二元合金的相结构与相图课件.ppt

第三章二元合金的相结构与结晶,62,教学要求：1、了解合金、合金相、金属化合物、异分结晶、成分过冷、平衡分配系数与同分结晶的概念，其它类型二元合金相图及其分析。2、理解固溶体及其分类，间隙相和间隙化合物，二元固溶体的不平衡结晶。3、掌握间隙固溶体，置换固溶体，二元相图的表示方法，相律与杠杆定律，匀晶相图、共晶相图和包晶相图的分析。重点：间隙固溶体，置换固溶体，相律与杠杆定律，固溶体合金的平衡结晶过程，共晶相图和包晶相图典型合金的平衡结晶及其组织。,学时数：8学时,合金:两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结，或用其它方法结合而成的具有金属特性的物质。如：Pb-Sn合金钢（Fe-C）锡青铜(Cu-Sn(14%)）,1合金中的相,组元组成合金最基本的、能独立存在的物质。Fe-C合金：Fe(组元一)-Fe3C(组元二)根据组元数分为：二元合金、三元合金、多元合金。合金系由给定的组元以不同的比例配制成的一系列成分不同的合金系统。例：Fe-C:90%Fe-10%C、80%Fe-20%C、50%Fe-50%C、20%Fe-80%CFe-Cr-C,相(phase)指合金中结构相同，成分和性能均一，并有界面与其他部分分开的组成部分。金属或合金均由相构成单相合金、多相合金。用、等表示(见P103图3-67),单相固态合金金相（硅钢）,多相固态合金金相（ChSnSb11-6）,例：纯铁、钢中的相纯铁：-Fe钢(铁）：铁素体()渗碳体(Fe3C),相,相,Fe3C相,纯铁,0.45%C钢,相结构：实指合金的晶体结构，可分为：1固溶体合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体(-Fe)。2金属化合物合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物(Fe3C)。,2合金的相结构,相的分类,1按溶质原子在晶格中所占的位置分类,置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格结点所形成的固溶体代位固溶体。如90Cu-10Ni合金。,固溶体,例：C固溶于Fe中形成间隙固溶体铁素体C固溶于Fe中形成间隙固溶体奥氏体,间隙固溶体溶质原子填入溶剂晶格的空隙位置所形成的固溶体。,一固溶体分类,固溶体类型,有限固溶体溶质原子在固溶体中的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再溶解，这个限度称为固溶度。无限固溶体溶质原子能以任意比例溶入溶剂，固溶度可达到100%。如Cu-Ni，Ag-Au，Ti-Zr。,2按固溶度分类,无序固溶体溶质原子随机地分布于溶剂晶格中。有序固溶体溶质原子按一定的规律分布在溶剂晶格中形成亚点阵。,3按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分类,CuAu中Cu原子：简单四方晶系亚点阵,Cu3Au中Cu原子：体心四方晶系亚点阵,例：Fe-Al合金室温下,成分变化时：FeAl(t1:L(100%)T=t1:液固相含量分别为L1(100%)、1(0%)，且L11T=t2：L22T=t3：L33T=t4：L44,且L4(0%)+4(100%)Tt4：(100%),平衡结晶过程：,L,t1,t2,t3,t4,t1,t2,t3,t1,t2,t4,t3,t1,t2,L+,A,B,K,Cu,Ni,Ni%,k,Cu-Ni%合金相图、冷却曲线及结晶过程,L1,L2,L3,L4,1,2,3,4,从液相中析出匀晶固相(固溶体)的成分变化规律：析出的固相成分沿固相线变化剩余的液相成分沿液相线变化液相成分变化和固相成分变化同步进行，并遵守杠杆定律,注意：固溶体合金形核时，不但需要结构起伏和能量起伏，还需要成分起伏。因为所结晶的固相成分与原液相成分不同。