第03章二元合金

1、第三章第三章 材料凝固与相图材料凝固与相图 金属溶液在凝固后一般都以晶质状态存在，金属溶液在凝固后一般都以晶质状态存在，即内部原子由不规则的排列转变到规则排列，即内部原子由不规则的排列转变到规则排列，形成晶体的过形成晶体的过程，称为结晶过程。程，称为结晶过程。结晶形成的组织，直结晶形成的组织，直接影响金属内部的组接影响金属内部的组织与性能。织与性能。一、一、 结晶的概念结晶的概念第一节第一节 金属的结晶金属的结晶（一）金属结晶的宏观现象（一）金属结晶的宏观现象 1 1、过冷现象、过冷现象： 二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程 作冷却曲线作冷却曲线 纯金属的冷却曲线和大多数合金的冷却曲线如图所

2、示。 实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷。过冷。 过冷度过冷度T=Tm-TnT=Tm-Tn 冷却速度越大冷却速度越大, , 则开始结晶温则开始结晶温度越低度越低, , 过冷过冷度也就越大。度也就越大。2 2、结晶潜热、结晶潜热 金属熔化金属熔化 固相转变固相转变液相液相 吸收热量吸收热量-熔化潜热熔化潜热 金属结晶金属结晶 液相转变液相转变固相固相 放出热量放出热量-结晶潜热结晶潜热因此：冷却曲线出现平台因此：冷却曲线出现平台 金属的结晶过程是不断形成晶核形成晶核和晶晶核不断长大核不断长大的过程，即由晶核的产生和长大两个基本过程组成的。（二）金属结

3、晶的微观过程（二）金属结晶的微观过程 1. 1. 形核形核 形核方式形核方式 液态金属结晶时，有两种形核方式：液态金属结晶时，有两种形核方式： 一种是均匀形核，另一种是非均匀形核。一种是均匀形核，另一种是非均匀形核。 均匀形核、非均匀形核 图图3-26 树枝状晶体树枝状晶体 2. 2. 长大长大 结晶过程的进行一方面要依靠新晶核连续不结晶过程的进行一方面要依靠新晶核连续不断地产生，另一方面还要依靠巳有晶核的不断长断地产生，另一方面还要依靠巳有晶核的不断长大。大。 人们通常希望金属材料晶粒细小均匀，因为人们通常希望金属材料晶粒细小均匀，因为晶粒晶粒越小，材料的强度越高，塑性和韧性越好越小，材料的

4、强度越高，塑性和韧性越好三、晶粒大小的控制三、晶粒大小的控制58级的钢为本质细晶粒度的钢14级的钢为本质粗晶粒度钢（1 1）晶粒度）晶粒度 晶粒的大小称为晶粒度晶粒的大小称为晶粒度. .单位面积上的晶粒数目或晶单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示。粒的平均线长度（或直径）表示。 工业生产中通常采用如下几种方法：工业生产中通常采用如下几种方法： 1. 1. 控制过冷度控制过冷度 形核率和长大速率都随过冷度的增大而增大。形核率和长大速率都随过冷度的增大而增大。 增加过冷度的方法是提高液态金属的冷却速度。例如，选用增加过冷度的方法是提高液态金属的冷却速度。例如，选用吸热和导热性较强的

5、铸型材料（用金属型代替砂型）；采用水冷吸热和导热性较强的铸型材料（用金属型代替砂型）；采用水冷铸型；降低浇注温度等。但这些措施只对小型或薄壁的铸件有效铸型；降低浇注温度等。但这些措施只对小型或薄壁的铸件有效。 形核率和长大速率与过冷度的关系曲线形核率和长大速率与过冷度的关系曲线2. 2. 变质处理变质处理 是在浇注前往液态金属中加入某些难熔的固态粉末（变是在浇注前往液态金属中加入某些难熔的固态粉末（变质剂），促进非均匀形核来细化晶粒。例如在铝和铝合金以质剂），促进非均匀形核来细化晶粒。例如在铝和铝合金以及钢中加入钛、锆等。但是铝硅合金中加入钠盐不光是起形及钢中加入钛、锆等。但是铝硅合金中加入钠

