二元合金與相圖教學(xué)目的及要求通過本章學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握

1、第三章二元合金與相圖教學(xué)目的及要求通過本章學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)相圖，了解幾種最基本的二元相圖，理解合金相圖與合金性能之間的相互關(guān)系。主要內(nèi)容1 .二元相圖及合金的結(jié)晶過程2 .合金相圖與合金性能之間的關(guān)系學(xué)時(shí)安排講課3學(xué)時(shí)。教學(xué)重點(diǎn)1 .合金的相結(jié)構(gòu)2 .幾種最基本的二元相圖的特征3 .二元合金的結(jié)晶教學(xué)難點(diǎn)1 .合金的相結(jié)構(gòu)2 .二元相圖及合金的結(jié)晶教學(xué)過程第一節(jié)固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)一、基本概念1 .合金。兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金。合金具有比純金屬高得多的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等機(jī)械性能，是工程上使用得最多的金屬材料。2 .相：指系統(tǒng)

2、中具有同一聚集狀態(tài)、同一物理化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)并以界面相互隔開的均勻組成部分。二、合金的相結(jié)構(gòu)兩大類：固溶體和金屬化合物。1 .固溶體定義：就是固體溶液，是溶質(zhì)原子溶入溶劑中所形成的晶體，并保持溶劑元素的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)：同溶劑的晶格結(jié)構(gòu)。分類：置換固溶體和間隙固溶體(1)置換固溶體：溶質(zhì)原子和溶劑原子尺寸相差較小，形成固溶體時(shí)溶質(zhì)原子替換了溶劑晶格中的一部分原子，就形成了置換固溶體。例如：Fe與Mn、Si、Al、Cr、Ti、Nb等形成置換固溶體。(2)間隙固溶體：溶質(zhì)原子和溶劑原子直徑相差較大，溶質(zhì)原子處于溶劑晶體結(jié)構(gòu)的間隙位置上，則形成間隙固溶體。例如：Fe與C、N、O、H形成間隙固溶體。固

3、溶體的性能：與基體金屬相比，強(qiáng)度硬度增加，塑性韌性降低，電阻、矯頑力增加。固溶強(qiáng)化：通過溶入某種合金元素形成固溶體而使材料強(qiáng)度增加的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。強(qiáng)化材料的方法之一。2 .金屬化合物定義：合金組元間相互作用所形成的一種晶格類型及性能均不同于任一組元的合金固相。分類：分為正常價(jià)化合物、電子化合物和間隙化合物三大類型。對(duì)合金性能的影響：金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、較高的硬度和較大的脆性，是合金中的強(qiáng)化相。它的出現(xiàn)可提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑韌性。三、機(jī)械混合物是由兩種單相固溶體或固溶體與化合物組成的一種復(fù)相物，兩相各自保持獨(dú)立的晶格結(jié)構(gòu)，不互溶，不化合，作為一種金相組織出現(xiàn)在合金中。

4、機(jī)械混合物的性能取決于兩相的相對(duì)含量及組成相的大小和形狀。第二節(jié)合金相圖的建立、相圖的概念1 .相圖：表示合金在緩慢冷卻的平衡狀態(tài)下相或者組織與溫度、成分間關(guān)系的圖形,又稱狀態(tài)圖或平衡圖。2 .相圖的分類(根據(jù)組元數(shù)量分)：二元相圖(兩個(gè)組元配成的合金體系)、三元相圖(三個(gè)組元配成的合金體系)等3 .相圖的建立：用熱分析法測定出各成分合金的冷卻曲線，找出不同成分合金的結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度，在溫度-成分坐標(biāo)中對(duì)應(yīng)各合金成分取點(diǎn)，將所有的開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)和轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn)分別連接起來即得。4 .相圖中的線液相線：結(jié)晶時(shí)液相的成分，在其以上為液相固相線：結(jié)晶時(shí)固相的成分，在其以下為固相。兩線之間為液相與固相混合的兩相區(qū)

