合金的晶体结构与相图

1、机械工程材料机械工程材料及热加工及热加工 合金的晶体结构与相图合金的晶体结构与相图上一章关键词上一章关键词v晶体晶体vBCC，FCC，CPHv多晶体结构多晶体结构v空位，间隙原子空位，间隙原子v位错，位错密度及曲线位错，位错密度及曲线v冷却曲线，过冷度冷却曲线，过冷度v纯金属的平台结晶（恒温结晶）纯金属的平台结晶（恒温结晶）v细晶强化细晶强化v同素异晶转变同素异晶转变v扩散扩散要点：本章是学习铁碳合金的准备知识要点：本章是学习铁碳合金的准备知识同纯金属的晶体结构相对应，搞清楚合金的同纯金属的晶体结构相对应，搞清楚合金的相结构；相结构；1同分析纯金属结晶过程的方法相对应，同分析纯金属结晶过程的方

2、法相对应，搞清楚分析合金结晶过程的方法即相图搞清楚分析合金结晶过程的方法即相图分析法。匀晶相图和共晶相图。分析法。匀晶相图和共晶相图。23.1 3.1 合金的晶体结构合金的晶体结构 3.1.1 3.1.1 基本概念基本概念v1. 合金合金：一种金属元素同另一种或几种其它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。成的具有金属特性的物质。v2. 组元组元：组成合金的独立的、最基本单元。组成合金的独立的、最基本单元。 组元可以是金属、非金属或稳定化合物。组元可以是金属、非金属或稳定化合物。 由两个组元组成的合金称

3、为二元合金。由两个组元组成的合金称为二元合金。v3. 合金系合金系：由若干给定组元按不同比例配出的一由若干给定组元按不同比例配出的一系列成份不同的合金，这一系列合金构成一个合系列成份不同的合金，这一系列合金构成一个合金系统，简称合金系。金系统，简称合金系。 例如，黄铜是铜和锌组成的二元合金系，铁和例如，黄铜是铜和锌组成的二元合金系，铁和碳组成的一系列不同成份的合金，称为铁碳合碳组成的一系列不同成份的合金，称为铁碳合金系。金系。v4. 相相：在金属或合金中，凡化学成分相在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。分开的均匀组

4、成部分。v5. （显微）（显微）组织组织：指用肉眼或显微镜指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。所观察到的材料的微观形貌。由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。（相的呈现）金的组织。（相的呈现）相 （显微）组织各种显微组织各种显微组织1. 固溶体固溶体合金在固态下的相结构合金在固态下的相结构2. 金属化合物金属化合物 合金组元通过溶解形成的一种合金组元通过溶解形成的一种成分和性能均匀的、且结构与组成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相。元之一相同的固相。 与固溶体晶格相同的组元为溶与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般含量较

5、多；另一组元为剂，一般含量较多；另一组元为溶质，含量较少。溶质，含量较少。3.1.2 3.1.2 合金的相结构合金的相结构分类分类分类分类置换固溶体置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格的某些结点溶质原子占据溶剂晶格的某些结点间隙固溶体间隙固溶体溶质原子处于溶剂晶格的间隙中溶质原子处于溶剂晶格的间隙中有限固溶体有限固溶体溶解度有一定限度溶解度有一定限度-有限互溶有限互溶无限固溶体无限固溶体溶解度无一定限度溶解度无一定限度-无限互溶无限互溶有序固溶体有序固溶体无序固溶体无序固溶体置换固溶体间隙固溶体-Fe（bcc）相（相（bcc）-Fe（fcc）相（相（fcc）v固溶体随着溶质原子的溶固溶体随着溶质原子

6、的溶入晶格发生畸变。晶格畸入晶格发生畸变。晶格畸变随溶质原子浓度的增高变随溶质原子浓度的增高而增大。晶格畸变增大位而增大。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的错运动的阻力，使金属的滑移变形更加困难，从而滑移变形更加困难，从而提高合金的强度和硬度。提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象属强度和硬度提高的现象称为固溶强化称为固溶强化。固溶体强化：固溶体强化：位错引起的应力场变化位错引起的应力场变化v在在溶质含量适当时，溶质含量适当时，可可显著提高材料的强度和显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没硬度，而塑性和韧性没有明显降低。固溶体综有明显降低。

