元合金的相结构与相.ppt

《元合金的相结构与相.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《元合金的相结构与相.ppt（99页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第三章 二元合金的相结构与相图 本章目的：1 讨论合金中的相概念及其类型；2 介绍各种类型的基本二元相图；3 说明相图与合金性能间的对应关系,本章要求：1 组元、相、组织、组织组成物等基本概念；2 固溶体和化合物的本质区别和性能特点；3 掌握分析相图的基本方法；4 正确运用杠杆定律。,合金:一种金属元素与另一种或几种其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。Pb-Sn合金,钢（Fe-C）,锡青铜(Cu-Sn(14%)）,1 合金的相结构,组元组成合金最基本的、能独立存在的物质。Fe-C合金：Fe(组元一)-Fe3C(组元二)合金系由给定的组元以不同的比例配制成的一系列成分不同的合

2、金系统。例：Fe-C:90%Fe-10%C、80%Fe-20%C、50%Fe-50%C、20%Fe-80%C Fe-Cr-C根据组元数分为：二元合金、三元合金、多元合金。,合金相 指合金中结构相同，成分和性能均一，并有界面与其他部分分开的均匀组成部分。(phase)金属或合金均由相构成单相合金、多相合金。用、等表示,例：纯铁、钢中的相 纯铁：-Fe；钢：铁素体()渗碳体(Fe3C)；,相,相,Fe3C 相,纯铁,0.45%C 钢,相结构，实指合金的晶体结构（一）固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。（二）金属化合物 定义：合金组元相互作用

3、形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物。,一、相的分类,二 合金的相结构（一）固溶体 1、固溶体的分类*按溶质原子在晶格中所占的位置分类,置换固溶体,（1）置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格结点所形成的固溶体代位固溶体 90 Cu-10Ni合金,例：C 固溶于Fe中形成间隙固溶体 铁素体 C 固溶于Fe中形成间隙固溶体 奥氏体,（2）间隙固溶体 溶质原子填入溶剂晶格的空隙位置所形成的固溶体。,间隙固溶体,*按固溶度分类（1）有限固溶体溶质原子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，这个限度称为固溶度。（2）无限固溶体溶质原子能以任意比例溶入溶剂，固溶度可达到1

4、00%。,按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分类（1）无序固溶体 溶质原子随机地分布于溶剂晶格中。（2）有序固溶体 溶质原子按一定的规律分布在溶剂晶格中。,CuAu中Cu原子：简单四方晶系亚点阵,Cu3Au中Cu原子：体心四方晶系亚点阵,有序固溶体特点：溶质原子可形成自己的亚点阵 一定条件下固溶体可在有序和无序间相互转化：温度、成分,例：Fe-Al合金室温下,成分变化时：a.FeAl(25%atm)合金 无序相：相 b.FeAl(25%35%atm)合金 有序相：Fe3Al c.FeAl(35%50atm)合金 有序相：FeAl,成分固定，温度变化时：Fe3Al：950：完全无序固溶体,Fe3

5、Al金属间化合物新材料,2 置换固溶体及影响因素 金属元素之间一般都能形成置换固溶体，但固溶度往往相差很大。如Cu:Ni无限互溶，Zn最大溶解度为39%，Pb几乎不溶解于铜。受元素间原子尺寸、化学亲和力、结构类型等影响。,（1）原子尺寸因素 组元间原子半径越相近，固溶度越大。原因：溶质原子引起溶剂晶格的点阵畸变，产生畸变能，晶格畸变能越高，晶格越不稳定，当畸变能高到一定程度，溶质原子将不再能溶入固溶体，只能形成其它新相。溶剂与溶质原子的尺寸差别可用r/r 衡量：r/r=(r溶剂-r溶质)/r溶剂,（2）负电性 S原子、Al原子与Fe原子大小相差接近，但Al在Fe中溶解度大负电性因素 负电性:指

6、元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离子的能力。可衡量元素间的化学亲和力，即形成化合物的倾向性 取决于两元素在周期表中的位置，相距越远，负电性相差越大，越易形成化合物。,元素间负电性相差越小，越易形成固溶体，而且固溶体的固溶度也较大。,r/r分别为：0.12、0.18,dAl=2.85;dS=2.08；dFe=2.54,（3）晶体结构因素 晶体结构相同，溶解度较大。无限固溶体溶质的晶体结构与溶剂的晶体结构一定相同(如Cu-Ni合金等)例Fe合金：Ni、Co、Cr、V与Fe原子尺寸差别8%,Ni、Co与Fe形成面心立方晶格无限固溶体 Cr、V与Fe形成体心立方晶格无限固溶体,（4）电子浓度因素原