6、盐不光是起形核作用，主要作用是阻止硅的长大来细化合金晶粒。核作用，主要作用是阻止硅的长大来细化合金晶粒。 3. 3. 振动、搅拌振动、搅拌 对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可依靠外部对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可依靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。在实际生产中，液态金属被注入到铸使晶核数目显著增加。在实际生产中，液态金属被注入到铸型模具中成型得到铸件，若注入铸造模具中而得到铸锭。型模具中成型得到铸件，若注入铸造模具中而得到铸锭。 四、金属的铸锭组织四、金属的铸锭组织 1. 1.

7、铸锭铸锭( (件件) )三晶区的形成三晶区的形成 不论是铸件，还是铸锭不论是铸件，还是铸锭, , 其宏观组织通常由三部分组成其宏观组织通常由三部分组成 铸锭组织示意图铸锭组织示意图 1- 1- 表面细晶粒区；表面细晶粒区； 2-2-柱状晶粒区；柱状晶粒区； 3-3-中心等轴晶粒区中心等轴晶粒区1.1 1.1 表层细晶区表层细晶区 在浇注时，由于铸型模壁温度较低，有强烈地吸热和散热作用，使在浇注时，由于铸型模壁温度较低，有强烈地吸热和散热作用，使靠近模壁的一层液体产生很大的过冷度，加上模壁的表面可以作为非均靠近模壁的一层液体产生很大的过冷度，加上模壁的表面可以作为非均匀形核的核心，因此，在此表层

8、液体中立即产生大量的晶核，并同时向匀形核的核心，因此，在此表层液体中立即产生大量的晶核，并同时向各个方向生长，而形成表面很细的等轴晶粒区。各个方向生长，而形成表面很细的等轴晶粒区。 1.2 1.2 柱状晶区柱状晶区 在表层细晶区形成后，型壁被熔液加热至很高温度，使剩余液体的在表层细晶区形成后，型壁被熔液加热至很高温度，使剩余液体的冷却变慢，并且由于细晶区结晶时释放潜热，故细晶区前沿液体的过冷冷却变慢，并且由于细晶区结晶时释放潜热，故细晶区前沿液体的过冷度减小，使继续形核变得困难，只有己形成的晶体向液体中生长。但是，度减小，使继续形核变得困难，只有己形成的晶体向液体中生长。但是，此时热量的散失垂

9、直于型壁，故只有沿垂直于型壁的方向晶体才能得到此时热量的散失垂直于型壁，故只有沿垂直于型壁的方向晶体才能得到优先生长，即已有的晶体沿着与散热相反的方向择优长而形成柱状晶区。优先生长，即已有的晶体沿着与散热相反的方向择优长而形成柱状晶区。1.3 1.3 中心等轴晶区中心等轴晶区 柱状晶区形成时也释放大量潜热，使已结晶的固相层温度继续升高，柱状晶区形成时也释放大量潜热，使已结晶的固相层温度继续升高，散热速度进一步减慢，导致柱状晶体也停止长大。当心部液体全部冷至散热速度进一步减慢，导致柱状晶体也停止长大。当心部液体全部冷至实际结晶温度实际结晶温度TmTm以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺

10、寸以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。较大的等轴晶粒。2. 2. 铸锭组织的控制铸锭组织的控制 合金的铸锭一般都具有明显的三个晶区，但当浇合金的铸锭一般都具有明显的三个晶区，但当浇注条件发生变化时，其三个晶区所占的比例也往往不注条件发生变化时，其三个晶区所占的比例也往往不同同, , 甚至获得只由两个晶区或一个晶区所组成的铸锭。甚至获得只由两个晶区或一个晶区所组成的铸锭。通常有利于通常有利于 柱状晶区发展的因素有：快的冷却速度、柱状晶区发展的因素有：快的冷却速度、高的浇注温度、定向的散热等。高的浇注温度、定向的散热等。而有利于等轴晶区发展的因素有：慢的冷却速度、低而有

