合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1

第2章合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1內(nèi)容簡介本章介紹合金相結(jié)構(gòu)和組織的根本概念、二元合金相圖的建立過程和分析相圖的根本方法，以及二元相圖與合金性能之間帶規(guī)律性的一些關(guān)系。重點掌握合金相結(jié)構(gòu)，并學(xué)會分析二元合金相圖。2關(guān)于合金的根本概念合金：一種金屬元素同另一種或幾種元素(k可以是金屬，也可以是非金屬),通過熔化或其它方法結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金的獨立的、最根本的單元。組元可以是金屬、非金屬元素或穩(wěn)定化合物合金系：由給定組元配制成一系列成分不同的合金組成的一個系統(tǒng)。3相：在金屬或合金中，凡具有相同的化學(xué)成分、相同的晶體結(jié)構(gòu)并以界面相互分開的均勻組成局部。液態(tài)物質(zhì)為液相，固態(tài)物質(zhì)為固相。固態(tài)合金中兩類根本相：固溶體和金屬化合物合金的相狀態(tài)：合金在一定條件下的相組成情況，包括相的種類和相對量。4組織：在顯微鏡下所觀察到的，具有一定大小、形狀和分布的金屬內(nèi)部的微觀形貌。在金屬或合金中，由于形成的條件不同，各種相將以不同的數(shù)量、形狀、大小相互結(jié)合，因此，在顯微鏡下，可以看到金屬或合金具有各種不同的組織。合金的組織狀態(tài)：合金在一定條件下，由哪幾個組織組成，以及它們的相對量。5相和組織的比較假設(shè)：紅色、藍(lán)色分別表示不同的兩個相62.1合金的結(jié)構(gòu)固態(tài)合金的相，分成兩大類：固溶體：相的晶體結(jié)構(gòu)與某一組成元素的晶體結(jié)構(gòu)相同金屬化合物：相的晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同7

一、固溶體

固態(tài)下互相溶解所形成的物質(zhì)固溶體概念

合金組元通過溶解形成成分和性能均勻的、結(jié)構(gòu)上與組元之一相同的固相。如，F(xiàn)e(C)固溶體。8固溶體的分類按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置分：置換固溶體與間隙固溶體按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度分：有限固溶體和無限固溶體按溶質(zhì)原子在固溶體中分布是否有規(guī)律分：無序固溶體和有序固溶體91、置換固溶體(substitutionalsolidsolution)溶劑原子被溶質(zhì)原子所置換102、間隙固溶體〔interstitialsolidsolution〕溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格的間隙而形成的固溶體晶格畸變〔latticedistortion〕

由于溶質(zhì)原子的介入，原子的排列規(guī)律受到局部的破壞，使晶格發(fā)生扭曲變形。晶體結(jié)構(gòu)類型1112溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，變形抗力增大，金屬的強(qiáng)度及硬度升高的現(xiàn)象------固溶強(qiáng)化13間隙固溶體的特點溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙所形成的固溶體，其溶解度有限。形成條件：只有溶質(zhì)原子與溶劑原子的直徑之比小于0.59時，才會形成間隙固溶體通常，由原子直徑很小的碳、氮、氫、硼、氧等非金屬元素溶入過渡族金屬元素的晶格間隙中而形成。14置換固溶體的特點溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格的某些結(jié)點位置而形成的固溶體。形成條件：溶劑與溶質(zhì)原子尺寸相近，直徑差異較小，容易形成置換固溶體。置換固溶體中原子的分布通常是任意的，稱之為無序固溶體。在某些條件下，原子成為有規(guī)那么的排列，稱為有序固溶體。15固溶體的溶解度濃度：溶質(zhì)原子在固溶體中所占的百分比溶解度：在一定條件下的極限濃度置換固溶體中，影響溶解度的因素有原子尺寸、晶格類型、電化學(xué)性質(zhì)以及電子濃度等。16間隙固溶體與置換固溶體的比較晶格畸變有限固溶與無限固溶固溶強(qiáng)化形成條件不同17按照溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的規(guī)律可分為：

