合金的结构与相图(材料第三章).ppt

1、第三章合金的结构和相图，第一节固体合金中的相结构第二节二元合金相图的建立第三节实体相图*第四节二元共晶相图*第五节二元包晶相图*形成第六节稳定化合物的二元合金相图*第七节共析反应的二元合金相图第八节合金的性能和相图的关系，第一节固体合金中构成相结构合金的元素体可以全部为金属构成合金的元素体的相互作用可以形成不同的相。 相：是指金属或合金中的所有成分相同、结构相同、与该部分有界面分离的均匀构成部分。 所谓金相组织：是在显微镜下观察的金属中的各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。 固态合金中的相分为固态溶液和金属化合物。 另一方面，固态溶液合金中的其结构与构成元素体的一种结晶结构为相同的固体

2、，与固态溶液相称。 习惯用、表示。 和合金的结晶构造相同的元素体叫做溶剂。 其他的元素体被称为溶质。 固态溶液是合金的重要组成相，实际合金多为单相固态溶液合金或以固态溶液为化学基的合金。 根据溶质原子的位置分为置换固态溶液和间隙固态溶液。 取代固态溶液溶质原子占据有溶剂晶格的结点位置的固态溶液。 溶质原子被称为无序分布的无序固态溶液，称为有序分布的有序固态溶液。 黄铜是置换固态溶液组织，而间隙固态溶液溶质原子是埋入溶剂晶格间隙而形成的固态溶液。 形成缝隙固态溶液的溶质元素体是原子半径小的非金，是c、n、b等的金属元素体，而溶剂元素体一般是过渡族元素体。 形成缝隙固态溶液的一般规律为r质/r剂0

3、.59。 间隙固态溶液都是无序固态溶液。 固态溶液的溶解度溶质原子在固态溶液中的极限浓度。 溶解度有限的固态溶液叫有限固态溶液。 构成元素体无限相容的固态溶液称为无限固态溶液。 构成元素体的原子半径、电化学特性相近，晶格型相同的置换固态溶液有可能形成无限固态溶液。 间隙固态溶液均为有限固态溶液。 固态溶液的性能随着溶质含量的增加，固态溶液的强度、硬度增加，塑性、韧性降低，固溶强化。 固溶强化的原因是溶质原子对晶格的应变和对位错误的大头针化作用。 与纯金属相比，固态溶液的强度硬度高，塑性韧性低。 但是，与化合物相比，硬度低得多，塑性和韧性高得多。 二、金属化合物合金中的其晶体结构与构成元素体的晶

4、体结构均不同，是具有金属特性的固相金属化合物。 金属化合物熔点、硬度、脆性高，可以分子式表示。 如果在合金中出现金属化合物，则铁元素碳合金中的Fe3C的强度、硬度、耐磨损性提高，但塑性、韧性降低。 金属化合物也是合金的重要组成相。*正常价化合物符合正常原子价规则。 例如，Mg2Si *电子化合物符合电子浓度规律。 例如Cu3Sn。 电子浓度是价电子数和原子数之比。 间隙化合物由过渡族元素体和c、n、b、等小原子半径的非金属元素构成。 a .间隙相： r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。 例如，M4X (Fe4N )、M2X (Fe2N、W2C )、MX (钛、钴、钛)等。

5、间隙相具有金属的特点和极高的硬度和熔点，非常稳定。 碳化物的一部分和所有的氮化物属于间隙相。 b .具有复杂结构的间隙化合物在r非/r金为0.59时形成复杂的结构间隙化合物。 例如，FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C被称为渗碳体，是钢中的重要组成相，具有复杂的斜方晶格。 化合物也可以溶解于其他元素体的原子中，形成以化合物为化学基的固态溶液。第二节二元合金相图的建立一、相图的意义及一些名词的含意合金的结晶过程比纯金属复杂，用常用相图进行分析。 也称为状态图或平衡图。 相图显示了缓冷条件下不同组分合金组织随温度变化的规律，是制定熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。 1、构成要素是指

6、构成合金的最简单、最基本、可以独立存在的物质。 2、合金系是指由2个以上的元素体以不同比例调制的一系列不同成分的合金。 在大多数情况下，构成要素是指构成合金的元素体。 但是，对于既不发生分解也不发生反应的化合物，可以视为Fe-C合金中的Fe3C这样的构成要素。 根据组要素数，分为二维相图、三元相图、多元相图。 二、二元相图的制作，大部分相图通过实验得到，最常用的是热分析法。 二元相图的制作步骤以Pb-Sn为例，制备1 .不同成分的Pb-Sn合金。 2 .测量各合金的冷却曲线，找出曲线上的限制点(停止点或拐点).3 .建立坐标系(纵坐标：温度，横轴：成分)，作成分垂线，将限制点与温度-成分坐标中

