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1、第二章 二元合金相图及结晶,主要内容：合金、相图等相关概念，以及合金的类型；三种基本相图、及其平衡结晶过程分析，形成合金的显微组织及杠杆定律；合金的结晶过程,思考,第二章 二元合金的相结构与相图,1.纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差，如何改善？,2.合金的结晶过程是否与纯金属的结晶过程相同？,3.相同成分不同含量的合金的结晶过程是否相同？怎样表示？,第二章 二元合金的相结构与相图,第二章 二元合金的相结构与相图,合金：由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元素，也可以是非金属元素）组成的有金属特征的金属材料。,思考,金属与非金属组成的是不是一定就是合金？,Fe+C,Fe(C)合金（钢）,
2、Fe3C(化合物）,2.1 基本概念,组元：组成合金独立的最基本单元。组元可以是元素或是稳定化合物。,Fe(C)合金,Fe、C组元,Fe、Fe3C组元,类比,鸡蛋,水，蛋白质，脂肪，胆固醇,2.1 基本概念,相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相。,类比,鸡蛋,蛋白、蛋黄,工业纯铁,单相铁素体,共析碳钢,铁素体相、渗碳体相,普通陶瓷,晶相、玻璃相、气相,2.1 基本概念,组织：用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像的统称（宏观组织、微观组织）。组织是影响材料性能的重要因素。,相是组织的基本组成部分,相同的相，但当组成相的
3、数量、大小、形态和分布不同时，其组织也不同！,不同的相构成不同的组织！,2.1 基本概念,固溶体,固溶体：溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相称为固溶体。“固体溶液”,按固态溶解度分：,有限固溶体：间隙固溶体只能是有限固溶体无限固溶体：无限固溶体只能是置换固溶体,形成无限固溶体的必备条件：置换固溶体 组元点阵相同 原子尺寸相差不大 负电性相同,2.1 基本概念,2.固溶体的性能,正常晶格,大原子置换引起的晶格畸变,小原子置换引起的晶格畸变,间隙原子引起的晶格畸变,2.1 基本概念,金属间化合物：两组元形成合金时，当超过固溶体的溶解极限时，形成的一种晶体结构不同于任一组元的新相，称为金属间化合物，
4、也称中间相。,晶体结构不同于任一组元金属 性能不同于任一组元金属 一般具有较高的熔点、硬度，较大的脆性,1.特点,正常价化合物 电子化合物 间隙相和间隙化合物,2.分类,2.1 基本概念,返回,2.2 二元合金相图,相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。是合金体系中材料的状态与温度、成分间关系的简明图解。,平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和质量分数不再变化所达到一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。,2.2.1 相图的建立 2.2.2 相图的使
5、用 2.2.3 典型相图分析 2.2.4 性能与相图的关系,2.2 二元合金相图,成分,温度,表象点,2.2.1 相图的建立,2.2.1 相图的建立,时间,温度,温度,成分,热分析法建立Cu-Ni相图,固相线,液相线,1083,1455,L,L+,纯铜熔点,纯镍熔点,液相线,固相线,液相区,固相区,液固两相区,2.2.1 相图的建立,返回,由相图某成分合金在某温度时的相由相图确定给定合金的相变温度由相图某成分合金在某温度时的两个平衡相的成分和相对质量杠杆定律,2.2.2 相图的使用,2.2.2 相图的使用,2.2.2 相图的使用,设合金的质量为Q合金,其中 Ni质量分数为b%,在 T1温度时,
6、L相中的 Ni质量分数为a%,相中的Ni质量分数为c%。,2.2.2 相图的使用,合金中含Ni的总质量=L相中含Ni的质量+相中含Ni的质量,因为,所以,化简后得,质量分数,2.2.2 相图的使用,返回,1匀晶相图2共晶相图3包晶相图 4.共析相图,2.2.3 典型相图分析,匀晶相图,a,b,c,d,T,C,t,L,L,L,匀晶转变 L,冷却曲线,匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。,匀晶合金的结晶过程,匀晶相图,3.固溶体的不平衡结晶,1)工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较快，在每一温度下不能保持足够的扩散时间，使凝固过程偏离平衡条件，称为非平
7、衡凝固(结晶)。2)非平衡凝固(结晶)得到的组织称为不平衡组织。,匀晶相图,固溶体结晶时成分是变化的（固相线和液相线），如冷却较快，原子扩散不能充分进行，则会形成成分不均匀的固溶体。固溶体一般都以枝晶状方式结晶，使得一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶偏析。枝晶偏析的合金对合金的力学性能影响较大。容易导致合金塑性韧性下降；易引起晶间腐蚀，降低合金的抗蚀性能。消除枝晶偏析的方法采用扩散退火。,匀晶相图,匀晶相图,偏析实例,通过对非平衡凝固分析得到如下结论：,(1)固相、液相的平均成分分别与固相线
8、、液相线不同，有一定的偏离（固相成分按平均成分线变化），其偏离程度与冷却速度有关。冷却速度越大，其偏离程度越严重；冷却速度越小，偏离程度越小，越接近于平衡条件。(2)先结晶部分含有较多的高熔点组元(Ni)，后结晶部分含有较多的低熔点组元(Cu)。(3)非平衡结晶条件下，凝固的终结温度低于平衡结晶时的终止温度。,返回,匀晶相图,共晶相图,共晶相图：液相组元无限互溶，固相组元有限溶解的合金系，当溶质超出固溶体溶解极限时，冷却过程中发生共晶转变，这类合金构成的相图称为共晶相图。,共晶相图,Pb,Sn,T,C,L,+,L+,L+,共晶反应线表示从M点到N点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶
9、反应。,c,e,共晶点表示E点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。,d,LE M+N,A,B,E,M,N,F,G,共晶转变在恒温下进行。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。,共晶转变要点须知,共晶相图,共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。,具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共晶点以右的合金称过共晶合金。,凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。