(1)有序固溶體這種結(jié)合近似于化合物，可以用化學(xué)式子表示，如cuAu、Cu3Au、Fe3Al等。

有序化對合金的機(jī)械性能和物理性能有一定的影響，如提高合金的屈服強(qiáng)度和硬度，提高合金的導(dǎo)電性等。

(2)無序固溶體第18頁固溶體的晶體結(jié)構(gòu)特點保持溶劑金屬的晶體結(jié)構(gòu)類型；成分可以在或大或小的范圍內(nèi)變化；由于溶質(zhì)原子的參加，使晶格點陣發(fā)生畸變，周圍原子離開平衡位置，不可防止地引起溶劑晶格常數(shù)發(fā)生變化。19固溶體的性能固溶強(qiáng)化：通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象固溶強(qiáng)化原因：溶質(zhì)原子的溶入→晶格畸變及釘扎位錯→增大位錯運動的阻力，提高變形抗力，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。

固溶強(qiáng)化是金屬強(qiáng)化的一種重要形式。在溶質(zhì)含量適當(dāng)時，可顯著提高材料的強(qiáng)度和硬度，而塑性和韌性沒有明顯降低。202.金屬化合物金屬化合物：合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相,又稱中間相。一般可用分子式大致表示其組成。特點：具有復(fù)雜的晶格、熔點較高、硬而脆。合金中含有金屬化合物時，強(qiáng)度、硬度和耐磨性提高,，而塑性和韌性降低。21金屬間化合物的分類根據(jù)金屬化合物的形成規(guī)律及結(jié)構(gòu)特點，可將其分為三大類型：⑴正常價化合物⑵電子化合物⑶間隙化合物：間隙相、間隙化合物22正常價化合物定義：嚴(yán)格遵守化合價規(guī)律的化合物形成：由元素周期表中相距較遠(yuǎn)、電負(fù)性相差較大的元素組成，成分固定、可用化學(xué)式表示。例如，大多數(shù)金屬和ⅣA族、Ⅴ族、ⅥA族元素生成Mg2Si、Mg2Pb、Mg2Sn、Cu2Se、ZnS、AlP及β-SiC等。性能特點：硬度高、脆性大。23電子化合物定義：不遵守化合價規(guī)律但符合一定電子濃度〔化合物中價電子數(shù)與原子數(shù)之比〕的化合物。形成：由ⅠB族或過渡族元素與ⅡB族、ⅢA族、ⅣA族、ⅤA族元素所組成。性能特點：主要以金屬鍵結(jié)合,具有明顯的金屬特性,可以導(dǎo)電。熔點和硬度較高，塑性較差。24電子化合物的結(jié)構(gòu)特點電子濃度和晶體結(jié)構(gòu)具有一定的對應(yīng)關(guān)系，且成分可變，可形成以電子化合物為基的固溶體。生成這種合金相時,元素的每個原子所奉獻(xiàn)的價電子數(shù)Au、Ag、Cu為1個,Be、Mg、Zn為2個,Al為3個,Fe、Ni為0個。25間隙化合物定義：由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物。性能特點：很高的熔點和極高的硬度，十分穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)特點：尺寸較大的過渡族元素原子占據(jù)晶格的結(jié)點位置，非金屬小原子那么有規(guī)那么地嵌入晶格的間隙之中。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，又分為間隙相和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物兩種。26間隙相形成條件：非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59，具有簡單晶格結(jié)構(gòu)。特點：具有金屬特性，極高的熔點和硬度,非常穩(wěn)定。它們的合理存在，可有效地提高鋼的強(qiáng)度、熱強(qiáng)性、紅硬性和耐磨性，是高合金鋼和硬質(zhì)合金中的重要組成相。27間隙化合物形成條件：非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。如鋼中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。特點：具有很高的熔點和硬度,但比間隙相稍低些,在鋼中也起強(qiáng)化相作用。283、機(jī)械混合物兩種固溶體或固溶體加金屬化合物的混合物例珠光體，其性能取決于兩種組成相的性質(zhì)、形態(tài)、大小及分布。合金組元形成晶格類型與任一組元都不相同的新相29組織〔顯微組織〕指在金相顯微鏡下觀察到的金屬材料內(nèi)部的微觀形貌組織由相構(gòu)成，觀察時應(yīng)分析相的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布方式。金屬材料性能由組織決定，而組織由化學(xué)成分和工藝過程決定。302.2合金的結(jié)晶相圖：描述合金系的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間關(guān)系的一種圖解，又稱狀態(tài)圖。反映不同成分的材料在不同溫度下的相狀態(tài)、組織狀態(tài)及溫度變化時可能發(fā)生的變化。用途：在生產(chǎn)中，相圖可以作為制定金屬材料熔煉、鑄造、鍛造和熱處理等工藝規(guī)程的重要依據(jù)。31一、二元合金相圖的建立在常壓下，二元合金的相狀態(tài)決定于溫度和成分。因此二元合金相圖是一個以溫度為縱坐標(biāo)，合金成份為橫坐標(biāo)的平面圖形。到目前為止，幾乎所有的合金相圖都是通過實驗方法得到的。建立相圖最常用的實驗方法是熱分析法。32熱分析法時間溫度凝固開始凝固終了LL+SS33二、二元勻晶相圖二元勻晶相圖：兩組元在液態(tài)、固態(tài)均能無限互溶的二元合金系所形成的相圖。如Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、Fe-Ni、W-Mo、Cr-Mo等。勻晶轉(zhuǎn)變：由液相結(jié)晶出單相固溶體的過程特點：勻晶相圖中任意成分合金在冷卻過程中發(fā)生單相固溶體的凝固過程。34銅-鎳合金勻晶相圖CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

