吉林大學(xué)工程材料課件-第三章二元合金及其相圖(精)

吉林大學(xué)工程材料課件——第三章二元合金及其相圖(精)第一頁，共44頁。合金的概念由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金。三層含義：1。合金組成2。制備方法3。金屬特性

碳鋼和鑄鐵：Fe、C組成的合金

組元：組成合金最基本獨立的物質(zhì)（元素）

二元合金：二個組元。

三元合金：三個組元。第二頁，共44頁。純金屬—— 導(dǎo)電體、導(dǎo)熱體(散熱器)裝飾品、工藝美術(shù)品(化學(xué)穩(wěn)定性、美麗的光澤) 但： 力學(xué)性能差（σb↓）、品種有限（約80種）、提純成本高 合金材料——HB、σb↑，數(shù)量上萬種，生產(chǎn)成本低，∴廣為開發(fā)利用。 1、合金——金屬元素+幾種其它元素、具有金屬性幾個基本概念：2、成分——合金中各種元素的含量，稱為成分3、組元——組成合金的最簡單，最基本，能夠獨立存

在的物質(zhì)。

(比如純元素)4、合金系——由兩個或兩個以上組元按不同比例配制成的一系列不同成份的合金。第三頁，共44頁?！?-1固態(tài)合金相的種類及特點對于合金：L冷卻→S晶時，各區(qū)域間成份、結(jié)構(gòu)相：在金屬或合金中凡是具有相同成分、相同結(jié)構(gòu)并與其他部分有界面分開的，均勻的組成部分，稱之為相。完全一致→相的概念不完全一致但注意：多晶體可以是單相相可分為兩大類：即“固溶體”和“化合物”組織：由相組成的，是由于組成相的種類、相對數(shù)量、晶粒形狀、大小及分布形態(tài)等的不同，而分別具有不同形貌特征的相的組合物。第四頁，共44頁。一、固溶體固溶體的晶格結(jié)構(gòu)類型與溶劑金屬組元的晶格相同。定義：在固態(tài)下，溶質(zhì)原子以不同方式進入固態(tài)金屬溶

劑組元的晶格中，這樣所形成的新相稱為固溶體。（一）、固溶體晶體結(jié)構(gòu)特點（二）、固溶體分類及特性根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中占據(jù)位置的不同，固溶體可分為兩類：即和。置換固溶體間隙固溶體1、置換固溶體

是指溶質(zhì)原子置換溶劑晶格結(jié)點上的溶劑原子而形成的固溶體。（原子直徑相近時形成）根據(jù)溶質(zhì)原子分布位置可分為：無序固溶體和有序固溶體第五頁，共44頁。（1）、無序固溶體：溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的呈分布。（多數(shù)）（2）、有序固溶體：溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的呈

分布。（為數(shù)不多）有規(guī)律無規(guī)律2、間隙固溶體

是指溶質(zhì)原子進入溶劑晶格間隙而形成的固溶體。（原子直徑相差很大。）間隙固溶體只能形成無序固溶體第六頁，共44頁。在一定溫度及壓力下，溶質(zhì)元素在固溶體中的極限濃度。（三）、固溶體的溶解度及其影響素1、溶解度：溶解度在0～100%間可以任意改變的固溶體。（1）、無限固溶體：只能是置換式固溶體在溶質(zhì)與溶劑原子尺寸差別較小且晶格類型相同時產(chǎn)生。形成條件：溶解度有限的固溶體。（2）有限固溶體：置換式固溶體，可以形成無限固溶體。

間隙式固溶體，只能形成有限固溶體而不能形成無限固溶體。第七頁，共44頁。由于組元間原子大小不同，所以溶質(zhì)溶入將導(dǎo)致溶劑的晶格畸變。因為間隙固溶體中溶質(zhì)原子,都比溶劑晶格間隙尺寸大，所以隨著溶質(zhì)原子溶入量的增加，固溶體晶格將產(chǎn)生嚴重的正畸變，溶質(zhì)原子溶入一定數(shù)量以后便不可能繼續(xù)溶入，所以造成有限的溶解度，并且溶解度也不可能很大。主要原因：間隙固溶體中的晶格畸變2、溶解度影響因素組元間晶格類型相同，溶解度較大。（1）晶體結(jié)構(gòu)因素：對于置換固溶體，組元間晶格類型相同是形成無限固溶體的必要條件。晶格類型不同，溶解度有限。（2）原子大小因素：第八頁，共44頁。置換固溶體的晶格畸變原子尺寸差別越小溶解度越大。當(dāng)差別小到一定程度，就可能產(chǎn)生無限固溶體。若差別較大，則只能形成有限固溶體。對置換固溶體：溶質(zhì)原子直徑越小，溶解度越大。對間隙固溶體：是指元素的原子從其它原子奪取電子而轉(zhuǎn)變?yōu)樨撾x子的能力。（3）電負性因素：電負性因素：

