第二章二元合金的相结构与相图

1、第二章,二元合金相图及结晶,主要内容,合金、相图等相关概念，以及合金的类型,三种基本相图、及其平衡结晶过程分析，形成,合金的显微组织及杠杆定律,合金的结晶过程,思考,第二章,二元合金的相结构与相图,1,纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差,如何改善,2,合金的结晶过程是否与纯金属的结晶过程相,同,3,相同成分不同含量的合金的结晶过程是否相,同？怎样表示,第二章,二元合金的相结构与相图,第二章,二元合金的相结构与相图,基本概念,二元合金相图,合金,由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元,素，也可以是非金属元素）组成的有,金属特征,的金属,材料,思考,金属与非金属组成的是不是一定就是合金,Fe

2、 + C,Fe(C,合金（钢,Fe,3,C,化合物,2.1,基本概念,组元,组成合金独立的最基本单元,组元可以是,元素,或是,稳定化合物,Fe(C,合金,Fe,C,组元,Fe,Fe,3,C,组元,类比,鸡蛋,水，蛋白质，脂肪，胆固醇,2.1,基本概念,相,具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化,的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是,两个不同的相,类比,鸡蛋,蛋白、蛋黄,工业纯铁,单相铁素体,共析碳钢,铁素体相、渗碳体相,普通陶瓷,晶相、玻璃相、气相,2.1,基本概念,组织,用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图,像的统称（宏观组织、微观组织）。组织是影响,材料性能的重要因素

3、,相是组织的基本组成部分,相同的相，但当组成相的数量、大小,形态和分布不同时，其组织也不同,不同的相构成不同的组织,2.1,基本概念,固溶体,溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相,称为,固溶体,固体溶液,均一的、保持熔剂金属的晶体结构,晶格常数发生一定变化,1,晶体结构特点,2.1,基本概念,2,固溶体的分类,按溶质原子所占据的位置,置换固溶体,溶质原子一般为半径相差不大的原子,间隙固溶体,溶质原子半径小的非金属原子,H,O,N,C,B,2.1,基本概念,按固态溶解度分,有限固溶体,间隙固溶体只能是有限固溶体,无限固溶体,无限固溶体只能是置换固溶体,形成无限固溶体的必备条件,置换固溶体,组元点阵

4、相同,原子尺寸相差不大,负电性相同,按溶质原子在晶格中的分布状态分,有序固溶体、无序固溶体,2.1,基本概念,3,固溶体的性能,固溶强化,固溶体的强度、硬度随溶质原子浓度升,高而明显增加，塑性、韧性稍有下降，这种现象称,为,金属材料重要的,强化,方式之一，固溶体具有良好的,综合机械性能（强硬度、塑韧性的综合），一般作,为合金的,基体相,2.1,基本概念,正常晶格,大原子置换引起的晶格畸变,小原子置换引起的晶格畸变,间隙原子引起的晶格畸变,2.1,基本概念,金属间化合物,两组元形成合金时，当超过固溶体,的溶解极限时，形成的一种晶体结构不同于任一,组元的新相，称为,金属间化合物,也称,中间相,晶体

5、结构不同于任一组元金属,性能不同于任一组元金属,一般具有较高的熔点、硬度，较大的脆性,1,特点,正常价化合物,电子化合物,间隙相和间隙化合物,2,分类,2.1,基本概念,返回,2.2,二元合金相图,相图,是表明合金系中各种合金相的平衡条件和,相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或,状态图。是合金体系中材料的状态与温度、成分间,关系的简明图解,平衡,是指在一定条件下合金系中参与相变过,程的各相的成分和质量分数不再变化所达到一种,状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变,合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般,可以认为是平衡的结晶过程,2.2.1,相图的建立,2.2.2,相图的使用,2

6、.2.3,典型相图分析,2.2.4,性能与相图的关系,2.2,二元合金相图,成分,温,度,表象点,2.2.1,相图的建立,2.2.1,相图的建立,时间,温,度,温,度,成分,热分析法建立,Cu-Ni,相图,固相线,液相线,Cu,Ni,Ni,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,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,2.2.1,相图的建立,返回,由相图某成分合金在某温度时的相,由相图确定给定合金的相变温度,由相图某成分合金在某温度时的两个平,衡相的成分和相对质量,杠杆定律,2.

