第三章合金的结构与相图2.ppt

1、第三章 合金的结构与相图,本章重点：1、固溶体与化合物及其特性 2、二元合金相图的建立方法 3、二元匀晶、共晶、包晶、 共析相图分析,本章难点：二元相图分析,纯金属具有优良的导电性、导热性、 化学稳定性，美丽的金属光泽，但强度、 硬度、耐磨性等机械性能较差，且成本 高，数量有限，因此工程材料除极少数 特殊要求的采用纯金属外，绝大多数采 用合金。,合金：由两种或两种以上的金属或金属与非金属 元素熔合、烧结或其他方法结合在一起组 成具有金属特性的物质。,合金相图是研究合金系的温度、成份、相 变规律关系的有用工具。对于材料工作者，相 图十分重要，必须很好掌握。,第一节 固态合金中的相结构(本部),一

2、、基本概念,1、相 在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并 与其它部分有界面分开的均匀组成部分。 在一个体系中，性质相同的均匀部分。 相与相之间有明显的界面，但有界面分开 的不一定是两相。,2、固溶体 固态时溶质原子（离子或分子）溶入溶剂的晶格中所形成的相，称为固溶体。 固溶体的晶体结构即是溶剂的晶体结构。,溶质原子溶入溶剂晶格中的方式有两种：,a、溶质原子替换溶剂原子的位置形成的固溶体 置换固溶体,b、溶质原子填入溶剂晶格间隙中形成的固溶体 间隙固溶体,3、化合物 合金组元之间发生化学反应，形成晶体结构 不同于任一组元的新相，称为化合物。 一般化合物离子键 金属间化合物金属键,二、固溶体的特

3、性,1、溶质元素在固溶体中的溶解度,溶质元素的质量 固溶体的浓度：C= 100% 固溶体质量 质量百分比,溶质元素的原子数 或 C= 100% 固溶体的总原子数 原子百分比,固溶体的溶解度： 在一定条件下，溶质元素在固溶体 中的极限浓度称为溶质元素在固溶体中 的溶解度。,根据溶质元素在固溶体中的溶解度，可把固溶体分为：,有限固溶体 无限固溶体,很显然： 只有在溶质与溶剂元素间形成置 换固溶体时，才有可能形成无限固溶 体；而对于间隙固溶体，则只能形成 有限固溶体。,在合金系统中，通常按顺序（固 溶体的浓度或固溶体稳定存在的温度 范围）由低到高，用、 、等表示不同类型的固溶体。,2、影响固溶体结构

4、形式和溶解度的因素, 原子大小,d溶剂-d溶质 溶剂与溶质的原子直径差别： 100% d溶剂,当二者差别较小时，即溶剂与溶质的 原子直径相近，易形成置换固溶体，且二 者的尺寸差别越小，所形成的固溶体的溶 解度越大，当尺寸差别小于某一数值时， 将形成无限固溶体。,而当原子尺寸差别大于15%时，不大 可能形成置换固溶体。因为原子尺寸差别 较大时，形成固溶体所造成的晶格畸变 （无论是正畸变还是负畸变）较大，晶格 畸变能也较大，固溶体晶格结构的稳定性 较差。,同样，形成间隙固溶体时，只能引起 固溶体晶格产生正畸变，显然，溶质原子 的尺寸越小，溶剂晶格的间隙尺寸越大， 形成间隙固溶体时所造成的晶格畸变和

5、畸 变能越小，间隙固溶体越容易形成，其溶 解度也就越大。,反之，不易形成间隙固溶体。当溶 质原子尺寸较大时，完全不能形成间隙 固溶体。, 负电性,负电性是指原子从其他原子夺取电子 变为负离子的能力。,当两种元素在周期表中的位置相距越 远，其负电性相差越大，它们之间的化学 亲和力越强，越倾向于形成化合物，而不 利于形成固溶体。所形成的固溶体的溶解 度也越小。, 电子浓度(略),合金中，价电子数目e与原子数目a之比， 称为电子浓度e/a。,当溶质原子对固溶体贡献的价电子数与溶 剂不同时，随着溶质原子的进入，将使固溶体 晶格中的电子浓度以及电子云结构发生变化， 显然溶质原子所占的比率越高，固溶体晶格

