合金结构和二元状态图(2)

1、关于合金的结构与二元状态图 (2)第一张，PPT共四十四页，创作于2022年6月合金的结构与二元状态图1 合金中的相结构 2 二元合金状态图 第二张，PPT共四十四页，创作于2022年6月1 合金中的相结构 一、合金的基本概念及实用意义 二、合金中的相结构 1固溶体 置换固溶体 间隙固溶体 固溶体的性能 2化合物 第三张，PPT共四十四页，创作于2022年6月一、合金的基本概念合金 通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。组元 组成合金的最基本的、独立的物质称为组元 第四张，PPT共四十四页，创作于2022年6月合金中的相结

2、构相关概念 相在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均称之为相组织 在金属和合金中，在显微镜下能观察到的微观形貌、图象称为组织，它是由单相物质或多相物质组合成的，具有一定形态特征的聚合体 第五张，PPT共四十四页，创作于2022年6月二、合金中的相结构固溶体 置换固溶体 间隙固溶体 固溶体的性能 化合物第六张，PPT共四十四页，创作于2022年6月两种类型的固溶体 置换固溶体 间隙固溶体 第七张，PPT共四十四页，创作于2022年6月置换固溶体溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固溶体称置换固溶体。溶质原子在溶剂晶格结点上呈无序分布的置换固溶体称为

3、无序固溶体；溶质原子在溶剂晶格结点上按一定秩序排列的置换固溶体称有序固溶体。显然，只有当溶质原子和溶剂原子成一定比例时，才有可能形成有序固溶体。此外，按照溶解度的大小，置换固溶体，又可分为无限置换固溶体和有限置换固溶体。第八张，PPT共四十四页，创作于2022年6月间隙固溶体溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体，间隙固溶体仍保持着溶剂金属的晶格类型。已有研究表明，当溶质元素的原子直径与溶剂元素的原子直径之比小于0.59时，易于形成间隙固溶体，而在直径大小差不多的元素之间易于形成置换固溶体。且溶质原子在间隙固溶体中只能呈统计分布，形成无序固溶体，而且当溶剂晶格间隙被溶质原子填

4、充到一定程度后就不能再继续溶解，多余的溶质原子将以新相出现，因此，间隙固溶体的溶解总是有限的，间隙固溶体总是有限固溶体。 第九张，PPT共四十四页，创作于2022年6月固溶体的性能无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不同于原纯金属。当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。 第十张，PPT共四十四页，创作于2022年6月化合物若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相是组成无素间相互作用而生成的一种新物质，属

5、于化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的相（CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等，都是化合物。在这些化合物中，Fe3C和相均具有相当程度的金属键及一定的金属性质，是一种金属物质，称为金属化合物，而FeS、MnS具有离子键，没有金属性质，属于一般的化合物，因而又称为非金属化合物。在合金中，金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，而非金属化合物是合金原料或熔炼过程带来的，数量少且对合金性能影响很坏，因而一般称为非金属夹杂。金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。当合金中出现金属间化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。第十一张，PPT共四十四页，创作于2022年6月2 二元

6、合金状态图 一、相图的意义及相关概念二、二元合金状态图的建立 三、平衡相组成的分析 四、二元状态图的基本类型分析 第十二张，PPT共四十四页，创作于2022年6月一、相图的意义及相关概念相图的意义相关概念组元 合金系 相图 第十三张，PPT共四十四页，创作于2022年6月相图的相关概念1 组元：通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的物质称为组元。但在所研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可称为组元，如Fe3C看作一组元。2 合金系由两个或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，称为合金系。3相图用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图，又称状态

7、图或平衡图。相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。 第十四张，PPT共四十四页，创作于2022年6月二、二元合金状态图的建立 目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。以CuNi合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤：（1）配制不同成分的合金试样，如纯铜；75%Cu+25%Ni；50%Cu+50%Ni；合金25%Cu+75%Ni；：纯Ni。（2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点；（3）将各临界点绘在温度合金成分坐标图上；（4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu、Ni合金相图。第十五张

8、，PPT共四十四页，创作于2022年6月用热分析法测定Cu、Ni相图a）冷却曲线 b）相图第十六张，PPT共四十四页，创作于2022年6月三、平衡相组成的分析1平衡相成分的确定 2平衡相相对重量的确定：（杠杆定律） 第十七张，PPT共四十四页，创作于2022年6月平衡相成分分析示意图 第十八张，PPT共四十四页，创作于2022年6月平衡相相对重量的确定（杠杆定律）第十九张，PPT共四十四页，创作于2022年6月四、二元状态图的基本类型分析 1.二元匀晶相图 2.二元共晶相图3.二元包晶相图4.形成稳定化合物的相图 5.具有共析转变的相图 6.合金的性能与相图的关系 第二十张，PPT共四十四页，

