二元合金精品课件

1、二元合金第1页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日内容简介本章介绍合金相结构和组织的基本概念、二元合金相图的建立过程和分析相图的基本方法，以及二元相图与合金性能之间带规律性的一些关系。重点掌握合金相结构，并学会分析二元合金相图。合金的结构与二元合金机械工程材料第2页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日4.0 合金的基本概念合金：一种金属元素同另一种或几种元素, 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。 组元：组成合金的独立的、最基本的单元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物合金系：由给定组元配制成一系列成分不同的合金组成的一个系统。合

2、金的结构与二元合金机械工程材料第3页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日相的定义相：在金属或合金中，凡具有相同的化学成分、相同的晶体结构并以界面相互分开的均匀组成部分。 液态物质为液相，固态物质为固相。 固态合金中两类基本相：固溶体和金属化合物合金的相状态：合金在一定条件下的相组成情况，包括相的种类和相对量。合金的结构与二元合金机械工程材料第4页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日组织的定义组织：在显微镜下所观察到的，具有一定大小、形状和分布的金属内部的微观形貌。在金属或合金中，由于形成的条件不同，各种相将以不同的数量、形状、大小相互结合，因此，在显微镜

3、下，可以看到金属或合金具有各种不同的组织。合金的组织状态：合金在一定条件下，由哪几个组织组成，以及它们的相对量。合金的结构与二元合金机械工程材料第5页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日相和组织的比较假设：红色、蓝色分别表示不同的两个相合金的结构与二元合金机械工程材料第6页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日4.1 合金的相结构固态合金的相，分成两大类：固溶体：相的晶体结构与某一组成元素的晶体结构相同金属化合物：相的晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同合金的结构与二元合金机械工程材料第7页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日1.固溶体

4、溶质原子溶入固态溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成的相。它总是以一种元素(与合金晶体结构相同)作为溶剂，另一种或多种元素作为溶质的。固溶体用、来表示。合金的结构与二元合金机械工程材料第8页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日固溶体的分类按溶质原子在溶剂晶格中的位置分：置换固溶体与间隙固溶体按溶质原子在溶剂中的溶解度分：有限固溶体和无限固溶体按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分：无序固溶体和有序固溶体合金的结构与二元合金机械工程材料第9页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日间隙固溶体合金的结构与二元合金机械工程材料Fe-C间隙固溶体第10页，共80页，202

5、2年，5月20日，19点28分，星期日间隙固溶体的特点溶质原子分布于溶剂晶格间隙所形成的固溶体，其溶解度有限。形成条件：只有溶质原子与溶剂原子的直径之比小于0.59时，才会形成间隙固溶体通常，由原子直径很小的碳、氮、氢、硼、氧等非金属元素溶入过渡族金属元素的晶格间隙中而形成。合金的结构与二元合金机械工程材料第11页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日置换固溶体合金的结构与二元合金机械工程材料Cu-Ni置换固溶体第12页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日置换固溶体的特点溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体。形成条件：溶剂与溶质原子尺寸相近，直

6、径差别较小，容易形成置换固溶体。置换固溶体中原子的分布通常是任意的，称之为无序固溶体。在某些条件下，原子成为有规则的排列，称为有序固溶体。合金的结构与二元合金机械工程材料第13页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日固溶体的溶解度浓度：溶质原子在固溶体中所占的百分比溶解度：在一定条件下的极限浓度置换固溶体中，影响溶解度的因素有原子尺寸、晶格类型、电化学性质以及电子浓度等。合金的结构与二元合金机械工程材料第14页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日间隙固溶体与置换固溶体的比较晶格畸变有限固溶与无限固溶固溶强化形成条件不同合金的结构与二元合金机械工程材料第15

7、页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日固溶体的晶体结构特点保持溶剂金属的晶体结构类型；成分可以在或大或小的范围内变化；由于溶质原子的加入，使晶格点阵发生畸变，周围原子离开平衡位置，不可避免地引起溶剂晶格常数发生变化。合金的结构与二元合金机械工程材料第16页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日固溶体的性能固溶强化：通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象固溶强化原因：溶质原子的溶入晶格畸变及钉扎位错增大位错运动的阻力，提高变形抗力，从而提高合金的强度和硬度。合金的结构与二元合金机械工程材料 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