純銅熔點純鎳熔點液相線固相線液相區(qū)固相區(qū)液固兩相區(qū)1、銅鎳合金相圖相區(qū)分析

相圖分析(點、線、區(qū))兩點：純組元的熔點兩線：L,S相線三區(qū)：L,α,L+α。352、合金的結(jié)晶過程平衡結(jié)晶形核和晶粒的長大能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏、成分起伏Lα+Lα固溶體合金在平衡結(jié)晶過程中，固相成分沿固相線變化，液相成分沿液相線變化36勻晶轉(zhuǎn)變的特點合金在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶；在合金結(jié)晶過程中，先結(jié)晶出的固相和剩余液相的成分都與原來合金的成分不同，它們分別沿著固相線和液相線變化。結(jié)論：兩相區(qū)中，相互處于平衡狀態(tài)的兩個相的成分，分別沿著兩相區(qū)的兩個邊界線改變。373、杠桿定律及其應(yīng)用設(shè)合金成分為ω，合金的總質(zhì)量為m，在T溫度時，固相成分ωα，液相成分ωL，對應(yīng)的質(zhì)量mα，mL注意：杠桿定律只適用于兩相區(qū);三點要找準(zhǔn)38例：求30%Ni合金在1280

時相的相對量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

ac30a1b1c11280

C解：作成分線和溫度線如圖。6618根據(jù)杠桿定律推論，Q

/

Q=a1b1/a1c1=12/48=1/4答：所求合金在1280

時相的相對質(zhì)量為1/4。39例：固溶體合金的相圖如下圖，試根據(jù)相圖確定：(a)成分為40%B的合金首先凝固出來的固體成分；(b)假設(shè)首先凝固出來的固體成分含60%B，合金的成分為多少？(c)成分為70%B的合金最后凝固的液體成分；(d)合金成分為50%B，凝固到某溫度時液相含有40%B，固體含有80%B，此時液體和固體各占多少分?jǐn)?shù)？40杠桿定律杠桿定律是確定狀態(tài)圖中兩相區(qū)內(nèi)兩平衡相的成分和相對重量的重要工具由杠桿定律可算出合金中平衡兩相的相對質(zhì)量〔即質(zhì)量分?jǐn)?shù)〕二元合金系，杠桿定律只適用于相圖中的兩相區(qū),且只能在平衡狀態(tài)下使用。杠桿的兩個端點為給定溫度時兩相的成分點,而支點為合金的成分點。414、合金的不平衡結(jié)晶與樹枝狀偏析

