两个组元组成的合金称为二元合金 例如工程上常用的铁碳合金 铜镍合金 铝铜合金等 二元以上的合金称多元合金 有关合金的基本概念 合金相 相 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 如果合金仅由一个相组成 称为单相合金 如果合金由二个或二个以上的不同相所构成则称为多相合金 固态合金中的相结构 的铜锌合金的组织由 相单相组成 含38 的铜锌合金的组织由 和 液态物质为液相 固态物质为固相 相与相之间的转变称为相变 在固态下 物质可以是单相的 也可以是由多相组成的 由数量 形态 大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织 组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌 由不同组织构成的材料具有不同的性能 合金中有两类基本相 固溶体和金属化合物 1 固溶体 指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相 这类固相称为固溶体 习惯以 表示 与合金晶体结构相同的元素称溶剂 其它元素称溶质 固溶体是合金的重要组成相 实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金 特征 总是以一种金属元素为溶剂 另一种或多种元素为溶质 保有溶剂的晶格结构 成分可在一定范围内变化 性能随成分的变化而变化 产生晶格畸变 一 固溶体的结构与分类 按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体 置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体 呈有序分布的称有序固溶体 黄铜置换固溶体组织 间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体 形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素 如C N B等 而溶剂元素一般是过渡族元素 形成间隙固溶体的一般规律为r质 r剂 0 59 间隙固溶体都是无序固溶体 固溶体类型 根据溶质元素在固溶体中的溶解度 可把固溶体分为 有限固溶体 溶质元素在固溶体中的溶解度有一定限制 100 无限固溶体 溶质在溶剂可以任何比例形成置换固溶体 溶质元素在固溶体中的溶解度没有有限制 只有在溶质与溶剂元素间形成置换固溶体时 才有可能形成无限固溶体 而对于间隙固溶体 则只能形成有限固溶体 如铜和锌 铜和锡都能形成有限固溶体 1 晶体结构 一般情况下 晶格结构相同的元素之间具有较大的溶解度 而晶格结构不同的元素之间溶解度较小 影响固溶体结构形式和溶解度的因素 2 原子大小 当二者差别较小时 即溶剂与溶质的原子直径相近 易形成置换固溶体 且二者的尺寸差别越小 所形成的固溶体的溶解度越大 当尺寸差别小于某一数值时 而且溶质与溶剂的晶格结构也相同 将形成无限固溶体 如铁和铬 铜和镍便能形成无限固溶体 而当原子尺寸差别大于15 时 不大可能形成置换固溶体 溶质的原子比溶剂原子大 将周围溶剂原子将向四周挤出 在固溶体的晶格结构中引起正畸变 溶质的原子比溶剂原子小 周围溶剂原子将向溶质原子靠拢 在固溶体的晶格结构中引起负畸变 因为原子尺寸差别较大时 形成固溶体所造成的晶格畸变 无论是正畸变还是负畸变 较大 晶格畸变能也较大 固溶体晶格结构的稳定性较差 同样 形成间隙固溶体时 只能引起固溶体晶格产生正畸变 显然 溶质原子的尺寸越小 溶剂晶格的间隙尺寸越大 形成间隙固溶体时所造成的晶格畸变和畸变能越小 间隙固溶体越容易形成 其溶解度也就越大 反之 不易形成间隙固溶体 当溶质原子尺寸较大时 完全不能形成间隙固溶体 3 负电性负电性是指原子从其他原子夺取电子变为负离子的能力 当两种元素在周期表中的位置相距越远 其负电性相差越大 它们之间的化学亲和力越强 越倾向于形成化合物 