金屬材料任務(wù)三之活動(dòng)1

1、2022-6-201任務(wù)三任務(wù)三 鐵碳合金鐵碳合金 合金及其組織建議：4課時(shí)學(xué)習(xí)活動(dòng)1學(xué)習(xí)目的要求 熟悉并掌握金屬材料的分類。熟悉并掌握合金的基本概念（合金、組元、相、組織）熟悉并掌握合金的組織種類及其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)了解并熟悉有色金屬的強(qiáng)化手段學(xué)習(xí)重點(diǎn) 金屬材料的分類、合金的基本概念（合金、組元、相、組織） 學(xué)習(xí)難點(diǎn) 合金的組織種類及其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)、有色金屬的強(qiáng)化手段1、金屬材料如何分類？什么是黑色金屬？2、什么是合金？什么是合金中的元、相？3、什么是合金組織？合金組織有哪幾類？4、什么是固溶體？固溶強(qiáng)化是怎么回事？5、為什么說合金的組織決定他的性能？引導(dǎo)問題一、基礎(chǔ)知識(shí) 純金屬的強(qiáng)度和硬度一般都很

2、低，冶煉困難，價(jià)格高，使用受到限制。人們通過金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加入一定的其它金屬（非金屬）來改變其化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)來提高金屬材料的力學(xué)性能，并獲得某些特殊的物理性能和化學(xué)性能（耐蝕、耐熱、耐磨、電磁性等），以滿足機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)對(duì)材料的要求。 黑色金屬：鐵及鐵碳為主的合金（鋼鐵）稱為黑色金屬有色金屬：除黑色金屬外的其它金屬及其合金，稱為有色金屬 金屬材料分類及其之間的關(guān)系碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼碳素工具鋼鑄造碳鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼灰鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵碳素鋼合金鋼白口鐵灰口鐵麻口鐵鋼鑄鐵黑色金屬有色金屬銅及其合金鋁及其合金鈦及其合金軸承合金硬質(zhì)合金金屬材料二、合金的基本概念1、

3、合金：是指由兩種或兩種以上的金屬、或金屬與非金屬經(jīng)熔煉或用其他方法制成的具有金屬特性的物質(zhì)。 例如:應(yīng)用最為廣泛的鐵和碳組成的合金、銅和鋅組成的銅合金等。由于合金的強(qiáng)度高以及其他的性能特點(diǎn)，所以在工業(yè)上得到廣泛地應(yīng)用。由兩個(gè)組元組成的合金，稱為二元合金。三個(gè)組元組成的合金稱為三元合金，依此類推。 2、組元：組成材料最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)，簡(jiǎn)稱元元 組元可以是純?cè)兀缃饘僭谻u、Ni、Al、Ti、Fe等，以及非金屬元素C、N、B、O等；也可以是化合物如A1203、SiO2、Zr02、TiC、BN、Ti02等。材料可由單一組元組成，如純金屬、A1203晶體等，也可以由多種組元組成，如Al-Cu-

4、Mg金屬材料、MgO-A1203-SiO2系陶瓷材料。 3、相：合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并以界面相互隔開的均勻組成部分。 金屬和水一樣，在一定條件下課存在氣相、液相、固相；固態(tài)金屬中的同素異構(gòu)體積它們不同的固溶體間也是不同的相。如固態(tài)的-Fe、-Fe就是兩種不同的相，它們晶格不同，而且以界面分開。 材料的性能與各組成相的性質(zhì)、形態(tài)、數(shù)量直接相關(guān)。不同的相具有不同的晶體結(jié)構(gòu)，雖然相的種類極為繁多，但根據(jù)相的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以歸納為兩大類：固溶體與中間相。 單相固態(tài)合金金相照片（硅鋼） 多相固態(tài)合金金相照片 4、組織 合金的組織指合金中不同相之間相互組合配置的狀態(tài)。數(shù)量、大小和分布方式

