工程材料3二元合金相图

1、3 3 二元合金与相图二元合金与相图 合金：合金：由两种或两种以上的金属元素（组元），或金属元素和非金属元素组成的具有金属特性的物质。 相：相：合金中化学成分相同、结构相同，并以界面互相分开的均匀组成部分。有单相和多相合金。 显微组织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。 一一 合金的基本概念合金的基本概念 固态合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。二二 合金的相结构合金的相结构3.1 .1 固溶体固溶体3.1 固态合金相结构固态合金相结构一一 . 固溶体的分类固溶体的分类 合金组元通过溶解形成成分和性能均匀、结构与组成元素之一的晶体结构相同的

2、固相称为固溶体固溶体。习惯以、表示。l按溶质原子所处位置分为：l间隙固溶体间隙固溶体(a) 和置换固溶体置换固溶体(b)l按溶解度可分为：l有限固溶体有限固溶体和无限固溶体无限固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体无序固溶体，有序分布的称有序固溶体有序固溶体。1)间隙固溶体间隙固溶体: 溶质原子处于溶剂晶格各结点间的空隙中。溶质原子溶质原子溶剂原子溶剂原子2)置换固溶体置换固溶体: 溶质原子代替一部分溶剂原子，占据着溶剂晶格中的某些结点位置。1)固溶强化固溶强化: :随溶质含量增加, 固溶体的强度、硬度增加, 塑性、韧性下降，这一现象称为固溶强化固溶强化。2)产生固溶强化的原因是溶质原子使晶

3、格发生畸变及对位错的钉扎作用。 与化合物相比，固溶体的硬度低，而塑性和韧性则要高得多。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。 固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金单相固溶体合金或或以固溶体为基的多相合金以固溶体为基的多相合金。二二. 固溶体的性能固溶体的性能 合金组元间相互作用而形成的新相，其晶格类型及性能不同于任一组元，可用化学式大致表示其组成。 如图示的Fe3C 。3.1.2 金属化合物金属化合物 正常价化合物符合原子价规律，一般由金属元素与、族元素组成，例如钢中夹杂物MnS、铝中Mg2Si。 正常价化合物一般硬度较高，脆性

4、较大。 电子化合物不遵守原子价规律，但其晶体结构与电子浓度（即价电子数目与原子数目之比，用N价表示）有一定的对应关系： 当N价=21/14时，形成体心立方结构的相，例如CuZn， Cu3Al等等； 当N价=21/13时，形成复杂立方结构的相，例如Cu5Zn8， Cu31Sn8等等； 当N价=21/12时，形成密排六方结构的相，例如CuZn3， Cu3Sn等等。 电子化合物具有很高的熔点和硬度，脆性大。1）正常价化合物）正常价化合物2）电子化合物）电子化合物一、金属化合物的分类一、金属化合物的分类 由过渡族金属元素与原子半径较小的非金属元素氢、氮、碳、硼等所形成。 间隙相是简单晶格的间隙化合物，

5、如图所示为钒与碳形成的间隙相结构。 A .间隙相中元素的比例是简单的化学式：M4X、M2X、MX、 MX2，并与晶格类型有一定的对应关系。 B. 间隙相有明显的金属特性，极高熔点和硬度，例如TiC、VC、ZrC、TaC、NbC等。 间隙化合物具有复杂晶体结构，其熔点、硬度高（比间隙相低，也较易分解）。例如Fe3C、Cr23C6等。3）间隙化合物）间隙化合物 间隙相 间隙化合物二、金属化合物的性能二、金属化合物的性能 1)金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。 2)当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。 金属化合物也是合金的重要组成相。3.2

6、二元合金相图的建立二元合金相图的建立3.2.1 相图概述相图概述 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。 相图是用来表示合金系中各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。 相图的表示方法：相图的表示方法：3.2.2 相图的建立相图的建立第一步第一步：配制不同比例（成分）的一系列合金；wCu=100； wCu (80)+wNi(20)； wCu(60)+wNi (40)； wCu (40)+ wNi (60)； wCu (20)+ wNi (80)； wNi =100第三步第三步：建立成分温度坐标系；第二步：第二步：用实验方法（常用热分析法）测出冷却曲线；第四步第四步：将