11、利于等轴晶区发展的因素有：慢的冷却速度、低的浇注温度、均匀散热、变质处理以及一些物理方法的浇注温度、均匀散热、变质处理以及一些物理方法（如机械或电磁的搅拌、超声波振动等）。（如机械或电磁的搅拌、超声波振动等）。 纯金属虽然具有良好的导热性导电性和很好的塑纯金属虽然具有良好的导热性导电性和很好的塑性，但强度低，性，但强度低，如纯铁屈服强度仅有如纯铁屈服强度仅有100-170MPa100-170MPa，纯，纯铝也仅有铝也仅有45-50MPa45-50MPa，远远不能满足大多数工程需要，远远不能满足大多数工程需要，必须要通过合金化（金属中加入别的金属元素或必须要通过合金化（金属中加入别的金属元素或/

12、 /和和非金属元素）来提高其机械性能。非金属元素）来提高其机械性能。 纯金属机械性能较差，要通过合金化提高其性能纯金属机械性能较差，要通过合金化提高其性能才能用于工程材料。合金的性能与合金中各组元相互才能用于工程材料。合金的性能与合金中各组元相互作用而形成的相的作用而形成的相的种类、性能以及各相的形态、分布种类、性能以及各相的形态、分布等有关等有关。合金的平衡组织可以从合金相图中分析得到。合金的平衡组织可以从合金相图中分析得到。基本的相图类型可分为匀晶相图、共晶相图、包晶相基本的相图类型可分为匀晶相图、共晶相图、包晶相图，共析相图等。图，共析相图等。 第二节第二节 合金的结晶合金的结晶 合金合

13、金 一种金属元素同另一种或几种其它元素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成的具有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。金属特性的物质。组元组元 组成合金的独立的、最基本的单元叫做组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化组元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。合物。二元合金二元合金 由两个组元组成的合金称为二元由两个组元组成的合金称为二元合金合金, , 例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。铝铜合金等。 相相 在金属或合金中，凡在金属或合金中，凡化学成分

14、相同化学成分相同、晶体结晶体结构相同构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。如叫做相。如液态物质为液相，固态物质为固相。液态物质为液相，固态物质为固相。 固态合金中有两类基本相：固态合金中有两类基本相：固溶体和金属化合固溶体和金属化合物物。相变：相变：合金的一种相在一定的条件下可以变成另合金的一种相在一定的条件下可以变成另一种相称为相变。一种相称为相变。组织：组织：一种或多种相按一定方式相互结合所构成一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为组织。的整体称为组织。相的相对数量、形状、尺寸和相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了不同的组织，

15、不同的组织使分布的不同，形成了不同的组织，不同的组织使合金具有不同的力学性能。合金具有不同的力学性能。合金的性能与合金中所含相的性能、形态、尺合金的性能与合金中所含相的性能、形态、尺寸等有关。寸等有关。 下面分别讨论这两类相下面分别讨论这两类相. .合金中的相根据合金中组元间相互作用的不同，合金中的相根据合金中组元间相互作用的不同，可大体上分为两大类：可大体上分为两大类： 1. 1. 固溶体（组元间相互作用较弱）固溶体（组元间相互作用较弱） 2. 2. 化合物（顾名思义，组成化合物的各化合物（顾名思义，组成化合物的各组元，即元素相互作用强）组元，即元素相互作用强） 一、合金相结构、合金相结构