7、的成分垂线相连接。 4 .连接垂线上相同意思的点，标上对应的数字和文字。 在相图中，连接结晶起始点的线称为液相线。 连接结晶终点的线叫做固相线。 第三节均匀晶相图，将两组元在液态和固体双方无限相容时构成的相图称为二元均匀晶相图。 以Cu-Ni合金为例进行分析。 另一方面，相图分析相图由2条线构成，上面是液相线，下面是固相线。 相图由2条线分为3个相区，液相线以上为液相区l，固相线以下为固态溶液区，2条线之间为二相共存的二相区(l )。 二、合金的结晶化过程除纯构成要素外，其他成分合金的结晶化过程类似，以合金为例进行说明。 液态金属从高温蒸发制冷到t1的温度时，成分为1的固态溶液开始结晶化，其N

8、i含量比合金平均成分高，随着温度下降，固态溶液重量增加，液相重量减少。 在云同步中，液相成分沿着液相线变化，固相成分沿着固相线变化。 由这种液相结晶的单一固相的转变称为均匀转变或均匀转移反应。 成分的变化是通过原子扩散完成的。 合金蒸发制冷到t3时，最后的L3成分的液体也成为固态溶液，此时固态溶液的成分再次转移到合金成分3。 液固相线不仅是相区域的界限线，作为结晶时的二相的成分变化线的均匀转变也是变温转变。 三、二元相图杠杆定律在两相域的合金，不仅可以从相图中得知两平衡相的成分，而且可以用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。 现以Cu-Ni合金为例导出该规律：确定两平衡相的成分：以合金成分为x、过

9、x作成垂线。 在相当于成分垂线温度t的o点形成水平线，与和液晶固相线的升交点a、b对应的成分x1、x2分别是液相和固相的成分。 得到QL Q=1 QL x1 Q x2=x解方程式群，式中的x2-x、x2-x1、x-x1成为相图中的线段xx2 (ob )、x1x2 (ab )、x1x(ao )。 两平衡相的相对重量设合金的重量为1、液相重量为QL、固相重量为q。 因此，两相的相对重量百分比为：两相的重量比为：由于上式与力学中的杠杆法则完全相似，所以称为杠杆法则。 也就是说，合金的某一温度下的两平衡相的重量比，与远离该温度下的各相区域的成分线段之比相等。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆

10、的端点是所求出的两平衡相(或两组织组合物)的成分。 杠杆定律只适用于两相域。 在例(图)中，合金的结晶仅在缓冷条件下能够得到成分均匀的固态溶液。但是，实际上由于冷速快，结晶化时固相中的原子不扩散，因此在先结晶化的枝状晶轴上含有较多的高熔点元素体(例如Cu-Ni合金中的Ni )，在后结晶化的枝状晶间含有较多的低熔点元素体(例如Cu-Ni合金中的Cu )。 四、关于固态溶液合金中的偏析，将在一个枝状晶范围内或一个晶粒范围内成分变得不均匀的现象称为枝状晶偏析。 不仅与冷速有关，也与液体固相线的间距有关。 冷速越大，液固相线间距离越大，枝状晶偏析越严重。 枝状晶偏析影响合金的力学、耐腐蚀性、加工等性能

11、。 生产上，将铸造件加热到固相线以下的100-200进行长时间保温，使原子扩散到一盏茶中，使成分均匀，消除枝状晶偏析的热处理工艺称为扩散退火。 第四节二元共晶相图，将两组原始液状完全相溶、固体有限相溶、产生共晶反应时构成的相图称为共晶相图。 以Pb-Sn相图为例进行分析。 共晶反应：将在某个温度下从某个成分的液相向云同步结晶化两种成分和结构不同的新固相的转移称为共晶转移或共晶反应。相图分析相：相图有l、3种相，是溶质Sn在Pb中的固态溶液，是溶质Pb在Sn中的固态溶液。 相区：相图有三个单相区： l， 三个两相区： l、l、 一个三相区域：水平线CED。 连接固溶线：的溶解度点的线叫做固溶线。

12、 相图中的CF、DG线分别是Sn的Pb和Pb的Sn中的固溶线。 固态溶液的溶解度随着温度的下降而降低。 液固相线：液相线AEB、固相线ACEDB。 a、b分别是Pb、Sn的熔点。 共晶线：水平线CED称为共晶线。 在对应共晶线的温度(183 )下，e点成分的合金将c点成分的固态溶液和d点成分的固态溶液结晶为云同步，这些个的2相机械混合物： LE (C D )、机械混合物：以一定的重量比例进行混合，在显微镜下能够区别各个晶粒的组织. 共晶反应的产物，即两相机械混合物称为共晶或共晶组织。 发生共晶反应的温度叫做共晶温度。 表示共晶温度和共晶成分的点称为共晶点。 具有共晶成分的合金称为共晶合金。 在

