中科大金属学及热处理课件03二元合金的相结构与结晶

第三章

二元合金的相结构与结晶§3—1

合金的相结构

§3—2合金的结晶上一级§3-1合金的相结构一、合金的基本概念1、合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。2、组元：组成合金的最基本的、独立的物质。3、相：合金中具有同一聚集状态，成分和性能均一，并以界面互相分开的组成部分。

4、组织：组成合金的各相成分、结构、形态、性能和各相的组合形貌。上一级二、合金的相结构㈠固溶体

合金在固态下，组元间所能互相溶解而形成的均匀相，固溶体的晶体结构与其中某一组元的晶体结构相同。固溶体的分类（按溶质原子在溶剂晶格中的位置）：a:间隙固溶体b:置换固溶体上一级1、

间隙固溶体（图）

⑴间隙固溶体的概念⑵形成间隙固溶体的条件

d溶质∕d溶剂＜0.59原子尺寸较小的溶质元素有：C、N、B、H、O⑶Fe—C合金中的间隙固溶体铁素体

奥氏体上一级

2、

置换固溶体(图）⑴概念⑵形成置换固溶体的条件(a)组元的晶体结构类型溶质与溶剂晶格结构相同则固溶度较大，反之较小。

(b)原子尺寸因素

溶剂原子半径rA与溶质原子半径rB的相对差(rA-rB)／rA不超过14％~15％，有利于大量固溶，反之固溶度非常有限。上一级

(c)电负性因素两元素的电负性相差越大，化学亲和力越强，则倾向于形成化合物。(d)电子浓度因素电子浓度定义为合金中价电子数目与原子数目的比值。上一级3、

固溶强化溶质溶于溶剂后形成固溶体，溶剂金属的强度、硬度增加，塑性、韧性降低的现象。原因：由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。上一级

㈡金属化合物1、概念：异类原子组成具有与该组元均不相同的点阵结构。一般可以用分子式来大致表示其组成。Fe—C合金：C%0～0.0218%铁素体C在α—Fe的间隙固溶体C%

＞0.0218%一部分形成固溶体Fe3C（一部分）上一级2、分类：3、

金属化合物特点：①

具有独立的晶体结构（即不同于溶质，也不同于溶剂）。②

熔点高，硬度高，可作为强化相。上一级⑴正常价化合物MgSe、Mg2Si、Mg2Sn等。a：有分子式b：符合化合价规律c：成分与分子式相同上一级⑵电子化合物电子浓度是指化合物中价电子数与原子数的比值。电子浓度:上一级⑶间隙化合物由原子直径较大的过渡族金属元素（Fe、Cr、Mo、W、V等）和原子直径较小的非金属元素（H、C、N、B等）所组成。如：VC、Cr7C3、Cr23C6、、WC、TiC、Fe3C、Fe4W2C就是这一类化合物。上一级间隙固溶体示意图返回置换固溶体示意图溶剂原子溶质原子返回§3-2合金的结晶合金的结晶过程遵循结晶的基本规律，由于合金成分中包含有两个以上的组元，结晶过程中，不同温度范围内存有不同数量的相，且各相成分有时也可变化，必须引入合金相图这一工具来进行描述。一、二元合金相图的基本知识㈠二元合金相图的表示方法（图）合金相图——表示成分、温度与相平衡之间关系的图解。以Cu—Ni合金为例1点Cu=80%Ni=20%成分线上不同点代表该合金处于某一温度的相组成。上一级㈡二元合金相图的测定方法-热分析（图）①

配制一系列不同成分的Cu—Ni合金：取几个点：100%Cu

、

20%Ni+80%Cu

、

40%Ni+60%Cu、60%Ni+40%Cu

、80%Ni+20%Cu、

100%Ni②

用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线（温度-时间）。③

找出合金冷却曲线上的临界点。④

把各临界点画在温度—成分图上。连接各相同意义的点，所得的线称为相界线。上一级二、相律及杠杆定律1、相律用来表示平衡状态下系统的组元数C、相数P与独立可变因素——自由度数f之间的关系。

f=C-P+2自由度数，是指系统在保持平衡状态和相数不变的前提下，能够在一定范围内任意独立改变的因素（温度、压力、成分等）的数目。通常情况下，压力的改变对状态影响极小，可以忽略不计，系统平衡时相律形式为：f=C-P+1上一级2、杠杆定律

用来计算二元相图中两相平衡状态下平衡相的相对质量。杠杆的支点是两个相的平均质量分数（合金的成分点），端点分别是两个相的成分点。

上一级三、二元均晶相图㈠均晶相图——凡是在二元合金系中，两组元在液态和固态下以任何比例均可相互溶解，即在固态下能形成无限固溶体时，其相图属于均晶相图。

㈡相图分析

分析点、线、面的意义。上一级㈢合金的平衡结晶过程平衡结晶是指合金在极缓慢的冷却条件下进行的结晶过程。和纯金属不同，合金在结晶时有以下两个显著的特点：i.

