合金的晶体结构与相图.ppt

第一节合金的晶体结构第二节合金的结晶第三节二元合金相图第四节合金的性能与相图之间的关系,第三章合金的晶体结构与相图(P28),第一节合金的晶体结构,一基本概念,1合金：是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以全部是金属，也可是金属与非金属。2组元：组成合金的最基本的、独立的物质。可以是化学元素，或者是稳定的化合物,如Fe3C。根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。,一基本概念,3合金系：有若干给定组元按不同比例配出一系列成分不同的合金，这一系列合金构成的一个合金系统。如黄铜是铜与锌组成的二元合金系。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。,4相：是指金属或合金中凡化学成分相同、晶体结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。液态物质为液相，固态物质为固相。,第一节合金的晶体结构,合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。,一基本概念,5.显微组织：实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。（组织反映材料的相组成，相形态，大小和分布状况，因此组织是决定材料最终性能的关键）,二合金的相结构,合金的相结构：是指合金组织中相的晶体结构。（不同的相原子排列方式是不同的）,根据组元相互作用不同，固态合金的相结构可分为三大类：1.固溶体2.金属化合物3.机械混合物,第一节合金的晶体结构,1.固溶体,固溶体：合金组元通过溶解（液态和固态都相互溶解）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。溶剂：与固溶体晶格相同的组元，一般在合金中含量较多。溶质：以原子状态分布在溶剂晶格中，一般含量较少。,二合金的相结构,置换固溶体：溶剂晶格结点上的部分原子被溶质原子所取代的固溶体。,间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体。,1.固溶体,固溶体的分类：（1）根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置不同，可将固溶体分为置换固溶体与间隙固溶体两种。,（2）按溶解度分：固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。溶解度：溶质原子溶于固溶体中的量，通常用质量百分数或原子百分数表示。若溶质可以任意比例溶入，即溶质溶解度可达100%，则固溶体为无限固溶体，如铁和铬铜和镍等。间隙固溶体都是有限固溶体。,（3）按分布的有序度分：固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。溶质原子有规则分布的为有序固溶体，无规则分布的为无序固溶体。,1.固溶体,固溶体的性能：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。,固溶强化：通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属强度和硬度提高的现象。,固溶强化是金属强化的一种重要形式，在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度而塑性和韧性没有明显降低。,1.固溶体,对于钢铁材料来说，固溶强化的作用只是其强化途径的一种，有一定的局限性，对于有色金属材料来说，固溶强化是行之有效的强化手段。,固溶体类型,2.金属化合物,金属化合物：是合金各组元原子按一定整数比形成的具有金属性质的一种新相。结构特点：具有原子整数倍的关系，可用分子式表示：如Fe3C。,溶剂A+溶质B=Cbccfcccph,例如：3Fe+C=Fe3C体心六方复杂结构HB80380050%0%0%,渗碳体（Fe3C）晶格结构示意图,2.金属化合物,Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。,2.金属化合物,金属化合物主要类型：（1）正常价化合物（normalcompounds）按化合价规律形成，如，Mg2Si。（2）电子价化合物（electroncompounds）按电子浓度规律形成，如，Cu3Al。（3）间隙化合物（interstitialcompounds）过渡金属+小半径非金属元素。间隙相r非/r金0.59，如：WC、TiC、VC。复杂结构的间隙化合物r非/r金0.59如，Fe3C、Cr23C6间隙化合物熔点高、硬度高，脆性大。,金属化合物主要性能：（1）具有一定程度的金属性质（2）具有较高的熔点（3）硬度较高（4）脆性高,2.金属化合物,3.机械混合物,机械混合物：纯金属，固溶体，金属化合物均是组成合金的基本相，有两相或两相以上组成的多相组织。,性能：1）介于各组成相性能之间，各组成相晶格类型和性能不变。