工程材料-合金的相結(jié)構(gòu)和二元合金相圖課件

第四章

合金的相結(jié)構(gòu)和二元合金相圖

1、有關(guān)概念:合金、組元、合金系、相、組織2、合金的相結(jié)構(gòu)3、二元合金相圖4、合金性能與相圖的關(guān)系基本要求：1、掌握有關(guān)概念和組成合金的基本相結(jié)構(gòu)2、學會分析相圖

主要內(nèi)容：

3、會分析典型合金的結(jié)晶過程4、會運用杠桿定律進行計算5、了解合金性能與相圖的粗略關(guān)系6、熟悉合金組織的概念

引言1、【合金】

由一種金屬組元和另外的金屬、非金屬或化合物組元組成的、具有金屬特性的物質(zhì)。如：鋼、銅合金、鋁合金等

2、【組元】

組成合金的最基本的、獨立存在的物質(zhì)。一般合金的組元是組成合金的元素。例：鋼的組元：Fe、C、Mn、Cm

二元合金、三元合金、多元合金

3、【成分】

指合金系中各組元的重量相對含量。有重量百分比(wt%)、原子百分比(at%)、體積百分比等，一般用重量百分比.

例：45鋼，含0.45%C，其余主要是Fe。

4、【合金系】

指由給定組元按不同比例配制的一系列成分不同的合金。例如：Fe—C合金系

5、【相】指材料中成分、結(jié)構(gòu)、性能相同并有界面與其他部分隔開的均勻組成部分。

6、【合金的組織】

指組成合金的各個相的大小、形態(tài)、數(shù)量、分布的總稱?？梢允怯梢粋€或幾個相組成；多個相按一定方式排列、組合而成稱為機械混合物。鋼鑄造鋁合金第一節(jié)合金的相結(jié)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)、性能以及形成條件，將合金中的相分為：固溶體和化合物。一、固溶體

1、定義：溶質(zhì)元素的原子均勻地溶入溶劑元素的晶格中所形成的單相固體。

2、按位置分類固溶體

【置換式】溶質(zhì)原子取代一部分溶劑原子，占據(jù)溶劑原子晶格中某些結(jié)點位置所形成的固溶體。

【間隙式】溶質(zhì)原子不占據(jù)溶劑晶格結(jié)點位置而是填嵌在溶劑原子之間所形成的固溶體。固溶體類型ZXY間隙原子間隙固溶體置換固溶體置換原子YXZ

3、固溶體特點

1）晶格同溶劑；

2）成分不固定：T↑→溶解度↑；

3）晶格畸變；4）性能——固溶強化：強度和硬度提高的現(xiàn)象正常晶格晶格畸變二、金屬化合物

1、定義：合金元素之間相互作用形成的具有金屬特性的新相（AmBn）。新相的結(jié)構(gòu)與組元的不相同。

2、常見金屬化合物

1）正常價化合物受化合價規(guī)律制約形成。例：Mg2Si、SiC

2）電子化合物：受電子濃度規(guī)律制約形成。

C電＝化合物中價電子數(shù)／化合物中原子總數(shù)例：Cu3Al：C電＝(1＊3+3＊1)/(3+1)=3/2

3）間隙化合物：受原子尺寸大小制約形成。間隙相：例VC、TiC

復雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物：例Fe3C、Cr23C6

▲合金中間隙化合物的合理存在可有效的提高合金的使用性能。三類金屬化合物的比較正常價化合物電子化合物間隙化合物間隙相間隙化合物形成條件電化學性差別不大時形成取決于電子濃度rm/

