Z3合金結(jié)構(gòu)結(jié)晶

1、第三章第三章 二元合金的相結(jié)構(gòu)與相圖二元合金的相結(jié)構(gòu)與相圖 本章目的：本章目的： 1 1 討論合金中的相概念及其類(lèi)型；討論合金中的相概念及其類(lèi)型； 2 2 介紹各種類(lèi)型的基本二元相圖；介紹各種類(lèi)型的基本二元相圖； 3 3 說(shuō)明相圖與合金性能間的對(duì)應(yīng)關(guān)系說(shuō)明相圖與合金性能間的對(duì)應(yīng)關(guān)系本章要求：本章要求：1 1 組元、相、組織、組織組成物等基本概念；組元、相、組織、組織組成物等基本概念；2 2 固溶體和化合物的本質(zhì)區(qū)別和性能特點(diǎn)；固溶體和化合物的本質(zhì)區(qū)別和性能特點(diǎn)；3 3 掌握分析相圖的基本方法；掌握分析相圖的基本方法；4 4 正確運(yùn)用杠桿定律正確運(yùn)用杠桿定律。 合金合金: : 一種金屬元素一種金

2、屬元素與另一種或幾種其它元素，與另一種或幾種其它元素，經(jīng)熔煉或其它方法結(jié)合而成的具有經(jīng)熔煉或其它方法結(jié)合而成的具有金屬特性金屬特性的物質(zhì)。的物質(zhì)。 Pb-SnPb-Sn合金合金, , 鋼（鋼（Fe-CFe-C）, , 錫青銅錫青銅(Cu-Sn(14%)(Cu-Sn(14%)）1 1 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)組元組元組成合金最基本的、能獨(dú)立存在的組成合金最基本的、能獨(dú)立存在的物質(zhì)。物質(zhì)。 Fe-CFe-C合金：合金：Fe(Fe(組元一組元一)-Fe)-Fe3 3C(C(組元二組元二) )合金系合金系由給定的組元以不同的比例配制由給定的組元以不同的比例配制成的一系列成分不同的合金系統(tǒng)。成的一系列成

3、分不同的合金系統(tǒng)。例：例：Fe-C: 90%Fe-10%CFe-C: 90%Fe-10%C、 80%Fe-20%C80%Fe-20%C、 50%Fe-50%C50%Fe-50%C、 20%Fe-80%C20%Fe-80%C Fe-Cr-C Fe-Cr-C根據(jù)組元數(shù)分為：根據(jù)組元數(shù)分為： 二元合金二元合金 、三元合金、三元合金 、 多元合金。多元合金。 合金相合金相 指合金中結(jié)構(gòu)相同，成分和指合金中結(jié)構(gòu)相同，成分和性能均一，并有界面與其他部分分開(kāi)的性能均一，并有界面與其他部分分開(kāi)的均勻組成部分。均勻組成部分。( (phasephase) ) 金屬或合金均由相構(gòu)成金屬或合金均由相構(gòu)成單相合金、單相

4、合金、多相合金。多相合金。 用用、等表示等表示例：純鐵、鋼中的相例：純鐵、鋼中的相 純鐵：純鐵：-Fe-Fe； 鋼：鐵素體鋼：鐵素體()()滲碳體滲碳體( (FeFe3 3C C) )；相相相相FeFe3 3C C 相相純鐵純鐵0.45%C 鋼鋼 相結(jié)構(gòu)，實(shí)指合金的晶體結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)，實(shí)指合金的晶體結(jié)構(gòu)（一）（一）固溶體固溶體 合金組元通過(guò)溶解形成一種成分和合金組元通過(guò)溶解形成一種成分和性能均勻的、且性能均勻的、且晶格類(lèi)型與組元之一相晶格類(lèi)型與組元之一相同同的固相稱(chēng)之為固溶體。的固相稱(chēng)之為固溶體。（二）（二）金屬化合物金屬化合物 定義定義：合金組元相互作用形成的合金組元相互作用形成的晶晶格類(lèi)型格類(lèi)

5、型和特性完全和特性完全不同于任一組元不同于任一組元的新的新相稱(chēng)之為金屬化合物。相稱(chēng)之為金屬化合物。一、相的分類(lèi)一、相的分類(lèi)二二 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) （一）固溶體固溶體 1、固溶體的分類(lèi)固溶體的分類(lèi) * 按溶質(zhì)原子在晶格中所占的按溶質(zhì)原子在晶格中所占的位置位置分類(lèi)分類(lèi) 置換固溶體置換固溶體（1）置換置換固溶體固溶體 溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結(jié)點(diǎn)所形成的固溶體格結(jié)點(diǎn)所形成的固溶體代位代位固溶體固溶體 90 Cu-10Ni合金合金 例：例： C 固溶于固溶于Fe中形成間隙固溶體中形成間隙固溶體 鐵素體鐵素體 C 固溶于固溶于Fe中形成間隙固溶體中形成間隙固溶體 奧氏體奧氏體（2）