5、。二、合金的結(jié)晶過程(平衡結(jié)晶過程)以CuNi二元合金相圖中合金I為例分析合金的結(jié)晶過程。當(dāng)合金：(1)緩慢冷卻至li點(diǎn)時(shí)，均為單一的液相，成分不發(fā)生變化，只是溫度的降低；(2)冷卻到li點(diǎn)時(shí)，開始從液相中析出“固溶體；(3)在li陽之間，隨溫度降低，發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變，從液相L中不斷結(jié)晶出a固溶體，為液、固相兩相共存；(4)冷卻到泡點(diǎn)時(shí)，合金全部轉(zhuǎn)變?yōu)閍固溶體；(5)從鬼點(diǎn)繼續(xù)冷卻到室溫，合金只是溫度的降低，組織和成分不再變化，為單一的a固溶體。在液固兩相共存區(qū)，隨著溫度的降低，液相的量不斷減少，固相的量不斷增多，同時(shí)液相和固相的成分也將通過原子的擴(kuò)散不斷改變。液相的成分沿液相線變化，固相成分沿固

6、相線變化。注：純金屬的結(jié)晶是在恒溫下完成的，而合金的結(jié)晶是在一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)完成的，表現(xiàn)在冷卻曲線上為一斜線段。三、杠桿定律在實(shí)際生產(chǎn)中，常利用杠桿定律計(jì)算二元相圖中兩相平衡狀態(tài)下相組成物或組織組成物的相對(duì)含量。杠桿定律僅適用于兩相區(qū)。杠桿的支點(diǎn)是兩個(gè)相的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(合金的成分點(diǎn))，端點(diǎn)分別是兩個(gè)相的成分點(diǎn)。合金I在溫度Ti時(shí)處于兩相區(qū)的b點(diǎn)，組成相為（L+”），則：Wl/Wa=bc/ab=（C-C）/（C-CL）.（根據(jù)質(zhì)量守恒定律推導(dǎo)而得）用百分?jǐn)?shù)表示可得合金中相的相對(duì)含量：液相L：L%=bc/ac¥00%固相a:a%=ab/ac100%四、幾種最基本的二元相圖1 .勻晶轉(zhuǎn)變和勻

7、晶相圖。由液相中直接結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變，屬于非恒溫轉(zhuǎn)變。表示勻晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為勻晶相圖，反應(yīng)表達(dá)式為：L=a（L表示液相，a表示固溶體）。2 .共晶轉(zhuǎn)變和共晶相圖。含義：由一定成分的液相在恒溫下同時(shí)轉(zhuǎn)變成兩個(gè)一定成分的固相的轉(zhuǎn)變。用反應(yīng)式表達(dá)為：L=a+3共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物為兩個(gè)相的機(jī)械混合物，稱其為共晶體或共晶組織，組織細(xì)密。3 .共析轉(zhuǎn)變和共析相圖。在恒溫下由一定成分的固相同時(shí)生成兩個(gè)成分不同的新固相的轉(zhuǎn)變。其反應(yīng)表達(dá)式為：產(chǎn)=a+B共析反應(yīng)的產(chǎn)物稱為共析組織。4 .包晶轉(zhuǎn)變和包晶相圖。由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一個(gè)一定成分新固相地反應(yīng)-包晶轉(zhuǎn)換反應(yīng)。反應(yīng)式為：L+a=3由于新相3是包圍著初生相a生長故稱包晶轉(zhuǎn)變。5 .具有穩(wěn)定化合物的二元相圖。穩(wěn)定化合物是指在熔化前既不分解也不產(chǎn)生任何化學(xué)反應(yīng)的化合物，形成穩(wěn)定化合物的二元合金時(shí)，相圖的特征是出現(xiàn)垂直于成分軸的一條垂線。五.相圖與合金性能之間的關(guān)系概括起來：1 .力學(xué)性能單相固溶體的強(qiáng)度、硬度大于純金屬，具有良好的塑性；金屬化合物硬度而脆；機(jī)械混合物的性能取決于組成相的比例、形態(tài)及細(xì)密程度，如球狀珠光體和片狀珠光體中滲碳體的形態(tài)不同。2 .工藝性能單相固溶體的鑄造性能和切削加工性能差：熔點(diǎn)高，結(jié)晶溫度間隔大，流動(dòng)性差；塑性好，切削時(shí)易粘刀，不易斷屑；單相固溶體具有