第三章1-2節(jié)二元合金與相圖(同濟-王國華)

1、第第3章章 二元合金與相圖二元合金與相圖主要內容：主要內容： 合金、相圖等相關概念，以及合金的類型；合金、相圖等相關概念，以及合金的類型；2. 三種基本相圖、及其平衡結晶過程分析，形三種基本相圖、及其平衡結晶過程分析，形成合金的顯微組織及杠桿定律；成合金的顯微組織及杠桿定律；3. 合金的結晶過程合金的結晶過程1. 1. 純金屬的強度不高，耐熱、耐蝕性能較差，純金屬的強度不高，耐熱、耐蝕性能較差，如何改善？如何改善？2. 2. 合金的結晶過程是否與純金屬的結晶過程合金的結晶過程是否與純金屬的結晶過程相同？相同？3. 3. 相同成分不同含量的合金的結晶過程是否相相同成分不同含量的合金的結晶過程是否

2、相同？怎樣表示？同？怎樣表示？3.1.1 固態(tài)合金中的相結構及組織概念固態(tài)合金中的相結構及組織概念組元：組元：組成合金獨立的最基本的單元。組成合金獨立的最基本的單元。組元可以是元組元可以是元素或是穩(wěn)定化合物。素或是穩(wěn)定化合物。合金：合金：一種元素同另一種或幾種其他元素一種元素同另一種或幾種其他元素，通過熔化或其他方法結合在一起所形成，通過熔化或其他方法結合在一起所形成的具有金屬特性的物質。的具有金屬特性的物質。由兩個組元組成的合金稱為二元合金由兩個組元組成的合金稱為二元合金。如：鐵碳合金、銅鎳合金如：鐵碳合金、銅鎳合金相相相：相：凡化學成分相同（凡化學成分相同（可連續(xù)變化可連續(xù)變化 ）、晶體結

3、構相同）、晶體結構相同并有界面與其他部分分開的均勻組成部分稱為相。并有界面與其他部分分開的均勻組成部分稱為相。液相液相固相固相固溶體固溶體金屬化合物金屬化合物合金組元通過溶解合金組元通過溶解形成一種成分和性形成一種成分和性能均勻、且結構與能均勻、且結構與組元之一相同。組元之一相同。合金組元相互作合金組元相互作用形成的晶格類用形成的晶格類型和特性完全不型和特性完全不同于任一組元的同于任一組元的新相。新相。相：相：組元：組元： 與固溶體晶格相同的組元為溶劑，一般在合與固溶體晶格相同的組元為溶劑，一般在合金中含量較多，另一組元為溶質，含量較少。金中含量較多，另一組元為溶質，含量較少。 固溶體用固溶體

4、用、等符號表示，等符號表示，A、B組元組組元組成的固溶體用成的固溶體用A(B),其中其中A為溶劑，為溶劑，B為溶質；為溶質；固溶體：溶質原子溶入金屬熔劑中形成的合金相固溶體：溶質原子溶入金屬熔劑中形成的合金相稱為固溶體稱為固溶體。 “固體溶液固體溶液” *均一的、保持熔劑金屬的晶體結構 *晶格常數發(fā)生一定變化1. 固溶體固溶體固溶體的晶體結構特點固溶體的晶體結構特點按溶質原子在溶劑晶格中的位置，固溶體可分為：按溶質原子在溶劑晶格中的位置，固溶體可分為：置換固溶體和間隙固溶體置換固溶體和間隙固溶體(1) 固溶體的分類固溶體的分類溶解度：溶質在固溶體中的極限濃度即為溶質在溶解度：溶質在固溶體中的極

5、限濃度即為溶質在固溶體中的溶解度。固溶體中的溶解度。若超過這個溶解度有其他相形成，則此種固溶體若超過這個溶解度有其他相形成，則此種固溶體為有限固溶體。為有限固溶體。若溶質可以任意比例溶入，即溶質的溶解度可達若溶質可以任意比例溶入，即溶質的溶解度可達100，則固溶體為無限固溶體。，則固溶體為無限固溶體。按溶解度固溶體可分為：有限固溶體和無限固溶體按溶解度固溶體可分為：有限固溶體和無限固溶體按溶質原子在固溶體中分布是否有規(guī)律可分為：按溶質原子在固溶體中分布是否有規(guī)律可分為：無序固溶體和有序固溶體無序固溶體和有序固溶體 什么是固溶強化什么是固溶強化?造成固溶強化的原因是什么造成固溶強化的原因是什么?