6、的 电子浓度改变越大，达到一定程度时，固溶体 晶格就不稳定，易形成新的相。,因此，固溶体只能稳定在一定的电子浓度 范围内，如对于溶剂为1 价金属的固溶体，若 固溶体具有面心立方晶格，则极限电子浓度值 为1.36；若固溶体具有体心立方晶格，则极限 电子浓度值为1.48。, 晶体结构,一般情况下，晶格结构相同的元素之间具有较大的溶解度，而晶格结构不同的元素之间溶解度较小。, 温度,固溶体的溶解度受温度的影响较大，一般温度越高，固溶体的溶解度越大。如奥氏体在727能溶解0.77%的碳，而在1148则能溶解2.11%的碳。,3、固溶体的性能,当溶质元素的含量极少时，固溶体的性 能与溶剂金属基本相同。随

7、着溶质元素含量 的升高，固溶体的性能发生明显变化，表现 在强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降， 固溶强化。,固溶强化的机理：溶质原子溶入后， 引起溶剂金属的晶格畸变，使位错运动 受到阻碍。 淬火，就是对金属加热后通过快速 冷却，获得过饱和的固溶体，从而强化 金属。,三、金属间化合物,合金组元之间发生化学反应，形成晶 体结构不同于任一组元的新相，称为化合 物。 如：Fe3C, CuZn, Cu5Sn, FeS, MnS 等 金属间化合物 一般化合物 金属间化合物可以作为合金的组成相（强化相），而非金属化合物在合金中大多属于有害杂质。如FeS 在钢中引起热脆。,离子键,金属键,1、金属间化合物的组

8、织与性能特点,金属间化合物具有复杂的晶格结构， 熔点高，硬而脆，其在合金中的分布形 态对合金的性能影响很大，当金属间化 和物以大块状或成片状形态分布时，合 金的强度、塑性均很差；当金属间化合 物呈弥散状质点分布时，合金的强度高， 塑性、韧性较好。,2、金属间化合物的种类,a、正常价化合物：服从原子价规律，负电性 因素起主要 作用，这类化合物成份固定， 不能形成化合物基固溶体。 如：Mg2Si, Mg2Sn, Mg2Pb 等。,b、电子化合物：不遵守原子价规律，而服从电 子浓度规律，即当合金的电子浓度达到某一 数值时，便形成具有某种结构的化合物。 一般： 电子浓度=3/2（21/14），形成体心

9、立方晶格的相电子浓度=21/13， 形成复杂立方晶格的相电子浓度=7/4（21/12），形成密排六方晶格的相,但电子浓度不是决定电子化合物结构的唯 一因素，组成元素的原子大小及其电化学性质， 对其结构也有影响。 电子化合物的成分不是固定的，而在一定 范围内变化，电子化合物可以溶解一定量的组 元，形成以电子化合物为基的固溶体。,C、间隙化合物,由原子直径较大的过渡族元素与原子直径 很小的C、N、B等元素组成，过渡族元素的原 子占据晶格的正常位置，尺寸较小的非金属元 素原子有规则地嵌入晶格空隙中，形成间隙化 合物。, 间隙相 当非金属元素原子与过渡族金属元素原 子直径的比值（d非/d过）0.59时

10、，形成的间 隙化合物具有比较简单的晶格结构，成为间 隙相。 如：W2C, VC, TiC, MoC, TiN, VN 等。, 间隙化合物 当（d非/d过）0.59时，形成的间隙化合物 一般具有复杂的晶格结构，称为间隙化合物。 如：Fe3C, dC/dFe =0.61, 正交晶格,形成间隙化合物的过渡族元素的d 层电子 越少，与碳的亲和力越强，所形成的化合物越 稳定，熔点、硬度越高。,间隙化合物具有很高的硬度、熔点，是合 金的强化相。 如：在钢中加入V，形成的VC可提高钢的 耐磨性耐磨钢；加入Ti，形成的 TiC 可阻 碍高温奥氏体晶粒长大耐热钢；而W2C, VC是高速钢的主要强化成分，TiC，

