講合金的構造與合金相圖

1、第六章合金的構造與合金的相圖一、合金與相1、合金的基本概念（1）合金：是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質。 組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金屬與非金屬。 組成合金的元素相互作用可形成不同的相。（2）組元: 組成材料最基本的獨立物質。由2個組元組成的合金稱二元合金，3個組元組成的稱三元合金，依次類推。1晶體材料的基本相結構（3）相與相結構： 材料中具有同一聚集狀態(tài)、同一化學成分、同一結構并與其他部分有界面分開的均勻組成部分稱為“相”。 相中原子的具體排列規(guī)律，即為相結構。 （4）合金系：相同組元可按不同比例配制成性能不同的系列合金，構成一個合金系統(tǒng)，簡稱合金系。（5）組織：

2、用肉眼或在顯微鏡下所觀察到的材料內部微觀形貌圖像。 （6）相與組織的異同點：“相”是構成組織的最基本的組成部分；當“相”的大小、形態(tài)與分布不同時會構成不同的微觀形貌圖像即形成不同的組織。22、 合金的基本相結構 大部分的合金在液態(tài)時組元能相互溶合，形成均勻的單一液相。而在固態(tài)時，由于組元之間相互的不同作用，可以形成不同的相結構，成為合金不同的組織組成相。按合金中組成相的結構特征，可分為固溶體和金屬化合物兩類。（1)固溶體： 固態(tài)合金中，一組元的晶格中溶入另一種或多種其他組元而形成均勻的相，稱為固溶體。保留晶格的組元稱溶劑，溶入晶格的組元稱溶質。3固溶體分類： （1）按溶質原子占據(jù)的位置 置換固

3、溶體，間隙固溶體 （2）按溶質原子的溶解度 有限固溶體，無限固溶體 （3）按溶質原子在固溶體中的相對分布特征 無序固溶體，有序固溶體4置換固溶體與間隙固溶體Cu-Ni置換固溶體Fe-C間隙固溶體5無限固溶體與有限固溶體Cu-Ni無限固溶體Cu-Zn有限固溶體固溶體化合物6 晶體缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。晶格畸變使材料的強度、硬度提高，塑性、韌性下降。例如，間隙原子導致的晶格畸變過程（如下圖所示）?？瘴婚g隙原子小置換原子大置換原子7-Fe的固溶強化8 固溶強化 隨溶質含量增加, 固溶體的強度、硬度增加, 塑性、韌性下降固溶強化。 產生固溶強化的原因是溶質 原子使晶格發(fā)

4、生畸變及對位錯的釘扎作用。 與純金屬相比，固溶體的強度、硬度高，塑性、韌性低。但與金屬化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。9 2、合金化合物（1）含義：合金組元間按一定比例組成，并形成新的晶格結構和明顯金屬特性的新相，這種新相稱為金屬化合物。金屬化合物可用一定的分子式來表示如Mg2SiFe3C、Cr23C6，F(xiàn)e4W2C等。（2）性能特點：金屬化合物通常具有復雜的晶格結構，熔點高，硬度高而脆性大。提高硬度和強度；但降低塑性和韌性，是金屬材料中的重要強化相。珠光體中的Fe3C10（3）分類 1） 正常價化合物符合正常原子價規(guī)律。通常是由強金屬元素(如Mg)與非金屑元素或類金屬元素

5、(如、族的Sb、Bi、Sn、Pb等)組成的，例如Mg2Si、Mg2Sn、MnS等。這類化合物一般不能形成以自身為基體的固溶體。Al-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基軸承合金中的電子化合物112）電子化合物 取決于電子濃度規(guī)律所形成的金屬間化合物稱電子化合物。 電子化合物主要是由元素周期表中第族或過渡族金屬元素與第至第族金屬元素結合而成。電子化合物的晶體結構與合金的電子濃度密切相關，例如電子濃度為32(2114)時，具有體心立方晶格，稱為相；電子濃度為2113時，為復雜立方晶格，稱為相；電子濃度為2112時，則為密排六方晶格，稱為相。電子化合物雖然可以用化學式表示，但不符合化合價規(guī)律，并且其成

