第2章合金的结构与结晶

第2章合金的结构与结晶1

概念

相图的建立

匀晶相图

共晶相图

包晶相图及其他相图

合金的使用性能与相图的关系

合金的工艺性能与相图的关系2、合金的结晶3、合金的性能与相图的关系1、合金的结构机械混合物（Pb-Sb合金）固溶体金属间化合物第2页在合金结晶时，形成的固相结构与合金的某一组成元素的晶格相同（即在一种元素的晶格中包含其它元素），这种固相称为固溶体。晶格与固溶体相同的组元为固溶体的溶剂，其他组元为溶质。根据溶质在溶剂晶格中所处的位置，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。

a)置换固溶体 b)间隙固溶体固溶体第3页按照溶质原子在溶剂晶格中的规律可分为：

(1)有序固溶体这种结合近似于化合物，可以用化学式子表示，如cuAu、Cu3Au、Fe3Al等。

有序化对合金的机械性能和物理性能有一定的影响，如提高合金的屈服强度和硬度，提高合金的导电性等。

(2)无序固溶体第4页溶质原子溶于固溶体中的量，称为固溶体的浓度。溶质元素在固溶体中的极限浓度，叫做溶解度。其大小主要取决于溶质与溶剂的晶格类型、原子直径的差别和在周期表中的相互位置。在任何比例下均能互溶而形成无限固溶体，反之，为有限固溶体。间隙固溶体只能是有限固溶体。第5页当合金中溶质含量超过固溶体的溶解度时，将析出新相。若新相的晶体结构与合金其他组元的相同，则新相为以另一个组元为溶剂的固溶体。若新相的晶体结构不同于任一组元，则新相是组元间形成的一种新物质——化合物。根据其形成条件及结构特点，常见化合物可分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物。Fe3C是钢铁中的一种最重要的间隙化合物，又称为渗碳体，具有复杂的斜方晶格，它作为强化相对钢铁材料的性能有重大的影响。金属间化合物第6页1．固溶体与固溶强化在固溶体中，溶质原子的溶人将造成晶格畸变，从而导致固溶体的强度和硬度升高，其他性能也发生变化，这种现象称为固溶强化。在同等条件下，间隙固溶体所产生的固溶强化效果要远大于置换固溶体。固溶体的性能特点是在提高强度同时仍保持其良好的塑性和韧性。若作为单相固溶体合金材料，则常用于制造各种冷成形件。若作为复相合金材料，则固溶体将作为合金材料的基体相，以保证合金材料的韧性。固溶强化是金属材料改性的重要途径之一。合金性能第7页2．化合物与第二相强化化合物的性能特点是高熔点、高硬度和高脆性。化合物很少作为单相合金材料使用，而是与固溶体组成复相合金材料。化合物在复相合金材料中作为强化相，并分布在固溶体基体上，以保证合金材料的强度。化合物作为第二相可提高合金材料的强度，又称为第二相强化，其效果主要取决于化合物的形态(大小、形状、分布状况等)。若化合物在固溶体晶粒内呈弥散质点(或颗粒)分布，它既可显著提高合金的强度和硬度，又使塑性和韧性下降不大，颗粒愈细小，分布愈均匀，则强化效果就愈好，所以这是最有利的形态。在工程上也常用来强化合金材料，这种强化也称为“弥散强化”或“颗粒强化”。第8页由两种或两种以上的金属元素，或金属元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质，称为合金。组成合金的独立的、最基本的单元称为组元，组元可以是纯元素或是稳定的化合物。合金系：由两种或两种以上组元配制的一系列不同成分的合金相图（平衡图、状态图）

第9页相：合金中具有相同的物理、化学性能、并与该系统的其余部分以界面分开的物质部分。合金组织：用金相显微镜观察法，在金属及合金内部看到的涉及各相（晶体或晶粒）大小、方向、形状、排列状况等组成关系和构造情况。当材料成分一定时，相同的相在不同处理条件下形成，会具有各种不同的形态（大小、方向、形状、排列状况等），从而构成不同的显微组织。可见，一个相可以构成一种或一种以上的组织。合金的性能，一方面取决于组成合金的各相本身的晶体结构，但另一方面，也取决于由各相形态决定的合金组织状态。合金的相结构可分为固溶体和化合物。合金的相、组织及其关系第10页相图，又称为平衡图或状态图，是表明合金系中不同成分的合金在不同温度下所存在的相以及相与相之间关系的图形。相图的建立：热分析法。

图2·11Cu—Ni合金的冷却曲线及相图第11页两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图称为二元匀晶相图。具有这类相图的合金系有Cu—Ni、Cu—Au、Au—Ag、Fe—Ni、w—Mo等。图2．12匀晶相图合金的结晶过程(1)平衡结晶过程匀晶相图第12页设一合金的含B量为K，质量为1。根据质量守恒定律得下列方程：

QL+Q=1QLX+QX′=K求解方程得(2)杠杆定律第13页在实际铸造条件下，一般冷却较快，原子扩散来不及充分进行，会使先结晶出来的固相含高熔点组元量较高。这种在一个晶粒内化学成分不均匀的现象称为晶内偏析，或称枝晶偏析。消除或改善办法是：采用扩散退火(亦称均匀化退火)(3)枝晶偏析第14页两组元在液态无限互溶，在固态有限溶解(或不溶)，并在结晶时发生共晶转变所构成的相图称为二元共晶相图。共晶转变：

图2．14共晶相图共晶相图(1)相图分析第15页图2．15合金I的冷却曲线及结晶过程(2)典型合金的平衡结晶过程1)共晶合金的结晶过程第16页

图2．16Pb—Sn合金共晶组织第17页

图2．17合金Ⅱ的冷却曲线及结晶过程2)亚共晶合金第18页图2.18Pb—Sn亚共晶合金的显微组织示意图第19页3)k点以左和h点以右的合金

图2．19共晶相图中的组织组成物第20页两组元在液态下无限互溶，在固态有限溶解，并在结晶时发生包晶转变的相图，称为包晶相图。图2．20铁碳相图的包晶部分包晶相图及其他相图(1)包晶相图第21页包晶转变：

图2．2l包晶转变示意图第22页共析相图和具有稳定化合物的相图共析反应：图2．22共析相图图2．23镁一硅合金相图

(2)其他相图第23页图2．24合金使用性能与相图的关系合金的使用性能与相图的关系第24页图2.25合金铸造性能与相图的关系合金的工艺性能与相图的关系第25页人有了知识，