7、冷却曲线中特征点标在坐标图中；第五步第五步：把性质相同的特征点联结起来。相图的建立相图的建立时间时间温度15 305070AB温度A温度 在液态和固态两组元都能无限互溶的相图称为匀晶相图匀晶相图。二元合金系Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Cr、Fe-Ni、W-Mo等具有这类相图。3.2.3 二元合金基本相图二元合金基本相图一一. 匀晶相图匀晶相图1相图分析相图分析ab : 液相线液相线ab : 固相线固相线L : 液相区液相区 : 固相区固相区L+:两相区两相区 液固共存液固共存baLAB温度L+相图的线和相区相图的线和相区熔点熔点熔点熔点1相图分析相图分析2Cu-Ni合金的平衡结晶过程合金的平

8、衡结晶过程CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 12acba1b1c1T1T21. 1. 在两相区内，对应每在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成一确定的温度，两相的成分是确定的。分是确定的。2. 2. 随着温度的降低，两随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和相的成分分别沿液相线和固相线变化。固相线变化。 匀晶合金与纯金属不同匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划在液、固相线划定的温区内进行结晶定的温区内进行结晶。 匀晶转变：匀晶转变： L 实际生产条件下为非平

9、衡结晶，因此，先后结晶的部分成分会不相同。3成分偏析成分偏析 区域偏析区域偏析：由于不平衡冷却造成宏观区域成分不一致。例如焊接接头中的中心线偏析和层状偏析。 枝晶偏析枝晶偏析（晶内偏析）：先结晶的枝轴与后结晶的枝轴间成分不同。密度偏析密度偏析：由于密度不同而引起的偏析，称为密度偏析。1）确定两平衡相的成分）确定两平衡相的成分 如图（a）所示，水平线与液相线L的交点，即为相的成分。 设液、固相含Ni浓度分别为、c，而x（b）为试验合金中的平均含Ni量(%)， 则 QL +Q c = Q Me b4杠杆定理杠杆定理2）确定两平衡相的相对量）确定两平衡相的相对量 方法是： 设试验合金总量Q Me为1

10、，液、固相的量分别为QL、Q ， 则 Q Me =QL+Q =1 不同条件下，相的成分及其相对量相的成分及其相对量可用杠杆定理求得。Q QL LQ Q可得:QL +Q c = Q Me b = （QL+Q ）b = QL b +Q bQc -Q b = QL b - QL Q（c -b ）= QL（ b ）Q b c（长度）（长度） = QL b（长度）（长度）b c（长度）（长度） b（长度）（长度）（杠杆定律）（杠杆定律）QQLQ / QL = b（长度）（长度） / b c（长度）（长度） 或acbcQL acabQa 用图中线段来表示%100 acbcQL%100 acabQa所以：3

11、）注意：杠杆定律只能用于两相平衡共存时计算。）注意：杠杆定律只能用于两相平衡共存时计算。QL+Q =1Q b c（长度）（长度） = QL b（长度）（长度）QL=1 Q代入上式：代入上式：Q b c = （ 1 Q ） b = b Q bQ b c +Q b = bQ （b c + b ）= b c （长度）（长度） 或或同理：QQL例：求例：求30%Ni30%Ni合金在合金在1280 1280 时时 相的相对量相的相对量1083L L+ 30a1b1c1CuT,C100011001200130014001500aNiNi% 20 4060801001455c1280 C解：解：作成分线和温

12、度线如图。6618根据杠杆定律 Q b1 c1 = QL a1b1 Q = a1b1 /a1c1 Q =12/48 =1/4答答: :所求合金在1280 时相的相对质量为1/4 (25%)。Q Q Q QL L设设 相的相对量Q L相的相对量QL BCEL C183。 二组元在液态无限互溶，而在固态仅有限互溶且发生共晶反应。以Pb-Sn合金为例。1相图分析相图分析二二. . 共晶相图共晶相图共晶反应 ：一定成分的合金液相，冷却至共晶反应线温度时，发生同时结晶出两个不同固相的混合物的反应；其产物称为共晶组织。PbSnSn%T, C铅-锡合金共晶相图液相线液相线L固相线固相线 + L + L +

13、固溶线固溶线 固溶线固溶线1相图分析相图分析相、相区：相、相区：、L相；相； 三个单相区、三个单相区、三个两相区。三个两相区。二二. . 共晶相图共晶相图共晶反应分析共晶反应分析PbSnT, CL + L + L + 共晶反应线共晶反应线表示从表示从c点到点到e点点范围的合金，在范围的合金，在该温度上都要发该温度上都要发生不同程度上的生不同程度上的共晶反应。共晶反应。ce共晶点共晶点表示表示d点成分的合点成分的合金冷却到此温度金冷却到此温度上发生完全的共上发生完全的共晶转变。晶转变。dLd c + e（共晶组织）共晶组织）共晶反应共晶反应 ：一定成分的合金液相，冷却至共晶反应线温度时，发生一定

