合金的结构与相图(材料第三章).ppt

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1、第三章 合金的结构与相图,第一节 固态合金中的相结构第二节 二元合金相图的建立第三节 匀晶相图*第四节 二元共晶相图*第五节 二元包晶相图*第六节 形成稳定化合物的二元合金相图*第七节 具有共析反应的二元合晶相图 第八节 合金的性能与相图之间的关系,第一节 固态合金中的相结构,合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以全部是金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。,相:是指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。显微组织:是指在显微镜下观察到的金属中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

2、为固溶体和金属化合物两类。,一、固溶体合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固,相称固溶体。习惯以、表示。与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。,置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。,黄铜置换固溶体组织,间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金,属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。形成间隙固溶体的一般规律为r质/

3、r剂0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。,固溶体的溶解度溶质原子在固溶体中的极限浓度。溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体。,固溶体的性能随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。,与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。,二、金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同且具有金属特性的固相

4、称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。,铁碳合金中的Fe3C,当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性、韧性。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律。如Mg2Si*电子化合物符合电子浓度规律。如Cu3Sn。电子浓度为价电子数与原子数的比值。间隙化合物由过渡族元素与C、N、B、等小原子半径的非金属元素组成。,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。如M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)等。间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。部

5、分碳化物和所有氮化物属于间隙相。,b.具有复杂结构的间隙化合物当r非/r金0.59时形成复杂结构间隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。,第二节 二元合金相图的建立一、相图的意义及几个名词的涵义合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析.相图:是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。,1、组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物

6、质。,2、合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元,如Fe-C合金中的Fe3C。根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。,二、二元相图的建立,几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。,二元相图的建立步骤为：以Pb-Sn 为例1.配制不同成分的Pb-Sn合金。2.测出各合金的冷却曲线,找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）.3.建立坐标系（纵坐标：温度，横坐标：成分），作成分垂线,将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。4.将垂线上相同意义的点连接起来，并标上

7、相应的数字和字母。,相图中,结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。,第三节 匀晶相图,两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。以Cu-Ni合金为例进行分析。,一、相图分析 相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。,二、合金的结晶过程除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。,当液态金属自高温冷却到 t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分,随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，

8、固相成分沿固相线变化。,这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。,成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时,固溶体的成分又变回到合金成分3上来。液固相线不仅是相区分界线,也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。,三、二元相图的 杠杆定律处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成,分垂线。在成分垂线相当于温度t 的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。

9、,则 QL+Q=1 QL x1+Q x2=x 解方程组得,式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。,确定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：,上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。例（如图）,合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但

10、实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。,四、固溶体合金中的偏析,在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。生产上常将铸件加热到固相线以下100-200长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。,第四节 二元共晶相图,当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反

11、应时所构成的相图称作共晶相图。以 Pb-Sn 相图为例进行分析。共晶反应:,在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两种成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。,一、相图分析 相：相图中有L、三种相,是溶质Sn在 Pb中的固溶体，是溶质Pb在Sn中的固溶体。相区：相图中有三个单相区：L、；三个两相区：L+、L+、+；一个三相区：即水平线CED。,固溶线:溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF、DG线分别为 Sn在 Pb中和 Pb在 Sn中的固溶线。固溶体的溶解度随温度降低而下降。,液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点。,共晶线：水平线CED叫做共

12、晶线。在共晶线对应的温度下（183），E点成分的合金同时结晶出C点成分的 固溶体和D点成分的 固溶体，形成这两个相的机械混 合物：LE(C+D),机械混合物：以一定的重量比例相混合，在显微镜下可以区分各自晶粒的组织。,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。,二、合金的结晶过程 含Sn量小于C点合金(合金)的结晶过程在3点以前为匀晶转变，

13、结晶出单相 固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。,温度降到3点以下，固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相 相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。形成二次相的过程称二次析出,是固态相变的一种。,H,由于二次相析出温度较低，一般十分细小。,室温下的相对重量百分比为：,由 析出的二次 用 表示。随温度下降，和 相的成分分别沿CF线和DG线变化，的重量增加。,合金室温组织为+。,成分大于 D点合金结晶过程与合金相似，室温组织为+。,共晶合金(合金)的结晶过程液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和,发生共晶反应：LE(C+D)。,析出过程中两相相

14、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-MnSb横截面),螺旋状（Zn-Mg）,Pb-Sn共晶组织,共晶组织形态,在共晶转变过程中，L、三相共存,三个相的量在不断变化，但它们各自成分是固定的。共晶组织中的相称共晶相.共晶转变结束时，和 相的相对重量百分比为：,共晶结束后，随温度下降，和 的成分分别沿CF线和DG线变化，并从共晶 中析出，从共晶 中析出，由于共晶组织细，与共晶结合，与共晶 结合，共晶合金的室温组织仍为(+)共晶体。,室温下两相的相对重量百分比是多少？,亚共晶合金(合金)的结晶过程合金液体

15、在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到C点，液相成分变化到E点,此时两相的相对重量为：,在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：L(+)，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等,即QE=QL反应结束后，在共晶温度下、两相的相对重量百分比为：,温度继续下降，将从一次 和共晶 中析出，从共晶 中析出。其室温组织为+(+)+。,如何求室温下三种组织组成物的相对重量？,过共晶合金结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为,二次相为室温组织为+(+)+。,Pb-Sn合金的结晶过程,三、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