异分结晶；ii.

合金的结晶需要一定的温度范围。㈣合金的不平衡结晶上一级

㈤区域偏析或区域提纯a、区域偏析合金在不平衡结晶时造成的大范围内化学成分不均匀的现象称为区域偏析。b、区域提纯区域偏析对合金的性能影响很大，根据这一原理，可以提纯金属，称为区域提纯。㈥成分过冷及其对晶体成长形状的影响a、形成成分过冷的条件及其影响因素b、成分过冷对晶体成长形状的影响上一级四、二元共晶相图共晶相图——凡是二元合金系中两组元在液态能完全互溶，而在固态有限溶解，并发生共晶转变。1、

简单共晶相图（图）2、一般共晶相图（图）3、

合金的结晶过程分析（1）合金Ⅰ（M点以左的合金）室温组织应为：α固溶体+βⅡ固溶体。室温时的α与βⅡ的相对量：上一级（2）

合金Ⅱ（E点的合金）也称为共晶合金α相与β相的机械化合物。αM与βN的相对量，可用杠杆定律计算如下：（3）合金Ⅲ（M，E点间的合金）亚共晶合金其显微组织由初晶α+次生βⅡ+（α+β）共晶组成。合金成分愈接近共晶成分，组织中共晶体（α+β）量越多，而初晶α量愈少。上一级（4）合金Ⅳ（E，N点间的合金）称为过共晶合金室温组织应为初晶β+次生αⅡ+共晶体（α+β）4．合金的相组分与组织组分相组分：α、β两相，也称为相组成物。组织组分：由于不同合金的形成条件不同，各种相将以不同的数量、形状、大小互相组合，因而在显微镜下可观察到不同的组织。把具有一定的组织特征，并在显微镜下可以明显区分的物质。

上一级合金中相组分和组织组分的相对量：相组分α、β：上一级组织组分：αD

共晶体、（αD+βE）相对量：5．比密度偏析（1）概念：亚共晶或过共晶合金结晶时，初晶的密度与剩余液相的密度相差很大，则初晶将上浮或下沉。（2）

影响：降低合金的使用与加工性能，可搅拌液体金属或加入某种物质形成骨架，以阻止初晶相上浮或下沉。上一级五、二元包晶相图(一)、相图分析(图)

点：A：纯Pt熔点，B：纯Ag熔点，D：包晶成分点，含Ag42.4%线：ACB：液相线；AEDB：固相线；EDC：包晶转变线；EP、DQ：固溶线相区：单相区：L、α、β；两相区：L+α、L+β、α+β；三相平衡：L+α+β。

上一级包晶转变：一定成分的液相和一定成分的固相在一定的温度下生成一定成分的固相的反应称为包晶反应。即：

D点称为包晶成分点，EDC称为包晶转变线。上一级（二）、典型合金的平衡结晶及其组织1、含Ag量为42.4%的合金1点以上，液相；1~2点，由液相结晶出α，液相成分沿AC变化，固相成分沿AE变化；到2点温度，发生包晶转变：包晶转变前，相组成为α、L，其相对量为：

包晶转变结束后，液相和固相同时消耗完，生成单一的β相。继续冷却，将会从β中析出αII。

结晶结束后，相组成为：α、β；组织组成为：αII、β，其相对量可以用杠杆定律计算。上一级六、合金性能与相图间的关系1．单相固溶体合金匀晶相图是形成单相固溶体合金的相图（图）2．两相混合物合金共晶相图中，结晶后形成两相组织的合金称为两相混合物合金（图）。两相混合物的压力加工性能与合金组织中硬脆的化合物相含量有关，一般都比固溶体合金要差，但只要组织中硬脆相含量不多，其切削加工性能就比固溶体合金要好。上一级1返回返回具有简单共晶相图的合金有Be-Si