机械工程材料—第2章 二元合金的相图及结晶

1、v工学院工学院 主讲人：杨拓宇 机机 械械 工工 程程 材材 料料 第第2章章 二元合金的相图及结晶二元合金的相图及结晶 l2.12.1合金中的相合金中的相 l 2.2 2.2二元合金相图的建立二元合金相图的建立 l 2.3 2.3匀晶相图匀晶相图 l 2.4 2.4共晶相图共晶相图 l 2.5 2.5包晶相图包晶相图 l 2.6 2.6组员间形成稳定化合物的相图组员间形成稳定化合物的相图 l 2.7 2.7由二元相图判断合金性能由二元相图判断合金性能 一、一、组元与相的概念组元与相的概念 二、二、固溶体固溶体 三、三、金属化合物金属化合物 2.1 2.1 合金中的相合金中的相 一、组元与相的

2、概念一、组元与相的概念 组元组元 组成组成合金合金最基本的、独立存在的物质称为组元。最基本的、独立存在的物质称为组元。 例如：元素、稳定化合物。如，例如：元素、稳定化合物。如，fe-cfe-c合金中，合金中，fefe、c c均为组元均为组元 相相 在体系内部物理性质和化学性质完全均匀的部分称为相；在体系内部物理性质和化学性质完全均匀的部分称为相； 相与相之间有明显的界面分开。相与相之间有明显的界面分开。 合金中有两类基本相合金中有两类基本相 固溶体固溶体 和和 化合物化合物 二、固溶体二、固溶体 固溶体概念固溶体概念 溶质原子溶入金属溶剂中形成的合金相称为固溶体。固溶溶质原子溶入金属溶剂中形成

3、的合金相称为固溶体。固溶 体保持溶剂金属的晶体结构，只引起晶格常数变化。体保持溶剂金属的晶体结构，只引起晶格常数变化。 按溶质原子在固溶体中的溶解度，固溶体可以分为按溶质原子在固溶体中的溶解度，固溶体可以分为有限固溶有限固溶 体体和和无限固溶体无限固溶体。 有限固溶体：有限固溶体：溶质含量超过其固溶度，就会形成其它相。溶质含量超过其固溶度，就会形成其它相。 无限固溶体：无限固溶体：两组元能任意比例互溶。两组元能任意比例互溶。 按溶质原子在晶格中分布状态分：按溶质原子在晶格中分布状态分：无序固溶体无序固溶体和和有序固溶体有序固溶体 无序固溶体：无序固溶体：溶质原子在晶格中随即分布。溶质原子在晶格

4、中随即分布。 有序固溶体：有序固溶体：溶质原子在晶格中占据晶体结构的一定位置。溶质原子在晶格中占据晶体结构的一定位置。 有些合金在一定温度下：可由无序变为有序。有些合金在一定温度下：可由无序变为有序。 固溶体类型固溶体类型 z x y 间隙原子间隙原子 间隙固溶体间隙固溶体 置换固溶体置换固溶体 置换原子置换原子 y x z 固溶强化固溶强化 形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象 正常晶格正常晶格晶格畸变晶格畸变 晶格畸变晶格畸变 小原子置换引起的小原子置换引起的 晶格畸变晶格畸变 间隙原子引起的间隙原子引起的 晶格畸变晶格畸变 二、金属间化合物二、金属间化

5、合物 化合物类型化合物类型 合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相 正常价化合物正常价化合物 按化合价规律形成，如，按化合价规律形成，如，mgmg2 2si si 。 间隙化合物间隙化合物 过渡金属过渡金属+ +小半径非金属元素小半径非金属元素 电子化合物电子化合物 按电子浓度规律形成，如，按电子浓度规律形成，如，cucu3 3al al 。 间隙化合物间隙化合物 熔点高、硬度高，脆性大。熔点高、硬度高，脆性大。 组织：用肉眼或显微镜观察到的材料微观形貌图像的统称组织：用肉眼或显微镜观察到的材料微观形貌图像的统称 2.2.2 2 二元合金相图的

6、建立二元合金相图的建立 v一、概述一、概述 v合金系：由相同的几个元素以不同的比例配制的一系列合合金系：由相同的几个元素以不同的比例配制的一系列合 金称为。金称为。 v相图：是表示合金系在平衡条件下，不同压力、温度、成分相图：是表示合金系在平衡条件下，不同压力、温度、成分 时的各相关系的简明图解。时的各相关系的简明图解。 热热 分分 析析 法法 相图的测定相图的测定 时间时间 温度温度 90 705030ab 温度 a 温度温度 a b ab : 液相线液相线 ab : 固相线固相线 l l + s s l : 液相区液相区 s : 固相区固相区 l+s:液固共存区液固共存区 ab 温度 tl

7、 ts tn bac ab a b l s 温度 三、相图应用 1、由相图确定某一成 分合金某一温度是存在 的相 2、由相图确定给定合 金的相变温度。 3、杠杆定律 l确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量 v则则 ql + q =1 ql x1 + q x2 =x 解方程组解方程组得得 12 1 12 2 l xx xx q xx xx q l设合金的重量为设合金的重量为1，液相重量为液相重量为ql，固相重量为固相重量为q 。 相图分析相图分析 合金的结晶过程合金的结晶过程 合金凝固时的成分过冷合金凝固时的成分过冷 2.2.3 3 匀晶相图匀晶相图 一、相图分析一、相图分析 v匀晶系：

8、两组元在液态和固态都无限固溶的合金系两组元在液态和固态都无限固溶的合金系 v匀晶相图：匀晶系合金的相图匀晶系合金的相图 v匀晶转变：合金凝固时，从液相中结晶出单相的固溶体，合金凝固时，从液相中结晶出单相的固溶体， 这种结晶称为这种结晶称为- v相图由两条线构相图由两条线构 成，成，上面是液相线，上面是液相线， 下面是固相线。下面是固相线。 v相图被两条线分为相图被两条线分为 三个相区，三个相区，液相线以液相线以 上为上为液相区液相区l l ，固相，固相 线以下为线以下为 固溶体固溶体 区区，两条线之间为两，两条线之间为两 相共存的相共存的两相区两相区（l+l+ ）。）。 l l + 温度温度（

9、） cuni 液相线 固相线 二、合金的结晶过程二、合金的结晶过程 成分（成分（wt%ni） v随温度下降，随温度下降， 固溶体重量增固溶体重量增 加，液相重量减加，液相重量减 少。少。同时，同时，液相液相 成分沿液相线变成分沿液相线变 化，固相成分沿化，固相成分沿 固相线变化。固相线变化。 l这种从液相中结晶出单一固相的转变称为这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变匀晶转变 或或匀晶反应匀晶反应。 v原子不能充分扩散；原子不能充分扩散； v先结晶部分含高熔点组先结晶部分含高熔点组 元较多（晶粒中心）；元较多（晶粒中心）； v后结晶部分含低熔点组后结晶部分含低熔点组 员较多（晶粒边缘）；员较多（晶粒边缘）； v这种晶粒内部成分不均这种晶粒内部成分不均 匀的现象称为匀的现象称为晶内偏析晶内偏析 v（见（见26页图页图-2.11） l