材料科學基礎(chǔ)第三章

1、材料科學基礎(chǔ)第三章第1頁，共19頁，2022年，5月20日，4點30分，星期四第一節(jié) 二元單相合金二元單相合金指二元合金在固態(tài)時只有一種相（固溶體）的合金。這種合金也是所有合金中最簡單且最常見的一類合金。有些二元合金系在固態(tài)時無論成分如何只有一種相，如Ni-Cu、Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、Fe-Ni及W-Mo等，幾乎所有的二元甚至多元合金在一定成分范圍內(nèi)在固態(tài)下也是單相。第2頁，共19頁，2022年，5月20日，4點30分，星期四相 圖 進行材料研究，金相分析，制定熱、鑄、鍛、焊等熱加工工藝規(guī)范的重要依據(jù)和有效工具。 了解合金系中不同成分和溫度下的相的種類、相的成分及相的相對含量。

2、了解合金在加熱和冷卻過程中的轉(zhuǎn)變并預測其性能的變化規(guī)律。即表示在平衡條件下合金組織與成分、溫度之間關(guān)系的圖形。合金相圖又稱合金平衡圖或合金狀態(tài)圖了解由相圖可作用相圖的第3頁，共19頁，2022年，5月20日，4點30分，星期四一、相律在恒壓下，在純固態(tài)或純液態(tài)情況下，出現(xiàn)的相數(shù)小于等于主元數(shù)。在液固共存（恒溫）條件下出現(xiàn)的相數(shù)小于等于主元數(shù)加一。因而，對二元合金，固態(tài)下出現(xiàn)的相數(shù)為1或2，液固共存（恒溫）條件下恒溫下出現(xiàn)的相數(shù)為2或3。 第4頁，共19頁，2022年，5月20日，4點30分，星期四二、二元勻晶相圖的分析 二元勻晶相圖：指兩組元在液態(tài)和固態(tài)均無限互溶時的二元合金相圖。 勻晶轉(zhuǎn)變：

3、在一定溫度范圍內(nèi)由液相結(jié)晶出單相的固溶體的結(jié)晶過程。 具有這類相圖的合金系主要有Ni-Cu、Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。第5頁，共19頁，2022年，5月20日，4點30分，星期四（一）二元合金相圖的建立 （以Pb-Sb二元合金為例）無限緩冷下測各合金的冷卻曲線標注在溫度成分坐標中連接各相變點 1、建立相圖的思路： 合金相變時，伴隨物理、化學性能的變化，可利用熱分析法（或者熱膨脹法、磁性測定法、金相法、電阻法和X射線結(jié)構(gòu)分析法等）精確測定相變臨界點（即臨界溫度），確定不同相存在的溫度和成分區(qū)間，建立相圖。2、 具體步驟：選組元，配合 金系，熔化確定各合金的相變溫度確定相第6

4、頁，共19頁，2022年，5月20日，4點30分，星期四Cu-Ni合金相圖的建立L如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu六組合金。（L+ ）第7頁，共19頁，2022年，5月20日，4點30分，星期四1、相圖分析L+ L兩線：液相線、固相線三區(qū)：液相、液相+固相、固相A（二）二元勻晶相圖分析第8頁，共19頁，2022年，5月20日，4點30分，星期四三、合金的平衡結(jié)晶過程L+ L12時間溫度LL平衡結(jié)晶過程分析t1t2所謂平衡結(jié)晶過程是指合金從液態(tài)無限緩慢冷卻、原子擴散非常充分，冷卻過程中每一時刻都能達到相平衡條件的一種結(jié)晶過程。 第9頁，共19頁，2022

5、年，5月20日，4點30分，星期四給定合金的成分，可計算不同溫度下，此成分的合金所形成不同的相的相對含量，即各相的質(zhì)量分數(shù)計算。引例：100ml的10%的NaCl水溶液和100ml的30%的NaCl水溶液混合后濃度是多少？10010%+10030%=C200C=20%反過來考慮：把20%的NaCl水溶液分成濃度分別為10%和 30%的兩份，那么兩份的體積分數(shù)是多少？V110%+V230%=20%(V1+V2) 四、質(zhì)量分數(shù)計算第10頁，共19頁，2022年，5月20日，4點30分，星期四這種方法可推廣到固相和固液混合相L+ LCbCa abCC如圖：成分為C的Ni-Cu合金，緩冷到t時,根據(jù)相