6、間隙間隙固溶體固溶體 溶質(zhì)原子填入溶劑晶格溶質(zhì)原子填入溶劑晶格的空隙位置所形成的固溶體。的空隙位置所形成的固溶體。間隙固溶體間隙固溶體 * 按按固溶度固溶度分類(lèi)分類(lèi) （1）有限固溶體有限固溶體溶質(zhì)原子在固溶體中溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度有一定的限度，超過(guò)這個(gè)限度就不再的濃度有一定的限度，超過(guò)這個(gè)限度就不再溶解，這個(gè)限度稱(chēng)為固溶度。溶解，這個(gè)限度稱(chēng)為固溶度。 （2）無(wú)限固溶體無(wú)限固溶體溶質(zhì)原子能以任意比溶質(zhì)原子能以任意比例溶入溶劑，固溶度可達(dá)到例溶入溶劑，固溶度可達(dá)到100%。按溶質(zhì)原子在固溶體中分布是否有按溶質(zhì)原子在固溶體中分布是否有規(guī)律規(guī)律分類(lèi)分類(lèi)（1）無(wú)序固溶體無(wú)序固溶體 溶質(zhì)原子隨機(jī)地分布

7、溶質(zhì)原子隨機(jī)地分布于溶劑晶格中。于溶劑晶格中。 （2）有序固溶體有序固溶體 溶質(zhì)原子按一定的規(guī)溶質(zhì)原子按一定的規(guī)律分布在溶劑晶格中。律分布在溶劑晶格中。CuAu中中Cu原子：簡(jiǎn)單四方晶系亞點(diǎn)陣原子：簡(jiǎn)單四方晶系亞點(diǎn)陣Cu3Au中中Cu原子：體心四方晶系亞點(diǎn)陣原子：體心四方晶系亞點(diǎn)陣 有序固溶體特點(diǎn)有序固溶體特點(diǎn)： 溶質(zhì)原子可形成自己的亞點(diǎn)陣溶質(zhì)原子可形成自己的亞點(diǎn)陣 一定條件下固溶體可在有序和一定條件下固溶體可在有序和無(wú)序間相互轉(zhuǎn)化：無(wú)序間相互轉(zhuǎn)化： 溫度、成分溫度、成分例：例：Fe-Al合金合金室溫下室溫下, 成分變化時(shí)成分變化時(shí)： a. FeAl (25%atm)合金合金 無(wú)序相：無(wú)序相：

8、相相 b. FeAl (25%35%atm)合金合金 有序相：有序相：Fe3Al c. FeAl(35%50atm)合金合金 有序相：有序相：FeAl成分固定，成分固定，溫度變化時(shí)溫度變化時(shí)： Fe3Al： 950：完全無(wú)序固溶體：完全無(wú)序固溶體Fe3Al金屬間化合物新材料金屬間化合物新材料2 置換固溶體及影響因素置換固溶體及影響因素 金屬元素之間一般都能形成置換金屬元素之間一般都能形成置換固溶體，但固溶度往往相差很大。固溶體，但固溶度往往相差很大。 如如Cu: Ni無(wú)限互溶，無(wú)限互溶， Zn最大溶解度為最大溶解度為39%， Pb幾乎不溶解于銅。幾乎不溶解于銅。 受元素間受元素間原子尺寸原子尺

9、寸、化學(xué)化學(xué)親和力親和力、結(jié)構(gòu)類(lèi)型結(jié)構(gòu)類(lèi)型等影響。等影響。（1）原子尺寸因素原子尺寸因素 組元間原子半徑越相近，固溶度越大。組元間原子半徑越相近，固溶度越大。 原因：溶質(zhì)原子引起溶劑晶格的點(diǎn)陣畸原因：溶質(zhì)原子引起溶劑晶格的點(diǎn)陣畸變，產(chǎn)生畸變能，晶格畸變能越高，晶格越變，產(chǎn)生畸變能，晶格畸變能越高，晶格越不穩(wěn)定，當(dāng)畸變能高到一定程度，溶質(zhì)原子不穩(wěn)定，當(dāng)畸變能高到一定程度，溶質(zhì)原子將不再能溶入固溶體，只能形成其它新相。將不再能溶入固溶體，只能形成其它新相。溶劑與溶質(zhì)原子的尺寸差別可用溶劑與溶質(zhì)原子的尺寸差別可用r/r 衡量：衡量： r/r =(r溶劑溶劑 - r溶質(zhì)溶質(zhì))/ r溶劑溶劑 （2）負(fù)電

10、性負(fù)電性 S原子、原子、Al原子與原子與Fe原子大小相差接近，原子大小相差接近， 但但Al在在Fe中溶解度大中溶解度大負(fù)電性因素負(fù)電性因素 負(fù)電性負(fù)電性: 指元素的原子自其它原子奪取電指元素的原子自其它原子奪取電子而變?yōu)樨?fù)離子的能力。子而變?yōu)樨?fù)離子的能力。 可衡量元素間的可衡量元素間的化學(xué)親和力化學(xué)親和力，即形成化，即形成化合物的傾向性合物的傾向性 取決于兩元素在周期表中的位置，相距取決于兩元素在周期表中的位置，相距越遠(yuǎn)，負(fù)電性相差越大，越易形成化合物。越遠(yuǎn)，負(fù)電性相差越大，越易形成化合物。 元素間負(fù)電性相差越小，越易形成元素間負(fù)電性相差越小，越易形成固溶體，而且固溶體的固溶度也較大固溶體，而