16、1. 1. 固溶体固溶体 溶质原子完全溶于固态溶剂中，并能保持溶质原子完全溶于固态溶剂中，并能保持溶剂元素的晶格类型溶剂元素的晶格类型, ,这种类型的合金相称为固这种类型的合金相称为固溶体。溶体。根据溶质原子在溶剂中的位置，可将其分为置换式固根据溶质原子在溶剂中的位置，可将其分为置换式固溶体与间隙式固溶体。溶体与间隙式固溶体。 1.1. 1.1. 间隙式固溶体间隙式固溶体一些原子半径小于一些原子半径小于0.1nm0.1nm的非金属元素的非金属元素如如C C、N N等作为溶质原子时，通常处于等作为溶质原子时，通常处于溶剂晶格的某些间隙位置而形成溶剂晶格的某些间隙位置而形成间隙式固溶体。间隙式固溶

17、体。 间隙固溶体间隙固溶体 1.2. 1.2. 置换式固溶体置换式固溶体 置换式固溶体是指溶质原子占据了溶剂原子晶格结点位置而形置换式固溶体是指溶质原子占据了溶剂原子晶格结点位置而形成的固溶体。金属元素彼此之间通常都形成置换式固溶体。成的固溶体。金属元素彼此之间通常都形成置换式固溶体。 置换固溶体置换固溶体( (溶质原溶质原子小于溶剂原子子小于溶剂原子) ) 置换固溶体置换固溶体( (溶质原溶质原子大于溶剂原子子大于溶剂原子) ) 1.3. 1.3. 固溶体的性能固溶体的性能 固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。 晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移

18、变形变晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化固溶强化。 固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。 纯铜的纯铜的b b为为220 MPa, 220 MPa, 硬度为硬度为40 HB, 40 HB, 断面收缩率断面收缩率为为70%70%。当。当

19、加入加入1%1%的镍形成单相固溶体后的镍形成单相固溶体后, , 强度升高到强度升高到390 MPa, 390 MPa, 硬度升高到硬度升高到70 HB, 70 HB, 而断面收缩率仍有而断面收缩率仍有50%50%。所以固溶体综合机械性能很好。所以固溶体综合机械性能很好, , 常常作为结构合金的基体相。固溶体与纯金属相比作为结构合金的基体相。固溶体与纯金属相比, , 物理性能有较大的物理性能有较大的变化变化, , 如电阻率上升如电阻率上升, , 导电率下降导电率下降, , 磁矫顽力增大。磁矫顽力增大。2 2、金属化合物、金属化合物 合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不合金组元相互作用形成的

20、晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物同于任一组元的新相即为金属化合物, , 或称中间相。或称中间相。 金属化合物一般熔点较高金属化合物一般熔点较高, , 硬度高硬度高, , 脆性大。合脆性大。合金中含有金属化合物时金中含有金属化合物时, , 强度、硬度和耐磨性提高强度、硬度和耐磨性提高, , 而塑性和韧性降低。而塑性和韧性降低。 复杂结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物 当非金属原子半径与金属原子半径之比大于当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.590.59时，形成具有复时，形成具有复杂结构的间隙化合物。钢中的杂结构的间隙化合物。钢中的FeFe3 3C C、CrCr2323

21、C C6 6、FeFe4 4W W2 2C C、CrCr7 7C C3 3、MnMn3 3C C、FeBFeB、FeFe2 2B B等都是这类化合物。等都是这类化合物。 FeFe3 3C C是铁碳合金中的重要组成相是铁碳合金中的重要组成相, , 具有复杂的斜方晶格。具有复杂的斜方晶格。 复杂结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物(Fe(Fe3 3C) C) 相图相图是表明合金系中是表明合金系中各种合金相各种合金相的平衡条件和的平衡条件和相与相与相之间关系相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。平衡平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各是指在一定

22、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。结晶过程。二、二元合金相图二、二元合金相图1 二元合金相图的建立二元合金相图的建立 建立相图的方法有实验测定和理论计算两种。但目前使用建立相图的方法有实验测定和理论计算两种。但目前使用的相图绝大部分都是通过实验测定方法获得的。例如热分析法。的相图绝大部分都是通过实验测定方法获得的。例