5、不同的相構(gòu)成了合金不同的組織。有單一相構(gòu)成的組織為單相組織，由不同相構(gòu)成的組織稱為多相組織。由于不同相之間的性能差異很大，加上數(shù)量、大小、分布方式不同，所以合金的相組織不同，其性能也不同。三、合金的組織-金屬相結(jié)構(gòu)（相的分類）合金的組織分為固溶體、金屬化合物、混合物三類（一）固溶體 合金的組元之間以不同的比例相互混合，量多的稱作溶劑，量少的稱作溶質(zhì)。溶質(zhì)組元加入到溶劑組元的晶格中，而不改變?nèi)軇┑木w結(jié)構(gòu)類型而形成的合金相稱之為固溶體。1、固溶體 工業(yè)上的金屬材料，絕大部分是以固溶體為基體的。 1）固溶體的分類按溶質(zhì)原子在晶格中所占的位置分類：什么是溶劑與溶質(zhì)（1）置換固溶體 溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶

6、格結(jié)點(diǎn)所形成的固溶體。 （2）間隙固溶體 溶質(zhì)原子填入溶劑晶格的空隙位置所形成的固溶體。 按固溶度分類 （1）有限固溶體 （2）無限固溶體按溶質(zhì)原子與溶劑原子的相對(duì)分布分類 （1）無序固溶體 （2）有序固溶體2） 置換固溶體及影響因素 置換固溶體中溶質(zhì)與溶劑可以有限固溶，也可以無限互溶，如銅與鎳可無限互溶，鋅在銅中最大溶解度為39%，鉛幾乎不溶解于銅。其溶解度與以下幾個(gè)因素有關(guān)： （1）原子尺寸因素原因：原因：當(dāng)溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格后，原子半徑的不同引起溶劑晶格的點(diǎn)陣畸變，固溶體能量升高，升高的能量叫畸變能。r=rA-rB/rA.r越大，一個(gè)溶質(zhì)原子引起的點(diǎn)陣畸變能也就越大，溶質(zhì)原子能溶入溶劑

7、中的數(shù)量便越少，固溶體的溶解度就愈小；相反，當(dāng)r較小時(shí)，可獲得較大固溶度的固溶體，如果其他條件有利甚至還可以形成無限固溶體。 固溶體中、大 固溶體小 (2) 晶體結(jié)構(gòu)因素 組元間晶體結(jié)構(gòu)相同時(shí)，固溶度一般都較大，而且有可能形成無限固溶體。若組元間晶體結(jié)構(gòu)不同，便只能形成有限固溶體。 （3）電子濃度因素電子濃度指合金晶體中的價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之比 C電子 = VA（100 - w）+VB w / 100 VA、VB分別為溶劑和溶質(zhì)的原子價(jià) w 為固溶體中溶質(zhì) B 的原子百分?jǐn)?shù)。根據(jù)能帶理論，在一定的金屬晶體結(jié)構(gòu)的單位體積中，能容納的價(jià)電子數(shù)（自由電子數(shù)）是有一定限度的，超過這個(gè)限度，會(huì)引起能量升高

8、，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。 面心立方固溶體的極限電子濃度為1.36； 體心立方固溶體極限電子濃度為1.48。 如二價(jià)鋅在銅中的最大溶解度為38%，三價(jià)的鎵為20%，四價(jià)的鍺為12%，五價(jià)的砷為7%。（4）電負(fù)性差因素 兩元素間電負(fù)性差越小，則越易形成固溶體，而且所形成的固溶體的溶解度也就越大；隨兩元素間電負(fù)性差增大，固溶度減小，當(dāng)溶質(zhì)與溶劑的電負(fù)性差很大時(shí)，往往形成比較穩(wěn)定的金屬化合物。 綜上所述，尺寸因素，電負(fù)性差、電子濃度及晶體結(jié)構(gòu)是影響固溶體溶解度的四個(gè)主要因素，當(dāng)此四個(gè)因素均有利時(shí)，有可能形成無限固溶體。這四個(gè)因素并非相互獨(dú)立，其統(tǒng)一理論是金屬及合金的電子理論。 3）間隙固溶體 只有原子半徑接近于