,与纯金属相比,固溶体结晶有以下特点：(1)异分结晶固溶体合金结晶时,存在溶质原子在液固相之间的重新分配,即所结晶出的固相成分与母相成分不同的结晶。溶质平衡分配系数：K0=C/CL一定温度下固液两平衡相中的溶质浓度之比值。K0值的大小反应了溶质重新分配的强弱尺度。,4固溶体合金的结晶特点,53,(2)固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围内进行,原因：每一定温度下只能析出一定的固相，只有随温度的降低，固相数目才会增加，当固相成分与原合金成分相等时，结晶完毕。固溶体合金在t1和t2温度时的结晶过程见P75图3-18和图3-19。,LC1K0C1,LC2K0C2,K01,溶质浓度,温度,L,+L,C1,K0C1,C2,K0C2,t1,t2,C0,t3,现象：枝晶内部化学成分不均匀。,1)枝晶偏析（晶内偏析）,属于晶粒范围内晶轴与枝间的微观偏析。,5固溶体的不平衡结晶,L,t4,t3,t1,t2,L+,A,B,Cu,Ni,Ni%,Co,Cu-Ni%合金的不平衡结晶,理论上：当冷却速度无限缓慢时，扩散使先凝固与后凝固的固溶体成分均匀一致。,原因：合金由L时在一定温度范围内结晶，树枝晶主干在较高温度先凝固，枝及边部在较低温度后凝固。,55,1,2,2,3,4,3,4,2,3,4,t5,5,5,实际上：冷却过程并非无限缓慢，扩散是不完全的枝晶内部中心区域与边部区域化学成分是不均匀的。称之为枝晶偏析,分配系数k0,偏析程度为：Co-C1=Co-KoCo=Co(1-Ko)k01时,k0越大偏析越大。实质是与液相线和固相线间的水平距离或成分间隔有关,间隔越小，偏析越小。,影响晶内偏析的因素：,48,晶内偏析对合金的机械性能不利。可用高温扩散退火(固相线下100200)的方法减轻或消除，又称均匀化退火。,溶质原子扩散能力：扩散能力大偏析小。冷却速度V：一般V小，偏析则小，反之大。但当V大时，可获得细小晶粒。,Cu-Ni合金扩散退火后的固溶体,固溶体合金由于不平衡结晶造成大范围内化学成分不均匀的现象。,应用：区域提纯特种冶金,2)区域偏析,区域偏析形成过程图,过冷度：Tm-T实际由T实际发生改变而引起的过冷热过冷,成分过冷：固溶体结晶过程中，由于液相中溶质分布发生变化，改变了液相的熔点，这种由成分变化引起的过冷现象称为成分过冷。见P81图3-28。,6成分过冷及其产生条件,成分过冷产生的条件：成分过冷产生的极限条件：是液体的实际温度梯度G1与固液界面处的平衡结晶温度曲线恰好相切。如实际温度梯度进一步增大，就不会出现成分过冷；只有实际温度梯度减小，才会出现成分过冷。而且温度梯度越小，成分过冷区就越大。,2019/12/14,58,可编辑,成分过冷对晶体成长形状和铸锭组织的影响金属一般为粗糙界面:纯金属:取决于液固前沿温度分布正温度梯度平面晶；负温度梯度树枝状。固溶体：取决于液固前沿温度分布成分过冷负温度梯度树枝状。正温度梯度随成分过冷程度增大分别形成平面晶、胞状晶和树枝晶。,G1：仍为正温度梯度平面晶G2：小的成分过冷区胞状晶G3：相当于负温度梯度树枝晶,胞状界面的形成过程,平面晶所需过冷度（或温度梯度）较大，工业实际中通常达不到，故金属、固溶体合金铸件组织一般为树枝晶组织。,匀晶转变小结,（1）匀晶转变式：L；（2）单相区相成分与合金原始成分一致，即坐标点成分；两相区成分：液相成分在液相线上，固相成分在固相线上(与温度水平线的相交点)；（3）与纯金属不同，合金的结晶过程是在一定温度范围内进行的，不同温度下两平衡相的成分不相同，量也不同，两相的相对量可依据杠杆定律计算得出。（4）不平衡结晶会造成枝晶偏析和区域偏析。（5）K01时K0值越小，或K01时K0值越大，偏析越严重。,成分过冷倾向越大,1定义：两组元在液态无限互溶，在固态时相互有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图称为二元共晶相图。Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi等合金系相图都是二元共晶相图。