西华大学工程材料期末考试总复习合金的结构与结晶资料

1、会计学1西华大学工程材料期末考试总复习合金西华大学工程材料期末考试总复习合金的结构与结晶资料的结构与结晶资料纯金属机械性能差，种类有限。纯金属机械性能差，种类有限。合金机械性能好（有固溶强化、弥散强化等），种类多，可满足各方面合金机械性能好（有固溶强化、弥散强化等），种类多，可满足各方面要求。要求。亚共析钢亚共析钢 x400过共析钢过共析钢 x400固溶体固溶体合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相。合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相。习惯以习惯以 、 、 表示。表示。与合金晶体结构相同的元素称与合金晶体结构相同的元素称溶剂溶剂。

2、其它元素称。其它元素称溶质溶质。化合物类型化合物类型 合金组元相互作用形成的晶格类型和性能与任一组元都不相合金组元相互作用形成的晶格类型和性能与任一组元都不相同的新相。同的新相。正常价化合物正常价化合物 按化合价规律形成，如，按化合价规律形成，如，MgMg2 2Si Si 。间隙化合物间隙化合物 过渡族金属过渡族金属+ +小半径非金属元素小半径非金属元素电子化合物电子化合物 按电子浓度规律形成，如，按电子浓度规律形成，如，CuCu3 3Al Al 。间隙相间隙相：r r非非/r/r金金 0.590.59，如，如，WCWC、TiCTiC、VCVC。间隙相具间隙相具 有金属特征和极高的硬度及熔点，

3、非常稳定。部分碳化物和有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。所有氮化物属于间隙相。复杂结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物：r r非非/r/r金金 0.590.59如，如，FeFe3 3C C、CrCr2323C C6 6。 金属化合物的性能：金属化合物的性能：熔点高、硬度高，脆性大。熔点高、硬度高，脆性大。相图的表示相图的表示 单元系单元系：单元系成分不变，恒压下只有温：单元系成分不变，恒压下只有温度可变，故相图由一根温度纵坐标轴组成。度可变，故相图由一根温度纵坐标轴组成。 二元系二元系：二元系恒压下有一个独立可变的：二元系恒压下有一个独立可变的成分变量和

4、一个温度变量，故相图有一根成成分变量和一个温度变量，故相图有一根成分横坐标轴和一根温度纵坐标轴组成平面图。分横坐标轴和一根温度纵坐标轴组成平面图。 三元系三元系：三元系恒压下有两个独立可变的：三元系恒压下有两个独立可变的成分变量和一个温度变量，故相图有两根成成分变量和一个温度变量，故相图有两根成分横坐标轴和一根温度纵坐标轴组成立体图。分横坐标轴和一根温度纵坐标轴组成立体图。 在相图中，任意一点都叫在相图中，任意一点都叫“表象点表象点”。一个表象点的坐标值反映一个给定合金的成一个表象点的坐标值反映一个给定合金的成分和温度。在相图中，由表象点所在的相区分和温度。在相图中，由表象点所在的相区可以判定

5、在该温度下合金由哪些相组成可以判定在该温度下合金由哪些相组成。恒压下纯铁的相图恒压下纯铁的相图 用热分析法建立用热分析法建立 Cu-Ni相图相图 两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀二元匀晶相图晶相图。 以以Cu-Ni合金为例进行分析。合金为例进行分析。CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 纯铜纯铜熔点熔点纯镍纯镍熔点熔点液相线液相线固相线固相线液相区液相区固相区固相区液固两相区液固两相区 当液态金属自高温冷却当液态金属自高温冷却到到 t1温度时，开始结晶