6、分可在一定范圍內變化，因此可以把它看作是以電子化合物為基的固溶體，其電子濃度也在一定范圍內變化。電子化合物是合金特別是非鐵(有色)金屬合金中重要自強化相。12電子濃度：價電子總數(shù)與原子數(shù)之比。 表12 每個原子貢獻的價電子數(shù)13電子濃度不同，所形成化合物的晶格類型也不同Cu-ZnCuZnCu5Zn8CuZn3Cu-SnCu5SnCu31Sn8Cu3SnCu-AICu3AICu9AI4Cu5AI3Cu-SiCu5SiCu31Si8Cu3Si143)間隙化合物 間隙化合物是由過渡族金屬與原子半徑很小的非金屬元素氫、氮、碳、硼等所組成，后者處于這類化合物晶格的間隙中。根據(jù)非金屬元素(X)與過渡族金屬

7、元素(M)原子半徑的比值，可將其分為兩類：當rxrM059時，形成具有簡單結構的化合物，稱為間隙相；當rxrM059時，則形成具有復雜晶體結構的化合物，稱為間隙化合物。15間隙相：形成間隙相時，金屬原子形成與其本身晶格類型不同的一種新結構，非金屬原子處于該晶格的間隙之中。 例如，釩為體心立方晶格，但它與碳組成碳化釩(VC)時，釩原子卻構成面心立方晶格，碳原子占據(jù)晶格的所有八面體間隙位置，如圖所示。部分碳化物所有的氮化物。 M4X (Fe4N)、 M2X (Fe2N、 W2C)、 MX (TiC、VC、TiN)等。 VC的結構 間隙相具有金屬特征和極高的硬度及熔點，非常穩(wěn)定。 部分碳化物和所有氮

8、化物屬于間隙相。16由此可見，間隙相和間隙固溶體不同，它是一種金屬間化合物，其晶格類型不同于任一種組元的晶格類型；而間隙固溶體是一種固溶體，它保持著溶劑組元的晶格類型。17高溫合金中的Cr23C6Fe3C的晶格間隙化合物 晶體結構都很復雜。部分碳化物所有的硼化物。如在合金鋼中常見的有Fe3C、Cr7C3、Cr23C6、Fe3W3C， Fe4W2C等。 Fe3C是鋼中的一種基本相也是重要的間隙化合物，稱為滲碳體。其晶體結構屬正交晶系，如圖所示。這種復雜結構的間隙化合物中的鐵原子可被其它原子如Mn、Cr、Mo、W所取代，分別形成(Fe ，Mn3）C，(Fe，Cr3) C 等更復雜的化合物，稱為合金

9、滲碳體。其它間隙化合物的金屬原子也可被其它金屬元素所置換。18一些碳化物的熔點和硬度間 隙 相19四、金屬的非晶態(tài)結構 非晶態(tài)金屬具有獨特的力學性能和物理、化學性能，因而對它的研究也越來越受到重視。非晶態(tài)金屬的結構與液態(tài)金屬結構相似，原子排列沒有長程的周期性。在非晶態(tài)金屬中，沒有晶界、位錯等晶態(tài)金屬所特有的晶體缺陷。1、描述方法 與晶態(tài)相比，非晶態(tài)結構是一種無序結構，但不像氣體那樣原子排列完全沒有規(guī)則，而存在短程有序。描述方法是統(tǒng)計方法，即在非晶態(tài)材料中以任一原子為中心，在和它相距為r+dr的球殼中發(fā)現(xiàn)另一個原子的幾率為 g(r)4r dr。式中 g（r）4 r dr為徑向分布函數(shù)；為單位體積