8、的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。第17页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日2.金属间化合物金属间化合物：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, 又称中间相。一般可用分子式大致表示其组成。特点：具有复杂的晶格、熔点较高、硬而脆。合金中含有金属化合物时, 强度、硬度和耐磨性提高, 而塑性和韧性降低。合金的结构与二元合金机械工程材料第18页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日金属间化合物的分类根据金属化合物的形成规律及结构特点，可将其分为三大类型： 正常价化合物 电子化合物 间隙化合物：间隙相、间隙化合物合金的结构与二元合金机

9、械工程材料第19页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日正常价化合物定义：严格遵守化合价规律的化合物形成：由元素周期表中相距较远、电负性相差较大的元素组成，成分固定、可用化学式表示。例如，大多数金属和A族、族、A族元素生成Mg2Si、Mg2Pb、Mg2Sn、Cu2Se、ZnS、AlP及-SiC等。性能特点：硬度高、脆性大。合金的结构与二元合金机械工程材料第20页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日电子化合物定义：不遵守化合价规律但符合一定电子浓度（化合物中价电子数与原子数之比）的化合物。形成：由B族或过渡族元素与B族、A族、A族、A族元素所组成。性能特点：

10、主要以金属键结合, 具有明显的金属特性, 可以导电。熔点和硬度较高，塑性较差。合金的结构与二元合金机械工程材料第21页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日电子化合物的结构特点电子浓度和晶体结构具有一定的对应关系，且成分可变，可形成以电子化合物为基的固溶体。生成这种合金相时, 元素的每个原子所贡献的价电子数Au、Ag、Cu为1个, Be、Mg、Zn为2个, Al为3个, Fe、Ni为0个。合金的结构与二元合金机械工程材料第22页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日电子化合物及其结构类型举例合金的结构与二元合金机械工程材料第23页，共80页，2022年，5月

11、20日，19点28分，星期日间隙化合物定义：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。性能特点：很高的熔点和极高的硬度，十分稳定。结构特点：尺寸较大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置，非金属小原子则有规则地嵌入晶格的间隙之中。根据结构特点，又分为间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。合金的结构与二元合金机械工程材料第24页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日间隙化合物晶体结构示意图 间隙相（VC）的结构 间隙化合物Fe3C的晶格结构合金的结构与二元合金机械工程材料第25页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日间隙相形成条件：非金属

12、原子半径与金属原子半径之比小于0.59，具有简单晶格结构。特点：具有金属特性，极高的熔点和硬度, 非常稳定。它们的合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。合金的结构与二元合金机械工程材料第26页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日间隙化合物形成条件：非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，具有复杂结构。如钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。特点：具有很高的熔点和硬度, 但比间隙相稍低些, 在钢中也起强化相作用。合金的结构与二元合金机械工程材料第27页，共80页，2022年，5月20日

13、，19点28分，星期日4.2 二元合金相图相图：描述合金系的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解，又称状态图。反映不同成分的材料在不同温度下的相状态、组织状态及温度变化时可能发生的变化。合金的结构与二元合金机械工程材料Fe-C二元相图三元相图第28页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日1.二元合金相图的建立在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分。因此二元合金相图是一个以温度为纵坐标，合金成份为横坐标的平面图形。合金的结构与二元合金机械工程材料几乎所有的合金相图都是通过实验方法得到的。建立相图最常用的实验方法是热分析法。第29页，共80页，2022年，5月20日，19

14、点28分，星期日热分析法建立Cu-Ni合金相图合金的结构与二元合金机械工程材料第30页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日2. 二元匀晶相图两组元在液态、固态均能无限互溶的二元合金系所形成的相图。如Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Ni、W-Mo、Cr-Mo等。匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程特点：匀晶相图中任意成分合金在冷却过程中发生单相固溶体的凝固过程。合金的结构与二元合金机械工程材料第31页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日 相图分析aa1c 线为液相线; ac1c 线为固相线。2个单相区，分别为液相（L）和固相()1个双相区： L