共晶转变：是在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出一定成分的两个固相的转变过程。其转变产物为两相的混合物，称为共晶组织。共晶转变式：L（液）（固）+（固）,二元共晶相图及其合金的结晶,Pb,Sn,Sn%,T,C,液相线,L,固相线,+,L+,L+,固溶线,固溶线,共晶相图有7个相区：三个单相区L、相区；三个两相区为L+a、L+、+相区；一个三相区，即水平共晶线CED，它是L、三相平衡的共存线。,2共晶相图分析,E,C,D,Pb,Sn,T,C,L,+,L+,L+,共晶反应线表示从C点到D点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。而且发生共晶反应的的液相成分均在E点,C,D,共晶点表示E点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。,E,LEC+D,E,C,D,相图上的特征：三个单相区与共晶水平线只有一个接触点，其中液相单相区在中间，位于水平线之上，两端是两个固相单相区。,Pb,Sn,T,C,L,+,L+,L+,C,D,E,E,C,D,共晶反应要点：,共晶转变在恒温下进行。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。存在一个确定的共晶点，在该点凝固温度最低。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。,E,C,D,3典型的合金结晶过程分析,c,e,F,G,X1,T,C,t,L,L,L,L+,冷却曲线,+,1,2,3,4,（1）X1合金结晶过程分析,成分为A-C和D-B之间的合金结晶为匀晶转变，可用杠杆定律计算室温组织和的相对含量。,A,B,t,L,L,L,L+,冷却曲线,+,1.没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相固相。,2.要经过脱溶反应，室温组织组成物为+,组织组成物:由一定的相构成，是具有一定形态特征的组成部分。在显微镜下均能清楚的区分。,T,C,X1合金结晶特点,（2）X2合金结晶过程分析（共晶合金）,X2,T,C,t,L,(+),L,L,L(+)共晶体,冷却曲线,(+),实际转变过程复杂：,注意：(1)共晶转变产物(+)多相邻间隔协同长大，称为共晶体或共晶组织；,CF+G,DG+F,(2)共晶体中随后析出的二次相多依附于原共晶体生长，故往往观察不到。,共晶组织示意图,注：和呈层片状交替分布，其中黑色为相，白色的为相,Pb-Sn共晶合金的显微组织,共晶体(共晶组织)：由共晶反应形成的细密的两相或多相机械混合物。,共晶组织中两相的相对含量为：,共晶相图杠杆定律应用,（3）X3合金结晶过程分析（亚共晶合金）,X3,T,C,t,L,L+,(+)+,1,2,(+)+,温度降至2点后，可用杠杆定律计算先共晶相和剩余液相的相对含量。,亚共晶成分：ce亚共晶转变式：Lc+(c+d),F,G,X3,共晶转变刚刚结束后，组织组成物和相的相对含量？,共晶相图,相的相对含量：和,杠杆定律应用,亚共晶合金,组织组成物的相对含量为：,组织组成物:先+(+)共,PbSn亚共晶组织先+(+)共+,注：暗黑色树枝状是先共晶相，其中白色颗粒为二次相，而黑白相间者为共晶体(+)。,（4）X4合金结晶过程分析（过共晶合金）,X4,T,C,t,L,L+,(+)+,1,2,(+)+,过共晶成分：ed过共晶转变式：Ld+(C+d),(C+d)+d,(F+G)+G+）,L+,(LE+d),L,F,G,Sn70%的Pb-Sn合金显微组织500,过共晶合金组织：+(+)共,II,(+),注：白色枝晶是先共晶相，其中黑色颗粒为二次相，而黑白相间者为共晶体(+)。,4合金的组织构成,亚共晶合金：+,成分在FG之间的合金均由+相构成；但不同合金中两相的形成过程与形貌各不相同。