7、固溶体综合机械性能好。合机械性能好。v固溶体相的用途：作为固溶体相的用途：作为合金结构的基体相使用合金结构的基体相使用2. 2. 金属化合物相金属化合物相v合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。一组元的新相。v基本特征：有金属性质；晶体结构不同于任何组元基本特征：有金属性质；晶体结构不同于任何组元 ；成分固定或小有变化，有一定成分比例，有分子式表示成分固定或小有变化，有一定成分比例，有分子式表示v 分类分类 正常价化合物；正常价化合物； 电子化合物；电子化合物； 间隙化合物等。间隙化合物等。vHere we see the

8、 Carbon atom (in red) fitting in between the larger iron atoms thus forming a lattice structure which will form the intermetallic compound Cementite. Fe3Cv金属化合物相的金属化合物相的性能性能： 金属化合物一般熔点高、硬度高、脆性大。金属化合物一般熔点高、硬度高、脆性大。v弥散强化（第二相强化）：弥散强化（第二相强化）：当金属化合物以细小颗粒均布于固溶体上，使合金的强当金属化合物以细小颗粒均布于固溶体上，使合金的强度度 ，硬度，硬度 ，耐磨性

9、，耐磨性 而塑性和韧性降低。而塑性和韧性降低。v金属化合物相的金属化合物相的用途用途： 作为合金的强化相使用作为合金的强化相使用3. 3. 机械混合物机械混合物v合金各组元按照一定的重量比例以混合方式构成机械合金各组元按照一定的重量比例以混合方式构成机械混合物。混合物。v机械混合物可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自机械混合物可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。的混合物，也可以是它们之间的混合物。v工业用合金的组织：工业用合金的组织：固溶体相基体固溶体相基体+少量金属化合物（一种或几种）少量金属化合物（一种或几种）= 机械混合物机械混合物有异质原子溶入，导致

10、晶格畸变有异质原子溶入，导致晶格畸变固溶强化固溶强化弥散强化弥散强化可能出现多相组织可能出现多相组织-如果金属化合物有如果金属化合物有合理分布、大小、数量、形态合理分布、大小、数量、形态v调整合金性能的途径：调整合金性能的途径：（1）改善固溶体溶解度（固溶强化）改善固溶体溶解度（固溶强化）（2）改变金属化合物的形状、数量、大小、分布）改变金属化合物的形状、数量、大小、分布（3）利用位错强化，细晶强化）利用位错强化，细晶强化结论：合金的力学性能一般优于纯金属结论：合金的力学性能一般优于纯金属实际合金结构：基体相实际合金结构：基体相+强化相强化相 固溶体相固溶体相+金属化合物相金属化合物相 机械混

11、合物机械混合物3.2 3.2 合金的结晶合金的结晶 3.2.1 3.2.1 合金结晶的过程及形成物合金结晶的过程及形成物合金结晶时可以形成固溶体、化合物或机械合金结晶时可以形成固溶体、化合物或机械混合物。它的结晶过程也是形成晶核和晶核混合物。它的结晶过程也是形成晶核和晶核长大的过程，也存在过冷现象，需要一定的长大的过程，也存在过冷现象，需要一定的过冷度，最后形成由许多晶粒组成的晶体。过冷度，最后形成由许多晶粒组成的晶体。3.2.2 3.2.2 合金结晶的冷却曲线合金结晶的冷却曲线纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线纯金属的结晶特征：纯金属的结晶特征：“平台平台”结晶结晶 合金系不同成分合合金系不同

12、成分合金的冷却曲线，表达金的冷却曲线，表达了：成分了：成分温度温度组织之间的关系。组织之间的关系。合金的冷却曲线合金的冷却曲线合金的结晶特征：合金的结晶特征：变温结晶变温结晶如何更好的表达如何更好的表达合金的冷却过程合金的冷却过程及其组织变化？及其组织变化？ 相图相图v 建立相图方法：测定合金系中不同成分合金的冷却曲线。合建立相图方法：测定合金系中不同成分合金的冷却曲线。合金在相变时，伴随有物理、化学性能的改变，可以利用热分金在相变时，伴随有物理、化学性能的改变，可以利用热分析法或热膨胀法或磁性测定法，金相法，电阻法，析法或热膨胀法或磁性测定法，金相法，电阻法，X射线结射线结构分析法等精确测定