10、中的原子數(shù)；g(r)為雙體相關函數(shù)。VN2NVVN220 徑向分布函數(shù)或雙體相關函數(shù)可以在一定程度上反映非晶態(tài)結構的統(tǒng)計性質，但它給出的僅是有關結構的一維信息，不能給出結構的具體細節(jié)。比較氣態(tài)、非晶態(tài)和晶態(tài)的雙體相關函數(shù)可以看出，非晶態(tài)結構與液態(tài)非常接近，存在一定程度的短程有序，而與氣態(tài)和晶態(tài)則差別顯著。 2模型 關于非晶態(tài)結構細節(jié)的研究，多數(shù)人公認的模型是硬球無規(guī)密堆模型。該模型把原子假設為不可壓縮的硬球，均勻、連續(xù)、無規(guī)地堆積，結構中沒有容納另一硬球的空間，如圖所示。這種模型的計算結果與實際結果有的符合較好，有的不很相符。 (a)晶態(tài) （b）非晶態(tài)21第二節(jié) 合金的結晶1、合金結晶的組織：

11、 不同成分的合金，在高溫液態(tài)時通常為均勻的單相熔液。而在冷卻結晶后，可形成單相的固溶體組織、金屬化合物組織、幾種固溶體、固溶體和化合物組成的多相組織。并且隨溫度等條件變化，組成相還會變化。一定成分的合金在一定溫度究竟形成什么組織，通?？捎珊辖鹣鄨D來確定。2、合金相圖：（又稱合金狀態(tài)圖或合金平衡圖）以溫度和成分作為獨立變量，表示合金系中各合金在極其緩慢的冷卻條件下結晶過程的簡明圖解。既表示平衡條件下合金成分、溫度和組織狀態(tài)之間的關系圖形。3、合金相圖的作用：根據(jù)相圖可以知道不同成分的合金，在不同溫度下的相組織狀態(tài)，溫度變化時可能發(fā)生的轉變。還可根據(jù)組織狀態(tài)估測合金的性能，作為制訂鑄造、鍛壓、焊接

12、和熱處理等熱加工工藝的主要依據(jù)。22一、 二元相圖的建立二元相圖是以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，在以溫度為縱坐標，材料成分為橫坐標的坐標系中繪制的。實驗方法有很多種，最常用的是熱分析法。1、二元相圖的建立步驟：配制系列不同成分合金； 分別作出其冷卻曲線； 在相應曲線上分別找出其上、下拐點；把這些特性點分別在以溫度為縱坐標、成分為橫坐標的坐標系中標出； 把相同意義的特性點連成線（特性線）。232、配制系列不同成分合金名稱A金屬B金屬晶格類型bccbcc熔點高低合金1100%0%合金290%10%合金380%20%.合金920%80%合金1010%90%合金110%100%243、熱 分 析 法25時間溫度9

13、0705030AB溫度A溫度溫度26(一)二元勻晶相圖：勻晶相圖是兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶，在結晶時發(fā)生勻晶轉變的相圖，如Cu-Ni、Au-Ag、Cr-Mo、Cd-Mg等合金系均形成勻晶系。1、相圖分析二、二元相圖的基本類型與分析（1) 點：A、B點分別為純組元銅、鎳的熔點。 （2) 線：A1B線為液相線，是勻晶轉變的開始線 ，合金加熱到該線以上時，全部轉變?yōu)橐后w，而冷卻到該線時，開始結晶出固溶體。 A4B線為固相線，是勻晶轉變的終止線，合金加熱到該線時開始熔化，冷卻到該線時，全部轉變?yōu)楣倘荏w。（3) 相區(qū)：單相區(qū)、有L、兩個，液相L在液相線以上，固相在固相線 以下。兩相區(qū)一個，在液、固

14、相線與之間。272、合金的結晶過程當合金自液態(tài)緩冷到液相線上的t1溫度時，開始從液相中結晶出成分為1，的固溶體，其鎳含量高于合金的平均含量。這種從液相中結晶出單一固相的轉變稱為勻晶轉變或勻晶反應。隨溫度下降， 相重量增加，液相重量減少，同時，液相成分沿著液相線變化，固相成分沿著固相線變化。28例如溫度降到t2時，液相成分變化到2，固溶體成分變化到 2。成分變化是通過原子擴散完成的。當合金冷卻到固相線上的t4溫度時，最后一滴4成分的液體也轉變?yōu)楣倘荏w，此時固溶體的成分又回到合金成分 4上來。 由此可見，液、固相線不僅是相區(qū)分界線，也是結晶時兩相的成分變化線。還可以看出，勻晶轉變是變溫轉變，在結晶