9、溶劑晶格某些間隙半徑的溶質(zhì)原子，才有可能進(jìn)入溶劑晶格的間隙中而形成間隙固溶體。這些溶質(zhì)原子通常都是一些原子半徑小于0.1nm的非金屬元素，如氫（0.046nm）、氧（0.061nm）、氮（0.071nm）、碳（0.077nm），硼（0.097nm）。而溶劑元素則都是過渡族元素。盡管溶質(zhì)原子的半徑很小，但仍較溶劑的晶格間隙大，當(dāng)它們?nèi)苋肴軇┚Ц竦拈g隙時(shí)，都會(huì)使溶劑晶格產(chǎn)生畸變，點(diǎn)陣常數(shù)增大，畸變能升高。 間隙固溶體只能是有限固溶體，它們的溶解度都很小間隙固溶體只能是有限固溶體，它們的溶解度都很小。間隙固溶體的晶格畸變 間隙原子在體心立方體晶格的位置 4）固溶體的特點(diǎn) 雖然固溶體仍保持著溶劑的晶格

10、類型，但由于第二組元的加入，與純組元相比，結(jié)構(gòu)還是發(fā)生了變化, 無論是置換固溶體還是間隙固溶體，均能引起固溶體的硬度、強(qiáng)度升高、溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差別越大，溶質(zhì)原子的濃度越高，其強(qiáng)化效果就越大。這種由于溶質(zhì)原子的固溶而引起的強(qiáng)化效應(yīng)，稱為固溶強(qiáng)化。（二）金屬化合物 溶質(zhì)組元加入到溶劑組元中，改變了溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型，而形成一種新結(jié)構(gòu)的合金相。 不不同元素之間所形成的中間相往往在晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵等同元素之間所形成的中間相往往在晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵等方面都不相同，由于中間相具有一定的金屬性，所以亦稱為方面都不相同，由于中間相具有一定的金屬性，所以亦稱為金屬化合物。金屬化合物。 1、正常價(jià)化合物正

11、常價(jià)化合物 成分固定不變，可用化學(xué)式表示。如Mg2Si、Mg2Sn、MgS、MnS等。具有較高的硬度，脆性較大。常作為有色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，而是按一定的電子濃度的比值電子濃度的比值形成的化合物。電子濃度不同，化合物的晶格類型也不同。 3、尺寸因素化合物 過渡族元素和原子半徑較小的氫、氮、碳、硼原子半徑較小的氫、氮、碳、硼組成。 r非 / r金 0.59時(shí)，復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的化合物，間隙化合物間隙化合物。 (1) 間隙相性能特點(diǎn)：極高的熔點(diǎn)和硬度極高的熔點(diǎn)和硬度。用途：硬質(zhì)合金和高硬度工模具的重要組織組成。 (2) 間隙化合物間隙化合物

12、 如鋼中的 Fe3C、Cr23C6、Fe3W3C等。 性能特點(diǎn)：很高的熔點(diǎn)和硬度很高的熔點(diǎn)和硬度，但不如間隙相 用 途：鋼中的重要強(qiáng)化相。（三）混合物 兩種或兩種以上的相按一定的質(zhì)量百分比數(shù)組成的物質(zhì)，稱為混合物。 混合物中的組成部分可以是純金屬、固溶體、或化合物各自的混合，也可以是它們之間的混合，混合物中的各相仍然保持自己原來的晶格。 形形變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、熱處理都是強(qiáng)化金屬的手變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、熱處理都是強(qiáng)化金屬的手段，對(duì)于有色金屬來說，固溶強(qiáng)化是一種重要的強(qiáng)段，對(duì)于有色金屬來說，固溶強(qiáng)化是一種重要的強(qiáng)化手段?；侄?。 混合物的性能取決于各組成相的性能以及它們分布的形態(tài)、數(shù)量及大小。 四、