9、创作于2022年6月1.二元匀晶相图1相图的组成及特征 2合金平衡结晶过程及组织3枝晶偏析及其消除第二十一张，PPT共四十四页，创作于2022年6月 Cu-Ni二元均晶相图 第二十二张，PPT共四十四页，创作于2022年6月Cu-Ni合金枝晶偏析示意图 第二十三张，PPT共四十四页，创作于2022年6月枝晶偏析及其消除由于实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。扩散过程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡的条件下进行的。这使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，合金的熔点较高，构成晶体的树枝状骨架，后结晶出的部分含高熔点组元较少，熔点较低，填充于枝间。这种在晶粒内化学成分不均匀的现象

10、称为枝晶偏析或称晶内偏析。出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能和加工工艺性能变坏。出现枝晶偏析后，可通过扩散退火予以消除。一般采用将铸件加热到低于固相线100200的温度，进行长时间保温，使偏析元素进行充分扩散，成分均匀化。 第二十四张，PPT共四十四页，创作于2022年6月2.二元共晶相图1相图的组成分析 2典型合金平衡结晶过程分析第二十五张，PPT共四十四页，创作于2022年6月二元共晶相图第二十六张，PPT共四十四页，创作于2022年6月1相图的组成分析共晶相图中有三个单相区：液相区L，固相和相区；三个两相区：L+区，L+区，+区；一个三相共存点：C点 第二十七张，PPT共四十

11、四页，创作于2022年6月共晶合金结晶过程示意图 第二十八张，PPT共四十四页，创作于2022年6月亚共晶合金结晶过程示意图 第二十九张，PPT共四十四页，创作于2022年6月合金的结晶过程示意图 第三十张，PPT共四十四页，创作于2022年6月3.二元包晶相图 1相图的组成分析 2典型合金平衡结晶过程分析第三十一张，PPT共四十四页，创作于2022年6月二元包晶相图第三十二张，PPT共四十四页，创作于2022年6月1相图的组成分析在二元包晶相同中，有三个单相区：液相区L、固相区和相区； 三个两相区：L+、L+、+；一个三相共存点：e点（L、共存） 第三十三张，PPT共四十四页，创作于2022

12、年6月合金I结晶过程示意图 第三十四张，PPT共四十四页，创作于2022年6月合金结晶过程示意图 第三十五张，PPT共四十四页，创作于2022年6月合金结晶过程示意图 第三十六张，PPT共四十四页，创作于2022年6月4.形成稳定化合物的相图 合金系中两组元之间还可能形成稳定的金属化合物，其组成可用通式AmBn表示，它具有固定的成分和一定的熔点，可把它看成独立的组元。它的分析可作为两个简单相图进行。 第三十七张，PPT共四十四页，创作于2022年6月5.具有共析转变的相图 第三十八张，PPT共四十四页，创作于2022年6月共析转变 共析转变属于固态相变的一种类型。和共晶反应一样是由一个相分解为

13、两个相的三相平衡等温转变。共析转变的特点是：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具有一定晶体结构的固相。其反应式可表达为： 反应产物和的相对重量有一固定的比例：由于共析反应是在固态下进行的，其原子扩散条件很差，晶核成长速度很小，所以共析转变物的组织是比较细密的两相相间的机械混合物。 第三十九张，PPT共四十四页，创作于2022年6月5.合金的性能与相图的关系第四十张，PPT共四十四页，创作于2022年6月（1）合金的使用性能与相图的关系 由图可见，当合金形成单相固溶体时，随溶质溶入量的增加，合金的硬度、强度升高，而电导率降低，呈透镜形曲线变化，在合金性能与成分的关系曲线上有一极大值或极小值。当合金形成两相混合物时，其性能是两相性能值的算术平均值。随着成分的变化，合金的强度、硬度、导电率等性能在两组成相的性能间呈线性变化，对于共晶成分或共析成分的合金，其性能还与两组成相的致密程度有关，组织愈细，性能愈好。当合金形成稳定化合物时，在化合物处性能出现极大值或极小值。第四十一张，PPT共四十四页，创作于2022年6月（2）合金工艺性能与相图的关系 合金的工艺性能与相图