11、且固溶體的固溶度也較大。r/r分別為：分別為：0.12、0.18dAl=2.85; dS=2.08；dFe=2.54（3）晶體結(jié)構(gòu)因素晶體結(jié)構(gòu)因素 晶體結(jié)構(gòu)相同，溶解度較大。晶體結(jié)構(gòu)相同，溶解度較大。 無(wú)限固溶體無(wú)限固溶體溶質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑溶質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑的晶體結(jié)構(gòu)一定相同的晶體結(jié)構(gòu)一定相同( 如如Cu-Ni合金等合金等) 例例Fe合金合金： Ni、Co、Cr、V與與Fe原子尺寸差別原子尺寸差別 B.C.C 中；中； c. 間隙固溶體只能是有限固溶體。間隙固溶體只能是有限固溶體。4 固溶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)固溶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) (1) 保持著溶劑的晶格類(lèi)型；保持著溶劑的晶格類(lèi)型； (2) 晶格發(fā)生畸

12、變晶格發(fā)生畸變 (3) 偏聚與（短程）有序偏聚與（短程）有序 (4) 有序固溶體（長(zhǎng)程有序化）有序固溶體（長(zhǎng)程有序化） 當(dāng)固溶體發(fā)生偏聚或有序化時(shí)，當(dāng)固溶體發(fā)生偏聚或有序化時(shí)，強(qiáng)度和硬度增加，而塑性和韌性降低。強(qiáng)度和硬度增加，而塑性和韌性降低。5 固溶體的性能固溶體的性能 （1）固溶體強(qiáng)硬度高于組成它的純金屬，）固溶體強(qiáng)硬度高于組成它的純金屬，塑韌性低于組成它的純金屬塑韌性低于組成它的純金屬; （2）物理性能方面，隨著溶質(zhì)原子的）物理性能方面，隨著溶質(zhì)原子的，固，固溶體的電阻率溶體的電阻率，電阻溫度系數(shù)，電阻溫度系數(shù)，導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱性。 固溶體中隨著溶質(zhì)原子的加入，強(qiáng)度、硬度固溶體中隨著溶質(zhì)原子

13、的加入，強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性降低的現(xiàn)象升高，塑性、韌性降低的現(xiàn)象 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 金屬材料的主要強(qiáng)化手段或途徑之一金屬材料的主要強(qiáng)化手段或途徑之一 例如：南京長(zhǎng)江大橋采用廉價(jià)的例如：南京長(zhǎng)江大橋采用廉價(jià)的16Mn，其，其中含中含1.2%1.6%Mn，抗拉強(qiáng)度較相同碳含量，抗拉強(qiáng)度較相同碳含量的普通碳素鋼提高的普通碳素鋼提高60；*固溶強(qiáng)化的特點(diǎn)：固溶強(qiáng)化的特點(diǎn)： (1) 溶質(zhì)與溶劑原子相差越大溶質(zhì)與溶劑原子相差越大，溶質(zhì)原子，溶質(zhì)原子濃度越高，所引起的晶格畸變?cè)酱鬂舛仍礁?，所引起的晶格畸變?cè)酱螅倘軓?qiáng)固溶強(qiáng)化效果越大化效果越大； (2) 間隙原子的強(qiáng)化效果比置換原子的大間隙原子的強(qiáng)化效

14、果比置換原子的大。因?yàn)殚g隙原子引起的點(diǎn)陣畸變大。因?yàn)殚g隙原子引起的點(diǎn)陣畸變大。 （3）綜合機(jī)械性能好。綜合機(jī)械性能好。適當(dāng)控制溶質(zhì)含量，適當(dāng)控制溶質(zhì)含量，不僅可以顯著提高材料強(qiáng)硬度，而且材料的不僅可以顯著提高材料強(qiáng)硬度，而且材料的塑韌性不會(huì)明顯降低。塑韌性不會(huì)明顯降低。固溶體的應(yīng)用：固溶體的應(yīng)用：（1） 結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)材料的基體相基體相；（2）精密電阻、電熱材料精密電阻、電熱材料等等 材料種類(lèi)材料種類(lèi)b(MPa)HBS(%)純純Cu2204470Cu+19%Ni單相固溶體單相固溶體3907050(二二)、金屬化合物、金屬化合物1 正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物 特點(diǎn)：成分固定不變特點(diǎn)：成分固定不變，

15、可用化學(xué)式表示。，可用化學(xué)式表示。 如如Mg2Si、Mg2Sn、MgS、MnS等。等。具有較高的硬度，脆性較大。常作為有色具有較高的硬度，脆性較大。常作為有色金屬的強(qiáng)化相。金屬的強(qiáng)化相。2 電子化合物電子化合物 不遵守原子價(jià)規(guī)律，而是不遵守原子價(jià)規(guī)律，而是按一定的電子按一定的電子濃度的比值濃度的比值形成的化合物。電子濃度不同，形成的化合物。電子濃度不同，化合物的晶格類(lèi)型也不同?；衔锏木Ц耦?lèi)型也不同。 硬、脆，有色金屬?gòu)?qiáng)化的相硬、脆，有色金屬?gòu)?qiáng)化的相 特點(diǎn)：雖用化學(xué)式表示，但成分可變特點(diǎn)：雖用化學(xué)式表示，但成分可變 FeAl (Al：36.5%50atm); 有序化有序化現(xiàn)象現(xiàn)象 其它：其它：