7、子价因素 电子浓度:价电子数目与原子数目之比 现象：溶质元素的原子价越高，溶解度较小。原因：固溶体中的电子浓度存在极限值。不同晶体结构的极限电子浓度不同：1.36 B.C.C:1.48,3 间隙固溶体 当溶质与溶剂的原子半径之比小于0.59时，可能形成间隙固溶体。如小原子的碳(0.077nm)、氮(0.071nm)、另氧、氢、硼等非金属原子。特点：a.同样会引起点阵畸变；b.溶解度与原子大小和溶剂的晶格类型有关：F.C.C 中 B.C.C 中；c.间隙固溶体只能是有限固溶体。,4 固溶体的结构特点(1)保持着溶剂的晶格类型；(2)晶格发生畸变,(3)偏聚与（短程）有序,(4)有序固溶体（长程有

8、序化）,当固溶体发生偏聚或有序化时，强度和硬度增加，而塑性和韧性降低。,5 固溶体的性能（1）固溶体强硬度高于组成它的纯金属，塑韧性低于组成它的纯金属;（2）物理性能方面，随着溶质原子的，固溶体的电阻率，电阻温度系数，导热性。,固溶体中随着溶质原子的加入，强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象 固溶强化 金属材料的主要强化手段或途径之一 例如：南京长江大桥采用廉价的16Mn，其中含1.2%1.6%Mn，抗拉强度较相同碳含量的普通碳素钢提高60；,*固溶强化的特点：(1)溶质与溶剂原子相差越大，溶质原子浓度越高，所引起的晶格畸变越大，固溶强化效果越大；(2)间隙原子的强化效果比置换原子的大。因为间

9、隙原子引起的点阵畸变大。（3）综合机械性能好。适当控制溶质含量，不仅可以显著提高材料强硬度，而且材料的塑韧性不会明显降低。,固溶体的应用：（1）结构材料的基体相；（2）精密电阻、电热材料等,(二)、金属化合物1 正常价化合物 特点：成分固定不变，可用化学式表示。如Mg2Si、Mg2Sn、MgS、MnS等。具有较高的硬度，脆性较大。常作为有色金属的强化相。,2 电子化合物 不遵守原子价规律，而是按一定的电子浓度的比值形成的化合物。电子浓度不同，化合物的晶格类型也不同。硬、脆，有色金属强化的相 特点：虽用化学式表示，但成分可变 FeAl(Al：36.5%50atm);有序化现象 其它：NiAl;C

10、uZn;CuAl,3 间隙相和间隙化合物 过渡族元素和原子半经较小的氢、氮、碳、硼组成。r非/r金 0.59时，形成复杂晶体结构的化合物间隙化合物。,(1)间隙相 性能：极高的熔点和硬度。如：VC;TiC;W2C 用途：硬质合金和高硬度工模具的重要组织组成。,(2)间隙化合物 如钢中的 Fe3C、Cr23C6、Fe3W3C等。性能：很高的熔点和硬度，但不如间隙相用途：钢中的重要强化相。,2 二元合金相图的建立 给定的合金系究竟以什么状态(相)存在，包含哪些相，这由内、外因条件决定，外因是温度和压力，内因则是化学成分 用相图来表示它们之间的关系。几个概念：相图:表示合金系中的状态(相)与温度，成

11、分之间关系的图解。又称状态图或平衡图 相变：相与相之间的转变；,相平衡与平衡相：合金系统在一定的外界条件下(温度、压力)，经历任意长时间后，合金中各相的成分都是均匀、不变的，且各相的相对重量也不变，则各相处于平衡状态，称之为相平衡；这时的相称为这种条件下的平衡相。,如纯铁，在常压下：1538以上 L为平衡相。在1538时 L和相两相平衡状态,一、二元相图的表示方法 在常压下，直角坐标系；合金成分；温度；相状态。,成分线,B点相状态:单相A点相状态:L+两相,二、二元相图的建立 热分析法；金相法；膨胀法；电阻法等。,3 典型相图分析一、匀晶相图 1 定义：两组元在液态和固态均无限互溶的二元合金相