Rx<0.59rm/

Rx>0.59成分固定不固定不固定不固定晶胞復雜由C電決定簡單復雜性能硬、脆較硬、脆很硬、脆極硬、脆舉例Mg2SiCu3AlVCFe3C三、合金的組織

1、基體——多為單質(zhì)金屬或固溶體

2、強化相——多為金屬化合物。例：基體：F(88%)HB=80強化相：Cm(12%)HB=800T83、改善合金性能的思路：

改變強化相的大小、數(shù)量形態(tài)、分布

得到不同的合金組織具有不同性能滿足不同的使用要求第二節(jié)二元合金相圖

相圖：是描述合金“成分、溫度、組織”三者平衡關(guān)系的簡明圖解。平衡：指在一定條件下合金系中參與相變過程的各相的成分和相對重量不再變化所達到的一種狀態(tài)。

二元相圖：指的只有兩組元合金系的相圖。

三元相圖：三組元合金系的相圖。本節(jié)討論三個問題：

1、相圖是如何建造的?2、如何識別相圖?3、相圖有什么用途？

1、建立坐標（T℃－合金系成分）

2、配制典型合金如：合金1－[100%Cu+0%Ni]

合金2－[80%Cu+20%Ni]……

合金n－[0%Cu+100%Ni]

3、測各典型合金的冷卻曲線－找出“變態(tài)點”

4、在坐標上標出各變態(tài)點的位置

5、將意義相同的點連接起來一、相圖的建造（以Cu－Ni合金為例）時間溫度℃

tBCuNitA80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni100%Cu80100%Ni604020LαL+α二、勻晶相圖

兩組元在液態(tài)、固態(tài)下均可無限互溶的二元合金系所形成勻晶相圖。例Cu－Ni、Au－Ag等

1、相圖分析

CuNiNi%LL+

αα

1083℃1455℃點：線：液相線固相線；區(qū)：單相區(qū)：L、α

雙相區(qū)：L＋α2、合金的結(jié)晶過程

3、杠桿定律

1）確定在給定溫度下平衡兩相區(qū)中各相的成分；

2）計算在給定溫度下某一成分合金在平衡兩相區(qū)中各相的相對重量。

設(shè)下圖K成分合金總重量為Q，溫度T時液相重QL，成分為X‘；固相重Qα成分為X“。則有Q=QL+Qα

（1）

Q·X=QL·X‘+Qα·X“（2）（1）--（2）聯(lián)立解得QLQax’kx’’x’kkx’’x’x’’x’x’’kkkNiNi%溫度CuAB圖4-9杠桿定律的證明及比喻液相相對重量為：QL/Q(％)=X"K/X"X＇×100%固相相對重量為：Qα/Q(%)=KX＇/X"X＇×100%舉例：成分為60％Ni(40%Cu)合金500℃時各相相對重量如何？4、相圖應(yīng)用

分析結(jié)晶過程、確定合金的組織狀態(tài)、相組成和成分、各相的相對重量；預測材料性能；指導和制定熱加工工藝。

5、枝晶偏析的產(chǎn)生與消除

【平衡結(jié)晶】冷卻極其緩慢，原子擴散得以充分進行。

【不平衡結(jié)晶】冷卻速度較快（一般工業(yè)生產(chǎn)冷速），原子擴散過程不能充分進行，此時將會合金化學成分的不均勻——即偏析。

【枝晶偏析】指晶粒內(nèi)部化學成分分布不均勻的現(xiàn)象，因結(jié)晶呈樹枝狀，又稱枝晶偏析。偏析的危害：耐蝕性、機械性能↓偏析的消除：出現(xiàn)枝晶偏析后，可通過擴散退火予以消除。一般采用將鑄件加熱到低于固相線100～200℃的溫度，進行長時間保溫，使偏析元素進行充分擴散，成分均勻化。三、共晶相圖