16、 NiAl; CuZn; CuAl 3 間隙相和間隙化合物間隙相和間隙化合物 過(guò)渡族元素和原子半經(jīng)較小的氫、過(guò)渡族元素和原子半經(jīng)較小的氫、氮、碳、硼組成。氮、碳、硼組成。 r非非 / r金金 0.59時(shí)，形成復(fù)雜晶體結(jié)時(shí)，形成復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的化合物構(gòu)的化合物間隙化合物間隙化合物。 (1) 間隙相間隙相 性能性能：極高的熔點(diǎn)和硬度。極高的熔點(diǎn)和硬度。 如：如：VC; TiC; W2C 用途用途：硬質(zhì)合金和高硬度：硬質(zhì)合金和高硬度工模具的重要組織組成。工模具的重要組織組成。 (2) 間隙化合物間隙化合物 如鋼中的如鋼中的 Fe3C、Cr23C6、Fe3W3C等。等。 性能性能：很高的熔點(diǎn)和：很高的熔

17、點(diǎn)和硬度，但不如間隙相硬度，但不如間隙相用途用途：鋼中的重要強(qiáng)：鋼中的重要強(qiáng)化相。化相。固溶體固溶體間隙固溶體間隙固溶體置換固溶體置換固溶體有限固溶體有限固溶體無(wú)序固溶體無(wú)序固溶體有限固溶體有限固溶體無(wú)限固溶體無(wú)限固溶體無(wú)序固溶體無(wú)序固溶體有序固溶體有序固溶體小小 結(jié)結(jié)金屬金屬化合物化合物正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物電子化合物電子化合物間隙化合物間隙化合物間隙相間隙相間隙式金屬間隙式金屬化合物化合物 2 二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立 給定的合金系究竟以什么狀態(tài)給定的合金系究竟以什么狀態(tài)(相相)存在，存在，包含哪些相，這由內(nèi)、外因條件決定，外因包含哪些相，這由內(nèi)、外因條件決定，外因是溫度和壓

18、力，內(nèi)因則是化學(xué)成分是溫度和壓力，內(nèi)因則是化學(xué)成分 用相圖來(lái)表示它們之間的關(guān)系。用相圖來(lái)表示它們之間的關(guān)系。 幾個(gè)概念：幾個(gè)概念： 相圖相圖: 表示合金系中的狀態(tài)表示合金系中的狀態(tài)(相相)與溫度，成與溫度，成分之間關(guān)系的圖解。又稱(chēng)狀態(tài)圖或平衡圖分之間關(guān)系的圖解。又稱(chēng)狀態(tài)圖或平衡圖 相變相變：相與相之間的轉(zhuǎn)變；：相與相之間的轉(zhuǎn)變；相平衡相平衡與與平衡相平衡相： 合金系統(tǒng)在一定的外界條件下合金系統(tǒng)在一定的外界條件下(溫度、壓溫度、壓力力)，經(jīng)歷，經(jīng)歷任意長(zhǎng)時(shí)間任意長(zhǎng)時(shí)間后，合金中后，合金中各相的成分各相的成分都是都是均勻均勻、不變不變的，且的，且各相的相對(duì)重量各相的相對(duì)重量也也不不變變，則各相處于

19、平衡狀態(tài)，稱(chēng)之為相平衡；，則各相處于平衡狀態(tài)，稱(chēng)之為相平衡；這時(shí)的相稱(chēng)為這種條件下的平衡相。這時(shí)的相稱(chēng)為這種條件下的平衡相。如純鐵，在常壓下：如純鐵，在常壓下： 1538以上以上 L為平衡相。為平衡相。 在在1538時(shí)時(shí) L和和相兩相平衡狀態(tài)相兩相平衡狀態(tài) 一、二元相圖的表示方法一、二元相圖的表示方法 在常壓下，在常壓下， 直角坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系； 合金成分合金成分； 溫度溫度； 相狀態(tài)相狀態(tài)。組元組元組元組元成分線(xiàn)成分線(xiàn)結(jié)晶或相變起始點(diǎn)結(jié)晶或相變起始點(diǎn)結(jié)晶或相變終止點(diǎn)結(jié)晶或相變終止點(diǎn)B點(diǎn)相狀態(tài)點(diǎn)相狀態(tài): 單相單相A點(diǎn)相狀態(tài)點(diǎn)相狀態(tài): L +兩相兩相Cu-Ni二元合金相圖二元合金相圖LL +二、

20、二元相圖的建立二、二元相圖的建立 熱分析法熱分析法； 金相法；金相法； 膨脹法；膨脹法； 電阻法等。電阻法等。熱分析法熱分析法 3 典型相圖分析典型相圖分析一、勻晶相圖一、勻晶相圖 1 定義：兩組元在液態(tài)和固態(tài)均無(wú)限互溶定義：兩組元在液態(tài)和固態(tài)均無(wú)限互溶的二元合金相圖。的二元合金相圖。 如如CuNi、AgAu、CrMo等合金系等合金系 2 相圖分析相圖分析 3 合金結(jié)晶過(guò)程合金結(jié)晶過(guò)程 4 相律相律 5 二元相圖的杠桿定律二元相圖的杠桿定律 液相線(xiàn)液相線(xiàn) 固相線(xiàn)固相線(xiàn) CuNi二元相圖二元相圖 冷卻曲線(xiàn)冷卻曲線(xiàn)點(diǎn)點(diǎn)：A：純：純Cu理論熔點(diǎn)理論熔點(diǎn); B：純：純Ni理論熔點(diǎn)理論熔點(diǎn)線(xiàn)線(xiàn)：AB:

