第三章-二元合金及其相图..ppt

第三章二元合金及其相图，问题的提出：纯铁，45号钢，主要原因：纯铁强度： 250MPa45钢强度： 610MPa，45钢是两相F Fe3C (合金)，纯铁是一相F (纯金属)纯金属导电体，导热体(散热器)装饰品，工艺艺术品(化学力学性能差(b)，品种有限(约80种)，精制成本高，合金材料HB，b，数量数万种，生产成本低，8756； 被广泛开发利用。 1、合金金属元素中的一些其他元素，具有金属性，一些基本概念：2、成分合金中的各种元素的含量称为成分，3、群元是构成合金的最简单、最基本、可以独立存在的物质。 (例如纯元素) 4，合金系是两个以上元素以不同比例调制的一系列不同成分的合金。 3-1固体合金相的种类和特征为，合金： l冷却S结晶时，各区域间的成分、结构、相：金属或合金中具有相同的成分、相同的结构，与其他部分界面分开，均匀的构成部分称为相。 虽然不完全一致、相的概念、完全一致，但注意：多晶体虽然是单相，但相分为“固溶体”和“金属化合物”两种，组织：由相组成的是根据组成相的种类、相对数、晶粒形状、大小、分布形态等而具有不同形态特征的相的组合物。 一、固溶体、固溶体的晶格结构类型与溶剂金属元素的晶格相同。 定义：固体中，溶质原子以不同方法进入固体金属溶剂组晶格中形成的新相称为固溶体。 (1)、固溶体的结晶结构特征，(2)、固溶体的分类和特性，根据溶质原子在溶剂晶格中所占的位置，固溶体可分为两种。 固溶体间隙固溶体、1、置换式固溶体是指溶质原子置换了溶剂晶格节点上的溶剂原子的固溶体。 (原子直径接近时形成)，根据溶质原子的分布位置，无序固溶体和有序固溶体，(1)，无序固溶体：溶质原子在溶剂晶格中分布。 (多数)、(2)、秩序固溶体：溶质原子在溶剂晶格中的分布。 (数量少)，有规律，有不规则，2，间隙固溶体是溶质原子进入溶剂晶格间隙形成的固溶体。(原子的直径差异很大。 )间隙固溶体只能形成无序的固溶体，在一定的温度和压力下，溶质元素在固溶体中的最大溶解量与固溶体总量之比。 (三)、固溶体的溶解度及其影响因素、1、溶解度：溶解度在0100%之间可以任意变化的固溶体。 (1)，无限固溶体：取代式固溶体只在溶质与溶剂的原子尺寸差小，晶格类型相同的情况下发生。 条件：形成溶解度有限的固溶体。 (2)有限固溶体：可以形成取代式固溶体、无限固溶体。 间隙式固溶体只能形成有限固溶体，不能形成无限固溶体。 因为元素间原子的大小不同，溶质溶解的话溶剂的晶格就会变形。 由于间隙固溶体中的溶质原子都大于溶剂晶格的间隙尺寸，随着溶质原子的溶解量的增加，固溶体晶格产生严重的正应变，溶质原子溶解一定量后无法继续溶解，从而带来有限的溶解度，溶解度也不增大。 主要原因：间隙固溶体中的晶格应变、2、溶解度影响因素、组间晶格类型相同，溶解度大。 (1)晶体结构因子：对于置换固溶体，群元间晶格型相同是形成无限固溶体所必要的条件。 晶格种类不同，溶解度有限。 (2)原子尺寸因素：取代固溶体的晶格应变、原子尺寸差越小，溶解度越大。 差在一定程度上小的话，有形成无限固溶体的可能性。 差异大的话，只能形成有限的固溶体。 取代固溶体：溶质原子直径越小溶解度越大。间隙固溶体：元素原子从其他原子中夺走电子变成负离子的能力。 (3)电负性要因：电负性要因：溶质、溶剂的电负性越接近，溶解度越大。 越有利于无限固溶体的形成。 如果元素间电负性的差在某种程度上变大，则难以形成固溶体，有形成化合物的倾向。 使溶质元素溶解于溶剂金属中形成固溶体，使固溶体合金的强度、硬度上升的现象有：(4)、固溶强化、固溶强化。 溶质的溶解晶格应变变位运动阻力的增加金属塑性变形困难(抗力)高强度硬度(能量其他性能)。 1、固溶强化的原因：间隙式固溶体的晶格应变大-固溶强化效果显着。 2、固溶强化效果：化合物的合金元素间发生相互作用而形成的新相。 溶质含量溶解度时，新相、化合物被分类，金属化合物具有一定程度的金属键，具有金属特性，非金属化合物具有离子键，不具有金属特性，二、金属化合物具有相当大的金属键，具有一定程度的金属特性的化合物。 