6、圖分析：（）此狀態(tài)下存在哪幾相？（）各相的成分如何？（）各相的數(shù)量（絕對數(shù)量與相對數(shù)量）？（）做水平線，與固相線和液相線分別交于a、b點。剩余液相總處于即將結(jié)晶的狀態(tài)，即t的液相線上的點的成分，即b點成分Cb ，而剛結(jié)晶出來的固相即t的固相線上的a點的成分Ca。 （）由相圖可知，C點存在L+兩相區(qū)第11頁，共19頁，2022年，5月20日，4點30分，星期四（ ）利用引例的思路，問題轉(zhuǎn)化為：濃度為C的合金，分成濃度為Ca 、Cb兩份，所以有:MaCa+ MbCb=C(Ma+ Mb) 即 Ma （C- Ca）=Mb (Cb- C)由此可知，兩相的相對含量為： Ma/Mb =(Cb-C)/（C-C

7、a）若M=Ma+ Mb為已知量，那么，兩相的絕對含量為：Ma=(Cb-C)（Ma+Mb）/（Cb-Ca） Mb=(C-Ca)（Ma+Mb）/（Cb-Ca）L+ LCbCa abCcCaCCbMaMb第12頁，共19頁，2022年，5月20日，4點30分，星期四CaCCbMaMb總結(jié)：由質(zhì)量分數(shù)的計算式 Ma （C- Ca）=Mb (Cb- C)并結(jié)合相圖，可知，此式類似與杠桿定律的應(yīng)用，所以這種方法又稱杠桿定律。注意：使用條件：只適合平衡結(jié)晶的兩相區(qū)解決問題： （1）確定二平衡相的成分 （2）確定二平衡相的數(shù)量第13頁，共19頁，2022年，5月20日，4點30分，星期四 平衡結(jié)晶：在結(jié)晶過程

8、中，原子的擴散在固相、液相及固液相之間非常充分，能跟得上相變的速度，最終形成成分均勻的固溶體。L+ Lt1t2t3t1t3t2第14頁，共19頁，2022年，5月20日，4點30分，星期四 非平衡結(jié)晶：合金結(jié)晶較快，原子的擴散來不及充分進行，結(jié)果使先結(jié)晶出來的固溶體和后結(jié)晶的固溶體成分不均勻。晶內(nèi)偏析：一個晶粒內(nèi)部化學成分不均勻的現(xiàn)象。后結(jié)晶出來的，含A元素少先結(jié)晶出來的，含A元素多五、非平衡結(jié)晶過程第15頁，共19頁，2022年，5月20日，4點30分，星期四富Ni富CuCu-Ni合金晶內(nèi)偏析的組織第16頁，共19頁，2022年，5月20日，4點30分，星期四非平衡結(jié)晶晶內(nèi)偏析塑性、韌性下降，易引起晶內(nèi)腐蝕，熱加工困難 將鑄件加熱到低于固相線100200的溫度，進行長時間保溫，使偏析元素充分進行擴散，以達到成分均勻化。擴散退火L+ L加熱溫度范圍第17頁，共19頁，2022年，5月20日，4點30分，星期四六、性能與成分的關(guān)系由相圖可大致推斷出合金在平衡狀態(tài)下的力學 性能和物理性能。對于二元勻晶相圖來說，合金 形成了單相的固溶體，合金的性能與組元幾溶質(zhì) 元素的溶入量有關(guān)。對于一定的溶質(zhì)和溶劑，溶 質(zhì)的溶入量越多，則合金的強度、硬度提高越多 （即產(chǎn)生了固溶強化），同時電阻增大，電導率 越低。鑄造性能取決于相圖中的液相線與固相線之間的