15、過程中，液、固兩相的成分隨溫度而變化。在以后所接觸的相圖中，除水平線和垂直線外其他相線都是成分隨溫度的變化線。29TLTSTnbac3、杠桿定律QS=(bcab) 100% QL=(acab) 100% QS + QL = 1aQS + bQL = cABabLS溫度QLQs用杠桿定律求出兩平衡相的相對重量百分比如K合金在Tn時，液、固兩相平衡相的成分點分別為a、b，而合金成分點用C點表示，用QL、QS分別表示液相、固相和合金的質量。則此方法很像力學中的杠桿定律。即以C點為支點，a、C、b為杠桿，則在杠桿兩端掛重物的相對量比，與兩者的杠桿長度成反比。30由于冷卻速度較快，合金在冷卻到與液相線相

16、交時，并不開始結晶，而是過冷到t1時開始結晶出成分為1的固溶體，繼續(xù)冷卻到t2時從液體中結晶出成分為2的固溶體。因冷卻速度較快，t1時結晶出的來不及通過原子充分擴散，先結晶含高熔點組元A比多，這時合金固相的平均成分介于1和2之間為2。當合金冷卻到t3時（已與固相線相交），由于固相的平均成分（ 3）沒有達到原合金成分，所以結晶還沒有結束，只有冷卻到t4時，固相的平均成分達到原合金的成分時結晶才結束，將12 3 4連成的線稱為固溶體不平衡結晶時的平均成分線，它偏離于平衡結晶時的固相線，并隨冷卻速度的增大，偏離的程度增大。4、枝晶偏析31由以上分析可知合金在不平衡結晶后，得到的固溶體成分是不均勻的，

17、在Cu- Ni合金中，一個晶粒中先結晶的部分（晶粒中心）含高熔點組元Ni多，后結晶部分（晶粒邊緣）含低熔點組元Cu多。這種晶粒內部化學成分不均勻的現(xiàn)象稱為晶內偏析，由于固溶體結晶時一般按樹枝狀方式生長，先結晶的枝桿和后結晶的枝間成分也不相同，通常稱為枝晶偏析，見圖，黑色為先結晶的枝桿含Ni多，白色為后結晶的枝間含Cu多。32嚴重的枝晶偏析會使合金的力學性能降低，主要是塑性和韌性以及耐蝕性等。生產中常用均勻化退火（擴散退火）方法來消除枝晶偏析。具體方法是將鑄件加熱到固相線以下100200，進行較長時間的保溫，讓原子進行充分擴散，消除偏析達到成分均勻化的目的，33（二）共晶相圖 典型的Pb-Sn二

18、元合金相圖（一般形式） 兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶,并發(fā)生共晶反應時所構成的相圖稱作共晶相圖。 Pb-Sn、 PbSb、AlSi、AgCu等合金。以下僅以 Pb-Sn 相圖為例進行分析。 特殊形式的二元共晶相圖34（1）特性點：A、B點 分別純鉛和純錫的熔點和凝點。 M、N點 分別為固溶體（錫在鉛中）和固溶體（鉛在錫中）的最大溶解度點。 E點 共晶點，該點成分（61.9%Sn)的合金在恒溫TE(183)時發(fā)生共晶轉變,同時結晶出具有M點成分固溶體和具有N點成分固溶體。反應產物是 的兩相混和物,稱為共晶組織(共晶體) F、G點 分別是室溫時錫在鉛中和鉛在錫中的溶解度。1、相圖分析

