工程材料學(xué) 第2章.ppt

1 第2章 合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖 2 2 1固態(tài)合金中的相結(jié)構(gòu) 合金 由兩種或以上金屬元素或金屬與非金屬組成的具有金屬特性的物質(zhì) 組元 組成合金的獨(dú)立的最基本的單元 一般是一種元素或一種穩(wěn)定的化合物 相 具有相同化學(xué)成分 相同晶體結(jié)構(gòu)和相同的物理或化學(xué)性能 并與該合金系統(tǒng)其它部分有明顯分界的均勻組成部分 組織 用顯微鏡觀察到的材料的微觀形貌 3 組織 相1 Ni 相2 Cu 10Sn 明顯的分界 合金組元1 Cu組元2 Sn 圖片出自 胥橙庭 沈以赴 顧冬冬 稀有金屬材料與工程 2005 34 341 344 4 按照合金中組元原子的存在方式 合金可分為兩類基本的相結(jié)構(gòu) 固溶體和金屬間化合物 1 固溶體組元通過(guò)溶解形成一種成分和性能均勻的 且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體A B A 溶劑 B 溶質(zhì) 5 固溶體的分類 無(wú)序固溶體 有序固溶體 分布有序度 無(wú)限固溶體 有限固溶體 溶解度 原子半徑較小 間隙固溶體 晶格類型相同 原子半徑相差不大 電化學(xué)性質(zhì)相近 置換固溶體 溶質(zhì)原子的位置 6 置換固溶體示意圖 間隙固溶體示意圖 7 固溶強(qiáng)化由于溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中產(chǎn)生晶格畸變 以及對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用 阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng) 而造成材料強(qiáng)度 硬度升高 塑性和韌性沒(méi)有明顯降低 溶質(zhì)原子溶入 晶格畸變 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力上升 金屬塑性變形困難 強(qiáng)度 硬度升高 形成固溶體時(shí)的晶格畸變 8 圖片出自 W P Tong N R Tao Z B Wang J Lu K Lu NitridingIronatLowerTemperatures SCIENCE299 2003 686 688 固溶強(qiáng)化SCIENCE 納米化表層 10 m Fe N2 Fe2 3N相 顆粒 固溶強(qiáng)化 9 2 金屬間化合物金屬間化合物是合金組元相互作用而形成的具有金屬特性 而晶格類型和特性又完全不同于任一組元的化合物 中間相 兩組元有一定比例 可用化學(xué)式AmBn表示 特點(diǎn) 金屬間化合物一般有較高的熔點(diǎn) 較高的硬度和較大的脆性 合金中出現(xiàn)化合物時(shí) 可提高強(qiáng)度 硬度和耐磨性 但降低塑性 10 正常價(jià)化合物周期表上相距較遠(yuǎn) 電化學(xué)性質(zhì)相差較大的兩元素容易形成正常價(jià)化合物 其特點(diǎn)是符合一般化合物的原子價(jià)規(guī)律 成分固定 并可用化學(xué)式表示 如Mg2Pb Mg2Sn Mg2Si MnS SiC等 正常價(jià)化合物具有高的硬度和脆性 當(dāng)其在合金中彌散分布于固溶體基體中時(shí) 將起到強(qiáng)化相的作用 使合金強(qiáng)化 11 SiC particulatereinforcedAlmetalmatrixcomposite MMC Ni P SiC Co P SiC 圖片出自 EwaRudnik Surf CoatTechnol 202 2008 2584 12 電子化合物電子化合物是由第 族或過(guò)渡族元素與第 至第 族元素結(jié)合而成的 它們不遵循原子價(jià)規(guī)律 