6、 固溶強化就是通過形成固溶體使金屬強度固溶強化就是通過形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現(xiàn)象。和硬度提高的現(xiàn)象。 造成固溶強化的原因是固溶體隨著溶質原造成固溶強化的原因是固溶體隨著溶質原子的溶入而晶格發(fā)生畸變子的溶入而晶格發(fā)生畸變, ,晶格畸變增大位錯運動晶格畸變增大位錯運動的阻力的阻力, ,使金屬的滑移變形變得更加困難使金屬的滑移變形變得更加困難, ,從而提從而提高合金的強度和硬度。高合金的強度和硬度。(2) 固溶體的性質固溶體的性質2.金屬化合物金屬化合物Fe3C金屬化合物特點：金屬化合物特點：熔點較高、硬度高、脆性大。熔點較高、硬度高、脆性大。金屬化合物金屬化合物正常價化合物正常價化合物電

7、子化合物電子化合物間隙化合物間隙化合物復雜結構的間隙化合物復雜結構的間隙化合物間隙相間隙相 (1)正常價化合物正常價化合物 嚴格遵守化合價化合規(guī)律的化合物稱正常嚴格遵守化合價化合規(guī)律的化合物稱正常價化合物。如：價化合物。如：Mg2Si (2)電子化合物電子化合物 不遵守化合價規(guī)律但符合一定電子濃度的化合物不遵守化合價規(guī)律但符合一定電子濃度的化合物稱電子化合物。稱電子化合物。 電子濃度是指化合物中價電子數與原子數之比。電子濃度是指化合物中價電子數與原子數之比。 例：求例：求CuZn的電子濃度？的電子濃度？ 在元素周期表中在元素周期表中Cu排排29，Zn排排30 則價電子數：則價電子數：1(Cu)

8、+2(Zn)=3 原子數：原子數：1(Cu)+1(Zn)=2 電子濃度電子濃度=3/2問問Cu5Zn8 電子濃度為多少？電子濃度為多少？ 價電子指價電子指原子原子核外電子中能與其他原子相互作用形成核外電子中能與其他原子相互作用形成化學鍵化學鍵的電子的電子 (3)間隙化合物間隙化合物 由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物為原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物為間隙化合物。間隙化合物。 間隙相：當非金屬原子半徑與金屬原子間隙相：當非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于半徑之比小于0.59時，時，形成具有簡單晶格的間形成具有簡單晶格的

9、間隙化合物稱為間隙相。例：隙化合物稱為間隙相。例：VCVC 復雜結構的間隙化合物：復雜結構的間隙化合物：當非金屬原當非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時，時，形成形成具有復雜結構晶格的間隙化合物。例：具有復雜結構晶格的間隙化合物。例： Fe3C 間隙固溶體和間隙相有什么不同？間隙固溶體和間隙相有什么不同？ 間隙固溶體：溶質原子進入溶劑晶格的間隙間隙固溶體：溶質原子進入溶劑晶格的間隙之中的固溶體叫間隙固溶體。其結構與組元之一之中的固溶體叫間隙固溶體。其結構與組元之一相同。相同。 間隙相：當非金屬原子半徑與金屬原子半徑之間隙相：當非金屬原子半徑與金屬原子半徑之

10、比小于比小于0.590.59時，形成具有簡單晶格的間隙化合物稱時，形成具有簡單晶格的間隙化合物稱為間隙相。其結構和特性完全不同于任一組元。為間隙相。其結構和特性完全不同于任一組元。3.1.2金屬材料的組織金屬材料的組織1.組織的概念組織的概念金相試樣的制備：金相試樣的制備：取樣取樣(小塊金屬材料小塊金屬材料) 磨光磨光(用金相砂紙用金相砂紙) 拋拋光光(用絨布用絨布+拋光劑拋光劑) 腐蝕腐蝕吹干吹干 在顯微鏡下觀察，可以看到金屬材料內在顯微鏡下觀察，可以看到金屬材料內部的微觀形貌。這種微觀形貌稱做顯微組織部的微觀形貌。這種微觀形貌稱做顯微組織，簡稱組織。，簡稱組織。拋光機拋光機1-光源光源2-

11、撥盤撥盤3-底座物鏡底座物鏡4-孔徑光闌孔徑光闌 5-視場光闌旋鈕視場光闌旋鈕6-視場光闌滾花螺絲視場光闌滾花螺絲7-固定滾花螺釘固定滾花螺釘8-雙筒目鏡鏡管雙筒目鏡鏡管9-目鏡目鏡10-載物臺載物臺ll-物鏡物鏡12-物鏡轉換盤物鏡轉換盤13-鏡架鏡架14-粗調手輪粗調手輪15-微調手輪微調手輪 金相顯微鏡金相顯微鏡化學成分不化學成分不同顯微組織同顯微組織不同。不同。(a) w(c)=0.01%鐵素體鐵素體 (b) w(c)=0.45%鐵素體鐵素體+珠光體珠光體 (c) w(c)=0.77%珠光體珠光體 (d) w(c)=1.2%珠光體珠光體 +二次滲碳體二次滲碳體2.組織的決定因素組織的決

