第四章+二元合金.ppt

1、第四章 二元合金,第一节 合金的相结构,1、合金中的几个概念： 1.1合金：合金是指两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结、或用其它方法组合而成的具有金属特性的物质。 性能：高于纯金属的机械性能； 可具有一些特殊性能；,1.2组元：组成合金最基本的、独立的物质。简称元。一般来说，组元就是组成合金的元素，但也可以是稳定的化合物。 二元合金：由两个组元组成的合金。 三元合金：由三个组元组成的合金。 多元合金：由三个以上组元组成的合金。 合金系：由给定的组元以不同的比例配置成一系列成分不同的合金构成的合金系统。包括二元系、三元系和多元系。,1.3相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面

2、相互分开的组成部分。 单相合金：由一种固相组成的合金。 多相合金：由几种不同固相组成的合金。,1.4组织：直接用肉眼观察到的或借助于放大镜、 显微镜观察到的相的数量、大小、分布状态的微观形貌图象。 宏观组织：用肉眼或放大镜观察到的组织； 微观组织：用显微镜观察到的组织； 电子显微组织：用电子显微镜观察到的组织；,2、相的分类 根据相的晶体结构特点分为两大类：固溶体和金属化合物。 2.1 固溶体 合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同，这种相就称为固溶体。这种组元叫做溶剂，其它组元叫做溶质； 特点：具有溶剂的晶体结构；,2.1.1固溶体的分类：

3、按溶质原子在晶格中所占位置分类： 置换固溶体：是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体。 间隙固溶体：溶质原子填入溶剂原子间的一些间隙中。 如图31所示；,按固溶度分类： 有限固溶体：在一定条件下，溶质组元在固溶体中的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再溶解，这一限度称为溶解度或固溶度，这种固溶体称为有限固溶体。 无限固溶体：溶质能以任意比例溶入溶剂，固溶体的溶解度可达100，这种固溶体称为无限固溶体。 只有置换固溶体才能形成无限固溶体，如图所示；,2.1.2置换固溶体： 2.1.2.1形成置换固溶体造成的后果固溶强化； 固溶强化：当溶质原子溶入溶剂晶格时，将造成晶格畸变，如图所示

4、，使强度、硬度增加的现象；,2.1.2.2影响固溶度的因素： 原子尺寸因素：组元间的原子半径越接近，则固溶体的固溶度越大。 原因：晶格畸变；,负电性因素： 负电性：指组成合金的组元原子，吸引电子形成负离子的倾向。 两组元的负电性相近，则固溶度较大；,电子浓度因素： 电子浓度：指合金晶体中的价电子数与其原子数之比，可用下式表示： 式中，VA、V B分别为溶剂和溶质所贡献的价电子数；r为溶质B的物质的量比（溶质所占的比例）。,溶质在溶剂中的固溶度受电子浓度的控制，固溶体的电子浓度有一极限值，超过此值，固溶体就不稳定； 例如：面心立方固溶体的极限电子浓度为1.36，体心立方固溶体为1.48。 溶质元

5、素的原子价越高，则固溶度越小；,晶体结构因素 溶质与溶剂的晶体结构类型是否相同，是能否形成无限固溶体的必要条件。 若晶体结构类型相同时，可以形成置换固溶体（无限固溶）； 若晶体结构不同，只能形成有限固溶体。,综上所述，形成无限固溶体的必要条件： 晶体结构相同； 电化学性质（负电性）相近； 原子尺寸相近； 溶质元素的原子价要小；,2.1.3间隙固溶体：原子半径很小的溶质原子溶入到溶剂中时，不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是填入到晶格的间隙中，形成间隙固溶体。,说明： 间隙固溶体只能是有限固溶体； 形成条件：,间隙固溶体的溶质元素，是一些原子半径小于0.1m的非金属元素； 如氢（0.046m）、

6、氧（0.061m）、氮（0.071m）、碳（0.077m）、硼（0.097m）,而溶剂元素都是过渡族元素；,造成的后果固溶强化； 当溶质原子溶入溶剂时，使溶质的晶格常数增加，并使晶格发生畸变。从而使强度、硬度增加，引起固溶强化；,影响间隙固溶体溶解度的因素； 溶剂晶格间隙越大，溶解度越大； 溶质原子半径越小，溶解度越大；,2.2化合物：是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，其晶体结构不同于任一组元； 特点： 熔点高、硬而脆； 分类： 正常价化合物、电子化合物、间隙化合物；,2.2.1间隙化合物：由过渡族金属与原子半径很小的非金属元素如氢、氮、碳、硼组成。 可分为两类： 当rX/rM0.59