而服從電子濃度規(guī)律 電子濃度是指合金中化合物的價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值 電子化合物具有高的熔點(diǎn)和硬度 但塑性較低 一般只能作為強(qiáng)化相存在于合金 特別是有色金屬合金 中 電子化合物的結(jié)構(gòu)取決于電子濃度 當(dāng)電子濃度為3 2時(shí) 晶體結(jié)構(gòu)為體心立方晶格 稱為 相 電子濃度為21 13時(shí) 晶體結(jié)構(gòu)為復(fù)雜立方晶格 稱為 相 電子濃度為7 4時(shí) 晶體結(jié)構(gòu)為密排六方晶格 稱為 相 Epsilon 13 14 間隙化合物間隙化合物是由過(guò)渡族金屬元素與碳 氮 氫 硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的金屬化合物 根據(jù)組成元素原子半徑比值及結(jié)構(gòu)特征的不同 可將間隙化合物分為兩類 15 A 間隙相 r非 r金 0 59時(shí)形成的具有簡(jiǎn)單晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物 如 M4X Fe4N M2X Fe2N W2C MX TiC VC TiN 等 VC面心立方晶格 V原子占據(jù)晶格正常位置 而C原子規(guī)則分布在晶格的空隙之中 這類化合物還可相互溶解 結(jié)構(gòu)相同的兩種化合物之間甚至可以形成無(wú)限互溶 如ZrC TiC TiC VC ZrC NbC 16 間隙相具有極高的熔點(diǎn) 硬度和脆性 而且十分穩(wěn)定 是高合金工具鋼的重要組成相 也是硬質(zhì)合金和高溫金屬陶瓷材料的重要組成相 拋光WC 斷口WC 拋光WC 1VC 斷口WC 1VC 拋光WC 4VC 拋光WC 12VC 圖片出自 S G Huang Int J RefractoryMetalHardMater 26 2008 256 17 純Ti表面合成TiC ZrC涂層 圖片出自 D Ferro Surf CoatTechnol 202 2008 1455 18 B 具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物當(dāng)0 7 r非 r金 0 59時(shí)形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合物 如FeB Fe3C Cr23C6等 其中Fe3C稱滲碳體 是鋼中重要強(qiáng)化相 具有復(fù)雜斜方晶格 Fe3C的晶格 19 鋼中常見(jiàn)間隙化合物的硬度及熔點(diǎn) 20 2 2二元合金相圖的建立 組元 組成合金的獨(dú)立的最基本的單元 一般是一種元素 如Pb Sn合金中的Pb和Sn 或一種穩(wěn)定的化合物 如Fe3C 合金系 由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金 如Pb Sn系 Fe Fe3C系 相圖 用來(lái)表示合金系中各個(gè)合金的結(jié)晶過(guò)程的簡(jiǎn)明圖 2 2 1名詞涵義 21 相圖上所表示的組織都是在非常緩慢冷卻的條件下獲得的 都是接近平衡狀態(tài)的組織 也稱為平衡圖 相圖是用圖解的方法表示合金系中各種合金狀態(tài)與溫度和成分之間關(guān)系 也稱為狀態(tài)圖 Cu Ni相圖 相圖的意義 分析合金組織的重要參考資料 制定熱加工工藝的重要依據(jù) Cu Sn相圖 22 本科學(xué)習(xí)的相圖理論 管用 再先進(jìn)的制備及加工工藝 背后隱藏的基本機(jī)理 也許還要回歸到經(jīng)典理論 給我印象最深刻Metall Mater Trans B的一句評(píng)審意見(jiàn) Theauthorsarerecommendedtouserelevantphasediagramstoexplaintheirresults