2）和单一固溶体合金相比，强度硬度高，但塑性可锻性低。,第二节合金的结晶,一合金结晶的过程及形成物,2结晶过程：晶核的形成及长大3结晶条件：过冷4合金结晶的形成物：单相固溶体；单相金属化合物；两相混合物（共晶体）；单相固溶体（或单相化合物）+两相混合物（共晶体）。,1合金结晶与纯金属结晶的区别：纯金属结晶：在恒温下进行，只有一个相变点（临界点）。合金结晶：在一个温度范围内进行，结晶开始和结晶终止温度不同，绝大多数合金结晶时有两个相变点（临界点）。,二合金结晶的冷却曲线,热分析法,二合金结晶的冷却曲线,TC,t,L,L,L,冷却曲线,L,组元在液态下完全互溶，固态下完全互溶，结晶形成单相固溶体的合金冷却曲线。,特点：有两个相变点，无结晶平台，形成单相固溶体。,c,b,L,(+),L,L,L(+)共晶体,冷却曲线,(+),二合金结晶的冷却曲线,组元在液态下完全互溶，固态下完全不互溶或部分互溶，结晶形成单相化合物或同时结晶出两相共晶体的合金冷却曲线。,a,a,特点：结晶过程与纯金属相似，只有一个相变点，反应在恒温下进行，形成共晶体。,TC,t,L,L+,(+)+,a,b,(+)+,b,二合金结晶的冷却曲线,组元在液态下完全互溶，固态下部分互溶，结晶开始形成单相固溶体后，剩余液体又同时结晶出两相共晶体的合金冷却曲线。,特点：结晶有两个相变点（a，b），b点合金具有共晶成分，所以反应在恒温下进行，形成共晶体。,冷却曲线,二合金结晶的冷却曲线,组元在液态下完全互溶，固态下部分互溶，结晶开始形成单相固溶体后，剩余液体又同时结晶出两相共晶体的合金冷却曲线。,特点：结晶有两个相变点（a，b），b点合金具有共晶成分，所以反应在恒温下进行，形成共晶体。,第三节二元合金相图,相图：用来表示合金系中各个合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。,一二元合金相图的建立,目前，合金相图主要是通过实验测定的，且测定合金相图的方法很多，但应用最多的是热分析法。,一二元合金相图的建立,以ui合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤：配制若干组不同成分的ui合金用热分析法分别测出每种成分的合金冷却曲线找出各冷却曲线上的相变临界点以横坐标表示合金成分，纵坐标表示温度，将合金相变临界点分别标在坐标图上相应的合金成分线上。将相同意义的点连成光滑曲线，再根据热分析结果，填上相区，即得二元合金相图。,相图上所表示的组织都是在十分缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。,相图的建立,一二元合金相图的建立,相图的建立,a,b,ab:液相线,ab:固相线,L,L+S,S,L:液相区,S:固相区,L+S:液固共存区,相图的建立,匀晶相图,L+S,同类：Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Cr等,相图的建立,匀晶相图,I：纯铜；II：75%Cu+25%NiIII：50%Cu+50%NiIV：25%Cu+75%NiV：纯Ni,ui相图,二基本相图,二元匀晶相图二元共晶相图二元包晶相图形成稳定化合物的相图具有共析转变的相图合金的性能与相图的关系,二元相图的基本类型分析：,匀晶相图：是指合金组元在液、固两相下均能无限互溶，结晶时只结晶出单相固溶体组织的合金相图。如Au-Ag、Ni-Cu等二元合金系。,二元匀晶相图,二基本相图,匀晶转变（匀晶反应）：这种从液相中结晶出单一固相的转变。,铜-镍合金匀晶相图,1083,1455,L,L+,纯铜熔点,纯镍熔点,液相线,固相线,液相区,固相区,固液两相区,匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。,二元匀晶相图,（）相图分析及合金结晶过程,TC,t,L,L,L,匀晶转变L,冷却曲线,在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是不相同的，其变化规律是沿着固相线变化。与此同时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化。,随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。,当液态金属自高温冷却到t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。,（）相图分析及合金结晶过程,二元匀晶相图,成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时,固溶体的成分又变回到合金成分3上来。液固相线不仅是相区分界线,也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。,二元匀晶相图,合金结晶过程,（）枝晶偏析：,二元匀晶相图,这种在一个晶粒内化学成分不均匀的现象，叫晶内偏析。因为金属通常以枝晶方式结晶，先形成的主干和后形成的支干就会有化学成分之差，所以也称枝晶偏析。