21、液相線(xiàn)液相線(xiàn); AB: 固相線(xiàn)；固相線(xiàn)； 區(qū)間區(qū)間：兩個(gè)單相區(qū)：兩個(gè)單相區(qū)：L 相、相、相相 一個(gè)兩相區(qū)：一個(gè)兩相區(qū)：L+相區(qū)相區(qū)勻晶轉(zhuǎn)變式：勻晶轉(zhuǎn)變式： L 原始成分為原始成分為k的合金的合金： Tt1: L (100%) T= t1: L(開(kāi)始開(kāi)始)注：注： L(100%)+(0%) T= t2: L注注： L+ T= t4: L(結(jié)束結(jié)束)注注：L(0%)+(100%) T t4 : (100%) 單相區(qū)單相區(qū): 實(shí)際座標(biāo)點(diǎn)實(shí)際座標(biāo)點(diǎn)兩相區(qū)兩相區(qū): 液液(固固)相成分在相成分在溫度水平線(xiàn)與液溫度水平線(xiàn)與液(固固)相線(xiàn)的交點(diǎn)處相線(xiàn)的交點(diǎn)處相成分判定方法相成分判定方法液液(固固)相線(xiàn)的意義相

22、線(xiàn)的意義: (1) 表征了各成分表征了各成分合金的結(jié)晶起始合金的結(jié)晶起始(終止終止)溫度溫度;(2)表征了各溫度表征了各溫度下液固兩相達(dá)到平下液固兩相達(dá)到平衡時(shí)液衡時(shí)液(固固)相的成相的成分分 4 相律（相律（P7374） 相律表示在相律表示在平衡條件平衡條件下，系統(tǒng)的下，系統(tǒng)的自由度數(shù)自由度數(shù)、組元數(shù)組元數(shù)和和相數(shù)相數(shù)之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 數(shù)學(xué)表達(dá)式：數(shù)學(xué)表達(dá)式：f = c - p +2系統(tǒng)自由度系統(tǒng)自由度系統(tǒng)組元數(shù)系統(tǒng)組元數(shù)平衡相數(shù)平衡相數(shù)恒壓條件下：恒壓條件下： f = c - p +1* 二元合金系最多存在三相平衡二元合金系最多存在三相平衡* 二元合金系相鄰相區(qū)的相數(shù)相差二元合金系

23、相鄰相區(qū)的相數(shù)相差1 5 杠桿定律杠桿定律 用于確定二元相圖中用于確定二元相圖中兩相區(qū)各相的相對(duì)含量。兩相區(qū)各相的相對(duì)含量。証明証明: 設(shè)液相質(zhì)量為設(shè)液相質(zhì)量為 WL ， 固相的質(zhì)量為固相的質(zhì)量為W， 則合金的總質(zhì)量為則合金的總質(zhì)量為 WL+ WarrbCCCCWWLL有有: WLCL+ WC=(WL+ W) C W(C-C)= WL(C- CL)arb 若將合金成分若將合金成分C的的 r 點(diǎn)看做支點(diǎn)，將點(diǎn)看做支點(diǎn)，將WL、W看做作用于看做作用于a 和和 b 的力，則相當(dāng)于力學(xué)的力，則相當(dāng)于力學(xué)中的杠桿定律中的杠桿定律形形象的比喻。象的比喻。 W= ( ar / ab )W0 WL = ( r

24、b / ab )W0 杠桿定律只適用杠桿定律只適用于二元相圖的兩相區(qū)于二元相圖的兩相區(qū)arb 6 固溶體合金的結(jié)晶特點(diǎn)固溶體合金的結(jié)晶特點(diǎn) 與純金屬相比與純金屬相比, 固溶體結(jié)晶特點(diǎn)固溶體結(jié)晶特點(diǎn)： (1) 異分結(jié)晶異分結(jié)晶 結(jié)晶出的晶體與母相化學(xué)成分不同，這結(jié)晶出的晶體與母相化學(xué)成分不同，這種結(jié)晶稱(chēng)為種結(jié)晶稱(chēng)為或選擇結(jié)晶。或選擇結(jié)晶。 (2) 結(jié)晶需要在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶需要在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)論：結(jié)論：（1）勻晶轉(zhuǎn)變式：）勻晶轉(zhuǎn)變式：L；（2）單相區(qū)相成分與合金原始成分一致，）單相區(qū)相成分與合金原始成分一致， 即坐標(biāo)點(diǎn)成分；兩相區(qū)成分：液相成分在即坐標(biāo)點(diǎn)成分；兩相區(qū)成分：液相成分