Thiswouldbeusefulevenifthelasersinteredmaterialsarenotinequilibrium 23 現(xiàn)代激光加工工藝中涉及的冶金機(jī)理 借助傳統(tǒng)合金相圖作合理解釋 24 相圖用縱坐標(biāo)表示溫度變化 橫坐標(biāo)表示成分變化 一般采用熱分析法 原理是凝固時(shí)釋放凝固潛熱 以Cu Ni合金為例 說(shuō)明熱分析法建立相圖的步驟 1 配制不同成分的Cu Ni合金 2 將合金熔化后 測(cè)定它們的冷卻曲線 并找出曲線上臨界點(diǎn) 即轉(zhuǎn)折點(diǎn)和停歇點(diǎn) 3 將上述數(shù)據(jù)引入相應(yīng)成分的溫度 成分坐標(biāo)圖中 4 將物理意義相同的臨界點(diǎn)連成曲線 即得Cu Ni合金相圖 2 2 2相圖的建立 25 純銅 75 Cu 25 Ni 50 Cu 50 Ni 25 Cu 75 Ni 純Ni 金屬和合金在冷卻到該溫度時(shí)發(fā)生了冷卻速度的突然改變 原因 金屬和合金在結(jié)晶 相變 時(shí)有結(jié)晶潛熱釋放 抵消了部分或全部熱量的散失 結(jié)晶開(kāi)始 結(jié)晶中了 26 2 3 1勻晶相圖分析兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能以任何比例相互溶解 冷卻時(shí)發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變的合金系的相圖是勻晶相圖 2 3勻晶相圖 Cu Ni合金勻晶相圖 點(diǎn) A B 線 液相線固相線 區(qū) L L 27 2 3 2合金的平衡結(jié)晶過(guò)程以 點(diǎn)成分的Cu Ni合金 Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40 為例分析結(jié)晶過(guò)程 勻晶結(jié)晶特點(diǎn) 固溶體結(jié)晶是在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行 即為一個(gè)變溫結(jié)晶過(guò)程 在兩相區(qū)內(nèi) 溫度一定時(shí) 兩相的成分 即Ni含量 是確定的 先結(jié)晶出的固溶體和后結(jié)晶出的固溶體成分不同 平衡結(jié)晶條件下 可通過(guò)原子擴(kuò)散使成分均勻化 最終獲得與原合金成分相同的單相 固溶體 與純金屬一樣 固溶體從液相中結(jié)晶出來(lái)的過(guò)程中 包括有生核與長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程 但固溶體更趨向于樹(shù)枝狀長(zhǎng)大 28 2 3 3杠桿定律及應(yīng)用 勻晶相圖合金的結(jié)晶過(guò)程 QL Qa 29 QL ab Qa bc 杠桿定律 杠桿的兩個(gè)端點(diǎn)為給定溫度時(shí)兩相的成分點(diǎn) 而支點(diǎn)為合金的成分點(diǎn) 杠桿定律與力學(xué)比喻 QL Qa 30 證明 Q合金 其中Ni含量b T1溫度時(shí) L相中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)a a相中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)c Q0 b QL a Qa c 又因?yàn)镼0 QL Qa所以 QL Qa b QL a Qa c Q0合金總質(zhì)量 QL液相質(zhì)量 Qa固相質(zhì)量 31 由杠桿定律可算出T1時(shí)液相和固相在合金中質(zhì)量分?jǐn)?shù) 運(yùn)用杠桿定律時(shí)注意 它只適用于相圖中的兩相區(qū) 并且只能在平衡狀態(tài)下使用 杠桿定律的應(yīng)用 確定某一溫度下兩平衡相的成分 確定某一溫度下兩平衡相的相對(duì)量 32 