16、织组成物。相与相之间的差别主要在结构和成分上。,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。,Pb-Sn亚共晶组织,组织组成物在相图上的标注,第五节 二元包晶相图,当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。以Pt-Ag相图为例简要分析,相图分析单相区：L、二相区：L+、L+、+三相区：L+（水平线PDC）包晶反应:,在一定温度下，由一个固相与包围它的液相反应生成另一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。,水平线PDC

17、称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LC+P D。该反应是液相L包着固相,新相 在L与的界面上形核，并向L和两个方向长大。,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,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。,第六节 形成稳定化合物的二合金元相图,稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(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

18、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。,第七节 具有共析反应的二元合金相图,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

19、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,总结：二元相图的分析步骤,实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析.分清相图中包括哪些基本类型相图 确定相区 相区接触法则相邻两个相区的相数差为1 单相区的确定 液相线以上为液相区；,Fe-Fe3C相图,靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区；相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相区分界线；,相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区；相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。,两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相,区，该两相区的相由两相邻单相区

20、的相组成。三相区的确定：二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成。,Fe-Fe3C相图,常见三相等温水平线上的反应,作出典型合金冷却曲线示意图二元合金冷却曲线的特征是:在单相区和两相区冷却曲线为一斜线。,分析典型合金的结晶过程,由一个相区进入另一相区时,冷却曲线出现拐点:a.由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐;,b.由相数多的相区进入相数少的相区曲线向左拐。发生三相等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶。,分析合金结晶过程 画出组织转变示意图。,计算各相、各组织组成物相对重量百分比：a.在单相区，合金由单相组成，相的成分、重量即合金的成分、重量。,b.在两相区

21、，两相的成分随温度沿各自的相线变化，各相和各组织组成物的相对重量可由杠杆定律求出。合金成分为杠杆的支点，相或组织组成物的成分为杠杆的端点。c.在三相区，三个相成分固定，重量不断变化，杠杆定律不适用。,第八节 合金的性能与相图之间的关系,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,

22、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。,*凝固组织及其控制,1、晶粒度表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。,标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。,一、结晶后的晶粒大小及其控制,2、决定晶粒度的因素晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。,过冷度对N、G的影响,单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越细小.因此，凡是促进形核、抑制

23、长大的因素，都能细化晶粒.,3、控制晶粒度的方法,控制过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。变质处理：又称孕育处理。即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。,Al-Si合金组织,铸铁变质处理前后的组织,变质处理使组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。,电磁搅拌细化晶粒示意图,超声振动细化晶粒示意图,振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，,另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。,气轮机转子的宏观组织(纵截面),4、晶粒大小对金属性能的影响,常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因

24、而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好,即细晶强化。高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好。,多晶铁的拉伸变形,室温,高温,二、铸锭(件)组织与缺陷,1,1,2,3,4,2,3,4,K,k,A,B,Cu,Ni,Ni%,L,a,温度,LL+a a,x,x,x,x,k,K,kx,xk,/=kx/xk,Cu,Ni,Ni%,A,B,k,x,x,温度,L,a,*第四节二元共晶相图,二元共晶相图：两组元液态时无限互溶，固态时有限互溶，而且发生共晶反应所构成的相图，称共晶相图。常有：Pb-Sn,Pb-Sb,Cu-Ag,P

25、b-Bi,Cd-Zn,Sn-Cd,Zn-Sn,Cu-CuMg,Al-CuAl2。一、相图分析图14 Pb-Sn合金相图。成分在c,d之间的合金在温度达到固相线的水平部分ced时将发生以下恒温反应：c c共晶反应：从某种成分固定的合金溶液中同时结晶出两种成分和结构皆不相同的固相，这种反应叫共晶反应。二、合金的结晶过程：分别分析共晶合金、亚共晶合金、过共晶合金的结晶过程。,第八节合金的性能与相图之间的关系,合金性能取决于：化学成分和内部组织，而成分与组织的关系记录在相图中。一、当合金形成单相固溶体时：、强度、硬度、电阻率随溶解度升高先升后降，电阻温度系数先降后升。（图28）、铸造性能不好，与结晶过

26、程的温度变化范围及成分变化范围的大小有关。（如图29）、塑性较好，具有良好的压力加工性能。、切削加工性能不好。（切屑不易剥落，不易断屑，光洁度较差）。当固溶体的浓度较高时，随着合金温度的下降会从固溶体中析出次生相来，可产生弥散强化。弥散强化：当次生相以细小粒子均匀分布在固溶体的晶粒之中时，会使合金的塑性、韧性稍有下降而强度、硬度有所增加，这种现象称为合金的弥散硬化。,二、当合金形成两相混合物时（普通混合物与机械混合物）：、压力加工性能较差。、切削加工性能较好。、铸造性能与共晶体数量有关。三、当合金形成化合物时：形成化合物时：强度、硬度升高，塑性、韧性下降，具有某些特殊的物理、化学性能，在性能成分曲线上会出现极大点或极小点（奇异点）如图33。,END,