25、在液相線(xiàn)上，固相成分在固相線(xiàn)上液相線(xiàn)上，固相成分在固相線(xiàn)上(與溫度水與溫度水平線(xiàn)的相交點(diǎn)平線(xiàn)的相交點(diǎn))；（3）與純金屬不同，合金的結(jié)晶過(guò)程是在一）與純金屬不同，合金的結(jié)晶過(guò)程是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，不同溫度下兩平衡定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，不同溫度下兩平衡相的成分不相同，量也不同，兩相的相對(duì)相的成分不相同，量也不同，兩相的相對(duì)量可依據(jù)杠桿定律計(jì)算得出。量可依據(jù)杠桿定律計(jì)算得出。5 枝晶偏析枝晶偏析 現(xiàn)象現(xiàn)象：枝晶內(nèi)部化學(xué)成分不均勻：枝晶內(nèi)部化學(xué)成分不均勻 枝晶偏析枝晶偏析理論上理論上：冷卻速度無(wú)限：冷卻速度無(wú)限緩慢時(shí)，擴(kuò)散使先凝固與后凝固的固溶體成緩慢時(shí)，擴(kuò)散使先凝固與后凝固的固溶體成分均勻一致，

26、即固溶體晶體的長(zhǎng)大過(guò)程是平分均勻一致，即固溶體晶體的長(zhǎng)大過(guò)程是平衡衡不平衡不平衡平衡平衡循環(huán)往復(fù)直到最后相圖循環(huán)往復(fù)直到最后相圖規(guī)定的平衡成分。規(guī)定的平衡成分。 原因原因： 合金凝固：合金凝固：L時(shí)在一定溫度范圍內(nèi)時(shí)在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，樹(shù)枝晶主干在結(jié)晶，樹(shù)枝晶主干在較高溫度先凝固，枝較高溫度先凝固，枝及邊部在較低溫度后及邊部在較低溫度后凝固；凝固；實(shí)際上實(shí)際上： 冷卻過(guò)程非無(wú)限緩慢，擴(kuò)散不完全冷卻過(guò)程非無(wú)限緩慢，擴(kuò)散不完全 枝枝晶內(nèi)部中心區(qū)域與邊部區(qū)域化學(xué)成分不均勻晶內(nèi)部中心區(qū)域與邊部區(qū)域化學(xué)成分不均勻稱(chēng)之為稱(chēng)之為枝晶偏析枝晶偏析影響晶內(nèi)偏析的因素影響晶內(nèi)偏析的因素（1）分配系數(shù)）分配系數(shù)k

27、0 k0 = k / kL : 一定溫度下液固兩一定溫度下液固兩平衡相中的溶質(zhì)濃度之平衡相中的溶質(zhì)濃度之比值。比值。k0 1時(shí)時(shí), k0越小偏析越小。越小偏析越小。 實(shí)質(zhì)是與液相線(xiàn)和固相線(xiàn)間的水平實(shí)質(zhì)是與液相線(xiàn)和固相線(xiàn)間的水平距離或成分間隔有關(guān)間隔越小，偏析越小。距離或成分間隔有關(guān)間隔越小，偏析越小。k0 1 k0 1 晶內(nèi)偏析對(duì)合金的機(jī)械性能不利。晶內(nèi)偏析對(duì)合金的機(jī)械性能不利。 可用高溫?cái)U(kuò)散退火可用高溫?cái)U(kuò)散退火(固相線(xiàn)下固相線(xiàn)下100200)的方法減輕或消除的方法減輕或消除又稱(chēng)均勻化退火又稱(chēng)均勻化退火（2）溶質(zhì)原子擴(kuò)散能力：）溶質(zhì)原子擴(kuò)散能力：擴(kuò)散能力大偏析小擴(kuò)散能力大偏析小（3）冷卻速度：

28、一般）冷卻速度：一般V小，偏析小小，偏析小 但但V過(guò)大時(shí)，因晶粒過(guò)大時(shí)，因晶粒細(xì)小而成分均勻細(xì)小而成分均勻6 6 區(qū)域偏析區(qū)域偏析: : 固溶體合金由于不平衡結(jié)固溶體合金由于不平衡結(jié)晶造成大范圍內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象晶造成大范圍內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象 應(yīng)用：區(qū)域提純應(yīng)用：區(qū)域提純7 7 成分過(guò)冷成分過(guò)冷 過(guò)冷度：過(guò)冷度：T Tm m- -T T實(shí)際實(shí)際 由由T T實(shí)際實(shí)際改變引起的過(guò)冷改變引起的過(guò)冷 熱過(guò)冷熱過(guò)冷相圖相圖成分成分分布分布成成分分過(guò)過(guò)冷冷區(qū)區(qū)（1 1）成分過(guò)冷定義成分過(guò)冷定義： 固溶體結(jié)晶過(guò)程中，固溶體結(jié)晶過(guò)程中，盡管液相實(shí)際溫度分布盡管液相實(shí)際溫度分布一定，但由于液相中溶一定，

29、但由于液相中溶質(zhì)分布發(fā)生變化，改變質(zhì)分布發(fā)生變化，改變了液相的熔點(diǎn)，這種由了液相的熔點(diǎn)，這種由成分變化引起的過(guò)冷現(xiàn)成分變化引起的過(guò)冷現(xiàn)象稱(chēng)為。象稱(chēng)為。（2 2）成分過(guò)冷對(duì)晶體成長(zhǎng)形狀和鑄錠組織）成分過(guò)冷對(duì)晶體成長(zhǎng)形狀和鑄錠組織的影響的影響 金屬一般為粗糙界面金屬一般為粗糙界面: : 純金屬純金屬: : 取決于液固前沿溫度分布取決于液固前沿溫度分布 正正溫度梯度溫度梯度平面晶；平面晶； 負(fù)負(fù)溫度梯度溫度梯度樹(shù)枝狀樹(shù)枝狀 固溶體：固溶體： 取決于液固前沿溫度分布取決于液固前沿溫度分布+ +成分過(guò)冷成分過(guò)冷 負(fù)負(fù)溫度梯度溫度梯度樹(shù)枝狀樹(shù)枝狀但但正溫度梯度下正溫度梯度下： 隨成分過(guò)冷程度增大隨成分過(guò)冷