實(shí)際金屬的結(jié)晶主要以樹(shù)枝狀長(zhǎng)大 這是由于當(dāng)冷卻速度較大 特別是存在有雜質(zhì)時(shí) 晶體與液體界面的溫度會(huì)高于近處液體的溫度 形成負(fù)溫度梯度 且晶核棱角處的散熱條件好 生長(zhǎng)快 先形成一次軸 一次軸又會(huì)產(chǎn)生二次軸 樹(shù)枝間最后被填充 2 3 4非平衡結(jié)晶與固溶強(qiáng)化 33 樹(shù)枝狀結(jié)晶 34 固溶體結(jié)晶時(shí)成分是變化的 如果冷卻較快 原子擴(kuò)散不能充分進(jìn)行 則形成成分不均勻的固溶體 一個(gè)晶粒中先結(jié)晶的樹(shù)枝晶晶枝含高熔點(diǎn)組元較多 后結(jié)晶的樹(shù)枝晶晶枝含低熔點(diǎn)組元較多 結(jié)果造成在一個(gè)晶粒內(nèi)化學(xué)成分的分布不均 這種現(xiàn)象稱為枝晶偏析 消除枝晶偏析的方法采用擴(kuò)散退火 或均勻化退火 性能不均勻 成分不均勻 組織不均勻 富Ni區(qū) 富Cu區(qū) 35 勻晶相圖與固溶強(qiáng)化有限溶解的兩組元?jiǎng)蚓Х磻?yīng) 隨溫度下降 兩組元溶解度也會(huì)下降 通過(guò)原子擴(kuò)散 使溶質(zhì)組元從溶劑組元中析出 但若冷速較快 原子擴(kuò)散受抑制 溶質(zhì)組元析出來(lái)不及完成 室溫可獲得高濃度溶質(zhì)組元合金 破壞了成分平衡 引起溶劑晶格較大畸變 使合金強(qiáng)度上升 塑性 韌性下降 產(chǎn)生固溶強(qiáng)化 36 2 4二元共晶相圖 2 4 1相圖分析Pb Sn合金相圖 這種由一種液相在恒溫下同時(shí)結(jié)晶出兩種固相的反應(yīng)叫做共晶反應(yīng) 所生成的兩相混合物叫共晶體 水平線ced為共晶反應(yīng)線 37 組元 Pb Sn 相 L 是Sn在Pb中的有限固溶體 是Pb在Sn中的有限固溶體 點(diǎn) 線 a b c d e液相線 aeb固相線 acedb共晶反應(yīng)線 ced 在共晶溫度發(fā)生共晶反應(yīng) 轉(zhuǎn)變過(guò)程中是三相 L 共存 溶解度線 cf Sn在Pb中的溶解度線 或稱 相的固溶線 固溶體中Sn的溶解度極限曲線 dg Pb在Sn中溶解度線 或稱 相的固溶線 固溶體中Pb的溶解度極限曲線 共晶相圖 兩組元液態(tài)時(shí)彼此無(wú)限互溶 固態(tài)下彼此部分固溶 并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的合金系形成的相圖 38 相區(qū) 三個(gè)單相區(qū) L 是有限固溶體 三個(gè)雙相區(qū) L L 三相區(qū) L 共晶點(diǎn) 共晶體 共晶反應(yīng)產(chǎn)生共晶體 39 1 合金IV的平衡結(jié)晶過(guò)程 溫度降低 固溶體溶解度下降 從固態(tài) 相中析出富Sn的 相稱為二次 常寫(xiě)作 這種二次結(jié)晶可表示為 由于固溶體中溶解度的減少而析出另一固相的反應(yīng)叫二次析出反應(yīng)或脫溶過(guò)程 2 4 2典型合金的結(jié)晶過(guò)程 01234 勻晶 不變 析出 富Sn的 相在冷卻過(guò)程中 當(dāng)超過(guò)其固溶度時(shí) 會(huì)析出低Sn的 相 40 室溫組織 II 合金IV冷卻曲線及結(jié)晶過(guò)程 二次相通常沿初生相的晶界析出 也可在晶內(nèi)沿缺陷處析出 41 運(yùn)用杠桿定律 兩相的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 合金IV室溫組織由 和 兩相組成 42 共晶合金 Le c d合金室溫組織全部為共晶體 即只含一種組織組成物 即共晶體 而其組成相仍為 和 兩相 2 合金I的平衡結(jié)晶過(guò)程 43 共晶合金組織的形態(tài) 機(jī)械混合物 兩相交替分布 