10、,c,e,f,g,X1,T,C,t,L,L,L,L+,冷却曲线,+,1,2,3,4,共晶相图结晶过程分析（）,共晶相图,T,C,t,L,L,L,L+,冷却曲线,+,1.没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相固相。,2.要经过二次析出反应，室温 组织组成物为+,组织组成物 组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的组成部分。,共晶相图,X2,T,C,t,L,(+),L,L,L(+)共晶体,冷却曲线,(+),共晶相图结晶过程分析（）,共晶相图,析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。,共晶组织形态,层片状(Al-CuAl2定向凝固),条棒状(Sb-
11、MnSb横截面),螺旋状（Zn-Mg）,Pb-Sn共晶组织,共晶相图,X3,T,C,t,L,L+,(+)+,1,2,(+)+,共晶相图结晶过程分析（）,共晶相图,共晶相图,Pb-Sn合金的结晶过程,组织组成物在相图上的标注组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。,和,和,共晶体(+)都是组织组成物。相与相之间的差别主要在结构和成分上。,Pb-Sn亚共晶组织,组织组成物之间的差别主要在形态上。如、和共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。,组织组成物在相图上的标注,包晶相图,包晶相图：液相组
12、元无限互溶，固相组元有限溶解的合金系，当溶质超出固溶体溶解极限时，冷却过程中发生包晶转变，这类合金构成的相图称为包晶相图。,一种液相与一种固相反应生成另一种固相的转变过程称为包晶转变,L+,合金的结晶过程 包晶成分合金：匀晶包晶二次析出。室温组织为+II,包晶转变：LC+P D,Pt,Ag,Ag%,T,C,L,+,L+,L+,c,e,f,g,T,C,t,L,L+,L+,+,A,B,C,P,D,E,F,包晶相图,PD成分合金：匀晶包晶二次析出。室温组织为+II+II,DC成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出室温组织为+II。,返回,包晶相图,形成稳定化合物的二元相图,稳定化合物是指在熔化前不发生分解的
13、化合物(如Mg-Si系的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C)。其成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单相区)。垂足是其,成分,顶点是其熔点,结晶过程同纯金属.分析这类相图时，可把稳定化合物当作纯组元看待，将相图分成几个部分进行分析.,共析转变也是固态相变。最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:S P+Fe3C。,具有共析反应的二元相图,共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。,(奥氏体，铁素体，Fe3C渗碳体),共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(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)、亚共
14、析合金(共析线上共析点以左的合金)、过共析合金(共析线上共析点以右的合金)。,铁碳合金相图,共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体），也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体)。,与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是液相。另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。,珠光体,常见三相等温水平线上的反应,相图与合金性能之间的关系,相图与合金力学性能、物理性能的关系 两相机械混合物的合金:性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如：混=Q+Q HB混=HB Q+HBQ(Q、Q为两相相对重量),单相固溶体的合金：性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，、HB、增
15、加，塑性下降。形成稳定化合物的合金：性能-成分曲线出现拐点。,相图与铸造性能的关系,固溶体合金液固相线间距越大、偏析倾向大,树枝晶发达,流动性降低,补缩能力下降,分散缩孔增加.共晶合金结晶温度低，流动性好，缩孔集中，偏析小，铸造性能好。,合金的使用性能与相图的关系,组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。,固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关。溶质的溶入量越多，晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高，电阻越大。两相组织合金的力学性能和物理性能与成分呈直线关系变化。,2.2.4 性能与相图的关系,2.合金的工艺性能与相图的关系,铸造性能液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分
16、的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。,共晶合金熔点低，且恒温转变，熔液流动性好，凝固后容易形成集中缩孔，合金致密。固溶体合金的流动性差，且液固相线间隔越大，结晶温度范围大，树枝晶易粗大，妨碍流动性，导致分散缩孔多，合金不致密，且偏析严重，易形成成分的偏析。,锻造、轧制性能单相固溶体合金，变形抗力小，变形均匀，不易开裂。,2.2.4 性能与相图的关系,The End,本章思考题,1 简述合金相的分类，固溶体与纯金属相比，有何结构、性能特点？2 固溶体与纯金属的结晶有何异同？3 试述晶系不平衡结晶的过程（平均成分线的形成、两种偏析）4 分析匀晶系合金典型的不平衡结晶组织及其形成原因。5 分析两种合金平衡冷却过程，指出其室温组织。,固溶体类型,