11、W2C是硬 质合金的主要成分。,第二节 二元合金相图的建立,一、 基本概念1、组元：组成合金最基本的，能够独立存在 的物质。组元一般是元素，也可以 是稳定的化合物，如Fe3C。 2、合金系：由两个或两个以上组元按不同比例 配制而成的一系列不同成分的合金。 如：Cu-Ni, Fe-Fe3C, Cu-Zn等。,3、相图：合金系的温度-成分图，表示合金系中 各个合金的结晶过程的平衡图（或状 态图）。 相图中的线条（相线）表示相转变温度和平衡 相的成分。 被相线所划分的区域称为相区。,4、相变：一种相转变为其它相的过程。 5、相平衡：系统中同时共存的各相在长时间 内不互相转化动态平衡。,二、二元合金相

12、图的建立方法,临界点：合金从一种相态转变为另一种相态的 起始温度。 物理意义相同的临界点连接起来就构成 相线，所以相图的建立就是测定不同成分合 金的临界点。临界点的测定是通过实验进行 的，常用的方法有热分析法，X射线分析法， 金相组织法，硬度法，电阻法，热膨胀法， 磁性法等。,精确测定一个相图常需要选用几种方法相互配合，取长补短。 热分析法是常用的方法，它是通过测定合金的冷却曲线来测定 临界点，具体步骤如下：,1、配制不同成分的合金（选择合金系中有代表性的成分） 2、分别测出每种合金的冷却曲线，得到相变临界点 3、将临界点对应地绘在成分-温度图上 4、将同类临界点连接起来，即可绘出该合金系的相

13、图。,注意：利用热分析法测定相图时，冷却速度应 非常缓慢（平衡结晶）,第三节 二元匀晶相图,一、相图分析 当两组元在液相和固相均无限互溶时，构成的合金系相图为二元匀晶相图。属于此类的合金系有：Cu-Ni, Cu-Au, Au-Ag, Fe-Ni, W-Mo, Ti-Zr, Bi- Sb 等。, 液相线曲线Ae1B 固相线曲线Aa4B 液相区液相线以上的液相L区域 固相区固相线以下的固a相区域 液相线与固相线之间为液、固两相区（L+a） A为Cu的熔点（1083），B为Ni的熔点（1452）。,Cu,Ni,A,B,L,L+,k,t x,1,1,2,2,3,3 ,4,4 ,Cu-Ni 合金相图,1

14、083,t1,t4,二、杠杆定理 不同条件下相的成分及其相对量可用杠杆定理求得。 1）确定两平衡相的成分,如图（a）所示，水平线与液相线L的交点 即为液相的成分。 水平线与固相线的交点 即为固相的成分。,2）确定两平衡相的相对量 方法是： 设试验合金重量为1，液、固相重量分别为QL、Qa ，则 QL+Qa =1；, 设液、固相含Ni浓度分别为x1、x2，x为试验合金中的平均 含Ni量(%)，则,可得:,；,用图中线段来表示，即为:,；,所以： 或,3）注意：杠杆定律只能用于两相平衡共存时计算。,三、固溶体合金中的偏析,合金相图中，合金的凝固过程是在无 限缓慢的冷却条件下进行的，但实际上合 金不

15、可能无限缓慢冷却，一般冷却速度较 快，由于原子来不及充分扩散，会出现先 结晶出来的合金含Ni量高的现象，对于一 个晶粒，心部含Ni量高，表层含Ni量低。,晶体内化学成分不均匀的现象称为 晶内偏析或枝晶偏析。,偏析的存在，会使金属强度下降，塑 性较差，耐腐蚀性降低，应采用均匀化退 火（扩散退火）予以消除。,杠杆定律不能用于三相平衡区！,第四节 二元共晶相图,当合金的二组元在液态时无限互溶， 在固态时有限互溶，且发生共晶反应， 此合金系的相图为二元共晶相图。,属于此类相图的合金系有： Pb-Sn, Al-Si, Al-Sn, Au-Pt 等。,Pb,Sn,a,b,c,d,e,f,g,L,L+,L+