溶質(zhì)、溶劑的電負性越接近溶解度越大。越有利于形成無限固溶體。當(dāng)元素間的電負性的差別大到一定程度后，就難于形成固溶體，而傾向于形成化合物。第九頁，共44頁。

通過向溶劑金屬中溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，而使固溶體合金強度、硬度升高的現(xiàn)象，（四）、固溶強化固溶強化。溶質(zhì)溶入—→晶格畸變—→位錯運動阻力增加—→金屬塑性變形困難（抗力↑）—→高強度、硬度（能量↑—→其他性能↓）。1、產(chǎn)生固溶強化的原因：間隙式固溶體的晶格畸變大—→固溶強化效果明顯。2、固溶強化效果：化合物——合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種新相。當(dāng)溶質(zhì)含量＞溶解度時，將出現(xiàn)新相化合物分類金屬化合物——具有一定程度金屬鍵，有金屬特性非金屬化合物——具有離子鍵，無金屬特性第十頁，共44頁。二、金屬化合物具有相當(dāng)程度的金屬鍵并具有一定程度的金屬性質(zhì)的化合物。金屬化合物：

晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熔點高、硬度高、脆性大。一般只用作強化相

金屬化合物的晶格結(jié)構(gòu)類型不同于任一組元（可用分子式大致表示）（一）、金屬化合物晶體結(jié)構(gòu)特點（二）、金屬化合物的特性（三）、金屬化合物的種類及其特征常見三種類型：正常價化合物、電子化合物、間隙化合物）第十一頁，共44頁。

1、正常價化合物：符合一般原子價規(guī)律、成分固定可用化學(xué)分子式表達。通常由強金屬性的元素與非金屬或類金屬元素（如IV、V、VI族）形成。如：Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb

原子結(jié)合力：以離子鍵、共價鍵為主

性能：具有很高的硬度和脆性。

2、電子化合物：服從電子濃度規(guī)律(不遵守原子價規(guī)律）電子濃度達到某一數(shù)值，便形成具有某種晶格結(jié)構(gòu)的化合物。電子濃度（Ce):在合金相中，組元所貢獻的價電子數(shù)目之和與合金相的原子數(shù)目之比值。例：CuZn電子濃度：統(tǒng)計結(jié)果表明：Ce=21/14為β相，體心立方晶格。Ce=21/13為γ相，復(fù)雜立方晶格。Ce=21/12為ε相，密排六方晶格。第十二頁，共44頁。（三）間隙化合物

（主導(dǎo)因素為原子尺寸）由過渡族金屬元素與原子半徑較小的碳、氮、硼等非金屬元素所形成。

間隙相：d非/d金<0.59間隙化合物

具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物：d非/d金>0.59根據(jù)原子直徑比和結(jié)構(gòu)特點，分為兩類：三、固溶體同化合物晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)別固溶體的晶格結(jié)構(gòu)類型與溶劑組元的晶格相同。化合物的晶格結(jié)構(gòu)類型與任一組元的晶格不同。第十三頁，共44頁?！?-2二元合金相圖是表示合金系中合金在平衡條件下各相的存在狀態(tài)與溫度、成分間關(guān)系的圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖。相圖：在合金系中，參與結(jié)晶或相轉(zhuǎn)變過程中的各相之間相對重量和相的濃度不再改變時所達到的一種平衡。相平衡：L合金S合金單相，雙相，多相一、二元合金的結(jié)晶分析及相圖的建立最常采用的熱分析法，以Cu-Ni合金為例說明測定二元相圖的步驟如下：所以，相圖上相及組織，都是在十分緩慢冷卻條件下獲得的。第十四頁，共44頁。1、配制合金系，熔化；2、測冷卻曲線確定臨界點3.畫溫度-成分坐標(biāo)標(biāo)定臨界點4.具有相同意義的點連線0205080100Cu%1008050200Ni%時間時間100%Cu20%Ni50%Ni80%Ni100%Ni溫度℃1500