7、时，形成具有简单结构的间隙相。 当rX/rM0.59时，形成具有复杂晶体结构的间隙化合物。,2.2.1.1间隙相：具有简单的晶体结构，金属原子位于晶格的正常节点上，非金属原子位于晶格的间隙位置。如图所示。 常见的分子式：M4X、 M2X 、MX、 MX2 等； 特点：具有极高的熔点和硬度； 具有明显的金属的特性；是合金工具钢和硬质合金的重要组成相。 间隙相与间隙固溶体的区别：间隙相是一种化合物，它具有与其组元完全不同的晶体结构；间隙固溶体的晶格类型与溶剂组元的晶格类型一致。 钢中常见的间隙相如表所示；,2.2.1.2间隙化合物：具有复杂的晶体结构，Cr、Mn、Fe的碳化物属于间隙化合物。如图所

8、示。 常见的间隙化合物：M3C、 M7C3、 M23C6、 M6C、 特点：间隙化合物具有很高的熔点和硬度，但比间隙相的熔点和硬度低，且加热时易分解。间隙化合物是碳钢和合金钢的重要组成相。 钢中常见的碳化物如表所示；,思考题： 渗碳体与合金渗碳体的区别？,第二节 二元合金相图,1.相图：表示合金系中合金的状态与温度、成分间的关系的图解；又称为状态图或平衡图； 相图的意义：,1、二元相图的表示方法,二元系合金在外界压力恒定情况下，其相图可以由温度（纵轴）和成分（横轴）平面坐标系表示。如图所示。 坐标系中的任意一点叫做表象点。如点。,2、二元合金相图的测定方法： 有实验法和理论计算法两种。 测定临

9、界点的方法有：热分析法、金相法、膨胀法、磁性法、电阻法、X射线结构分析法等。,以Cu-Ni合金为例：如图所示 配制一系列不同成分的Cu-Ni合金； 测定各合金的冷却曲线； 找出各合金的临界点； 上临界点：温度较高的临界点是结晶开始的温度，叫做上临界点； 下临界点：温度较低的临界点是结晶结束的温度，叫做下临界点； 在以成分为横坐标，以温度为纵坐标的坐标系中，将意义相同的临界点连接起来，便得到Cu-Ni相图；,相图分析： 液相线：上临界点的连线abc，叫做液相线； 固相线：下临界点的连线abc，叫做固相线； 相区：固相区、液相区、固液两相共存区；,3.匀晶相图：是指两组元在液态无限互溶，在固态也无

10、限互溶的二元合金所形成的相图。 具有匀晶相图的合金有：Cu-Ni、Ag-Au、 Cr-Mo、Cd-Mg、Fe-Ni、Mo-W等。 匀晶转变：是指结晶都是从液相结晶出单相的固溶体的结晶过程。,3.1相图分析,如图所示Cu-Ni合金相图。 1.1点： a:Cu的熔点；b:Ni 的熔点； 1.2线： amb:液相线;anb: 固相线; 1.3面：分为三个区域：液相区L、固相区以及液、固两相并存区L+ 。,a,b,m,n,1,3,3.2平衡结晶过程： 条件：指合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。 以30Ni的Cu-Ni合金为例：,1点以上：合金为液相； 温度缓冷至1点，温度达到t1时，开始由液相中结

11、晶出固溶体， 。,当温度缓冷至2点，温度达到t2时，有一定数量的固溶体结晶出来，此时的固相成分为2，液相成分为L2，相平衡关为 ，为了达到相平衡，原有的1成分改变为2，液相成分由L1向L2改变。,当温度缓冷到3点，温度冷却到t3时，结晶结束，得到与原合金成分相同的固溶体。,结晶规律： 在温度不断下降过程中，液相的成分不断的沿着液相线变化， 相的成分不断的沿着固相线变化； 相的数量不断增多，液相的数量不断减少，在一定温度下，两相的相对含量可以用杠杆定律计算。,3.3杠杆定律（只适用于两相区） 杠杆定律适用于二元系合金中，在两相区中确定相的相对含量。,在Cu-Ni二元合金中，Ni的含量为C%的合金

12、在温度t1时，两相平衡 通过温度t1作一水平线段arb，CL、C分别表示液、固两相的成分。,下面计算液相和固相的相对含量。设合金的总质量为1，液相的质量为WL，固相的质量为W，,则WL+ W=1 合金中含Ni量为：,由以上两式可得出,3.4晶内偏析：在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象。先结晶的含高熔点组元较多，后结晶的含低熔点组元较多。 枝晶偏析：固溶体结晶为树枝晶时，结晶形成的树枝状晶体中枝干与枝间化学成分不均匀的现象，如图所示。如图所示为Cu-Ni合金铸态组织；,偏析的后果： 塑性、韧性显著降低； 耐蚀性降低； 消除偏析的办法： 扩散退火或均匀化退火：将铸件加热到低于固相线100-200，

13、进行长时间保温，使偏析元素充分扩散，以达到成分均匀化的目的。 如图所示； 细化组织，消除偏析；,4.共晶相图：是指两组元在液态时相互无限互溶，在固态时相互有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图。如Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Bi等合金。,4.1相图分析,4.1.2相图中的线： 液相线：、线； 固相线：线； 线：溶于中的溶解度曲线； 线：溶于中的溶解度曲线； MEN线：共晶线；,4.1.3相图中的相区： 3个单相区：相、固溶体相、固溶体相； 相：溶于中的固溶体； 相：溶于中的固溶体； 3个两相区： ； ； ； 1个三相区： ；,4.11.1相图中的点： 点：的熔点；点：的熔点； 点：