7、2.2,相图的使用,2.2.2,相图的使用,2.2.2,相图的使用,设合金的质量为,Q,合金,其中,Ni,质量分数为,b,在,T1,温,度时,L,相中的,Ni,质量分数为,a,相中的,Ni,质量分数为,c,2.2.2,相图的使用,合金中含,Ni,的总质量,L,相中含,Ni,的质量,相中含,Ni,的质量,因为,所以,化简后得,质量分数,2.2.2,相图的使用,返回,1,匀晶相图,2,共晶相图,3,包晶相图,4,共析相图,2.2.3,典型相图分析,Cu,Ni,Ni,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,L,L,匀晶相

8、图,a,b,c,d,T,C,t,L,L,L,匀晶转变,L,冷却曲线,Cu,Ni,Ni,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,L,L,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,匀晶合金的结晶过程,匀晶相图,3,固溶体的不平衡结晶,1,工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较,快，在每一温度下不能保持足够的扩散时,间，使凝固过程偏离平衡条件，称为非平,衡凝固,结晶,2,非平衡凝固,结晶,得到的组织称为不平衡,组织,匀晶相图,固溶体结晶时成分是变化的,固相线和液相线），如冷却较快,原

9、子扩散不能充分进行，则会形成成分不均匀的固溶体。固溶体一般都,以枝晶状方式结晶，使得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,枝晶偏析的合金对合金的力学性能影响较大。容易导致合金塑性韧性,下降；易引起晶间腐蚀，降低合金的抗蚀性能,消除枝晶偏析的方法采用,扩散退火,匀晶相图,匀晶相图,偏析实例,通过对非平衡凝固分析得到如下结论,1,固相、液相的平均成分分别与固相线、液相线不同，有,一定的偏离（固相成分按平均成分线变化），其偏离程,度与冷却速度有关。冷却速度越大，其偏离程度越严重,冷却速度越

10、小，偏离程度越小，越接近于平衡条件,2,先结晶部分含有较多的高熔点组元,Ni,后结晶部分含,有较多的低熔点组元,Cu,3,非平衡结晶条件下，凝固的终结温度低于平衡结晶时的,终止温度,返回,匀晶相图,共晶相图,共晶相图,液相组元无限互溶，固相组元有限溶,解的合金系，当溶质超出固溶体溶解极限时，冷,却过程中发生共晶转变，这类合金构成的相图称,为共晶相图,从一个液相中同时析出两个固相,L,Pb,Sn,Sn,T,C,液相线,L,固相线,L,L,固溶线,固溶线,共晶相图,A,B,E,M,N,F,G,共晶相图简介,共晶相图,Pb,Sn,T,C,L,L,L,共晶反应线,表示从,M,点到,N,点,范围的合金，

11、在,该温度上都要发,生不同程度上的,共晶反应,c,e,共晶点,表示,E,点成分的合,金冷却到此温度,上发生完全的共,晶转变,d,L,E,M,N,A,B,E,M,N,F,G,Pb,Sn,T,C,L,L,L,183,c,e,d,1,共晶转变在恒温,下进行,2,转变结果是从一,种液相中结晶出,两个不同的固相,3,存在一个确定的,共晶点。在该点,凝固温度最低,4,成分在共晶线范,围的合金都要经,历共晶转变,共晶转变要点须知,共晶相图,f,g,X,1,T,C,t,L,L,L,L,冷却曲线,1,2,3,4,Pb,Sn,T,C,L,L,L,183,c,e,d,共晶相图结晶过程分析（,共晶相图,T,C,t,L

12、,L,L,L,冷却曲线,1,没有共晶反应过程,而是经过匀晶反应形成,单相,固相,2,要经过二次析出反,应，室温,组织组成,物,为,组织组成物,组织中，由一定的相构成,的，具有一定形态特征的组成,部分,共晶相图,X,2,T,C,t,L,L,L,L,共晶体,冷却曲线,Pb,Sn,T,C,L,L,L,183,c,e,d,共晶相图结晶过程分析（,共晶相图,共晶相图,X,3,T,C,t,L,L,1,2,Pb,Sn,T,C,L,L,L,183,c,e,d,L,共晶相图结晶过程分析（,共晶相图,共晶相图,返回,标注了组织组成物的相图,共晶相图,包晶相图,包晶相图,液相组元无限互溶，固相组元有限溶,解的合金系

13、，当溶质超出固溶体溶解极限时，冷,却过程中发生包晶转变，这类合金构成的相图称,为包晶相图,一种液相与一种固相反应生成另一种固相的,转变过程称为包晶转变,L,Pt,Ag,T,C,L,L,L,c,e,d,f,g,包晶相图简介,A,B,C,P,三个单相区,L,三个两相区,L,L,一个三相区,PDC,D,E,F,包晶相图,包晶转变,L,C,P,D,Pt,Ag,Ag,T,C,L,L,L,c,e,f,g,T,C,t,L,L,L,A,B,C,P,D,E,F,包晶相图,返回,包晶相图,共析转变,共析体,A,B,T,C,c,e,d,L,L,返回,共析相图,1,合金的使用性能与相图的关系,组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度,越高,固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关。溶质的溶,入量越多，晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高,电阻越大。两相组织合金的力学性能和物理性能与成分,呈直线关系变化,2.2.4,性能与相图的关系,2,合金的工艺性能与相图的关系,铸造性能,液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成,分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔,共晶合金熔点低，且恒温转变，熔液流动性好，凝固后,容易形成集中缩孔，合金致密。固溶体合金的流动性差,且液固相线间隔越大，结晶温度范围大，树枝晶易粗大,妨碍流动性，导致分散缩孔多，合金不致密，且偏析严重,易形成成分的偏析,锻造、轧制性能,