19、M35（2）特性線： 1）液相線AEB。2） 固相線AMENB。 3）固溶線: 溶解度點的連線稱固溶線。相圖中的MF、NG線分別為 Sn在 Pb中和 Pb在 Sn中的固溶線。 固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。364）共晶線：水平線MEN叫做共晶線。 在共晶線對應的溫度下 (183 ) ， LE成分（61.9%Sn)的合金同時結晶出M點成分的 固溶體和N點成分的 固溶體，形成這兩個相的機械混合物共晶體 LE (M + N)在一定溫度下，由一定成分的液相同時結晶出兩個成分和結構都不相同的新固相的轉變稱作共晶轉變或共晶反應.Pb-Sn共晶組織37具有共晶成分的合金稱共晶合金。共晶線上。凡成分位于共晶

20、點以左的合金稱亞共晶合金。 位于共晶點以右的合金稱過共晶合金。 凡具有共晶線成分的合金液體冷卻到共晶溫度時都將發(fā)生共晶反應。（3）相區(qū)：相圖中有: 三個單相區(qū)： L、；三個兩相區(qū)： L+、L+、+ ；一個三相區(qū)：即水平線MEN。 38（1）有限固溶體合金 即含Sn量小于M點合金(合金)的結晶過程 在2點以前為勻晶轉變，結晶出單相 固溶體, 這種直接從液相中結晶出的固相稱一次相或初生相.溫度降到3點以下， 固溶體被Sn過飽和，由于晶格不穩(wěn)，開始析出（相變過程也稱析出）新相 相。由已有固相析出的新固相稱二次相或次生相 。 形成二次相的過程稱二次析出, 是固態(tài)相變的一種.2.典型合金的平衡結晶過程分

21、析MN由 析出的二次 用表示。39由于二次相析出溫度較低，一般十分細小。 合金室溫組織為 + 。室溫下的相對重量百分比為：隨溫度下降， 和 相的成分分別沿MF線和NG線變化， 的重量增加。 MNQ =(4GFG) 100%成分大于 N點合金結晶過程與合金相似,室溫組織為 + 。4010%Sn有限固溶體合金的冷卻曲線及組織41(2)共晶合金(合金)的結晶過程分析 含61.9%Sn的PbSn液態(tài)合金冷卻到E 點時同時被Pb和Sn飽和, 在恒溫下發(fā)生共晶反應：LE M+N 。析出過程中兩相相間形核、互相促進、共同長大，因而共晶組織較細,其形態(tài)呈片、棒、點球、針、螺旋等形狀。19.2wt%Sn溫度,

22、MN共晶合金的冷卻曲線及室溫下的組織.42在共晶轉變過程中，L、 、 三相共存, 三個相的量在不斷變化，但它們各自成分是固定的。 共晶組織中的相稱共晶相.共晶轉變結束時， 和 相的相對重量百分比為： 19.2wt%Sn溫度, MN43共晶結束后，隨溫度下降， 和 的成分分別沿MF線和NG線變化，并從共晶 中析出 ，從共晶 中析出 ，由于共晶組織細, 與共晶結合， 與共晶 結合，共晶合金的室溫組織仍為 ( + ) 共晶體。室溫下兩相的相對重量百分比是多少？44 (3)亞共晶合金(合金)的結晶過程 合金液體在2點以前為勻晶轉變。冷卻到2點，固相成分變化到M點，液相成分變化到E點, 此時兩相的相對重

23、量為：MN45在2點，具有E點成分的剩余液體發(fā)生共晶反應： LE(M+N)，轉變?yōu)楣簿ЫM織，共晶體的重量與轉變前的液相重量相等, 即QE =QL 反應結束后，在共晶溫度下、 兩相的相對重量百分比為： MN46溫度繼續(xù)下降，將從一次 和共晶 中析出，從共晶 中析出。其室溫組織為+ (+) + 。亞共晶合金的冷卻曲線及組織黑是黑白相間+黑內可見白點相間47 (4) 過共晶合金結晶過程 與亞共晶合金相似, 不同的是一次相為 , 二次相為 室溫組織為+(+)+.483、組織組分在相圖上的標注 49組織組分是指組成合金顯微組織的獨立部分。和, 和,共晶體(+)都是組織組分。 相與相之間的差別主要在結構和