,共晶合金与过共晶合金呢？,各成分合金的组织构成,计算Pb-30%Sn合金共晶转变刚刚结束后，组织组成物和相的相对含量如何计算？,其它形状共晶相图,伪共晶组织定义：在不平衡结晶条件下，成分在共晶点附近的亚共晶或过共晶合金也可能得到全部共晶组织，这种非共晶成分所得到的共晶组织称为伪共晶组织。,形成条件：过冷度或冷却速度控制在图中红色阴影区。,5共晶系合金的不平衡结晶现象,伪共晶区,此类伪共晶区为两相熔点相近，属于金属金属型共晶。,注意：并不是所有共晶成分的合金均能得到共晶组织(快冷)。如：Al-Si系合金，其伪共晶区偏向高熔点相一边扩大。共晶合金在快冷条件下得不到共晶组织，而是得到亚共晶组织。,此类伪共晶区为两相熔点相差悬殊，属于金属非金属型共晶。,离异共晶定义：当先共晶相数量较多而共晶相组织较少时，有时共晶组织中与先共晶相相同的那一相会依附在先共晶相上生长，剩下的另一相单独存在于晶界，从而失去共晶组织的特征，这种两相分离的共晶称为离异共晶。,形成条件：成分控制在M或N附近。,C,D,Al-4%Cu铸造合金中的离异共晶组织,均匀退火后,1包晶相图：两组元在液态无限溶解，在固态相互有限溶解，并发生包晶转变的二元合金系相图。PtAg、SnSb、CuSn、CuZn,包晶相图,包晶转变在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程。,包晶转变式：L+,单相区:L、；两相区:L、L、三相区:PDC（包晶转变线）,液相线:ACB固相线:APDB溶解度曲线：PE、DF,2相图分析,D点为包晶点,包晶转变式：LC+PD,包晶转变：Ld+ce,Pt,Ag,Ag%,T,C,L,+,L+,c,e,d,f,g,T,C,t,L,L+,L+,+,包晶转变区的特征：反应相是液相和固相，其成分点位于水平线的两端，所形成的固相位于水平线中间的下方。,L+,合金,3典型合金的平衡结晶过程及组织,根据杠杆定律可计算温度到达D点时，液相和固相的相对含量,合金,合金,组织组成：+,实际中受扩散条件限制，包晶转变往往不完全包晶偏析。可采用长时间均匀化退火减少或消除包晶偏析。,含65%的Cu-Sn合金的不平衡组织,Pt原子,Ag原子,4不平衡结晶,包晶转变的实际应用在轴承合金中的应用。先结晶出硬质点化合物，再通过包晶反应形成软的固溶体，并把硬质点包围起来。细化晶粒的作用。如在铝及铝合金中加入钛。见P97图3-56，当Ti0.15%以后，合金首先析出初晶TiAl3，TiAl3可以作为非均匀形核质点。,1、形成稳定化合物的二元合金相图,分析：稳定化合物是指具有一定熔点，在熔化前不分解的化合物。可将稳定化合物看作一个组元（相区呈直线），从而把整个相图看成由若干个简单相图组成。如：Mg2Si、Fe3C,其他类型的二元相图,2、具有固态转变的二元合金相图,固态转变主要有：固溶体的脱溶转变；共析转变；包析转变；固溶体的同素异晶转变；有序无序转变等。固溶体的脱溶转变固溶体因溶解度变化而发生的脱溶转变。如图所示,具有脱溶转变和共析反应的二元合金相图,共析转变,由图分析可知：从固相中同时析出两种不同新相的反应称为共析反应。共析反应的产物为共析物。由于共析反应在固态进行，所以共析组织比共晶组织要细得多。,A,B,T,C,+,+,+,c,e,d,L+,L,共析转变式：(+)共析体,1)若有稳定化合物，则将其看作一独立组元，把相图分成几个部分分析。,2)相区接触法则：二元相图中，相邻相区中的相数只相差一个(点接触除外)。分析时首先熟悉单相区中的相，再根据相区接触法则辨别其它相区。,1、二元相图的分析步骤,3)找出与三相共存水平线点接触的三个单相区，确定三相平衡转变的性质和反应式。,4)在两相平衡区，可应用杠杆定律求出各相的相对量。,二元相图的分析与应用,1、固溶体与机械性能和物理性能的关系,相图与合金性能之间的关系,固溶体强硬度较纯金属高。,纯金属导电性较固溶体高。,固溶体中溶质浓度强度、硬度,共晶成分附近性能突变(组织细、伪共晶),2、共晶组