12、定因素組織的決定因素：化學成分和工藝過程組織的決定因素：化學成分和工藝過程化學成分相同，熱處理工藝不化學成分相同，熱處理工藝不同，顯微組織形態(tài)不同。同，顯微組織形態(tài)不同。 w(c)=0.77% 片狀珠光體片狀珠光體 w(c)=0.77% 球狀珠光體球狀珠光體3.組織與性能的關系組織與性能的關系金屬材料的性能由金屬內部的組織結構所決定。金屬材料的性能由金屬內部的組織結構所決定。注意：注意：(1)在某些情況下，金屬的組織名稱相同，組成相在某些情況下，金屬的組織名稱相同，組成相也相同，但晶粒形狀、大小不同，則它們的性能也相同，但晶粒形狀、大小不同，則它們的性能也不同。也不同。(2)在某些合金中，在顯

13、微鏡下觀察它們的組織，在某些合金中，在顯微鏡下觀察它們的組織，組成相相同，且形狀、大小無明顯差異，只是其組成相相同，且形狀、大小無明顯差異，只是其成分有所不同，這時表現(xiàn)出來的性能也不相同。成分有所不同，這時表現(xiàn)出來的性能也不相同。3.1.3 金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能工藝性能：指制造工藝過程中材料適應加工的性能。工藝性能：指制造工藝過程中材料適應加工的性能。1.2.1金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能使用性能：指金屬材料在使用情況下所表現(xiàn)出來的性能。使用性能：指金屬材料在使用情況下所表現(xiàn)出來的性能。零零件件 1.鑄造性能鑄造性能 金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良鑄件的能力稱金屬材料鑄造成形

14、獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能。為鑄造性能。 2.鍛造性能鍛造性能 金屬材料用鍛壓加工方法成形的適應能力稱為金屬材料用鍛壓加工方法成形的適應能力稱為鍛造性能。鍛造性能。 3.焊接性能焊接性能 金屬材料對焊接加工的適應性稱為焊接性能。金屬材料對焊接加工的適應性稱為焊接性能。 4.切削加工性能切削加工性能 切削加工一般用切削后的表面質量和刀具壽切削加工一般用切削后的表面質量和刀具壽命來表示。命來表示。 5.熱處理工藝性能熱處理工藝性能 鋼的熱處理工藝性能主要考慮其淬透性，即鋼的熱處理工藝性能主要考慮其淬透性，即鋼接受淬火的能力。鋼接受淬火的能力。3.2 3.2 二元合金的結晶與相圖二元合金的結晶與

15、相圖 表明合金系中各種合表明合金系中各種合金相的平衡條件和相與相金相的平衡條件和相與相之間關系的一種簡明示圖之間關系的一種簡明示圖（溫度（溫度-成分成分-（表）相）（表）相） 合金的結晶通常運用合金相圖來分析（合金合金的結晶通常運用合金相圖來分析（合金的結晶過程）。的結晶過程）。什么是相圖？什么是相圖？(phase diagram)AB相圖的制作過程相圖的制作過程四步：四步：配制一系列成分的合金配制一系列成分的合金 （合金系概念）（合金系概念）如：如：(1) 100%Ni+0%Cu(1) 100%Ni+0%Cu (2) 80%Ni+20%Cu (2) 80%Ni+20%Cu (3) 60%Ni

16、+40%Cu (3) 60%Ni+40%Cu (4) 40%Ni+60%Cu (4) 40%Ni+60%Cu (5) 20Ni%+80%Cu (5) 20Ni%+80%Cu (6) 0%Ni+100%Cu (6) 0%Ni+100%Cu2.2.測出上述合金的冷卻曲線測出上述合金的冷卻曲線（平衡狀態(tài)（平衡狀態(tài)- -原子充分擴散）原子充分擴散）3.3.根據各冷卻曲線上的轉折根據各冷卻曲線上的轉折點確定合金的臨界點點確定合金的臨界點4.4.將這些臨界點標在將這些臨界點標在相圖坐標系中的相應相圖坐標系中的相應位置上，最后把各意位置上，最后把各意義相同的臨界點連起義相同的臨界點連起來。來。相圖的制作相圖