14、共晶点；,4.1.4共晶转变（共晶反应）：在一定的温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的转变过程，称为共晶转变。 成分相当于E点的液相发生共晶转变，其反应式为 其中，E点为共晶点；E点对应的温度为共晶温度； MEN线：共晶线； 成分对应于共晶点的合金称为共晶合金，成分位于共晶点以左，M点以右的合金称为亚共晶合金，成分位于共晶点以右，N点以左的合金称为过共晶合金；,4.2典型合金的平衡结晶及其组织： 4.2.1含锡量wSn19%（M点）的合金（合金）： 合金为：WSn=10%，它的结晶过程如图所示；,1以上是L的冷却； 12点L； 23点相的冷却； 34点； 所以，室温组织为：

15、+。如图所示； 计算它们的相对含量：,W =1-W =1-90%=10%,黑色基体为相，白色颗粒为， 分布在的晶界上，或在晶粒内析出。,注意： 二次结晶：由固溶体中析出另一个固相的过程，也称为脱溶过程； 次生相：二次结晶析出的相称为次生相或二次相，例如； 次生相的析出部位：优先从相的晶界析出，其次是从晶粒内的缺陷部位析出，一般较为细小。,4.2.2共晶合金（合金）：含Sn量为wSn61.9，如图所示，缓冷到1点，即温度tE（183）时，发生共晶转变：,其中，M +N称为共晶组织，此反应一直进行到液相完全消失为止。,M和N相的含量可用杠杆定律求出：,1点以下：共晶组织中的、 固溶体的成分分别沿、

16、变化，并发生二次结晶； 、 ；但难以分辨，可忽略。 共晶合金的平衡结晶的室温组织： ； 如图所示；,共晶合金的显微组织为和呈层片状交替分布，其中黑色的为相，白色的为相。,4.2.3亚共晶合金（合金）如图所示； 结晶过程：以含Sn量为WSn=50的合金为例；,1点以上是液相的简单冷却； 12点是L； 2点：发生共晶反应： LE M+ N；此反应一直进行到液相用完为止，所以此时的组织： （初晶）+ （M+ N） 2点以下是次生相的析出，同理， M+ N的次生相可以忽略，但初晶的次生相 不能忽略；,所以，亚共晶合金的室温组织为： 先+（M+ N）+ ，如图所示；,其中，黑色树枝晶为先共晶相先，之中的

17、白色颗粒为，黑白相间分布的是共晶组织。,小结： 结晶后的显微组织：,几个概念的区分： 组织组成物：在显微组织中能清楚的区分开，是组成显微组织的独立部分。在金相显微镜下观察到的具有某种形貌或形态特征的组成部分。 合金的相组成物：从相的本质看，组成合金的基本相。合金中结构、成分和性能均匀一致并以界面相互分开的组成部分。,4.3比重偏析 比重偏析：是由先共晶相与熔液之间密度的差别所引起的一种区域偏析。 影响因素： 合金组元的密度差、相图的结晶的成分间隔：越大，偏析越严重； 防止或减轻比重偏析的方法有： 增大冷却速度 加入第三种元素 热对流、搅拌,5.包晶相图：两组元在液态相互无限溶解，在固态相互有限

18、溶解，并发生包晶转变的二元合金系相图。例如：Pt-Ag、Cu-Zn 相图；,5.1相图分析：以 Pt-Ag相图为例； 5.1.1相图中的点： 点： Pt的熔点；点： Ag的熔点；点：包晶点 5.1.2相图中的线： 液相线：线；固相线：线； 线： Pt溶入Ag 的溶解度曲线； 线： Ag 溶入Pt的溶解度曲线； 5.1.3相图中的相区： 单相区：、 两相区：、； 三相共存区：；,相图中水平线PDC是包晶转变线。 反应式为,包晶反应：在一定的温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程，称为包晶转变或包晶反应。 其中：点为包晶点； D：包晶温度；,5.2典型合金

19、的平衡结晶过程及组织 5.2.1包晶点合金：含银量为WAg=42.4%的Pt-Ag合金: (合金）,1以上：相冷却； 1点：； 点： 相成分到达点，相成分到达点，发生包晶反应：,点以下： ； 室温组织： ；转变示意图如图所示：,5.2.2亚包晶：含银量为wAg10.5-42.4的Pt-Ag合金（合金）,1以上：冷却； 12点：； 2点：,发生包晶反应,反应结束时，仍有相剩余，则 ，同时 ；,则室温组织为： ； 转变示意图如图所示：,5.2.3过包晶：含银量为wAg=42.4-66.3%的Pt-Ag合金（合金）,1以上：冷却； 12点：； 2点：,发生包晶反应：,23点： ； 34点：相冷却； 4点以下： ；,室温组织： ；转变示意图如图所示：,可采用长时间的扩散退火来减少或消