黑色片層為富Pb的 相 白色基體為富Sn的 相 室溫時(shí) 合金的室溫組織為共晶體 即只含一種組織組成物 其組成相仍為 和 相 共晶轉(zhuǎn)變溫度時(shí) 相組成物 共晶轉(zhuǎn)變溫度以下 共晶體中 和 二次結(jié)晶 從 中析出 II 從 中析出 II 成分由c f 成分由d g 兩種相的相對(duì)重量依杠桿定律變化 II和 II同 和 相連在一起 共晶體形態(tài)和成分不發(fā)生變化 44 亞共晶合金 結(jié)晶過(guò)程分三個(gè)階段 即勻晶反應(yīng) 共晶反應(yīng) 二次結(jié)晶反應(yīng) L 初 L 初 c d 初 II 共晶組織中二次相的析出忽略 合金室溫組織 初生 合金組成相 和 3 合金II的平衡結(jié)晶過(guò)程 45 Pb Sn亞共晶組織 黑色斑狀組織 三維形態(tài)為粗大樹(shù)枝晶 為初生相 共晶組織 二次相 46 室溫下 組成相 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 47 組織組成物質(zhì)量分?jǐn)?shù) 在共晶溫度時(shí) 48 室溫下初生 次生相 與初生相 成分和結(jié)構(gòu)完全相同 是同一種相 但形貌特征 分布完全不同 屬于兩種組織 49 位于共晶點(diǎn)e點(diǎn)右側(cè)和d點(diǎn)以左的合金稱為過(guò)共晶合金 4 合金III的平衡結(jié)晶過(guò)程 過(guò)共晶合金 合金III結(jié)晶過(guò)程與合金II相似 只是勻晶產(chǎn)物為初晶 二次結(jié)晶產(chǎn)物為 室溫組織為 50 組織標(biāo)注相圖 填寫(xiě)組織組成物的Pb Sn相圖 51 2 4 3時(shí)效強(qiáng)化 當(dāng)次生相以細(xì)小粒狀形式分布在較軟的固溶體基體上時(shí) 由于次生相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用 使材料的強(qiáng)度提高的現(xiàn)象稱沉淀強(qiáng)化 由于固溶處理時(shí)抑制了過(guò)飽和固溶體的析出過(guò)程 形成溶質(zhì)原子富集區(qū) 引起固溶體畸變 使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到阻礙 從而提高了強(qiáng)度 隨時(shí)間的延長(zhǎng)作用強(qiáng)化效果進(jìn)一步提高 所以稱為時(shí)效強(qiáng)化 T 固溶體的溶解度 脫溶轉(zhuǎn)變 析出沉淀相T 固溶體的溶解度 次生相來(lái)不及析出 過(guò)飽和固溶體 冷卻速率足夠緩慢 快冷 固溶處理 52 2 5其他二元相圖 2 5 1二元共析相圖 在二元合金中 若合金冷卻到固態(tài)時(shí) 還能發(fā)生由一個(gè)固相同時(shí)分解形成兩個(gè)新的固相 這種相圖叫共析相圖 此兩相混合物稱為共析體 與共晶反應(yīng)不同點(diǎn) 1 共析反應(yīng)是固態(tài)反應(yīng) 原子的擴(kuò)散困難 組織更細(xì) 2 因母相與子相的比容不同 反應(yīng)后易引起較大的內(nèi)應(yīng)力 53 具有共析反應(yīng)的二元合金相圖 54 2 5 2包晶反應(yīng)的合金相圖 Pt Ag合金相圖 包晶L 55 勻晶L 共晶L 共析 包晶L 56 二元合金兩相平衡時(shí) 兩相成分均隨溫度而變化 其具體數(shù)值可由恒溫水平線與兩相區(qū)相界線的交點(diǎn)來(lái)確定 溫度變化時(shí) 兩平衡相成分也分別沿兩條相界線相應(yīng)變化 二元相圖的三相平衡區(qū)是一條水平線 它與三個(gè)單相區(qū)均以點(diǎn)接觸 從三個(gè)單相區(qū)的相互位置 可以判斷三相平衡的性質(zhì) 分析復(fù)雜相圖時(shí) 首先要弄清單相區(qū) 然后找出三相區(qū) 三相點(diǎn) 再弄清