由于冷卻速度較快，合金在結(jié)晶過程中，無論固相或液相中的原子都來不及充分?jǐn)U散，這種結(jié)晶過程稱為不平衡結(jié)晶。由于各層之間的原子來不及擴(kuò)散，這種成分不均勻現(xiàn)象可保持到結(jié)晶完畢，直至室溫，這種現(xiàn)象叫枝晶偏析或樹枝狀偏析。由于一個枝晶形成一個晶粒，也叫晶內(nèi)偏析。消除方法：擴(kuò)散退火42Cu-Ni合金的平衡組織與枝晶偏析組織平衡組織枝晶偏析組織43三、二元共晶相圖二元共晶相圖：兩組元在液態(tài)無限互溶，固態(tài)有限互溶或完全不互溶，且冷卻過程中發(fā)生共晶反響的二元合金系所形成的相圖。如Pb-Sn、Cu-Ag、Al-Ag、Al-Si、Pb-Bi等。共晶轉(zhuǎn)變：由一個液相同時結(jié)晶出兩種成分不同的固相〔共晶體〕的過程。44〔一〕簡單共晶相圖簡單共晶相圖是指：兩組元在液態(tài)下能完全互溶，在固態(tài)下彼此互不溶解的共晶相圖。如以下圖b屬于簡單共晶相圖的有Be-Si、Cd-Bi等二元合金。45〔二〕一般的二元共晶相圖46很明顯，在一般共晶相圖中，圖中左右兩局部就是局部的勻晶相圖，中間局部就是一個簡單共晶相圖。圖中左邊局部就是溶質(zhì)B溶于溶劑A中形成固溶體的勻晶相圖，由于在固態(tài)下，B組元只能有限溶解于A組元中，且其溶解度隨著溫度的降低而逐漸減小，故mf線就是B組元在A組元中的固相溶解度曲線，稱為固溶線。47PbSnSn%T,C液相線L固相線

+

L

+L

+

固溶線

固溶線1〕點：純組元熔點；最大溶解度點；共晶點〔是亞共晶、過共晶合金成分分界點〕等。2〕線：液相線、固相線；溶解度曲線；共晶線等。3〕區(qū)：3個單相區(qū)；3個兩相區(qū)；1個三相區(qū)。1.相圖分析〔相圖三要素〕共晶線48液相線：AEB固相線：AMENB共晶線：MENMF是Sn在α相中的溶解度線，NG是Pb在β中的溶解度線。三個單相區(qū)：α、β、L；三個雙相區(qū)：L+α、L+β、α+β；一個三相區(qū)：L+α+β。49二元共晶反響共晶反響：一種液相在恒溫下同時結(jié)晶出兩種固相的反響。LE→αM＋βN共晶點、共晶線、共晶反響溫度共晶合金、亞共晶合金、過共晶合金502.共晶轉(zhuǎn)變分析PbSnT,CL

+

L+

L

+

共晶反響線表示從M點到N點范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)生不同程度上的共晶反響。MN共晶點表示E點成分的合金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共晶轉(zhuǎn)變。ELE

M

+

N無論從何處開始,體系點到達(dá)共晶線液相組成到達(dá)E點51共晶反響要點共晶轉(zhuǎn)變在恒溫下進(jìn)行。轉(zhuǎn)變結(jié)果是從一種液相中結(jié)晶出兩個不同的固相。存在一個確定的共晶點。在該點凝固溫度最低。成分在共晶線范圍的合金都要經(jīng)歷共晶轉(zhuǎn)變。PbSnT,CL

+

L+

L

+

MNE52共晶合金的結(jié)晶過程結(jié)晶過程中發(fā)生共晶反響室溫下的相為：α+β室溫下的組織為：共晶體〔α+β〕53共晶體中的α和β的相對重量可以用杠桿定理計算如下：α=EN/MN*100%β=ME/MN*100%圖中黑色的α固溶體和白色的β固溶體呈相間分布；54共晶組織形態(tài)針狀共晶樹枝狀共晶放射狀共晶螺旋狀共晶55亞共晶合金的結(jié)晶過程結(jié)晶過程中先后發(fā)生勻晶、共晶反響及二次相的析出過程。室溫下的相為：α+β室溫下的組織為：α+〔α+β〕+βⅡ黑色樹枝狀為初晶α固溶體，黑白相間的為〔α+β〕共晶體，初晶α內(nèi)的白色小顆粒為βⅡ固溶體56過共晶合金的結(jié)晶過程結(jié)晶過程中先后發(fā)生勻晶、共晶反響及二次相的析出過程。室溫下的相為：α+β室溫下的組織為：β+〔α+β〕+αⅡ圖中亮白色卵形為初晶β固溶體，黑白相間分布的為〔α+β〕共晶體，初晶β內(nèi)的黑色小顆粒是αⅡ固溶體57⑶Pb-Sn合金相圖的組織特點Pb-Sn合金結(jié)晶的產(chǎn)物只有α和β兩相〔兩種結(jié)構(gòu)形式〕，稱為相組成物。但不同方式析出的α和β相具有不同的特征，上述各合金結(jié)晶所得的α、β、αⅡ、βⅡ及共晶〔α+β〕，在顯微鏡下可以看到各具有一定的組織特征，它們稱為組織組成物。按組織來填寫的相圖與顯微鏡下看到的金相組織是一致的。583合金的平衡結(jié)晶及其組織〔以Pb-Sn相圖為例〕〔1〕Wsn<2％的合金凝固過程〔冷卻曲線、相變、組織示意圖〕。(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.59(2)X1合金結(jié)晶過程分析〔2％<Wsn<19％〕MNfgX1T,CtL