12、图。如CuNi、AgAu、CrMo等合金系 2 相图分析 3 合金结晶过程 4 相律 5 二元相图的杠杆定律,原始成分为k的合金：Tt1:L(100%)T=t1:L(开始)注：L(100%)+(0%)T=t2:L注：L+T=t4:L(结束)注：L(0%)+(100%)T t4:(100%),单相区:实际座标点,两相区:液(固)相成分在温度水平线与液(固)相线的交点处,相成分判定方法,液(固)相线的意义:(1)表征了各成分合金的结晶起始(终止)温度;,(2)表征了各温度下液固两相达到平衡时液(固)相的成分,4 相律（P7374）,相律表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系。数学

13、表达式：f=c-p+2,系统自由度,系统组元数,平衡相数,恒压条件下：f=c-p+1,*二元合金系最多存在三相平衡*二元合金系相邻相区的相数相差1,5 杠杆定律 用于确定二元相图中两相区各相的相对含量。証明:设液相质量为 WL，固相的质量为W，则合金的总质量为 WL+W,有:WLCL+WC=(WL+W)C W(C-C)=WL(C-CL),若将合金成分C的 r 点看做支点，将WL、W看做作用于a 和 b 的力，则相当于力学中的杠杆定律形象的比喻。W=(ar/ab)W0 WL=(rb/ab)W0 杠杆定律只适用于二元相图的两相区,6 固溶体合金的结晶特点 与纯金属相比,固溶体结晶特点：(1)异分结

14、晶 结晶出的晶体与母相化学成分不同，这种结晶称为或选择结晶。(2)结晶需要在一定的温度范围内进行,结论：,（1）匀晶转变式：L；（2）单相区相成分与合金原始成分一致，即坐标点成分；两相区成分：液相成分在液相线上，固相成分在固相线上(与温度水平线的相交点)；（3）与纯金属不同，合金的结晶过程是在一定温度范围内进行的，不同温度下两平衡相的成分不相同，量也不同，两相的相对量可依据杠杆定律计算得出。,5 枝晶偏析 现象：枝晶内部化学成分不均匀 枝晶偏析,理论上：冷却速度无限缓慢时，扩散使先凝固与后凝固的固溶体成分均匀一致，即固溶体晶体的长大过程是平衡不平衡平衡循环往复直到最后相图规定的平衡成分。,原因

15、：合金凝固：L时在一定温度范围内结晶，树枝晶主干在较高温度先凝固，枝及边部在较低温度后凝固；,实际上：冷却过程非无限缓慢，扩散不完全 枝晶内部中心区域与边部区域化学成分不均匀称之为枝晶偏析,影响晶内偏析的因素（1）分配系数k0 k0=k/kL:一定温度下液固两平衡相中的溶质浓度之比值。,k0 1时,k0越小偏析越小。实质是与液相线和固相线间的水平距离或成分间隔有关间隔越小，偏析越小。,晶内偏析对合金的机械性能不利。可用高温扩散退火(固相线下100200)的方法减轻或消除又称均匀化退火,（2）溶质原子扩散能力：扩散能力大偏析小（3）冷却速度：一般V小，偏析小 但V过大时，因晶粒细小而成分均匀,6

16、 区域偏析:固溶体合金由于不平衡结晶造成大范围内化学成分不均匀的现象,应用：区域提纯,7 成分过冷 过冷度：Tm-T实际 由T实际改变引起的过冷 热过冷,（1）成分过冷定义：固溶体结晶过程中，尽管液相实际温度分布一定，但由于液相中溶质分布发生变化，改变了液相的熔点，这种由成分变化引起的过冷现象称为。,（2）成分过冷对晶体成长形状和铸锭组织的影响 金属一般为粗糙界面:纯金属:取决于液固前沿温度分布 正温度梯度平面晶；负温度梯度树枝状 固溶体：取决于液固前沿温度分布+成分过冷 负温度梯度树枝状但正温度梯度下：随成分过冷程度增大分别形成平面晶、胞状晶和树枝晶。,G1：仍为正温度梯度；平面晶G2：小的

17、成分过冷区；胞状晶G3：相当于负温度梯度；树枝晶,Al-Cu合金三种晶粒组织,平面晶所需过冷度较大，工业实际中通常达不到，故金属、固溶体合金铸件组织一般为树枝晶组织。,二 二元共晶相图 1 定义：两组元在液态无限互溶，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称为二元共晶相图。Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi 等合金系相图都是二元共晶相图。共晶转变式：L（液）（固）+（固）,2 相图分析液相线:AEB；固相线:ACEDB固溶体溶解度线：FC,GD共晶线：CED 水平线；共晶点：E 点,3 结晶过程分析(1)成分(共晶成分)结晶过程,冷却曲线,实际转变过程复杂：,