16、,+,亚共晶合金,共晶合金,过共晶合金,I,II,III,Pb-Sn 合金相图,一、相图分析,合金系有两种有限固溶体：以Pb 为溶剂， 以Sn 为溶质的固溶体；以Sn 为溶剂，以Pb 为溶质的固溶体。,ced 水平线-共晶反应线： 发生恒温反应 Lec+d,注意：在共晶线ced 上属于三相平衡区,该合金系有两类合金： 固溶体合金 共晶型合金,c点以左，d点以右的合金属于固溶体型合 金；cd 之间的合金为共晶型合金，其中， e点以左为亚共晶合金，e点以右为过共晶 合金，e点合金为共晶合金。,二、典型合金的结晶过程分析,合金、合金、合金、合金的结晶过程及其组织如图所示。, 相组成 凡成分相同、结构

17、相同,与其它部分有界面分开的均匀组成部分。 组织组成物 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,第五节 二元包晶合金相图,当合金的二组元在液态时无限互溶， 在固态时有限互溶，形成有限固溶体且 发生包晶反应，此合金系的相图为二元 包晶相图。,属于此类相图的合金系有：Pt-Ag, Ag-Sn, Al-Pt, Sn-Sb, Cu-Zn, Cu-Sn 等。,一、相图分析,aeb -液相线；acdb -固相线； cf -固溶体的溶解度曲线； dg-固溶体的溶解度曲线； cde -包晶反应线：c +Le d（恒温）,二、典型合金的结晶过程分析,Pt,Ag,a,b,c,d,e,f,g,L,L

18、+,L+, +,2,1,3,Pt-Ag 合金相图,三、 包晶反应与共晶反应的区别,1、共晶反应为分解型：Le c+d 包晶反应为合成型：c +Le d,2、共晶线为固相线，合金在共晶温度完全凝固； 包晶线仅有cd 段为固相线,3、共晶转变后的组织均为两相混合物，组织较细； 包晶转变后的组织只有cd 段为两相混合物， 组织较粗，而de段凝固完毕后为单相固溶体。,4、共晶反应中的液相成分点（反应相）位于共晶 线中间，生成相位于共晶向两端；包晶反应中 的两个反应相成分点位于包晶线的两端，而一 个生成相位于包晶线中间。,四、包晶系合金的非平衡组织,包晶反应时，相很快就将相包围起来， 从而使相和液相被相

19、分隔开来，要继续进 行包晶反应，必须通过相层进行原子扩散， 液体才能和相继续相互作用形成相，但在 固相中的原子扩散要比在液相中困难得多，所 以包晶转变过程是一个很缓慢的过程，如果冷 却速度较快，包晶转变就被抑制，从而形成非 平衡组织,留下的液体在温度低于包晶温度后，将 直接析出相，而未转变的相就保留在 相中间。,第六节 形成稳定化合物的二元合金相图（略）,所谓稳定化合物是指具有一定的熔点， 在熔点温度以下能够保持自己固有结构而不 发生分解的化合物，如：Mg2Si,Mg-Si 合金相图,Mg,Mg2Si,Si,L,Mg+ Mg2Si,Mg2Si+ Si,L+Mg,L+ Mg2Si,L+ Mg2S

20、i,L+Si,1087,温度,638.8,946.7,1414,这类相图的特点是在相图中有一个代表 稳定化合物的垂直线（单相区、成分固定）, 垂足代表化合物的成分，垂直线的顶点代表 其熔点，若把稳定化合物 Mg2Si 看作一个独 立组元，则可以把Mg- Si 相图看成是由 Mg-Mg2Si和Mg2Si-Si两个共晶相图并列而成， 这样可使问题大大简化。如图：,第七节 具有共析反应的二元合金相图,共析反应：从某种均匀一致的固相中 同时析出两种化学成分和 晶格结构完全不同的新固 相的转变过程。,共析反应从形式上与共晶反应十分相似， 只是共析反应的反应物是固相，而共晶反应 物是液相而已。,由于共析反应是在固态合金中进行的，转 变温度较低，原子扩散困难，因而容易达到较 大的过冷度，所以同共晶体相比共析组织更细 致、更均匀。,温度,A,B,b1,a2,b2,d,c,e,f,g,L,L+,1,2,1+2,+1,+2,B%,a1,具有共析反应的二元合金相图,第八节 合金的性能与相图之间的关系,一、当合金形成单相固溶体时,合金的性能取决于组成元素的性质及溶 质元素的含量，对于一定的组成元素，溶质 元素的溶入量越多，合金晶格畸变程度越大， 合金的强度、硬度越高固溶强化，但单