6、出成温度时，开始结晶出成分为分为 1的固溶体，其的固溶体，其Ni含量含量高于合金平均成分。高于合金平均成分。 这种从液相中结晶出单这种从液相中结晶出单一固相的转变称为一固相的转变称为匀晶转匀晶转变变或或匀晶反应匀晶反应。 随温度下降，固溶体重随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化，固相成分沿固相线变化。变化。 液固相线不仅是相区分界液固相线不仅是相区分界线线, 也是结晶时两相的成分也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变化线；匀晶转变是变温转变。变。成分垂线相当于温度成分垂线相当于温度t 的的

7、o点作水平点作水平线，其与液固相线交点线，其与液固相线交点a、b所对应所对应的成分的成分x1、x2即分别为液相和固相的即分别为液相和固相的成分。成分。12 t121122xxxxQxxxxQL式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2(ab)、 x1x(ao)的长度。的长度。 确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量设合金的重量为设合金的重量为1，液相重量为，液相重量为QL，固相重量为，固相重量为Q 。abaoxxxxQabobxxxxQL21121221L12LxxQxxQ)aoob(xxxxQQ 或或%5 .61%10045. 05

8、8. 045. 053. 0 Q%5 .38%10045. 058. 053. 058. 0 LQ(3) 固溶体的非平衡结晶与微观偏析固溶体的非平衡结晶与微观偏析 合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如高熔点元素（如Cu-Ni合金中的合金中的Ni）, 后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如如Cu-Ni合金中的合金中的Cu)。 如

9、果将各温度下固溶体和液相的平均成分点分别连接成线，则该线分别称如果将各温度下固溶体和液相的平均成分点分别连接成线，则该线分别称为为固相平均成分线固相平均成分线和和液相平均成分线液相平均成分线。固溶体在不平衡凝固时液、固两相的成分变化及组织变化示意图固溶体在不平衡凝固时液、固两相的成分变化及组织变化示意图Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织合金的平衡组织与枝晶偏析组织Pb-Sn合金相图合金相图成分（成分（wt%Sn）温度（温度（）PbSnAB 在一定温度下，由一定成分的在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称构都不相同的新固相的转

10、变称作作共晶转变共晶转变或或共晶反应共晶反应。ABPb-Sn共晶组织共晶组织共晶体长大示意图共晶体长大示意图 Sn原子原子扩散扩散Pb原子原子扩散扩散 析出过程中两相相间形核、析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。点球等形状。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 具有共晶成分的合金称具有共晶成分的合金称共晶共晶合金合金。在共晶线上，凡成分位。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称于共晶点以左的

11、合金称亚共晶亚共晶合金合金，位于共，位于共晶点以右的合金晶点以右的合金称称过共晶合金过共晶合金。（凡具有共晶。（凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应，室温度时都将发生共晶反应，室问温组织中都有两相共晶组织问温组织中都有两相共晶组织。）。） 位于位于C点以左和点以左和D点以右的点以右的合金室温组织都是单相固溶体合金室温组织都是单相固溶体组成，故称组成，故称单相固溶体合金单相固溶体合金。L+ CDAB.2%1004 FGFQ 室温下室温下 的相对重量百分比为：的相对重量百分比为： 随温度下降，随温度下降， 和和 相的成分分别沿相的成分分别沿CF线和线

12、和DG线变化，线变化， 的重量增加。的重量增加。QQ成分大于成分大于 D点合金点合金结晶过程与结晶过程与合金合金相似，室温组织为相似，室温组织为 + 。19.2wt%Sn温度, 119.2wt%Sn温度, 1%1002%,1002)( CEEQCECQQEL %1002%1002CEEQCEC，如何求室温下三种如何求室温下三种组织组成物组织组成物的相对重量？的相对重量？ 亚共晶合金亚共晶合金的结晶过程的结晶过程 和和 , 和和 ,共晶体共晶体( + )都是组织组成物。都是组织组成物。 相与相之间的差别主要在结构和成分上。相与相之间的差别主要在结构和成分上。 组织组成物之间的差别主要在形态上。如