18、注意：(1)共晶转变产物(+)多相邻间隔协同长大，称为共晶体或共晶组织；,CF+G,DG+F,(2)共晶体中随后析出的二次相多依附于原共晶体生长，故往往观察不到。,亚共晶成分：CE亚共晶转变式：L c+(C+D),(2)成分(亚共晶成分)结晶过程,(3)成分(过共晶成分)结晶过程,成分为匀晶转变(A-C;D-B),L,(L+),F+G,L,成分,(4)成分(匀晶成分)结晶过程,其它形状共晶相图,4 合金的组织构成,亚共晶合金：+,成分在FG之间的合金均由+相构成；但不同合金中两相的形成过程与形貌各不相同。,共晶合金与过共晶合金呢？,各成分合金的组织构成,先共晶+(+)共晶,先共晶+(+)共晶,

19、(+)共晶,+,+,例题：计算Pb-30%Sn合金冷却到室温时的相构成与组织构成，共晶体中各相所占的比例以及的百分含量。,4,问题：共晶体中两相所占的比例如何计算?,5 共晶组织形态 共晶体(共晶组织)定义：由共晶反应形成的细密的两相或多相机械混合物,共晶组织形态：见 P 91,层片状,棒状,球状,针状,Pb-Sn共晶合金,Pb-Sn亚共晶合金,Pb-Sn过共晶合金,Pb-Sn合金的显微组织,6 共晶系合金的不平衡结晶现象（1）伪共晶 定义：由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为,形成条件：过冷度或冷却速度控制在右图阴影区,（2）离异共晶 定义：当先共晶相数量较多而共晶组织较少时，先共晶相形成

20、后，共晶组织中与先共晶相相同的那一相会依附在先共晶相上上生长，,形成条件：成分控制在M或N附近,致使另一相单独存在于晶界，从而失去共晶组织的特征，这种两相分离的共晶称为,Al-4%Cu合金的铸态组织,均匀退火后,三 包晶相图 1 定义：两组元在液态无限溶解，在固态相互有限溶解，并发生包晶转变的二元合金系相图。PtAg、SnSb、CuSn、CuZn 包晶转变式：L+,单相区 L、；两相区 L、L、三相区 P D C（包晶转变线）包晶转变,2 相图分析 液相线 A C B 固相线 A P D B 溶解度曲线：P E、D F,组织组成：+,Pt,Ag,合金,组织组成：+,实际中受扩散条件限制，包晶转

21、变往往不完全 非平衡态,共晶、包晶、共析反应图型与反应式比较,共析转变：一个固相中同时析出两个新的固相,稳定化合物的相区呈直线 Mg2Si Fe3C,四 相图与合金性能之间的关系（一）机械性能和物理性能,固溶体强硬度较纯金属高,纯金属导电性较固溶体高,线性,共晶成分附近性能突变,（二）铸造性能,铸造缺陷：偏析、疏松、缩孔等 结晶的温度范围、成分范围越大，偏析、缩孔等越严重。铸造性能取决于结晶区间：液固相线之间距离越大(温度和成分的间距)，铸造性能越差。,结论：纯金属、共晶体铸造性能最好,偏析倾向,（三）锻造、压力加工及切削加工性能,单相固溶体的锻造与压力加工性能较佳，但切削加工性能不好；合金为

22、两相混合物时，切削加工性能较好，但锻造与压力加工性能较差。总体：单相固溶体不宜制作铸件而适于承受压力加工；铸造材料应当选用共晶体尽可能多的合金,关于相构成与组织构成：,第三章 习题与思考题,1 解释下列名词：合金 组元 相 组织 2 什么是固溶体？什么是金属间化合物？二者在结构、性能与应用上各有何不同？3 什么是固溶强化？该强化方式有何特点？Mn和C在钢中的强化效果哪个大？为什么？4 有形状相同的两个Cu-Ni合金铸件，一个含50Ni，一个含10Ni，铸件自然冷却后，哪一个铸件的偏析严重？5 为什么铸造合金常选用共晶成分的合金？,6 讨论：Pb-Sn合金相图如下所示：(1)试标出各区域的组织；(2)指出组织中含最多和最少的成分；(3)指出组织中含共晶体（）最多和最少的成分，(4)指出最容易和最不容易产生枝晶偏析的成分；(5)含30Sn的Pb-Sn合金在183刚结束共晶反应时和室温时，各具有何种相构成与组织构成？,