13、相变（冷却过程）的临界点（即临界温构分析法等精确测定相变（冷却过程）的临界点（即临界温度）确定不同相存在的温度和成分区间，建立相图。度）确定不同相存在的温度和成分区间，建立相图。v 相图建立步骤：相图建立步骤：3.3 3.3 二元合金相图二元合金相图3.3.1 3.3.1 二元合金相图的建立二元合金相图的建立选配不同选配不同成分合金成分合金选取冷却曲线选取冷却曲线的关键温度点的关键温度点缓冷测定缓冷测定冷却曲线冷却曲线标注在成分温标注在成分温度坐标系中度坐标系中连接意义相同连接意义相同的点形成相图的点形成相图铜-镍合金相图纯铜纯铜100%Cu，纯镍，纯镍100%Ni，30%Ni+70%Cu,5

14、0Ni+50%Cu,70%Ni+30%Cuv相图相图：表明合金系中各种合金相在：表明合金系中各种合金相在平衡条件平衡条件下相下相与相之间关系的一种简明图示。与相之间关系的一种简明图示。v所谓所谓平衡平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过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相对重量不再变化所达到的一种程的各相的成分和相对重量不再变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。v合金在合金在极其缓慢冷却的条件下极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般的结晶过程，一般可以认为是平衡结晶过程。可以认为是平衡结晶过程。v在常压下，二元合金

15、的相状态决定于温度和成分。在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分。二元合金相图可以用温度成分坐标系的平面图二元合金相图可以用温度成分坐标系的平面图来表示。来表示。3.3.2 3.3.2 基本相图基本相图v两组元在固态时形成无限固溶体，且液态时又能完两组元在固态时形成无限固溶体，且液态时又能完全互溶的合金相图称为全互溶的合金相图称为二元匀晶相图二元匀晶相图。如如Cu-Ni；W-Mo；Fe-Ni；Fe-Cr等合金的相图均是等合金的相图均是二元匀晶相图。二元匀晶相图。3.3.2.1 二元匀晶相图二元匀晶相图 相图分析基本方法：相图分析基本方法： 1. 掌握相图中各点、线、区的意义。掌握相图中各点

16、、线、区的意义。 2. 典型结晶过程分析（冷却曲线表达典型结晶过程分析（冷却曲线表达显微组织表达等）显微组织表达等）相图中的点线区A,B为表象点为表象点给定一点给定一点A（B）据相图可知其据相图可知其成分，温度和状态成分，温度和状态v 垂线：垂线：过表象点（给定合金成分）做垂线，平行于温度轴，过表象点（给定合金成分）做垂线，平行于温度轴，由此垂线可分析相变降温结晶过程。由此垂线可分析相变降温结晶过程。v 水平线：水平线：两相区，过表象点（给定成分合金）做水平线，两相区，过表象点（给定成分合金）做水平线，平行于成分轴。分别交液相线和固相线于平行于成分轴。分别交液相线和固相线于L1(q)点和点和a

17、1(m)点，则点，则L1点和点和a1点在成分轴上投影点即相应为此温度下，点在成分轴上投影点即相应为此温度下，L相和相和相的成分。相的成分。 可计算不同温度下，此成分合金所形成可计算不同温度下，此成分合金所形成的两相的相对重量（各相的质量分数）。的两相的相对重量（各相的质量分数）。上临界点上临界点 L1；下临界点；下临界点1两相区两相区L + L + 单相区单相区 L L单相区单相区 液相线液相线固相线固相线v1. 结晶过程：结晶过程：L L + t1 : L1 1t2 : L2 2t3 : L3 3v2、平衡结晶：、平衡结晶： 结晶过程中，原子的扩散在固相中、液相中及固液相之间结晶过程中，原子

