金属工艺学资料

1、 什么是合金？ 合金是通过什么方法获得？工业中为什么要大量熔炼合金， 以及合金与纯金属在性能上有什么特点？ 名称名称用途用途性能性能 纯金属 十分广泛，比如说各种导电 体、传热器、以及许多装饰 品、各种器皿、防护层等。 大多是由纯铜、纯铝以及金、 银、铂等纯金属制成。约 79种。 导电性、导热性、化学稳定性以及美丽的 金属光泽等等。强度、硬度、耐磨性、等 机械性能都比较差，不适合各种机械性能 要求高的各种机械零件和工模具等。 合金 目前人们配制的合金的应用 要比纯金属广泛得多。合金 种类上万种。 配制时可以显著改变金属材料的结构、组 织和性能。强度、硬度、耐磨性、等机械 性能都比纯金属高很多，

2、具有纯金属的导 电性、导热性、化学稳定性以及美丽的金 属光泽等等性能。 第三节第三节 合金的晶体结构合金的晶体结构 一、基本概念 1、合金 是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属 组成的具有金属特性的物质。 2、组元 组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简 称为元。一般来说，组元就是组成合金的元素。 例：碳钢是铁和碳组成的合金，黄铜是铜与锌的合金。 例：铜和锌就是黄铜的组元。 3、合金系 合金系是指有相同的组元，而成分比例不同的一系列合金。 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。 3.4 3.4 合金的晶体结构合金的晶体结构 4、相 是指合金中成分、结构均相

3、同的组成部分，相与相之 间具有明显的界面。液态物质为液相，固态物质为固相。 5、组织 组织是指金相显微镜下观察到的材料的微观形貌特征。 例：纯铁在1538C以上时为均匀的液相L 合金中的各种相是组成合金的基本单元，而合金组织 则是合金中各种相的综和体。 一种合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取 决于它的显微组织。 金属通过热处理可以在不改变化学成分的前提下获得 不同的组织，从而获得不同的力学性能。 3.4 3.4 合金的晶体结构合金的晶体结构 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。 基本概念

4、 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） 单相单相 合金合金 两相两相 合金合金 3.4 3.4 合金的晶体结构合金的晶体结构 根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，合金的 晶体结构可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三种类 型。 二、合金晶体结构的类型 1、固溶体 合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀 相，称为固溶体。 形成固溶体后，晶格保持不变的组元称溶剂，晶格 消失的组元称溶质。 固溶体的晶格类型与溶剂组元相同。 固溶体分为置换固溶

5、体和间隙固溶体两种： 置换固溶体 溶质原子代替溶剂原子占据溶剂晶格中的某些结点位置而 形成的固溶体，称为置换固溶体，如图所示。 u按溶质溶解度不同，置换固溶体又可分为有限固溶体和无 限固溶体。 3.4 3.4 合金的晶体结构合金的晶体结构 间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体称 为间隙固溶体，如图所示。 u由于溶剂晶格的间隙有限，所以间隙固溶体只能是有 限溶解溶质原子。 3.4 3.4 合金的晶体结构合金的晶体结构 固溶体的性能 由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗 力增大，使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。 它是强化金属材料的重要途径之一。 3.4 3.

6、4 合金的晶体结构合金的晶体结构 2、金属化合物 金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的 一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任一组元， 又因它具有一定的金属性质，故称金属化合物。 3.4 3.4 合金的晶体结构合金的晶体结构 如碳钢中的Fe3C。 金属化合物的特点： 金属化合物具有复杂的 晶体结构，熔点较高，硬度 高，而脆性大。当它呈细小 颗粒均匀分布在固溶体基体 上时，将使合金的强度、硬 度及耐磨性明显提高，这一 现象称为弥散强化。因此金 属化合物在合金中常作为强 化相存在。它是许多合金钢、 有色金属和硬质合金的重要 组成相。 3.4 3.4 合金的晶体结构合金的晶体结构 FeFe3

7、3C C的晶体结构的晶体结构 共晶转变 从一定化学成分的液体合金中同时结晶出两种不同固 相的机械混合物，则该转变过程称为共晶转变。 共析转变 在固态下由一种单相固溶体同时析出两种不同固相的 机械混合物，则该转变过程称为共析转变。 3.5 3.5 合金的结晶合金的结晶 3.6 3.6 金属铸锭的组织结构金属铸锭的组织结构 铸件：铸造后不再经塑性加工的产品。 铸锭：铸造后还要经塑性加工的产品。 金属铸锭呈现三个不同外形的晶粒区，即表面细 晶粒区、柱状晶粒区和等轴晶粒区。 3.4 3.4 合金的晶体结构合金的晶体结构 一、表面细晶粒区（外壳层） 浇铸时，由于激冷，使过冷度增大，模壁凹凸不平，促进形核