金属化合物：晶体结构复杂，熔点高，硬度高，脆性大。 一般仅用作强化相，金属化合物的晶格结构类型为任一元素(可以分子式大致表示)、(一)、金属化合物的结晶结构特征、(二)、金属化合物的特性、(三)、金属化合物的种类及其特征、常见的三种类型：正常价化合物、电子化合物、间隙化合物)、一、正常价化合物：一般的原子价通常，由强金属性的元素和非金属或类金属元素(IV、v、VI族等)形成. 例如，Mg2Si、Mg2SnMg2Pb原子结合力：以离子键、共价键为主要性能：具有高硬度和脆性。 2、电子化合物：遵循电子浓度规则(不遵循原子价规则)的电子浓度达到某一数值时，形成具有某一晶格结构的化合物。 电子浓度(Ce):是合金相中，元素贡献的价电子数之和与合金相的原子数之比。 例： CuZn电子浓度：统计结果： Ce=21/14为相，体心立方晶格。 Ce=21/13为相，是复杂的立方晶格。 Ce=21/12是相，六方晶格子密集排列。 (3)间隙化合物(主要原因是原子尺寸)由过渡族金属元素和原子半径小的碳、氮、硼等非金属元素形成。 间隙相： d非/d金0.59，根据原子直径比和结构特征可分为两种：三、固溶体与化合物的结晶结构不同，固溶体的晶格结构类型与溶剂组元的晶格相同。 化合物的晶格结构类型与任何元素组的晶格都不同。 3-2二元合金相图是表示合金系中合金的平衡条件下的各相的存在状态和温度、成分的关系的图解。 也被称为状态图或平衡图。 相图：在合金体系中，参与结晶和相变的各相间的相对重量和相的浓度不再变化时实现的平衡。相平衡：l合金s合金的单相、二相、多相、一、二元合金的结晶分析和相图的制作，最常用的热分析方法是以Cu-Ni合金为例进行说明，测定二元相图的步骤如下，所以相图和组织在非常缓慢的冷却条件下得到。 1、制备合金系统，溶解，2、测冷曲线决定临界点，3 .画出温度-成分坐标标定临界点，4 .具有相同意义的点的线是、时间、100%Cu、20%Ni、50%Ni、80%Ni， 100%Ni，温度1500，1400，1300 1200，Cu1030507090NiNi(%，1453，二元合金相图的基本类型是，(一)均匀相图：两组元由液态、固体一起无限相溶的二元合金系形成的相图。、(例如Cu-NiCu-AuAu-AgFe-Ni等)、a、b :纯组元素a、b的熔点液相线： acb固相线： adb的两个单相区： l、的一个二相区： L 、1、相图分析、2、平衡结晶过程分析，在某成分的合金处于二相平衡时的某温度下、三、二元相图杠杆定律、杠杆定律的推导：以合金总重量为1的液相与合金总重量之比QL； 固相和合金的总重量之比是Q。 方程： QL Q=1(1)QLX1 QX2=X(2)，方程：求解，线段比：x-x1q=34x2-x1，X2-XQL=1-Q=X2-X1，应用条件(在二相图中)，只在a、二相区两相必须处于平衡状态，可以用4、枝晶偏析、扩散退火或均匀化退火过程进行，即加热到固相线-100200，长时间保温使偏析充分扩散，成分变得均匀。 前后结晶化的树枝状结晶内的成分变得不均匀的现象。 (二)二元共晶相图：两组元素在液体中无限相溶，在固体中有限相溶，引起共晶转变的二元相图。(例如Pb-SnPb-SbAl-SiAg-Cu等)、1、相图分析、a、b :纯构成元素a、b的熔点。 液相线： acb固相线： adceb固溶线： df、eg二种固溶体：、三相区： l、三相区： (L )、(L )、( )三相区： L 三相线平衡水平线： dce、温度固定、三相成分固定，在相图中作为水平线表现。 共晶反应：在一定温度下，从一定成分的液相向一定不同的两个固相的转变同时结晶化，称为共晶转变(或共晶反应)。 反应式为Lc，tc，d e，反应特征：共晶转变产物称为共晶组织(体)。 c点是共晶点(共晶成分、共晶温度)、c成分的合金、dc间成分的合金、ce间成分的合金被称为共晶合金、亚共晶合金、过共晶合金。 