液態(tài)無限互溶，固態(tài)有限互溶，并發(fā)生共晶反應(yīng)的二元合金系形成的相圖。例：Ag－Cu、Al－Cu、Pb－Sb等合金相圖

（一）相圖分析

1、點：A、B、C、D、E、F、G2、線：液相線、固相線、固溶線，共晶線

CF：Sb在Pb中的溶解度曲線

DG：Pb在Sb中的溶解度曲線3、共晶點與共晶反應(yīng)：

1）共晶轉(zhuǎn)變：在一定的溫度下，由成分一定的液相，同時結(jié)晶出成分一定的兩個固相的轉(zhuǎn)變過程。LETE(α+β)共

3）共晶組織：即共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，為兩相的機械混合物，也稱共晶體。

2）共晶（E）點：α、β相共同結(jié)晶時的溫度和成分點。共晶體形態(tài)片狀粒狀桿狀4、單相區(qū)：L、α、β

雙相區(qū)：L+α、L+β、α＋β

4)共晶反應(yīng)線(CED):

只有具有E點成分的合金才能發(fā)生共晶反應(yīng),但是在CED成分范圍內(nèi)的合金結(jié)晶時都存在共晶反應(yīng).CE——亞共晶

E——共晶

ED——過共晶（二）典型合金的結(jié)晶過程1、合金1的結(jié)晶過程：(含Sb量≤3.5%）

結(jié)晶過程：L→L+α→α→α＋βⅡ

室溫時組織：α＋βⅡ

相組成：α＋β

各相相對重量：fg4αβα=4g/fg×100%β=f4/fg×100%組織相對重量：α=4g/fg×100%βⅡ=f4/fg×100%

2、共晶合金2的結(jié)晶過程：

E點以上：液相L；

E點溫度：全部轉(zhuǎn)變?yōu)椋é?β）共晶；

E點以下：同上室溫組織：（α+β）共晶相組成：α+β

各相相對量：fgE’αβα=E’g/fg×100%β=fE’/fg×100%組織相對量：

3、亞共晶合金3的結(jié)晶過程：

結(jié)晶過程：室溫組織：α+βⅡ

＋（α+β）共晶相組成：α+β

組織相對量：CE2（α+β）共晶α+βⅡα+βⅡ=C2/CE×100%（α+β）共晶=2E/CE×100%

4、過共晶合金4的結(jié)晶過程：

結(jié)晶過程：室溫組織：β+αⅡ

＋（α+β）共晶相組成：α+β

組織相對量：相相對量：5、室溫下的顯微組織

（三）共晶相圖特例ABAB四、包晶相圖（略）五、形成化合物的相圖

1、舉例

ABθ

AmBn2、舉例六、共析相圖

溫度LL+α

α

a1a2b1b2ABB%β1+β2

β1β2dceα+β1α+β2

1、相圖特點：[勻晶相圖＋共析相圖]2、共析反應(yīng)：α→（β1+β2）共析

3、相圖分析：

4、共析轉(zhuǎn)變（與共晶轉(zhuǎn)變相比）屬固態(tài)轉(zhuǎn)變，因而具有固態(tài)轉(zhuǎn)變的特點：

(1)所需過冷度大；

(2)新舊相比容不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)生較高內(nèi)應(yīng)力；

(3)不均勻形核。七、合金性能與相圖的關(guān)系

1、使用性能與相圖

單相固溶體合金：

與溶劑金屬比，隨溶質(zhì)元素量的增加，其強度、硬度和電阻率升高，而電阻溫度系數(shù)降低，并在某一成分下達到最大或最小值。ABB%→LL+αα

溫度強度硬度電阻電阻電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)

兩相混合物合金：其物理、機械性能隨成分呈直線變化?？梢园唇M成相性能依百分比含量的關(guān)系疊加——混合法則例：某合金含70%α和30%β，又αHB＝200，

βHB＝500

則合金HB=200×0.7+500×0.3=290共析（共晶）組織合金：比一般兩相混合物合金具有較高的機械性能以化合物為基體的合金：無工程應(yīng)用價值強度溫度ABB%→電阻電阻電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)

2、工藝性能與相圖

①鑄造性能——流動性、收縮性、偏析傾向垂直溫差↓