1400130012001100溫度℃

溫度℃

1083℃1180℃1130℃1245℃1325℃1370℃1410℃LLα+αABCu1030507090NiNi(%)1453℃第十五頁，共44頁。二、二元合金相圖的基本類型（一）勻晶相圖：兩組元在液態(tài)、固態(tài)均無限互溶的二元合金系所形成的相圖。（如Cu-NiCu-AuAu-AgFe-Ni等）a、b：純組元A、B的熔點液相線：acb固相線：adb兩個單相區(qū)：L、α一個兩相區(qū)：L+α1、相圖分析第十六頁，共44頁。2、平衡結(jié)晶過程分析第十七頁，共44頁。計算某一成分的合金處于兩相平衡時在某溫度下，合金中兩個相的相對含量。3、二元相圖的杠桿定律①、杠桿定律的推導(dǎo)：設(shè)合金總重為1；液相與合金總重之比為QL;固相與合金總重之比為Qα。則可得方程組：QL+Qα=1(1)QLX1+QαX2=X(2)解方程組得：化簡為線段比：X－X1Qα=

————X2－

X1X2－XQL=1－

Qα=————X2－

X1第十八頁，共44頁。②、應(yīng)用條件（在二元相圖中）A、只能在兩相區(qū)對“相”的相對含量計算B、必須是兩相處于平衡狀態(tài)4、枝晶偏析可以采用擴散退火或均勻化退火工藝予以消除。即加熱到固相線－100～200℃，長時間保溫，使偏析充分擴散，達到成份均勻。先后結(jié)晶的樹枝狀晶體內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象。第十九頁，共44頁。（二）二元共晶相圖：二組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)僅有限互溶并能發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的二元相圖。（如：Pb-SnPb-SbAl-SiAg-Cu等）1、相圖分析a、b：純組元A、B的熔點。液相線：acb固相線：adceb固溶線：df、eg兩種固溶體：α、β三個單相區(qū)：L、α、β三個兩相區(qū)：（L+α)、（L+β)、(α+β）一個三相區(qū)：L+α+β三相平衡水平線：dce第二十頁，共44頁。溫度固定、三相成分固定，在相圖中表現(xiàn)為水平線。共晶反應(yīng)：在一定溫度下，由一定成分的液相同時結(jié)晶出成分一定且不相同的兩個固相的轉(zhuǎn)變，稱為共晶轉(zhuǎn)變（或共晶反應(yīng)）。反應(yīng)式為：Lctcαd+βe反應(yīng)特征：共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱為共晶組織(體)。C點為共晶點

（共晶成分、共晶溫度）c成分的合金稱為dc間成分的合金成為ce間成分的合金稱為共晶合金亞共晶合金，過共晶合金。第二十一頁，共44頁。2、典型合金的平衡結(jié)晶過程1）、共晶合金——成分為c，見圖中的I合金。次生相（二次相）：因溶解度減少，由已有的固相中