23、如热分析法。以以Cu-Ni合金为例来说明相图的建立方法及主要步骤合金为例来说明相图的建立方法及主要步骤 ：1. 1. 配制一系列成分的合金配制一系列成分的合金 ( (例如，例如，20%Ni+80%Cu; 20%Ni+80%Cu; 40%Ni+60%Cu; 40%Ni+60%Cu; 60%Ni+40%Cu)60%Ni+40%Cu)；80%Ni+20%Cu) 80%Ni+20%Cu) 2. 2. 测出上述合金的冷却曲线；测出上述合金的冷却曲线； 3. 3. 根据各冷却曲线上的转折点确定合金的临界点；根据各冷却曲线上的转折点确定合金的临界点； 4. 4. 将这些临界点标在相图坐标系中的相应位置上，最

24、将这些临界点标在相图坐标系中的相应位置上，最后把各意义相同的临界点联起来。后把各意义相同的临界点联起来。wNi%CuNi20406080纯纯Ni的冷却曲线的冷却曲线时间时间 t温温度度 TwNi%CuNi2040608080%Ni的冷却曲线的冷却曲线时间时间 t温温度度 TwNi%CuNi2040608060%Ni的冷却曲线的冷却曲线时间时间 t温温度度 TwNi%CuNi2040608040%Ni的冷却曲线的冷却曲线时间时间 t温温度度 TwNi%CuNi2040608020%Ni的冷却曲线的冷却曲线时间时间 t温温度度 TwNi%CuNi20406080纯纯Cu的冷却曲线的冷却曲线时间时间

25、 t温温度度 T汇总wNi%CuNi20406080温温度度 T液相线液相线固相线固相线LL温温度度 TwNi%CuNiT1图4-9 用热分析法建立二元Cu-Ni相图2.1. 2.1. 相图分析相图分析 Cu-NiCu-Ni相图为典型的相图为典型的匀晶相图匀晶相图。二元合金的结晶二元合金的结晶 液相线、固相线液相线、固相线 单相区、双相区单相区、双相区 合合金金冷冷却却曲曲线线及及组组织织形形成成示示意意图图2.22.2合金平衡结晶过程合金平衡结晶过程 1 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的交点即为液相的成分。2.3. 2.3. 杠杆定律杠杆定律 2

26、2）确定两平衡相的相对量）确定两平衡相的相对量 设试验合金重量为1，液、固相重量分别为QL、QS ，则 QL+QS =1； 设液、固相含Ni浓度分别为x1、x2，x为试验合金中的平均含Ni量(%)，则xxQxQsL21可得:122xxxxQL121xxxxQs；用图中线段来表示，即为:所以： 或3 3）注意：杠杆定律只能用于两相平衡共存）注意：杠杆定律只能用于两相平衡共存时计算。时计算。 %100212xxxxQL%100211xxxxQsxxxxQQSL12图4-14 枝晶偏析组织（铝镁铸造合金，因成分偏析而呈不同颜色）2.4. 2.4. 合金非平衡结晶过程合金非平衡结晶过程 在实际生产条件下，一般冷却速度都较快，固溶体中原子扩散过程不能充分进行。因此先结晶的枝晶主轴含高熔点因此先结晶的枝晶主轴含高熔点组元较多，后结晶的分枝含低熔点组元较多。组元较多，后结晶的分枝含低熔点组元较多。这种在一个枝晶范围内成分不均匀的现象叫枝晶偏析枝晶偏析，或晶内偏析(图4-13，4-14)。晶内偏析的存在将使合金的塑性、韧性显著下降。因此通常把具有晶内偏析的合金加热到高温进行长时间的保温，使合金元素进行充分的扩散来消除枝晶偏析，称这种处理为扩散退火。2.5 2.5 共晶相图共晶相图 两组元在液态无限互溶，而在固态仅有限互溶且发生共