,由于生产实际中，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条件下进行的，这使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，合金的熔点较高，构成晶体的树枝状骨架，后结晶出的部分含高熔点组元较少，熔点较低，填充于枝间。,（）枝晶偏析：,消除枝晶偏析的措施：,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。,均匀化退火（扩散退火）:把有枝晶偏析的合金放在低于固相线100200的温度下进行较长时间的加热，通过原子的相互扩散而使成分趋于均匀。,平衡组织,枝晶偏析组织,Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织,（）枝晶偏析,（3）二元相图中的杠杆定律,杠杆定律处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对质量。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成,分垂线。在成分垂线相交于温度t的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。,确定两平衡相的相对质量：设合金的总质量为1，液相质量为QL，固相质量为Q。,则QL+Q=1QLx1+Qx2=x解方程组得：,式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。,（3）二元相图中的杠杆定律,因此两相在合金x中的相对质量分数分别为：,两相的质量比为：,或：Q=1-QL,比,上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的质量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。例（如图）,（3）二元相图中的杠杆定律,（3）二元相图中的杠杆定律,课堂练习：求30%Ni合金在1280C时相的相对量,a,c,a1,b1,c1,解：作成分线和温度线如图：,66,18,根据杠杆定律：Q=a1b1/a1c1=12/48=1/4,答：所求合金在1280时相的相对质量为1/4。,30,1083,1455,1280C,L+,L,课堂练习：,将20kg纯铜和30kg纯镍熔化后慢冷至T1温度，求各相的质量以及各相中Ni的质量？,(1)两相的化学成分：,wL(Ni)=50%w(Ni)=80%,(2)两相的质量比：,QL/Q=(80-60)/(60-50)=2,(3)各相的质量分数：,w(L)=2/(2+1)=2/3w()=1/3,(4)各相的质量：,QL=502/3=33.3（kg)Q=50-33.3=16.7（kg),w(Ni)=30/(20+30)=60%,共晶相图：两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶或不溶解,并发生共晶反应时所构成的相图。,2二元共晶相图,共晶转变（共晶反应）：一定化学成分的合金在一定的温度下（恒温），同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相。,以PbSn相图为例进行分析。,2二元共晶相图,Pb,Sn,Sn%,TC,铅-锡合金共晶相图,液相线,L,固相线,+,L+,L+,固溶线,固溶线,（1）相图分析,2二元共晶相图,PbSn合金相图及成分线,相：相图中有L、三种相,是溶质Sn在Pb中的固溶体，是溶质Pb在Sn中的固溶体。相区：相图中有三个单相区：L、；三个两相区：L+、L+、+；一个三相区：即水平线CED。,（1）相图分析,固溶线:溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF、DG线分别为Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶线。固溶体的溶解度随温度降低而下降。共晶线：水平线CED叫做共晶线。,液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点。,在共晶线对应的温度下（183），E点成分的合金同时结晶出C点成分的固溶体和D点成分的固溶体，形成这两个相的机械混合物：LE(C+D),恒温,2二元共晶相图,（1）相图分析,共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。,Pb-Sn共晶组织,（1）相图分析,具有共晶点成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共,晶点以右的合金称过共晶合金。凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。,（1）相图分析,含Sn量小于C点合金(合金)的结晶过程：在3点以前为匀晶转变，结晶出单相固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。