2、典型合金的平衡结晶过程，1 )，共晶合金成分见c，图中的I合金。 二次相(二次相):溶解度减少，因此从现有的固相析出的新相的小结晶。 室温下的相：、； 室温下的组织： ( )共晶、室温下的相：相、相； 室温下的组织： ( )共晶、初、II、or初、II、2 )、亚共晶和过共晶合金、亚共晶： d、c点间的合金。 (图中II )过共晶： e、c点间的合金。 (图中III )、3 )、极限固溶体合金e的合金、室温下的相：相、相； 室温下的组织：初、II，特别是仅在共晶点(共晶温度、共晶成分)下发生共晶反应，但de水平线所包含的成分范围内的所有成分合金，在从液态向固体转变的过程中，在共晶温度下会发生共晶转变。 此时，液态合金的成分沿着液相线变成共晶成分。 对于具有共晶相图的Pb-Sn二元合金的典型平衡组织、共晶合金、亚共晶合金、过共晶合金、4、相和组织的概念，相：在金属或合金中都具有相同的成分、相同的结构，与其他部分界面分开，均匀的构成部分称为相。 组织：金属和合金的组织由相构成，根据组成相的种类、相对数、晶粒的形状、大小、分布形态等，是具有不同形态特征的相的组合物。 显微组织：用各种倍率的金相显微镜观察的金属和合金中的晶粒形状、大小、各组的分布形态等形态被称为显微组织或金相组织(简称金相)。 图3-22相构成不同组织的示意图，固溶体：、； 金属化合物：，5，杠杆定律的应用，1 )计算(f，g )成分范围内，任意成分二元合金室温下的相组合物的相对量(重量% )。图中，I合金室温下、两相适用杠杆定律，5、杠杆定律的适用，2 )计算亚共晶合金(或过共晶合金)室温下组织组合物的相对量(重量% )。 该合金室温下的组织组合物为：初II ( )，(三)二元包晶相图：两组元素在液体中无限相容，固体生成有限固溶体，发生包晶转变的相图称为包晶相图。 1、相图分析液相线： aeb固相线： acdbcf、dg线：分别是b组元素在固溶体和固溶体中的溶解度曲线。 包晶线：水平线cde； d是包晶点。 包晶转变：在一定温度，成分一定的固相和包围它的液相相互作用，成分变化为一定新固相的转变称为包晶转变(或包晶反应)。 反应式： Le cd，td，相图中，l三相区域： L ，L ， ，2，典型合金的平衡结晶和组织，1)I合金(d点成分)室温相组合物：，室温组织组合物： II，2)II合金(c，d间)室温相组合物：， 室温组织组合物：iiii 3)III合金室温相组合物：室温组织组合物：，(4)其他类型的二元相图、1、形成稳定化合物的二元相图、稳定化合物：熔融前既不发生分解也不发生化学反应的化合物称为稳定化合物。 稳定化合物可以视为该合金中的一种构成元素。 通常，它们具有严格的分量，固定了熔点，并且在相位图中可以用垂线来表示。 的双曲馀弦值。 2、二元共析相图、高温形成的固溶体冷却到一定温度后，固溶体发生变化，形成两种成分一定不同的新固相。 这个相图称为二元共析相图。 共析转移：在一定温度下，成分一定的固相相同的情况下，2个成分一定而析出不同的新固相的转移称为共析转移(或共析反应)。CDe :，时间，温度，l，l，1，2，1，2，3，3，共析转变图像(五)二元合金相图的小节，1，2个单相区只能邻接一点，不能邻接一条线，3，三相平衡共存两个单相区之间一定有这两个单相构成的二相区。 第三节合金的性能与相图的关系，第一、合金的机械性能，物理性能与相图的关系，单相固体的情况下，其性能取决于溶剂本身的性能和溶质的类型和溶解量。 1、合金形成单相固溶体时，由于(1)成分与强度、硬度的关系，固溶体的强度和硬度随溶质原子含量的增加而增加。 在50%时达到最大值，然后下降。 (2)成分和电性能的关系随着溶质含量的增加，电阻率上升，达到最大值时下降，电阻温度系数相反。 t=0(1t)-电阻温度系数。 2、合金形成二相混合物时，二相混合：与二相自身的性能有关，特别是与二相的形态和分布有关。 分散硬化：从固溶体析出的二次相以微细粒子均匀、分散分布在基体中，提高合金强度、硬度的现象。 二、合金的工艺