13、共晶线上，所有成分位于共晶点的合金称为亚共晶合金，同时位于结晶点右侧的合金称为过共晶合金。 含有共晶线成分的合金液体蒸发制冷到共晶温度时会产生共晶反应。 二、合金的结晶过程Sn量比c点合金(合金)少的结晶过程在3点在先上为均匀的结晶转变，使单相固态溶液结晶化，从该液相直接结晶化的固相为一次相或初生相。 温度下降到3点以下，固态溶液被Sn过饱和，晶格不稳定，因此开始析出新相(过渡相过程也称作析出)。 从现有固相析出的新固相与二次相或二次相相称。 形成二次相的过程称为二次析出，是固体相变的一种。h由于二次相的溶出温度低，因此一般一盏茶细。 室温下的相对重量百分比用：析出的二次用来表示。 随着温度的

14、下降，和相的成分分别沿着CF线和DG线变化，其重量增加。 合金室温组织为。 成分大于d点的合金的结晶化过程与合金类似，室温组织为。 共晶合金(合金)的结晶过程液态合金蒸发制冷到e点时，在云同步中Pb和Sn饱和，产生共晶反应： LE (C D )。 由于在析出过程中二相相间形核、相互促进、共同生长，因此，共晶组织细，呈片、棒、点球等形状。 在共晶组织形态、层片状(Al-CuAl2定向凝固)、棒状(Sb-MnSb横截面)、螺旋状(Zn-Mg )、Pb-Sn共晶组织、共晶组织形态、共晶转变过程中在共晶组织中的相应共晶相.共晶转变结束时，和相的相对重量百分比在共晶结束后，随着温度下降，和的成分分别沿着

15、CF线和DG线变化，从共晶中析出，由于共晶组织细，与共晶结合，共晶合金的室温组织仍为( ) 的室温下的二相相对重量百分比， 亚共晶合金(合金)的结晶过程合金液体到2点为止均匀结晶转变。 蒸发制冷至2点，固相成分变化至c点，液相成分变化至e点时，二相的相对重量为：2点，具有e点成分的剩馀佗液体引起共晶反应： l ()，变化为共晶组织，共结晶的重量与变化前的液相重量相等，即QE=QL反应结束后其室温组织为() 如何求出室温下3种组织组合物的相对重量？ 过共晶合金的结晶化过程与亚共晶合金相似，不同之处在于一次相为室温组织() Pb-Sn合金的结晶过程，三，组织组合物相图上的显示组织组合物是指构成合金

16、金相组织的独立部分。 和、和、共晶()都是组织组合物。 相与相之差主要在于结构和成分。 组织组合物之间的差异主要是形态上的。 例如，与共晶的结构成分相同，属于同一相，但它们的形态不同，属于不同的组织组合物。 将组织组合物标记在相图上，可使标记的组织与显微镜观察的组织一致。 Pb-Sn亚共晶组织、组织组成物在相图上的标记为、第五节二元包晶相图，由两组元素以液态完全相溶、以固体有限相溶并发生包晶反应时构成的相图称为包晶相图。 以Pt-Ag相图为例进行了简单分析，相图分析了单相区： l，两相区： l，l，三相区： l (水平线PDC )的包晶反应：在某一温度下，通过一个固相和包围它的液相反应，另一个

17、新的固相的反应称为包晶转移，水平线PDC称为包晶线该反应是液相l包围固相，新相在与l的界面形成核，与l向两个方向生长。 合金结晶过程包晶成分合金：均匀包晶二次析出。 室温组织为II、PD成分合金：均匀结晶包晶二次析出。 室温组织为II II，DC成分合金：均匀结晶包晶均匀二次析出室温组织为II。 第6节形成稳定作用化合物的二合金元相图，所谓稳定作用化合物是指熔融前不分解的化合物(例如Mg-Si系的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C )。 其分量是固定的，在相图中是垂线(表示单相区域)。 垂足是其成分，顶点是其熔点，结晶过程是纯金属。 在分析这样的相图时，可以把稳定的化合物看作单纯的构成要素，把相图分为几个部分进行分析。 共析转变也是固体变态。 最常见的共析转变是铁元素碳合金中的珠光体转变： S P Fe3C。 第7节具有共析反应的二元合金相图，所谓共析反应(共析转变)，是指在某种温度下，某种成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新的固相的过程。 (奥氏体不锈钢、镍锌铁氧体、Fe3C渗碳体)、共析相图与共晶相图类似，共析线(PSK线)、共析点(s点)、共析温度、共析成分、共析合、金(共析成分合金)相对应，铁元素碳合金相图、共析反应的生成物为共析体(铁元素碳合金中的共析体称为珠体) 与共晶反应不同，共析反应的母相