15、 +相区合金的结构与二元合金机械工程材料第32页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日 平衡结晶过程合金的结构与二元合金机械工程材料第33页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日匀晶转变的特点合金在一定温度范围内结晶；结晶过程中，先结晶出的固相和剩余液相的成分都与原来合金的成分不同，它们分别沿着固相线和液相线变化。合金的结构与二元合金机械工程材料结论：两相区中，相互处于平衡状态的两个相的成分，分别沿着两相区的两个边界线改变第34页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日杠杆定律的力学比喻合金的结构与二元合金机械工程材料第35页，共80页，20

16、22年，5月20日，19点28分，星期日 杠杆定律假设：合金的重量为1合金的结构与二元合金机械工程材料QL(x- K)/(x- x)Q(K - x)/(x- x)则 QLQ1 QLx Qx1K第36页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日杠杆定律由杠杆定律可算出合金中平衡两相(或两组织组成物)的相对质量。杠杆的支点是合金的成分，端点是给定温度时所求的两平衡相(或两组织组成物)的成分二元合金系，杠杆定律只适用于相图中的两相区, 且只能在平衡状态下使用。图例合金的结构与二元合金机械工程材料第37页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日 不平衡结晶实际生产条件：一

17、般冷却较快，为不平衡结晶，原子扩散不能充分进行结果：形成成分不均匀的固溶体，造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，称为枝晶偏析或晶内偏析。消除方法：扩散退火合金的结构与二元合金机械工程材料第38页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日合金的结构与二元合金机械工程材料Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织枝晶偏析组织第39页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日3. 二元共晶相图二元共晶相图：两组元在液态无限互溶，固态有限互溶或完全不互溶，且冷却过程中发生共晶反应的二元合金系所形成的相图。如Pb-Sn、Cu-Ag、Al-Ag、Al-Si、Pb-Bi等。共

18、晶转变：由一个液相同时结晶出两种成分不同的固相（共晶体）的过程。合金的结构与二元合金机械工程材料第40页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日 相图分析液相线：AEB固相线：AMENB共晶线：MENMF是Sn在相中的溶解度线，NG是Pb在中的溶解度线。合金的结构与二元合金三个单相区：、L；三个双相区：L+、L+、+；一个三相区： L+。机械工程材料第41页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日二元共晶反应 共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应。 LEMN共晶点、共晶线、共晶反应温度共晶合金、亚共晶合金、过共晶合金合金的结构与二元合金机械工程材料

19、第42页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日 平衡结晶过程合金的结构与二元合金机械工程材料第43页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日（Sn10%）的合金结晶过程结晶过程中的反应：匀晶反应二次相析出室温下的组织 +室温下的相 +合金的结构与二元合金机械工程材料第44页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日共晶合金的结晶过程结晶过程中发生共晶反应室温下的相为： +室温下的组织为：共晶体 （+）合金的结构与二元合金机械工程材料第45页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日共晶组织形态针状共晶树枝状共晶放射状共晶螺旋状共晶第

20、46页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日亚共晶合金的结晶过程 结晶过程中先后发生匀晶、共晶反应及二次相的析出过程。室温下的相为： +室温下的组织为： +（+）+合金的结构与二元合金机械工程材料第47页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日过共晶合金的结晶过程 结晶过程中先后发生匀晶、共晶反应及二次相的析出过程。室温下的相为： +室温下的组织为：+（+）+ 合金的结构与二元合金机械工程材料第48页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日 Pb-Sn合金相图的组织特点Pb-Sn合金结晶的产物只有和两相（两种结构形式），称为相组成物。但不同方式

21、析出的和相具有不同的特征，上述各合金结晶所得的、及共晶（+），在显微镜下可以看到各具有一定的组织特征，它们称为组织组成物。按组织来填写的相图与显微镜下看到的金相组织是一致的。合金的结构与二元合金机械工程材料第49页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日按组织组成物填写的Pb-Sn相图合金的结构与二元合金机械工程材料第50页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日Pb-Sn合金组织组成物在相图上的标注第51页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日 比重偏析比重偏析：亚共晶或过共晶合金结晶时，由于先结晶相与剩余液相的比重不同而引起的偏析，也称区域