13、组织组成物之间的差别主要在形态上。如 、 和共晶和共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。的组织组成物。 将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。观察到的组织一致。L+L+L + 相图分析相图分析 相：相图中有相：相图中有L、 、 三种相三种相, 是溶是溶质质Ag在在 Pt中的固溶体，中的固溶体， 是溶质是溶质Pt在在Ag中的固溶体。中的固溶体。 相区：相图中有三个单相区：相区：相图中有三个单相区： L、 、 ；三个两相区：；

14、三个两相区： L+ 、L+ 、 + ；一个三相区：即水平线一个三相区：即水平线PDC。 点：点：A、B分别为分别为Pt、Ag的熔点。的熔点。 相线：相线： 液相线液相线ACB，固相线，固相线APDB。时间温度时间温度Mg2SiMg2Si+SiMg+ Mg2SiSiL+ Mg2SiL+ SiL+ Mg2SiL+ Mg 共析反应共析反应(共析转变共析转变)是指在一定温度下，由一定成分的固是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。共析共析转变也是固态相变。转变也是固态相变。 PS( 奥氏体，奥氏体， 铁素体，铁素体

15、，Fe3C渗碳体渗碳体) 最常见的共析转变是最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转铁碳合金中的珠光体转变变: S P+ Fe3C 。铁碳合金相图铁碳合金相图 与共晶反应不同的与共晶反应不同的是，共析反应的母相是，共析反应的母相是固相，而不是液相是固相，而不是液相。 另外，由于固态转另外，由于固态转变过冷度大，因而共变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细析组织比共晶组织细。珠光体珠光体1.合金的使用性能与相图的关系合金的使用性能与相图的关系 单相固溶体合金：性能随成分呈曲线变化，溶质浓度单相固溶体合金：性能随成分呈曲线变化，溶质浓度 ， 、HB 、 ，塑性，塑性两相组织合金两相组织合金:性能与合金

16、成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值。性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值。 形成稳定化合物的合金：性能形成稳定化合物的合金：性能-成分曲线出现拐点。成分曲线出现拐点。 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。 铸造性能铸造性能液固相线距离液固相线距离（是指水平距离和垂直距（是指水平距离和垂直距离，即凝固时的成分间隔与温度间隔）离，即凝固时的成分间隔与温度间隔）愈愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔，好，不易形成分散缩孔，合金致密。合金致密。 锻造、轧制性

17、能锻造、轧制性能单相固溶体合金，单相固溶体合金，强度低，塑性好，强度低，塑性好，变变形抗力小，变形均匀，不易开裂。形抗力小，变形均匀，不易开裂。 两相混合物：强度不同，变形不均匀两相混合物：强度不同，变形不均匀，变形大时，两相的界面也易开裂，尤其，变形大时，两相的界面也易开裂，尤其是脆性中间相对压力加工更为不利。是脆性中间相对压力加工更为不利。 相图与合金铸造性能之间的关系相图与合金铸造性能之间的关系 合金热处理：合金热处理： 相图中没有固态相变的合金：相图中没有固态相变的合金： 不能进行热处理，不能进行热处理， 能进行扩散退火，去应力退火、再结晶退火；能进行扩散退火，去应力退火、再结晶退火； 具有同素异构转变的合金：具有同素异构转变的合金： 可以通过重结晶退火和正火热处理细化晶粒；可以通过重结晶退火和正火热处理细化晶粒； 具有溶解度变化的合金：具有溶解度变化的合金： 可通过时效处理方法来强化合金；可通过时效处理方法来强化合金； 某些具有共析转变的合金：某些具有共析转变的合金： 如如FeC合金中的各种碳钢，先经加热形成固溶体合金中的各种碳钢，先经加热形成固溶体相相，然后快冷，然后快冷(淬火淬火)，则共析转变将被抑制而发生性质不，则共析转变将被抑制而发生性质不同的非平衡转变，由此获得性能不同的组织。同的非平衡转变，由此获得性能不