L

LL+

冷卻曲線

+

Ⅱ

Ⅱ1234{PbSnT,CL

+L+L+183E60(3)X2合金結(jié)晶過程分析

〔共晶合金〕X2T,CtL(+)L(+)LL

(+)共晶體冷卻曲線(+)PbSnT,CL

+L+L+183MNE(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.61(4)X3合金結(jié)晶過程分析

〔亞共晶合金〕X3T,CtLL+

(+)++

Ⅱ12(+)+PbSnT,CL

+L+L+183MNEL+(+)+(c)2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.62組織組成物與組織圖組織組成物：組成材料的中各個不同本質(zhì)和形態(tài)的局部。組織圖：用組織組成物填寫的相圖。組織組成物相對量的計算：杠桿定律。63按組織組成物填寫的Pb-Sn相圖64Pb-Sn合金組織組成物在相圖上的標(biāo)注65⑷比重偏析比重偏析：亞共晶或過共晶合金結(jié)晶時，由于先結(jié)晶相與剩余液相的比重不同而引起的偏析，也稱區(qū)域偏析。預(yù)防措施：加快鑄件冷卻速度，使偏析相來不及上浮或下沉；攪拌；參加高熔點元素，使之形成樹枝狀骨架懸浮于液相中，阻止偏析相的上浮或下沉。664.二元包晶相圖二元包晶相圖：兩組元在液態(tài)無限互溶，固態(tài)有限互溶或完全不互溶，且冷卻過程中發(fā)生包晶反響的二元合金系所形成的相圖。如Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb等。包晶轉(zhuǎn)變：由先結(jié)晶出的固相和剩余液相相互作用，形成另一種成分不同的固相的過程。67相圖分析液相線：adb固相線：acegcf是Ag在α相中的溶解度線，eg是Pt在β中的溶解度線。三個單相區(qū)：α、β、L；三個雙相區(qū)：L+α、L+β、α+β；一個三相區(qū)：L+α+β。68二元包晶反響包晶反響：先析相和剩余液相在恒溫下發(fā)生反響，生成一種新固相的反響。αc＋Ld→βe包晶點、包晶線、包晶反響溫度69平衡結(jié)晶過程70合金的結(jié)晶過程①包晶成分合金：勻晶包晶二次析出。室溫組織為β+

II

II出現(xiàn)的原因是因為溶解度隨溫度的變化而減小71②PD成分合金：勻晶包晶二次析出。室溫組織為

+βII+β+

II時間溫度72③DC成分合金：勻晶包晶勻晶二次析出室溫組織為β+

II。時間溫度73包晶偏析由于包晶轉(zhuǎn)變不能充分進(jìn)行而產(chǎn)生的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。74共晶轉(zhuǎn)變和包晶轉(zhuǎn)變的區(qū)別1.反響式不同；2.圖形形式不同；3.共晶反響溫度是合金的最低凝固溫度，而包晶反響溫度不是合金的最低凝固溫度；4.產(chǎn)物形式不同。75具有共析反響的二元合金相圖共析反響：一定成分的固相，在一定溫度下，同時析出兩種化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)完全不同的新固相。76三相平衡線的圖形特征及性質(zhì)αβ77二元合金相圖的總結(jié)相圖中的每點都代表某一成分的合金在某一溫度的狀態(tài)兩個單相區(qū)之間必有一個兩相區(qū)，并由這兩相組成兩個兩相區(qū)之間必定是以單相區(qū)或三相區(qū)〔水平線〕隔