22、偏析。预防措施：加快铸件冷却速度，使偏析相来不及上浮或下沉；搅拌；加入高熔点元素，使之形成树枝状骨架悬浮于液相中，阻止偏析相的上浮或下沉。合金的结构与二元合金机械工程材料第52页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日4. 二元包晶相图二元包晶相图：两组元在液态无限互溶，固态有限互溶或完全不互溶，且冷却过程中发生包晶反应的二元合金系所形成的相图。如Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb等。包晶转变：由先结晶出的固相和剩余液相相互作用，形成另一种成分不同的固相的过程。合金的结构与二元合金机械工程材料第53页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日 相图分析液相线：ad

23、b固相线：acebcf是Ag在相中的溶解度线，eg是Pt在中的溶解度线。合金的结构与二元合金三个单相区：、L；三个双相区：L+、L+、+；一个三相区： L+。机械工程材料第54页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日二元包晶反应 包晶反应：先析相和剩余液相在恒温下发生反应，生成一种新固相的反应。 c Lde包晶点、包晶线、包晶反应温度合金的结构与二元合金机械工程材料第55页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日 包晶成分合金：匀晶包晶二次析出 室温组织为 +II ，相为 + 平衡结晶过程第56页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日 PD成

24、分合金：匀晶包晶二次析出 室温组织为 +II+ + II ，相为 + 时间温度第57页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日 DC成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出 室温组织为 +II ，相为 + 时间温度第58页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日包晶偏析由于包晶转变不能充分进行而产生的化学成分不均匀的现象。合金的结构与二元合金机械工程材料第59页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日共晶转变和包晶转变的区别1.反应式不同；2.图形形式不同；3.共晶反应温度是合金的最低凝固温度，而包晶反应温度不是合金的最低凝固温度；4.产物形式不同。合金的

25、结构与二元合金机械工程材料第60页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日三相平衡线的图形特征及性质合金的结构与二元合金机械工程材料第61页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日具有共析反应的二元合金相图共析反应：一定成分的固相，在一定温度下，同时析出两种化学成分和晶格结构完全不同的新固相。合金的结构与二元合金机械工程材料第62页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日具有稳定化合物的二元合金相图稳定化合物是指在熔化前既不分解也不产生任何化学反应的化合物。合金的结构与二元合金机械工程材料第63页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，

26、星期日二元相图的识别方法二元合金相图的基本类型是匀晶、共晶和包晶三大类。在分析二元合金相图时，应掌握以下要点： 1.相图中每一点都代表某一成分的合金在某一温度下所处的状态，此点称为合金的表象点。2.在单相区中合金由单相组成，相的成分即等于合金的成分，它由合金的表象点来决定。3.两个单相区之间必存在一个两相区，在此两相区中，合金处于两相平衡状态，两相的相对量用杠杆定律计算。4.在二元合金相图中，三相平衡共存表现为一条水平线三相平衡线。合金的结构与二元合金机械工程材料第64页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日二元相图的分析步骤 分清相图中包括哪些基本类型相图 确定相区 相区接

27、触法则 相邻两个相区的相数差为1 单相区的确定 液相线以上为液相区； 靠近纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区； 相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相区分界线；合金的结构与二元合金机械工程材料Fe- Fe3C相图第65页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日二元相图的分析步骤 相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区； 相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。合金的结构与二元合金机械工程材料Cu-Zn相图+第66页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日二元相图的分析步骤 双相区的确定 两个单相区之间夹有一个两相区，该两相

28、区的相由两相邻单相区的相组成。 三相区的确定 二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成。合金的结构与二元合金机械工程材料Fe-Fe3C相图第67页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日典型合金的结晶过程分析方法作出典型合金冷却曲线示意图二元合金冷却曲线的特征是: 在单相区和两相区冷却曲线为一斜线。第68页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日典型合金的结晶过程分析方法 由一个相区进入另一相区时, 冷却曲线出现拐点； 发生三等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶。 第69页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日典型合金的结晶过程分析方法 分析合金结晶过程 画出组织转变示意图 计算各相、各组织组成物相对重量百分比（单相区、双相区、三相区）合金成分相1成分相2成分相1重量相2重量合金成分组织1成分组织2成分组织1重量组织2重量第70页，共80页，2022年，5月20日，19点28分，星期日4.3合金的性能与相图的关系合金的性能取决于合金的化学成分和组织合金的化学成分与组织间的关系体现在合金相图上故合金相图与合金的性能之间必然存在着一定的联系。 合金的结构与二元合金机械工程材料第71页，共80页，2022年，5月20日，19点