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(xué)會(huì)分析相圖

主要內(nèi)容：

3、會(huì)分析典型合金的結(jié)晶過(guò)程4、會(huì)運(yùn)用杠桿定律進(jìn)行計(jì)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(dú)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(duì)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(kāi)的均勻組成部分。

6、【合金的組織】

指組成合金的各個(gè)相的大小、形態(tài)、數(shù)量、分布的總稱?？梢允怯梢粋€(gè)或幾個(gè)相組成；多個(gè)相按一定方式排列、組合而成稱為機(jī)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)

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(qiáng)化：強(qiáng)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(jiàn)金屬化合物

1）正常價(jià)化合物受化合價(jià)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(jià)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(fù)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(jià)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(xué)性差別不大時(shí)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(fù)雜由C電決定簡(jiǎn)單復(fù)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(qiáng)化相——多為金屬化合物。例：基體：F(88%)HB=80強(qiáng)化相：Cm(12%)HB=800T83、改善合金性能的思路：

改變強(qiáng)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(jiǎn)明圖解。平衡：指在一定條件下合金系中參與相變過(guò)程的各相的成分和相對(duì)重量不再變化所達(dá)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(gè)問(wèn)題：

1、相圖是如何建造的?2、如何識(shí)別相圖?3、相圖有什么用途？

1、建立坐標(biāo)（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(cè)各典型合金的冷卻曲線－找出“變態(tài)點(diǎn)”

4、在坐標(biāo)上標(biāo)出各變態(tài)點(diǎn)的位置

5、將意義相同的點(diǎn)連接起來(lái)一、相圖的建造（以Cu－Ni合金為例）時(shí)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(wú)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(diǎn)：線：液相線固相線；區(qū)：?jiǎn)蜗鄥^(qū)：L、α

雙相區(qū)：L＋α2、合金的結(jié)晶過(guò)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(jì)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(duì)重量。

設(shè)下圖K成分合金總重量為Q，溫度T時(shí)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(duì)重量為：QL/Q(％)=X"K/X"X＇×100%固相相對(duì)重量為：Qα/Q(%)=KX＇/X"X＇×100%舉例：成分為60％Ni(40%Cu)合金500℃時(shí)各相相對(duì)重量如何？4、相圖應(yīng)用

分析結(jié)晶過(guò)程、確定合金的組織狀態(tài)、相組成和成分、各相的相對(duì)重量；預(yù)測(cè)材料性能；指導(dǎo)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(kuò)散得以充分進(jìn)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(kuò)散過(guò)程不能充分進(jìn)行，此時(shí)將會(huì)合金化學(xué)成分的不均勻——即偏析。

【枝晶偏析】指晶粒內(nèi)部化學(xué)成分分布不均勻的現(xiàn)象，因結(jié)晶呈樹(shù)枝狀，又稱枝晶偏析。偏析的危害：耐蝕性、機(jī)械性能↓偏析的消除：出現(xiàn)枝晶偏析后，可通過(guò)擴(kuò)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(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間保溫，使偏析元素進(jìn)行充分?jǐn)U散，成分均勻化。三、共晶相圖

液態(tài)無(wú)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(diǎn)：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(diǎn)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(shí)結(jié)晶出成分一定的兩個(gè)固相的轉(zhuǎn)變過(guò)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(jī)械混合物，也稱共晶體。

2）共晶（E）點(diǎn)：α、β相共同結(jié)晶時(shí)的溫度和成分點(diǎn)。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(diǎn)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(shí)都存在共晶反應(yīng).CE——亞共晶

E——共晶

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

結(jié)晶過(guò)程：L→L+α→α→α＋βⅡ

室溫時(shí)組織：α＋βⅡ

相組成：α＋β

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

2、共晶合金2的結(jié)晶過(guò)程：

E點(diǎn)以上：液相L；

E點(diǎn)溫度：全部轉(zhuǎn)變?yōu)椋é?β）共晶；

E點(diǎn)以下：同上室溫組織：（α+β）共晶相組成：α+β

各相相對(duì)量：fgE’αβα=E’g/fg×100%β=fE’/fg×100%組織相對(duì)量：

3、亞共晶合金3的結(jié)晶過(guò)程：

結(jié)晶過(guò)程：室溫組織：α+βⅡ

＋（α+β）共晶相組成：α+β

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

4、過(guò)共晶合金4的結(jié)晶過(guò)程：

結(jié)晶過(guò)程：室溫組織：β+αⅡ

＋（α+β）共晶相組成：α+β

組織相對(duì)量：相相對(duì)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(diǎn)：[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(diǎn)：

(1)所需過(guò)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(qiáng)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(dá)到最大或最小值。ABB%→LL+αα

溫度強(qiáng)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(jī)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(jī)械性能以化合物為基體的合金：無(wú)工程應(yīng)用價(jià)值強(qiáng)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(dòng)性、收縮性、偏析傾向垂直溫差↓