18、的扩散在固相中、液相中及固液相之间都进行的很充分，扩散速度与结晶速度平衡，最终形成成都进行的很充分，扩散速度与结晶速度平衡，最终形成成分均匀的固溶体晶粒。分均匀的固溶体晶粒。平衡结晶条件：非常缓慢的冷却平衡结晶条件：非常缓慢的冷却v3、非平衡结晶与枝晶偏析：、非平衡结晶与枝晶偏析： 实际生产中，往往冷却速度较快，原子的扩散来不及充分实际生产中，往往冷却速度较快，原子的扩散来不及充分进行，尤其在固相中的原子一般扩散较慢，结果先结晶出进行，尤其在固相中的原子一般扩散较慢，结果先结晶出来的固溶体含高熔点组元多，后结晶的固溶体含低熔点组来的固溶体含高熔点组元多，后结晶的固溶体含低熔点组元多，形成了成分

19、的不均匀现象。元多，形成了成分的不均匀现象。 枝晶偏析枝晶偏析v先结晶的树枝晶轴含高熔点组元较多，后结晶的树先结晶的树枝晶轴含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元较多。结果造成在一个晶粒内枝晶枝干含低熔点组元较多。结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均匀现象，称为枝晶偏析。化学成分的分布不均匀现象，称为枝晶偏析。 铸态铸态Cu-Ni合金枝晶偏析的显微组织（合金枝晶偏析的显微组织（100） Micro-segregation structure of Co-Cr alloy filmultra-high resolution SEM v 枝晶偏析往往引起合金的塑性和韧性下降，引起晶内腐

20、蚀。枝晶偏析往往引起合金的塑性和韧性下降，引起晶内腐蚀。引起热加工困难。引起热加工困难。 v 所以在生产上常把有枝晶偏析的合金加热到高温，并经长所以在生产上常把有枝晶偏析的合金加热到高温，并经长时间保温，使原子进行充分扩散，以达到成分均匀化的目时间保温，使原子进行充分扩散，以达到成分均匀化的目的，这种热处理方法称为均匀化退火的，这种热处理方法称为均匀化退火。v 思考：枝晶偏析的用途？思考：枝晶偏析的用途？ v阿基米德与杠杆原理阿基米德与杠杆原理 阿基米德在亚里山大里亚留学的时候，他从埃及农民提阿基米德在亚里山大里亚留学的时候，他从埃及农民提水用的水用的“沙杜佛沙杜佛”(吊杆吊杆)和奴隶们撬石头

21、用的撬棍，发现了可和奴隶们撬石头用的撬棍，发现了可以以借助一种杠杆来达到省力的目的，而且发现，手的握点至支借助一种杠杆来达到省力的目的，而且发现，手的握点至支点的这一段越长，就越省力气。由此他提出了这样一个定理：点的这一段越长，就越省力气。由此他提出了这样一个定理：力臂和力力臂和力(重量重量)的关系成反比例。这就是杠杆原理。用我们现的关系成反比例。这就是杠杆原理。用我们现在的表达方式就是：重量在的表达方式就是：重量重臂重臂=力力力臂。力臂。 为此，他曾给当时的国王艾希罗写信说：为此，他曾给当时的国王艾希罗写信说：“我不费吹灰我不费吹灰之之力，就可以随便牵动任何重的东西；只要给我一个支点，给力，

22、就可以随便牵动任何重的东西；只要给我一个支点，给我一根足够长的杠杆，我也可以推动地球。我一根足够长的杠杆，我也可以推动地球。4. 4. 二元相图中的杠杆定理二元相图中的杠杆定理”v引例：引例：v 100ml的的10%的的NaCl水溶液和水溶液和 100ml的的30%的的NaCl水溶液混合后浓度是多少？水溶液混合后浓度是多少？计算：计算： 100ml10%+ 100ml30% = 200ml C% C%=20%反过来考虑：反过来考虑： 把把20%的的NaCl水溶液分成浓度分别为水溶液分成浓度分别为10%和和30%的两的两份，两份的体积分数是多少？份，两份的体积分数是多少？ V1 10%+ V2

23、30%=20% （V1+V2） 这种方法可以推广应用到相图的液固两相区这种方法可以推广应用到相图的液固两相区如图：成分为如图：成分为b的的Cu-Ni合金，缓合金，缓冷到冷到t0时，依据相图分析时，依据相图分析（1）此时存在的相：）此时存在的相： 液相和固相液相和固相（2）各相的成分？）各相的成分？ 液相：液相：q点在成分轴上投影点在成分轴上投影成分成分Cq，固相：，固相：m点成分投影点成分投影Cm，合金成分：，合金成分：b点成分投影点成分投影Cb（3）各相的相对量）各相的相对量浓度浓度Cb的合金分为浓度的合金分为浓度Cq和和Cm两份：两份：V1 Cq%+ V2 Cm%=Cb% （V1+V2）V