,合金的结晶过程,温度降到3点以下，固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相，以表示。形成二次相的过程称二次析出,是固态相变的一种。,含Sn量小于C点合金(合金)的结晶过程：,合金I的结晶过程：LL+II,PbSn合金相图,由于二次相析出温度较低，一般十分细小。,室温下的相对质量百分比为：,随温度下降，和相的成分分别沿CF线和DG线变化，的重量增加。,含Sn量小于C点合金(合金)的结晶过程：,合金室温组织为+（如左图），次生相和初生相虽然成分和结构完全相同，但形貌特征完全不同。,成分大于D点合金结晶过程与合金相似，室温组织为+。,液态合金冷却到E点时同时被Pb和Sn饱和,发生共晶反应：LE(C+D)。,共晶合金(合金)的结晶过程,析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。,共晶合金(合金)的结晶过程,共晶组织形态,层片状(Al-CuAl2定向凝固),条棒状(Sb-MnSb横截面),螺旋状（Zn-Mg）,Pb-Sn共晶组织,共晶合金(合金)的结晶过程,共晶组织形态,X2成分合金结晶过程分析（共晶合金）,X2,TC,t,L,(+),L,L,L(+)共晶体,冷却曲线,(+),在共晶转变过程中，L、三相共存,三个相的量在不断变化，但它们各自成分是固定的。共晶组织中的相称共晶相，共晶转变结束时，和相的相对质量百分比为：,共晶合金(合金)的结晶过程,共晶结束后，随温度下降，和的成分分别沿CF线和DG线变化，并从共晶中析出，从共晶中析出，由于共晶组织细，与共晶结合，与共晶结合，共晶合金的室温组织仍为(+)共晶体。,室温下两相的相对质量百分比是多少？,PbSn合金相图,Pb-Sn合金的结晶过程,合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到c点，液相成分变化到d点,此时两相的相对质量为：,亚共晶合金(合金)的结晶过程,在2点，具有d点成分的剩余液体发生共晶反应：,L(+)，转变为共晶组织,温度继续下降，将从一次和共晶中析出，从共晶中析出。其室温组织+(+)+。,合金III的结晶过程：LL+（+）+（+）+II,X3合金结晶过程分析（亚共晶合金）,X3,TC,t,L,L+,(+)+,1,2,(+)+,如何求室温下三种组织组成物的相对质量？,冷却曲线,与亚共晶合金相似，不同的是一次相为,二次相为室温组织为+(+)+。,过共晶合金（）合金的结晶过程,标注了组织组成物的相图,组织组成物：是指组成合金显微组织的独立部分。,和,和,共晶体(+)都是组织组成物。相与相之间的差别主要在结构和成分上。,标注了组织组成物的相图,组织组成物之间的差别主要在形态上。如、和共晶的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。,Pb-Sn亚共晶组织,组织组成物在相图上的标注,共晶相图的建立,3二元包晶相图,包晶相图：当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图。以Pt-Ag相图为例简要分析：,相图分析单相区：L、二相区：L+、L+、+三相区：（D点）L+（水平线PDC）,水平线PDC称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LC+DP。该反应是液相L包着固相,新相在L与的界面上形核，并向L和两个方向长大。,包晶转变（包晶反应）：在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应。,相图分析,包晶成分合金：匀晶包晶二次析出。室温组织为+II,合金的结晶过程,包晶转变：Ld+ce,Pt,Ag,Ag%,TC,铂-银合金包晶相图,L,+,L+,L+,c,e,d,f,g,TC,t,L,L+,L+,+,冷却曲线,PD成分合金：匀晶包晶二次析出。室温组织为+II+II,DC成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出室温组织为+II。,4、形成稳定化合物的二元相图,稳定化合物：指在熔化前不发生分解的化合物(如Mg-Si系的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C)。其成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单相区)。垂足是其,成分,顶点是其熔点,结晶过程同纯金属。分析这类相图时，可把稳定化合物当作纯组元看待，将相图分成几个部分进行分析.,5、具有共析反应的二元相图,共析相图,共析转变：(+)共析体,A,B,T,C,+,+,+,c,e,d,L+,L,共析反应(共析转变)：是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。,共析转变属于固态相变。最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:SP+Fe3C。,(奥氏体，铁素体，Fe3C渗碳体),5、