8、， 在极短的时间内形成大量的晶核，组织致密，但很薄。细晶粒区 的成分均匀，强度高，韧性好。 二、柱状晶粒区（垂直于铸锭表面） 随着细晶粒区的形成，使过冷度减小，形核率降低，且散热出现了 方向性，故长成垂至于模壁方向的平行的柱状晶体。该晶区，晶粒 相互平行，性能出现了方向性。而且在柱状晶区交界处出现了性能 的脆弱面。 三、中心等轴晶粒区 由于柱状晶区的形成，散热无方向性,并且形核率降低，从而生长 成粗等轴晶区。该晶区晶粒粗大,组织疏松，力学性能较差。 第四节 二元合金相图的建立 1.建立相图的意义及几个名词的涵义 n建立相图的意义建立相图的意义 分析某一成分的合金在某一温度下会形成什么样的组分析

9、某一成分的合金在某一温度下会形成什么样的组 织。织。 n名词的涵义名词的涵义 n组元：组元：组成合金中最简单、最基本、能够独立存在的物质。组成合金中最简单、最基本、能够独立存在的物质。 n合金系：合金系：有两个或者两个以上组元按不同比例配制成的一有两个或者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。系列不同成分的合金。 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。 2.二元合金相图的建立 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

10、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。 名称A金属B金属 晶格类型bccbcc 熔点高低 合金1100%0% 合金290%10% 合金380%20% . 合金920%80% 合金1010%90% 合金110%100% 配制若干组不同成分的ui合金 时间 温度 90 705030AB 温度 A 温度 B 温度 a b ab: : 液相线液相线 ab : : 固相线固相线 L L + S

11、S L : : 液相区液相区 S : : 固相区固相区 L+S: :液固共存区液固共存区 AB 温度 相图的建立 TL TS Tn bac AB a b L S 温度 匀晶相图匀晶相图 L+S 同类同类： Cu-Ni、 Cu-Au、Au-Ag、 Fe-Cr 等等 . . . . 匀晶相图匀晶相图 I：纯铜；：纯铜；II：75%Cu+25%Ni III：50%Cu+50%Ni IV： 25%Cu+75%Ni V：纯纯Ni ui相图相图 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。 二二元匀晶相图 匀晶转变（匀

12、晶反应）：这种从液相中结晶出单 一固相的转变。 铜铜- -镍合金匀晶相图镍合金匀晶相图 Cu Ni Ni% TC 20406080 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 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。 相图分析及合金结晶过程 Cu Ni Ni% TC 20406080 100 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1083 1455 L L+ a b c d TC t L L L 匀晶转变 L

13、 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 什么是合金？ 合金是通过什么方法获得？工业中为什么要大量熔炼合金， 以及合金与纯金属在性能上有什么特点？ 名称名称用途用途性能性能 纯金属 十分广泛，比如说各种导电 体、传热器、以及许多装饰 品、各种器皿、防护层等。 大多是由

14、纯铜、纯铝以及金、 银、铂等纯金属制成。约 79种。 导电性、导热性、化学稳定性以及美丽的 金属光泽等等。强度、硬度、耐磨性、等 机械性能都比较差，不适合各种机械性能 要求高的各种机械零件和工模具等。 合金 目前人们配制的合金的应用 要比纯金属广泛得多。合金 种类上万种。 配制时可以显著改变金属材料的结构、组 织和性能。强度、硬度、耐磨性、等机械 性能都比纯金属高很多，具有纯金属的导 电性、导热性、化学稳定性以及美丽的金 属光泽等等性能。 合金中的各种相是组成合金的基本单元，而合金组织 则是合金中各种相的综和体。 一种合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取 决于它的显微组织。 金属通过热处

15、理可以在不改变化学成分的前提下获得 不同的组织，从而获得不同的力学性能。 3.4 3.4 合金的晶体结构合金的晶体结构 2.二元合金相图的建立 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。 TL TS Tn bac AB a b L S 温度 匀晶相图匀晶相图 L