14、成分的合金液相，冷却至共晶反应线温度时，发生同时结晶出两个不同固相的混合物的反应；其产物称为共晶组织。同时结晶出两个不同固相的混合物的反应；其产物称为共晶组织。共晶反应要点共晶反应要点PbSnT, CL + L + L + 183ced 共晶转变在共晶转变在恒温恒温下进行。下进行。 转变是从转变是从一种液相一种液相中结晶出中结晶出两个不同的固相两个不同的固相。 存在一个确定的存在一个确定的共晶点共晶点。在该点凝固温度最低。在该点凝固温度最低。 成分在成分在共晶线范围的合金共晶线范围的合金都要经历共晶转变。都要经历共晶转变。 合金、合金、合金、合金的结晶过程及其组织如图所示。分析： 相组成: 组

15、织组成物: 属这类相图的合金还有Pb-Sn、Al-Si、Al-Sn、Al-Cu、Pb-Sb、Ag-Cu等。2合金的结晶过程及组织合金的结晶过程及组织合金合金 结晶过程分析结晶过程分析cefgX1T, CtL L LL+ 冷却曲线冷却曲线 + 1234PbSnT, CL + L + L + 183ced室温组织室温组织: + 合金合金 结晶特点结晶特点2.要经过脱溶反应，室温要经过脱溶反应，室温 组织组成物组织组成物为为 + 1.没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相 固相。固相。组织组成物：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

16、成部分。合金合金合金合金合金合金 二组元在液态无限互溶，在固态有限固溶且发生包晶反应。包晶相图组成如图。Fe-Fe3C合金结晶过程如图。(一一) 包晶相图包晶相图1相图分析相图分析2合金结晶过程合金结晶过程JBHAL 四四. 其它相图其它相图1固态转变主要有：固态转变主要有： 固溶体的脱溶转变； 共析转变； 包析转变； 固溶体的同素异晶转变； 有序无序转变等。ABT C + + + cedL + L(二二) 共析相图共析相图固态转变相图固态转变相图具有共析反应的相图。具有共析反应的相图。3共析转变共析转变 从某一固相中同时析出两种不同新固相的反应。 共析反应的产物为共析物。 由于共析反应在固态

17、进行，所以共析组织比共晶组织要细得多。2固溶体的脱溶转变固溶体的脱溶转变 固溶体因溶解度变化而发生的脱溶转变。共析转变共析转变( (反应反应) )： d ( c+ e) 共析体共析体ABT C + + + cedL + L分析： 稳定化合物指熔化前不分解的化合物。 可将稳定化合物看作一个组元，从而把整个相图看成由若 干个简单相图所组成。(三三) 形成稳定化合物的二元合金相图形成稳定化合物的二元合金相图3.2.4 二元合金相图读图法二元合金相图读图法 一一.相区分析的规律相区分析的规律 1.单相区的确定：单相区的确定： 液相线以上的区域为液相区。 靠着纯组元的封闭区域是以该组元为基的单相固溶体区

18、。 相图中除代表两组元的垂直线以外，若出现另一条垂直线，该线即代表形成一定成分的化合物。如果该化合物具有固定熔点，就是稳定化合物。分析相图时，可将其视为纯组元。以它把相图分为几个单独部分来分析。 当图中出现水平线时，一条水平线必然连着3个单相区，这3个单相区分别处于水平线的两端或中间。2.两相区的确定：两相区的确定： 两个单相区之间，必夹有一个两相区，根据杠杆定律，该两相区必定由相邻相区的两个相组成。应用杠杆定律求出各相的相对量。 两相区中如遇到固溶线倾斜的情况，会发生二次相的析出。 相邻相区中的相数只相差一个（点接触的情况除外）。3.2.4 二元合金相图读图法二元合金相图读图法 一一.相区分析的规律相区分析的规律二二.相区接触法则：相区接触法则：3.三相水平线：三相水平线： 三相共存水平线，点接触的三个单相区。 根据单相区在水平线段的上、下、左、右各方的分布状况与相的性质便可确定该反应的类型。三三.结晶过程的分析方法结晶过程的分析方法 合金垂直线由高温到低温，分析垂线穿越的区和相交的线。3.3 合金的性能与相图的关系合金的性能与相图的关系1 1、单相固溶体的合金：、单相固溶体的合金： 性能随成分呈曲线变化， 随溶质含