24、1 Cq%+ V2 Cm%=Cb% （V1+V2）V1 Cq%+ V2 Cm%=Cb% V1+ Cb% V2）V1 Cq%+ V2 Cm%=Cb% V1+ Cb% V2）V1 （Cb% -Cq%）= V2 （Cm%-Cb% ）两相相对量：两相相对量：V1/V2= （Cm%-Cb% ）/ （Cb% -Cq%）即即V1/V2=mb/bq二元相图中的杠杆定理二元相图中的杠杆定理v在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的。在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的。通过杠杆定理可以计算在某一温度下，两相的重量通过杠杆定理可以计算在某一温度下，两相的重量比。比。qbbmmncompositioofli

25、quidofWeightqncompositioofsolutionsolidofWeightqbbmRatio v杠杆定理适用条件：平衡结晶的两相区杠杆定理适用条件：平衡结晶的两相区v杠杆定理解决问题：杠杆定理解决问题：（1）确定两平衡相的成分）确定两平衡相的成分（2）确定两平衡相的数量）确定两平衡相的数量使用杠杆定理得关键：使用杠杆定理得关键： 找准杠杆的支点和杠杆两端点的位置。找准杠杆的支点和杠杆两端点的位置。v合金的两组元在液态下无限互溶，在固态下有限溶合金的两组元在液态下无限互溶，在固态下有限溶解并发生解并发生共晶转变共晶转变的相图。的相图。v共晶反应：共晶反应：恒温下，液相中同时结

26、晶出两个成分、恒温下，液相中同时结晶出两个成分、结构不同的固相。结构不同的固相。v共晶反应式：共晶反应式： Ld (c + e) 恒温恒温v转变产物：共晶体（共晶组织）转变产物：共晶体（共晶组织） 两固相的机两固相的机械混合物，一般具有较独特的形貌。械混合物，一般具有较独特的形貌。3.3.2.2 二元共晶相图二元共晶相图共晶反应的冷共晶反应的冷却曲线同纯金却曲线同纯金属相同也出现属相同也出现结晶平台结晶平台Hypereutectic 过共晶过共晶Hypoeutectic亚共晶亚共晶 Pb-Sn相图的点、线、区 Pb-Sn合金相图合金相图合金冷却曲线及结晶过程示意合金冷却曲线及结晶过程示意 合金

27、合金I在室温时的在室温时的与与II的的相对量，可以用杠杆定律相对量，可以用杠杆定律计算：计算： 合金合金I (F、D点间的合金点间的合金) 请带入数据进行计算请带入数据进行计算W%=89%W%=11%wSnD点成分的点成分的Pb-Sn合金显微组织合金显微组织(200) 什么是共晶转变什么是共晶转变? ? 共晶转变有何特点共晶转变有何特点? ? 想想一一想想想想一一想想请写出请写出Pb-Sn（lead-Tin）合金的共晶）合金的共晶反应式：反应式：合金合金的冷却曲线及结晶过程示意图的冷却曲线及结晶过程示意图 合金合金(C点的合金点的合金) 共晶体中共晶体中D和和E的相对量？的相对量？D=45%，

28、 E=55%共晶组织形态层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织 合金合金 (C、D点间的合金点间的合金)，称为亚共晶合金，称为亚共晶合金 合金合金的冷却曲线与结晶过程示意的冷却曲线与结晶过程示意 Pb-Sn亚共晶合金亚共晶合金显微组织：均由初晶显微组织：均由初晶+次生次生II + 共晶体共晶体(+)组成。组成。是合金是合金和合金和合金结晶过程的叠加。结晶过程的叠加。 Pb-Sn亚共晶合金显微组织（亚共晶合金显微组织（100）所有所有Pb-Sn亚共晶合金的结晶过程都与合金亚共晶合金的结晶过程都与合金相似，其显微组织均由初晶相似，其显微组织均由初晶+次生次生II + 共晶体共晶体(+)组成。所不同的只是合金成分愈接近共晶成分，组织中共晶体组成。所不同的只是合金成分愈接近共晶成分，组