30、程度增大分別形成平面晶、分別形成平面晶、胞狀晶和樹(shù)枝晶。胞狀晶和樹(shù)枝晶。G G1 1：仍為正溫度梯度；：仍為正溫度梯度； 平面晶平面晶G G2 2：小的成分過(guò)冷區(qū)；：小的成分過(guò)冷區(qū)； 胞狀晶胞狀晶G G3 3：相當(dāng)于負(fù)溫度梯度；：相當(dāng)于負(fù)溫度梯度； 樹(shù)枝晶樹(shù)枝晶Al-CuAl-Cu合金三種晶粒組織合金三種晶粒組織平面晶平面晶胞狀晶胞狀晶樹(shù)枝晶樹(shù)枝晶平面晶所需過(guò)冷度較大，工業(yè)實(shí)際中通平面晶所需過(guò)冷度較大，工業(yè)實(shí)際中通常達(dá)不到，故金屬、固溶體合金鑄件組織一常達(dá)不到，故金屬、固溶體合金鑄件組織一般為樹(shù)枝晶組織。般為樹(shù)枝晶組織。二二 二元共晶相圖二元共晶相圖 1 1 定義：兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)

31、定義：兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)時(shí)相互有限互溶，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶時(shí)相互有限互溶，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的二元系相圖稱(chēng)為二元共晶相圖。組織的二元系相圖稱(chēng)為二元共晶相圖。 Pb-SnPb-Sn、Pb-SbPb-Sb、Ag-CuAg-Cu、Pb-Bi Pb-Bi 等合金系等合金系相圖都是二元共晶相圖。相圖都是二元共晶相圖。 共晶轉(zhuǎn)變式：共晶轉(zhuǎn)變式： L L （液）（液）（固）（固）+ + （固）（固）2 相圖分析相圖分析液相線(xiàn)液相線(xiàn): AEB ； 固相線(xiàn)固相線(xiàn): ACEDB固溶體溶解度線(xiàn)：固溶體溶解度線(xiàn)： FC, GD共晶線(xiàn)：共晶線(xiàn)： CED 水平線(xiàn)；水平線(xiàn)；共晶點(diǎn)：共晶點(diǎn)：E 點(diǎn)點(diǎn)EA

32、BCDFG相相 區(qū)：區(qū)： 單相區(qū)單相區(qū) ：L、 兩相區(qū)：兩相區(qū)： L+、L+、+ 三相區(qū)：三相區(qū)： L+共晶轉(zhuǎn)變式：共晶轉(zhuǎn)變式： LE M + N3 結(jié)晶過(guò)程分析結(jié)晶過(guò)程分析 (1) 成分成分(共晶成分共晶成分)結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程EABCDFG冷卻曲線(xiàn)冷卻曲線(xiàn)結(jié)晶過(guò)程示意圖結(jié)晶過(guò)程示意圖 E : 共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)(包含共晶的成分與溫度包含共晶的成分與溫度)共晶轉(zhuǎn)變式：共晶轉(zhuǎn)變式：LE C+ DEABCDFGL LLEC + DLE F + G實(shí)際轉(zhuǎn)變過(guò)程復(fù)雜：實(shí)際轉(zhuǎn)變過(guò)程復(fù)雜：注意：注意：(1) 共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物(+) 多相鄰間隔協(xié)多相鄰間隔協(xié)同長(zhǎng)大，稱(chēng)為共晶體或共晶組織；同長(zhǎng)大，稱(chēng)為共晶體

33、或共晶組織；CF+GDG+F(2)共晶體中隨后析出的二次相多依附共晶體中隨后析出的二次相多依附于原共晶體生長(zhǎng)，故往往觀(guān)察不到。于原共晶體生長(zhǎng)，故往往觀(guān)察不到。EABCDFG亞共晶成分：亞共晶成分： CE亞共晶轉(zhuǎn)變式：亞共晶轉(zhuǎn)變式： L c + (C +D)+ LC + LE C+ (C+D)L成分成分F+G+(F+G)先共晶相先共晶相共晶體共晶體(組織組織) (2) 成分成分(亞共晶成分亞共晶成分)結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程EABCDFGL + ( LE + D ) (C +D) +DL成分成分 (F+ G) +G 過(guò)共晶成分：過(guò)共晶成分： ED過(guò)共晶轉(zhuǎn)變式：過(guò)共晶轉(zhuǎn)變式： D + (C +D)先共晶相