13、二元相圖的建立 相圖:是描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間關(guān)系的一種圖解。 相律是描述材料在不同條件下相平衡狀態(tài)所遵循的法規(guī)，是理解、分析相圖十分重要的理論依據(jù)。 f=c-p+2 1 相相 變變：相與相之間的轉(zhuǎn)變；固態(tài)相變固態(tài)相變：固態(tài)下相與相之間的轉(zhuǎn)變； 相平衡與平衡相：相平衡與平衡相：如果系統(tǒng)中，在一定的外界條件下（溫度、壓力），各相經(jīng)歷很長(zhǎng)時(shí)間都不互相轉(zhuǎn)化，則各相處于平衡狀態(tài)，稱之為相平衡相平衡；這時(shí)的相就叫在這種條件下的平平衡相衡相。（一）二元相圖的表示方法 在常壓下，用直角坐標(biāo)系，橫座標(biāo)表示合金成分，縱座標(biāo)表示溫度。圖中任意一點(diǎn)標(biāo)為表象點(diǎn)。 Pb-Sn相圖 成分的表示方法 材料的成

14、分是指材料各組元在材料中所占的數(shù)量。此數(shù)量可以用質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)表示。如果沒有特別說明，通常是指質(zhì)量分?jǐn)?shù)。兩者間可按下式進(jìn)行換算（以二元系為例）：詳細(xì)分析、說明（二）相圖的建立時(shí)間溫度溫度成分固相線固相線液相線液相線熱分析法建立Cu-Ni相圖（三）杠桿定杠桿定律律* 在二元相圖的兩相區(qū)，可以用杠桿定律確定各相的相對(duì)含量。証明:設(shè)合金的總質(zhì)量為1 ，液相的質(zhì)量為 WL ，固相的質(zhì)量為W 則: WL+ W= 1 另: WLCL+ WC=1C 由以上兩式都可以得出 （四）勻晶相圖 1、定義：兩組元在液態(tài)和固態(tài)均無限互溶的二元合金相圖。 如CuNi、AgAu、CrMo、MoW等合金系 2、相圖分析

15、液相線 固相線 圖3-14 CuNi二元相圖 冷卻曲線 點(diǎn)：點(diǎn)： A ：純Cu理論熔點(diǎn) B ：純Ni理論熔點(diǎn)線線：A B: 液相線; A B: 固相線； 區(qū)間區(qū)間：兩個(gè)單相區(qū)：L 相、相 一個(gè)兩相區(qū)：L+相區(qū) 勻晶轉(zhuǎn)變式： L （五）二元共晶相圖1、 定義：兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)時(shí)相互有限互溶，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成共晶組織的二元系相圖稱為二元共晶相圖 例如：P bS n、P bS b、A gC u、P bB i 等合金系相圖都是二元共晶相圖。 共晶轉(zhuǎn)變式： LE M+ N2、共晶相圖簡(jiǎn)介 共晶相圖 共晶相圖PbSnT, CL + L + L + 共晶反應(yīng)線表示從M點(diǎn)到N點(diǎn)范圍的合金，在該溫

16、度上都要發(fā)生不同程度上的共晶反應(yīng)。ce共晶點(diǎn)表示E點(diǎn)成分的合金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共晶轉(zhuǎn)變。LE M + NABEMNFG共晶轉(zhuǎn)變要點(diǎn)須知共晶轉(zhuǎn)變要點(diǎn)須知PbSnT, CL + L+ L+ 183MNE1、共晶轉(zhuǎn)變?cè)诤銣叵逻M(jìn)行。2、轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種液相中結(jié)晶出兩個(gè)不同的固相。3、存在一個(gè)確定的共晶點(diǎn)。在該點(diǎn)凝固溫度最低。4、成分在共晶線范圍的合金都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。3、合金結(jié)晶過程Pb-Sn合金相圖及成分 結(jié)晶過程 共晶組織示意圖 Pb-Sn合金共晶顯微組織 共晶白口鐵室溫顯微組織4、包晶相圖、包晶相圖：兩組元在液態(tài)無限溶解，在固態(tài)相互有限溶解，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合金系相圖。 PtAg、SnSb、CuSn、CuZn系等。包晶轉(zhuǎn)變式： L + 包晶相圖 合金結(jié)晶過程包晶相圖分析 液相線 A C B； 固相線 A P D B ；溶解度曲線 P E、D F 單相區(qū) L、；兩相區(qū) L、L、 三相區(qū) P D C（包晶轉(zhuǎn)變線） 包晶轉(zhuǎn)變式：LC+P D如何分析包晶相圖？共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變： ( + ) 共析體共析體ABT