17、的制作P14時間時間 溫度溫度20406080 Ni%Cu100%Ni80%60%40%20%0%3.2.1 勻晶相圖勻晶相圖(uniform grain phase diagram)Cu-Ni合金的結晶過程合金的結晶過程由液相結晶出單相固溶體單相固溶體的過程稱為勻晶轉變LL+純金屬為純金屬為恒溫結晶恒溫結晶(1) 固溶體從液相結晶出來的過程中，也包括生核固溶體從液相結晶出來的過程中，也包括生核與長大過程。與長大過程。2. 勻晶結晶的特點勻晶結晶的特點(5個特點個特點)生核生核長大長大(2) 固溶體結晶在一個固溶體結晶在一個溫度區(qū)間內進行。即溫度區(qū)間內進行。即變溫結晶過程。變溫結晶過程。(3)

18、 在兩相區(qū)內，溫度在兩相區(qū)內，溫度一定時，液相和固相的一定時，液相和固相的成分是確定的成分是確定的 。確定相成分的方法：確定相成分的方法：過指定溫度過指定溫度T1作水平線，分作水平線，分別交液相線和固相線于別交液相線和固相線于a1點、點、c1點點溫度為溫度為T1時時液相的成分液相的成分溫度為溫度為T1時時固相的成分固相的成分隨著溫度的下降，液相成分隨著溫度的下降，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固沿液相線變化，固相成分沿固相線變化。相線變化。求求a1點、點、c1點在成分軸上的點在成分軸上的投影點即為液相投影點即為液相L和固相和固相的成的成分。分。a1c1T1a2c2T2到溫度到溫度T2時，時，

19、L相成分及相成分及相相成分分別為成分分別為a2、c2在成分軸上的在成分軸上的投影。投影。2. 勻晶結晶的特點勻晶結晶的特點(5個特點個特點)(4) 在兩相區(qū)內，溫度一定時，兩相的質量比是確定的在兩相區(qū)內，溫度一定時，兩相的質量比是確定的 a1c1T1b1P17a1b1c1QLQ杠桿定律1111bacbQQL如在如在T1溫度時，兩相的溫度時，兩相的質量比可用下式表達。質量比可用下式表達。QL為為L相的質量；相的質量；Q為固相的質量；為固相的質量；b1c1、a1b1為線長為線長,可用其成可用其成分坐標上的數字來度量。分坐標上的數字來度量。1111cbQbaQL2. 勻晶結晶的特點勻晶結晶的特點(5

20、個特點個特點)杠桿定律的證明杠桿定律的證明P17abcQLQ設合金的總量為設合金的總量為Q合金合金，其中，其中Ni的質的質量分數為量分數為b，在，在T1溫度時，溫度時，L中的質中的質量分數為量分數為a，中的中的質量分數為質量分數為cT1合金中含合金中含Ni的總質量的總質量=L相中含相中含Ni的質量的質量+ 中含中含Ni的質量的質量Q合金合金b=QL a+Q c(1)Q合金合金=QL +Q(2)聯(lián)合求解上述兩式聯(lián)合求解上述兩式abbcQQLP17abcQLQabbcQQLacbcQQL合金acabQQ合金合金中液相和固合金中液相和固相在合金中所占相在合金中所占的相對質量。的相對質量。T1杠桿定律

21、的理解杠桿定律的理解P17abcQLQQL.ab=Q.bcabbcQQLbc長度代表液相的長度代表液相的質量，隨著溫度下質量，隨著溫度下降，液相越來越少降，液相越來越少，bc越來越短。越來越短。ab長度代表固相的長度代表固相的質量，隨著溫度下質量，隨著溫度下降，固相越來越多降，固相越來越多，ab越來越長。越來越長。T1ac長度代長度代表合金的表合金的質量。質量。acac將將20kg20kg純銅與純銅與30kg30kg純鎳熔化后慢純鎳熔化后慢冷至如圖所示的溫度冷至如圖所示的溫度T T1 1，求此時，求此時(1) (1) 兩相的成分；兩相的成分；(2) (2) 兩相的質量比；兩相的質量比；(3)

22、(3) 兩相的相對質量；兩相的相對質量；(4) (4) 兩相的質量。兩相的質量。 兩相的成分，兩相的成分，T T1 1溫度時：溫度時： 液相：含液相：含Cu 50% Ni 50%Cu 50% Ni 50%合金質量：合金質量： Q Q合金合金=20+30=50kg=20+30=50kg合金的成分：含合金的成分：含Cu:20/50=40% Cu:20/50=40% 含含Ni:30/50=60%Ni:30/50=60%例題例題(應用應用)固相：含固相：含Cu 20% Ni 80%Cu 20% Ni 80%abc(2(2）兩相的質量比）兩相的質量比12102050606080abbcQQL(3(3）兩