24、成分上。組織組分之間的差別主要在形態(tài)上。如 、 和共晶 的結構成分相同，屬同一個相，但它們的形態(tài)不同，分屬不同的組織組分。 將組織組分標注在相圖中，可使所標注的組織與顯微鏡下觀察到的組織一致。它們的相對重量可用杠桿定律進行分析。50 （三）二元包晶相圖當兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生包晶反應時所構成的相圖稱作包晶相圖。合金冷卻至某一定溫度，已結晶出的一定成分的固相和它周圍未結晶的液相生成另一新的固相稱包晶轉變或包晶反應。如Pt-Ag（鉑、銀）Sn-Sb、Ag-Sn、Cu-Zn、Fe-C合金等都含有包晶相圖。51L+ L+ L + 1、 相圖分析（以Pt-Ag合金相圖為例）A、

25、B點為純鉑、純銀的熔點。P點為（銀在鉑中）的最大溶解度點，也是包晶轉變時相的平衡成分點。D點是包晶點，合金在恒溫1186時發(fā)生包晶轉變 。 D點：也是（鉑在銀中）的最大溶解度點。C點：是包晶轉變時，液相的平衡成分點。E、F點：分別為室溫時，的溶解度。ACB線：是液相線；APDB線：是固相線；PDC線：是包晶反應線；PC之間的合金，在恒溫1186時都發(fā)生包晶轉變； PE、DF線：分別為、的溶解度曲線。單相區(qū)：L、 二相區(qū)：L+、 L+、+ 三相區(qū)：L+ （水平線PDC）EFABCDP鉑銀522、典型合金的平衡結晶過程兩端部結晶過程與共晶相圖一樣；而合金I、II、III都與包晶線PDC相交，結晶時

26、先發(fā)生勻晶轉變，在TD溫度時發(fā)生包晶轉變。 由于它們在發(fā)生包晶轉變前L%和 %的相對量不同，因此在包晶反應后合金“I”得到100%包晶產物 包。合金“II”為 包+ 剩合金“III”為。 包+ L剩53因為包晶轉變的產物是在反應相L和的界面處形成，它是通過消耗L和來長大，當L或的量過多時，就會有剩余；因合金III的L%合金I的L%，所以有L剩余，合金 II的 %合金I的 %，所以有剩余，在包晶轉變結束后，合金 I 的成分沿DF變化析出次生相 ，室溫組織為包 + 。合金III的成分分別沿CB和DB變化，發(fā)生勻晶轉變在液相消失后，得到單相的 ，當它與DF線相交時，從 ，室溫組織為 + 。合金II的

27、成分分別沿PE和DF變化，從 ，從包 室溫組織為 。543、包晶偏析 包晶轉變時，一旦新相將舊的固相包圍，轉變就受控于原子在新相中的擴散，而固相中原子擴散要比液相中更加困難，所以包晶轉變速度非常緩慢。合金在實際冷卻過程中冷卻速度較快，這就使得上述擴散過程不能夠充分進行，使本應完全消失的初生相部分地被保留下來，剩余的液相則在隨后的冷卻過程中發(fā)生勻晶轉變結晶出 相，最終形成的相的成分極不均勻。這種由于包晶轉變不能充分進行而產生的化學成分不均勻現(xiàn)象稱為包晶偏析。 包晶偏析在一些包晶轉變溫度較低的合金中最易出現(xiàn)，而在轉變溫度很高時(如FeFe3C合金中的包晶轉變)，由于原子擴散較快，包晶轉變則有可能充分進行。 當金屬結晶后出現(xiàn)包晶偏析時，可通過長時間的擴散退火來減少或消除。55（四） 形成穩(wěn)定化合物的二元合金相圖穩(wěn)定化合物：具有一定的熔點，在熔化前不分解也不產生任何化學反應的化合物，它可以是成分一定的，也可以是具有一定成分范圍的化合物，如圖在Mg-Si相圖中，當Si為36.6%時，Mg與Si形