而不利于形成固溶体 所形成的固溶体的溶解度也越小 4 电子浓度 合金中 价电子数目e与原子数目a之比 称为电子浓度e a 当溶质原子对固溶体贡献的价电子数与溶剂不同时 随着溶质原子的进入 将使固溶体晶格中的电子浓度以及电子云结构发生变化 显然溶质原子所占的比率越高 固溶体晶格的电子浓度改变越大 达到一定程度时 固溶体晶格就不稳定 易形成新的相 因此 固溶体只能稳定在一定的电子浓度范围内 如对于溶剂为1价金属的固溶体 若固溶体具有面心立方晶格 则极限电子浓度值为1 36 若固溶体具有体心立方晶格 则极限电子浓度值为1 48 5 温度 固溶体的溶解度受温度的影响较大 一般温度越高 固溶体的溶解度越大 如 奥氏体在727 能溶解0 77 的碳 而在1148 则能溶解2 11 的碳 四 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 随着溶质元素含量的升高 固溶体的性能发生明显变化 表现在强度 硬度升高 塑性 韧性有所下降 固溶强化 固溶强化的机理 溶质原子溶入后 引起溶剂金属的晶格畸变 使位错运动受到阻碍 固溶强化是材料的一种主要的强化途径 实践表明 适当掌握固溶体中的溶质含量 可以在提高金属材料的强度 硬度的同时 使其仍能保持相当好的塑性和韧性 例如 向铜中加入19 镍 可使合金的强度极限由220MN m2升高至380 400MN m2 硬度由HB44升高至HB70 而塑性仍然保持 50 若将铜通过其它途径 例如冷变形时的加工硬化 获得同样的强化效果 其塑性将几乎完全丧失 二 金属间化合物 合金组元之间发生化学反应 形成晶体结构不同于任一组元的新相 称为化合物 如 Fe3C CuZn Cu5Sn FeS MnS等金属间化合物一般化合物 离子键 金属键 金属间化合物可以作为合金的组成相 强化相 而非金属化合物在合金中大多属于有害杂质 如FeS在钢中引起热脆 合金中 溶质含量超过固溶体的溶解度时将出现新相 如新相的晶格结构与合金中另一组成元素相同 则新相是以另一组元素为溶剂的固溶体 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 属于化合物 1 金属间化合物的组织与性能特点 金属间化合物具有复杂的晶格结构 熔点高 硬而脆 其在合金中的分布形态对合金的性能影响很大 当金属间化和物以大块状或成片状形态分布时 合金的强度 塑性均很差 当金属间化合物呈弥散状质点分布时 合金的强度高 塑性 韧性较好 2 金属间化合物的种类 a 正常价化合物 服从原子价规律 负电性因素起主要作用 这类化合物成份固定 可用化学式表示 不能形成化合物基固溶体 具有很高的硬度和脆性 如 Mg2Si Mg2Sn Mg2Pb等 b 电子化合物 不遵守原子价规律 而服从电子浓度规律 即当合金的电子浓度达到某一数值时 便形成具有某种结构的化合物 一般 电子浓度 3 2 21 14 形成体心立方晶格的 相电子浓度 21 13 形成复杂立方晶格的 相电子浓度 7 4 21 12 形成密排六方晶格的 相 但电子浓度不是决定电子化合物结构的唯一因素 组成元素的原子大小及其电化学性质 对其结构也有影响 电子化合物的成分不是固定的 而在一定范围内变化 电子化合物可以溶解一定量的组元 形成以电子化合物为基的固溶体 电子化合物晶格中各组成元素的原子间多呈无序分布 但有些合金电子化合物自高温冷却到某一温度以下时 将转变为有序分布 电子化合物的熔点和硬度都很高 但塑性很差 因此与正常价化合物一样 一般只能作为强化相存在于合金中 C 间隙化合物 由原子直径较大的过渡族元素与原子直径很小的C N B等元素组成 过渡族元素的原子占据晶格的正常位置 尺寸较小的非金属元素原子有规则地嵌入晶格空隙中 形成间隙化合物 间隙相 简单晶格结构 当非金属元素原子与过渡族金属元素原子直径的比值 d非 d过 0 59时 形成的间隙化合物具有比较简单的晶格结构 成为间隙相 间隙相本身能溶解其组成元素而形成以间隙项为基的固溶体 故其化学成分可在一定范围内变动 如TiC Ti2C如 W2C