23、相的相對質量）兩相的相對質量%67.6632302050806080)(acbcQQLWL合金%33.3331301050805060)(acabQQW合金QLQ(4(4）兩相的質量）兩相的質量kgQacbcQL335.3350%67.66合金kgQacabQ665.1650%33.33合金abcQLQ(5) 固溶體結晶時成分是變化的，緩慢冷卻時由于原固溶體結晶時成分是變化的，緩慢冷卻時由于原子的擴散能充分進行，形成的是成分均勻的固溶體子的擴散能充分進行，形成的是成分均勻的固溶體 。枝晶偏析：一枝晶偏析：一個晶粒內化學個晶粒內化學成分不均勻的成分不均勻的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。2. 勻晶結晶的特點勻晶結晶

24、的特點 固溶體結晶時成分是變化的（固相線和液相線），如冷卻較快，原子擴散不能固溶體結晶時成分是變化的（固相線和液相線），如冷卻較快，原子擴散不能充分進行，則會形成成分不均勻的固溶體。固溶體一般都以枝晶狀方式結晶，使得一充分進行，則會形成成分不均勻的固溶體。固溶體一般都以枝晶狀方式結晶，使得一個晶粒中先結晶的樹枝晶枝桿含高熔點組元較多，后結晶的樹枝晶枝間含低熔點組元個晶粒中先結晶的樹枝晶枝桿含高熔點組元較多，后結晶的樹枝晶枝間含低熔點組元較多，結果造成在一個晶粒內化學成分的分布不均，這種現(xiàn)象稱為枝晶偏析。較多，結果造成在一個晶粒內化學成分的分布不均，這種現(xiàn)象稱為枝晶偏析。 枝晶偏析的合金對合金的

25、力學性能影響較大。容易導致合金塑性韌性下降；易引起枝晶偏析的合金對合金的力學性能影響較大。容易導致合金塑性韌性下降；易引起晶間腐蝕，降低合金的抗蝕性能。晶間腐蝕，降低合金的抗蝕性能。 消除枝晶偏析的方法采用擴散退火。消除枝晶偏析的方法采用擴散退火。組織組成物：指合金組織中那些具有確定本質組織組成物：指合金組織中那些具有確定本質，一定形成機制的特殊形態(tài)的組成部分。組織，一定形成機制的特殊形態(tài)的組成部分。組織組成物可以是單相，或兩相混合物。組成物可以是單相，或兩相混合物。亞共析鋼：亞共析鋼：( 鐵素體鐵素體)F+（珠光體）（珠光體）P 在顯微鏡下，白色為在顯微鏡下，白色為F和黑色為和黑色為PFP相

26、圖的種類相圖的種類相圖的種類相圖的種類(1)勻晶相圖勻晶相圖(2)共晶相圖共晶相圖(3)包晶相圖包晶相圖(4)共析相圖共析相圖(5)含有穩(wěn)定化合物的合金的結晶相圖含有穩(wěn)定化合物的合金的結晶相圖(2)共晶相圖共晶相圖(eutectic phase diagram)Pb-Sn(鉛鉛-錫錫)合金相圖合金相圖一種液相一種液相固固相相1固固相相2ecdL恒溫恒溫共晶反應共晶反應共晶相圖共晶相圖共晶相圖：液相組元無限互溶，固相組元有限溶共晶相圖：液相組元無限互溶，固相組元有限溶解的合金系，當溶質超出固溶體溶解極限時，冷解的合金系，當溶質超出固溶體溶解極限時，冷卻過程中發(fā)生共晶轉變，這類合金構成的相圖稱卻過

27、程中發(fā)生共晶轉變，這類合金構成的相圖稱為共晶相圖。為共晶相圖。從一個液相中同時析出兩個固相的從一個液相中同時析出兩個固相的轉變過程稱為共晶轉變。轉變過程稱為共晶轉變。共晶轉變式：共晶轉變式：L + PbSnSn%T, C液相線液相線L固相線固相線 + L+ L + 固溶線固溶線 固溶線固溶線共晶相圖共晶相圖ABEMNFG共晶相圖簡介共晶相圖簡介共晶相圖共晶相圖PbSnT, CL + L + L + 共晶反應線共晶反應線表示從表示從M點到點到N點點范圍的合金，在范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)該溫度上都要發(fā)生不同程度上的生不同程度上的共晶反應。共晶反應。ce共晶點共晶點表示表示E點成分的合點成分的合金冷卻到此溫度金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共上發(fā)生完全的共晶轉變。晶轉變。dLE M + NABEMNFGPbSnT, CL + L + L + 183ced 共