析出的新相小晶體。室溫下的相：α、β；室溫下的組織：(α＋β)共晶體第二十二頁，共44頁。室溫下的相：α相、β相；

室溫下的組織：（α＋β）共晶體、β初、αII室溫下的相：α相、β相；

室溫下的組織：（α＋β）共晶體、α初、βII2）、亞共晶和過共晶合金亞共晶：d、c點之間的合金。（圖中II）過共晶：e、c點之間的合金。（圖中III）

β初αIIβ初β初β初第二十三頁，共44頁。3）、邊際固溶體合金<d，>e的合金室溫下的相：α相、β相；

室溫下的組織：

α

初、βII特別注意：雖然只有在共晶點（共晶溫度、共晶成分）才發(fā)生共晶反應(yīng)，但是在de水平線所包含成分范圍內(nèi)的所有成分合金在從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變過程中在共晶溫度，都要發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。這時其液態(tài)合金的成分已沿著液相線轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿С煞至?。第二十四頁，?4頁。3、具有共晶相圖的Pb-Sn二元合金的典型平衡組織共晶合金亞共晶合金過共晶合金第二十五頁，共44頁。4、關(guān)于相和組織的概念相：在金屬或合金中凡是具有相同成分、相同結(jié)構(gòu)并與其他部分有界面分開的，均勻的組成部分，稱之為相。組織：金屬和合金的組織是由相組成的，是由于組成相的種類、相對數(shù)量、晶粒形狀、大小及分布形態(tài)等的不同，而分別具有不同形貌特征的相的組合物。顯微組織：借助于各種不同放大倍數(shù)的金相顯微鏡所觀察到的金屬和合金中的晶粒形狀、大小及各組成相的分布形態(tài)等形貌，稱為顯微組織或金相組織（簡稱金相）。第二十六頁，共44頁。圖3-22由相所構(gòu)成的不同組織的示意圖固溶體：α、β；金屬化合物：θ、η第二十七頁，共44頁。5、杠桿定律的應(yīng)用1)計算（f、g）成分范圍內(nèi)，任意成分二元合金室溫下相組成物的相對量（重量百分數(shù)）。圖中I合金室溫下為α、β兩相應(yīng)用杠桿定律可得：第二十八頁，共44頁。5、杠桿定律的應(yīng)用

2）計算亞共晶合金（或過共晶合金）室溫下組織組成物的相對量（重量百分數(shù)）。該合金室溫時的組織組成物為：α初+βII+(α+β)αdLcα初βIIα＋βαdα＋β共晶溫度第二十九頁，共44頁。（三）二元包晶相圖：二組元在液態(tài)下無限互溶，在固態(tài)下生成有限固溶體，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的相圖稱為包晶相圖。1、相圖分析液相線：aeb

固相線：acdbcf、dg線：分別是B組元在α固溶體和A組元在β固溶體中的溶解度曲線。包晶線：水平線cde；

d為包晶點。包晶轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，成分一定的固相與包圍它的液相相互作用而轉(zhuǎn)變?yōu)槌煞忠欢ǖ男碌墓滔嗟霓D(zhuǎn)變稱為包晶轉(zhuǎn)變（或包晶反應(yīng)）。反應(yīng)式：Le+αcβdtd相圖中還有三個單相區(qū)：α、β、L

三個兩相區(qū)：L+α、L+β、α+β第三十頁，共44頁。2、典型合金的平衡結(jié)晶及組織1）I合金（d點成分）室溫相組成物為：α、β室溫組織組成物為：β+αIILLLLLII時間溫度1dd’L+II第三十一頁，共44頁。2）II合金（c、d之間）室溫相組成物為：α、β室溫組織組成物為：α+βII+β+αIILLLLLIIII1mm’時間溫度L+/II/II第三十二頁，共44頁。3）III合金室溫相組成物為：β室溫組織組成物為：βLLLLL時間溫度1nn’L+L第三十三頁，共44頁。（四）其它類型的二元相圖1、形成穩(wěn)定化合物的二元相圖穩(wěn)定化合物：在熔化前既不分解，也不產(chǎn)生任何化學(xué)反應(yīng)的化合物稱為穩(wěn)定化合物。穩(wěn)定化合物可視為該合金中的一個組元。通常它們具有嚴格的成分，固定熔點，在相圖中可用一根垂線表示。。第三十四頁，共44頁。2、二元共析相圖高溫形成的固溶體，在冷卻至某一溫度時，固溶體又將發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成兩種成分一定且不相同的新的固相。這種相圖稱為二元共析相圖。共析轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，由成分一定的固相同時析出兩種成分一定且不相同的新固相的轉(zhuǎn)變，稱為共析轉(zhuǎn)變（或共析反應(yīng)）。cd+e恒溫第三十五頁，共44頁。LL＋+時間溫度LL(+)1231233’共析轉(zhuǎn)變示意圖第三十六頁，共44頁。(五)二元合金相圖小節(jié)1、兩個單相區(qū)只能相鄰于一點，而不能相鄰于一條線3、三相平衡共存時，必定是