VC TiC MoC TiN VN等 间隙化合物 复杂晶格结构 当 d非 d过 0 59时 形成的间隙化合物一般具有复杂的晶格结构 称为间隙化合物 如 Fe3C dC dFe 0 61 正交晶格Fe3C称渗碳体 是钢中重要组成相 具有复杂斜方晶格 渗碳体 Fe3C 晶格结构示意图 间隙相VC的结构 二元合金相图的建立 一 基本概念1 相图 合金系的温度 成分图 表示合金系中各个合金的结晶过程的平衡图 或状态图 2 相平衡 在合金系中 参与结晶或相变过程的各相之间的相对重量和相的浓度不再改变时所达到的一种平衡状态 3 相变 一种相转变为其它相的过程 相图中的线条 相线 表示相转变温度和平衡相的成分 被相线所划分的区域称为相区 图3 9Pb Sn相图 根据合金相图 1 看到不同成分的合金在室温下的平衡组织 2 可以了解它从高温液态以极缓慢冷却速度冷却到室温所经历的各种相变过程 3 能预测其性能的变化规律 相图已成为研究合金中各种组织形成和变化规律的重要工具 二 二元合金相图的建立方法 临界点 合金从一种相态转变为另一种相态的起始温度 物理意义相同的临界点连接起来就构成相线 所以相图的建立就是测定不同成分合金的临界点 临界点的测定是通过实验进行的 常用的方法有热分析法 X射线分析法 金相组织法 硬度法 电阻法 热膨胀法 磁性法等 1 配制不同成分的合金 精确测定一个相图常需要选用几种方法相互配合 取长补短 热分析法是常用的方法 它是通过测定合金的冷却曲线来测定临界点 具体步骤如下 2 分别测出其中合金的冷却曲线 得到相变临界点3 将临界点对应地绘在成分 温度图上4 将同类临界点连接起来 即可绘出该合金系的相图 Cu Ni A B L L 温度 k tx 1 1 2 2 3 3 4 4 Cu Ni合金相图 杠杆定理 Pb Sn a b c d e f g L L L Pb Sn合金相图 分析二元合金相图时应注意以下规律 1 相图中的每一点都代表某一成分的合金在某一温度下所处的状态 也称为表象点 2 单相区中 相的成分即是合金的成分 3 两个单相区之间一定存在着一个两相过渡区 在两相过渡区中 两相处于平衡状态 两相的成分可以由通过表象点的水平线与两相区的边界线的交点来决定 两相的相对质量可用杠杆定律计算 4 二元合金相图中 三相平衡共存 表现为一水平线 QL Q kx x k 与力学中的杠杆定律完全类似 于是 也即 二 杠杆定律的适用范围 二元平衡相图两相平衡区 注意 杠杆定律不能用于三相平衡区 二元匀晶相图 当两组元在液相和固相均无限互溶时 构成的合金系相图为二元匀晶相图 属于此类的合金系有 Cu Ni Cu Au Au Ag Fe Ni W Mo Ti Zr Bi Sb等 二元匀晶合金结晶过程分析 液相区 一定成分的合金 液 固两相区 固相区 二元共晶相图 当合金的二组元在液态时无限互溶 在固态时有限互溶 且发生共晶反应 此合金系的相图为二元共晶相图 属于此类相图的合金系有 Pb Sn Al Si Al Sn Au Pt等 Pb Sn a b c d e f g L L L 亚共晶合金 共晶合金 过共晶合金 I II III Pb Sn合金相图 一 相图分析 合金系有两种有限固溶体 以Pb为溶剂 以Sn为溶质的 固溶体 以Sn为溶剂 以Pb为溶质的 固溶体 ced水平线 共晶反应线 发生恒温反应Le c d 注意 在共晶线ced上属于三相平衡区 该合金系有两类合金 固溶体合金共晶型合金 c点以左 d点以右的合金属于固溶体型合金 cd之间的合金为共晶型合金 其中 e点以左为亚共晶合金 e点以右为过共晶合金 e点合金为共晶合金 二元包晶合金相图 当合金的二组元在液态时无限互溶 在固态时有限互溶 形成有限固溶体且发生包晶反应 此合金系的相图为二元包晶相图 属于此类相图的合金系有 Pt Ag Ag Sn Al Pt Sn Sb Cu Zn Cu Sn等 一 相图分析 aeb 液相线 acdb 固相线 cf 固溶体的溶解度曲线 dg 固溶体的溶解度曲线 cde 包晶反应线 c Le d 恒温 二 典型合金的结晶过程分析