34、先共晶相共晶組織共晶組織 (3) 成分成分(過(guò)共晶成分過(guò)共晶成分)結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程EABCDFG 成分成分為勻晶轉(zhuǎn)變?yōu)閯蚓мD(zhuǎn)變 (A-C; D-B)L ( L + ) F+GL成分成分 (4) 成分成分(勻晶成分勻晶成分)結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程 其它形狀共晶相圖其它形狀共晶相圖4 合金的組織構(gòu)成合金的組織構(gòu)成EABCDFG 亞共晶合金：亞共晶合金： + 成分在成分在FG之之間的合金均由間的合金均由 +相構(gòu)成；但不同合相構(gòu)成；但不同合金中兩相的形成過(guò)金中兩相的形成過(guò)程與形貌各不相同。程與形貌各不相同。共晶合金與過(guò)共晶合金呢？共晶合金與過(guò)共晶合金呢？(先共晶先共晶和和共晶共晶) (和和共晶共晶)各成分合

35、金的組織構(gòu)成各成分合金的組織構(gòu)成EABCDFG先共晶先共晶+ +(+)共晶共晶先共晶先共晶+ +(+)共晶共晶(+)共晶共晶+例題：計(jì)算例題：計(jì)算Pb-30%Sn合金冷卻到室溫時(shí)的合金冷卻到室溫時(shí)的相構(gòu)成與組織構(gòu)成，共晶體中各相所占的相構(gòu)成與組織構(gòu)成，共晶體中各相所占的比例以及比例以及的百分含量。的百分含量。EABCDFG4問(wèn)題：共晶體中兩相所占的比例如何計(jì)算問(wèn)題：共晶體中兩相所占的比例如何計(jì)算?5 共晶組織形態(tài)共晶組織形態(tài) 共晶體共晶體(共晶組織共晶組織)定義：定義： 由共晶反應(yīng)形成的細(xì)密由共晶反應(yīng)形成的細(xì)密的兩相或多相機(jī)械混合物的兩相或多相機(jī)械混合物共晶組織形態(tài)：見(jiàn)共晶組織形態(tài)：見(jiàn) P 9

36、1層片狀層片狀棒狀棒狀球狀球狀針狀針狀共晶組織形態(tài)共晶組織形態(tài)針狀針狀螺旋狀螺旋狀蛛網(wǎng)狀蛛網(wǎng)狀放射狀放射狀Pb-Sn共晶合金共晶合金Pb-Sn亞共晶合金亞共晶合金Pb-Sn過(guò)共晶合金過(guò)共晶合金Pb-Sn合金的合金的顯微組織顯微組織6 共晶系合金的不平衡結(jié)晶現(xiàn)象共晶系合金的不平衡結(jié)晶現(xiàn)象（1）偽共晶）偽共晶 定義定義：由非共晶成分的合金所得到的共晶：由非共晶成分的合金所得到的共晶組織稱(chēng)為組織稱(chēng)為 形成條件形成條件： 過(guò)冷度或冷卻速度過(guò)冷度或冷卻速度控制在右圖陰影區(qū)控制在右圖陰影區(qū)（2）離異共晶）離異共晶 定義定義：當(dāng)先共晶相數(shù)量：當(dāng)先共晶相數(shù)量較多而共晶組織較少較多而共晶組織較少時(shí)，先共晶相形成

37、后，時(shí)，先共晶相形成后，共晶組織中與先共晶共晶組織中與先共晶相相同的那一相會(huì)依相相同的那一相會(huì)依附在先共晶相上上生附在先共晶相上上生長(zhǎng)，長(zhǎng)， 形成條件形成條件：成分控制在：成分控制在M或或N附近附近致使另一相單獨(dú)存在于晶界，從而失去共晶致使另一相單獨(dú)存在于晶界，從而失去共晶組織的特征，這種兩相分離的共晶稱(chēng)為組織的特征，這種兩相分離的共晶稱(chēng)為 Al-4%Cu合金的鑄態(tài)組織合金的鑄態(tài)組織 均勻退火后均勻退火后三三 包晶相圖包晶相圖 1 定義：兩組元在液態(tài)無(wú)限溶解，在固態(tài)相定義：兩組元在液態(tài)無(wú)限溶解，在固態(tài)相互有限溶解，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合金互有限溶解，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合金系相圖。系相圖。 P

38、tAg、SnSb、CuSn、CuZn 包晶轉(zhuǎn)變式：包晶轉(zhuǎn)變式： L + 單相區(qū)單相區(qū) L、；兩相區(qū)兩相區(qū) L、L、三相區(qū)三相區(qū) P D C（包晶轉(zhuǎn)變線(xiàn)）（包晶轉(zhuǎn)變線(xiàn)） 包晶轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變2 相圖分析相圖分析 液相線(xiàn)液相線(xiàn) A C B 固相線(xiàn)固相線(xiàn) A P D B 溶解度曲線(xiàn)：溶解度曲線(xiàn)： P E、D FPtAg合金合金+ L(P + LC)DLDF+E組織組成：組織組成：+PtAg合金合金組織組成：組織組成：+ LP + LCP+ DLDP+(P+LC)PtAg合金合金 組織組成：組織組成： + LP + LCLC + DLDLC+(P+LC)+ 實(shí)際中受擴(kuò)散條件限制，包晶轉(zhuǎn)變實(shí)際中受擴(kuò)散條件限制，包晶轉(zhuǎn)變往往不完全往往不完全 非平衡態(tài)非平衡態(tài)共晶、包晶、共析反應(yīng)圖型與反應(yīng)式比較共晶、包晶、共析反應(yīng)圖型與反應(yīng)式比較共析轉(zhuǎn)變：共析轉(zhuǎn)變： 一個(gè)固相中同時(shí)一個(gè)固相中同時(shí)析