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1、1 第二章第二章 合金的结构和相图合金的结构和相图2本章重点:本章重点:1 1、固溶体的分类及性能。、固溶体的分类及性能。2 2、金属间化合物的分类及性能。、金属间化合物的分类及性能。3 3、共晶合金的结晶过程。、共晶合金的结晶过程。4 4、亚(过)、亚(过)共晶合金的结晶过程。共晶合金的结晶过程。5 5、共析反应。、共析反应。3合金:由两种或两种以上金属、或金属合金:由两种或两种以上金属、或金属与非金属,通过熔炼、烧结或其他方法与非金属,通过熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。组合而成并具有金属特性的物质。 组元:组成合金最基本的、独立的物组元:组成合金最基本的、独立的物质叫做
2、组元。质叫做组元。 通常,组元为组成合金的元素。通常,组元为组成合金的元素。稳定稳定化合物也可以作为组元。化合物也可以作为组元。 4 合金的一个主要组元必须是金属元合金的一个主要组元必须是金属元素,其他组元可以是金属元素,也可以素,其他组元可以是金属元素,也可以是非金属元素。是非金属元素。 合金具有比纯金属更优越的性能,在合金具有比纯金属更优越的性能,在工程中得到广泛使用。工程中得到广泛使用。52-1 2-1 固态合金中的相结构固态合金中的相结构相:成分、结构相同并与其他部分有界面相:成分、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。分开的均匀组成部分。同一结构不同成分:铜、镍是不同的相。同
3、一结构不同成分:铜、镍是不同的相。同一组元不同状态:水、冰、水蒸汽是不同一组元不同状态:水、冰、水蒸汽是不同的相。同的相。6同一组元同一状态不同结构:同一组元同一状态不同结构:铁、铁、铁铁是不同的相。是不同的相。 不同形态(形状、大小、分布)同一成分不同形态(形状、大小、分布)同一成分同一结构是同一个相:同一结构是同一个相: 片状渗碳体、球状渗碳体、网状渗碳体、片状渗碳体、球状渗碳体、网状渗碳体、带状渗碳体。带状渗碳体。789 单相合金单相合金10 多相合金多相合金 11合金相的分类:合金相的分类:1 1、固溶体:晶体结构和某一组元相同。、固溶体:晶体结构和某一组元相同。2 2、化合物:晶体结
4、构和所有组元都不相、化合物:晶体结构和所有组元都不相同。同。12一、固溶体一、固溶体定义:溶质原子溶入溶剂晶格中的一种金定义:溶质原子溶入溶剂晶格中的一种金属晶体。属晶体。溶剂:和固溶体晶格类型相同的组元。溶剂:和固溶体晶格类型相同的组元。溶质:和固溶体晶格类型不相同的组元。溶质:和固溶体晶格类型不相同的组元。13C C溶入溶入-Fe(bcc)-Fe(bcc),FeFe是溶剂,是溶剂,C C是溶质。是溶质。Zn(hcp)Zn(hcp)溶入溶入Cu(fcc)Cu(fcc),CuCu是溶剂,是溶剂,ZnZn是是溶质。溶质。Ni(fcc)Ni(fcc)溶入溶入Cu(fcc)Cu(fcc),两者互为溶
5、剂和,两者互为溶剂和溶质。溶质。14( (一一) )固溶体的分类固溶体的分类 按溶剂晶格中的位置(正常结点或晶格按溶剂晶格中的位置(正常结点或晶格间隙),可分为二类。间隙),可分为二类。15161 1、置换固溶体、置换固溶体(1)(1)定义:溶质原子替代一部分溶剂原子而定义:溶质原子替代一部分溶剂原子而占据溶剂晶格结点位置所形成的固溶体。占据溶剂晶格结点位置所形成的固溶体。(2)(2)溶质为金属元素时,因原子尺寸较大,溶质为金属元素时,因原子尺寸较大,不能存在晶格间隙中,只能形成置换固溶不能存在晶格间隙中,只能形成置换固溶体。体。17182 2、间隙固溶体、间隙固溶体(1)(1)定义:溶质原子
6、分布在溶剂晶格的间隙定义:溶质原子分布在溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体。中所形成的固溶体。(2)(2)溶质为非金属元素时,因原子尺寸较小,溶质为非金属元素时,因原子尺寸较小,只能存在晶格间隙中形成间隙固溶体。只能存在晶格间隙中形成间隙固溶体。19( (二二) )固溶体中的晶格畸变固溶体中的晶格畸变1 1、定义:固溶体中溶质原子附近的溶剂原、定义:固溶体中溶质原子附近的溶剂原子发生位移,点阵常数发生改变。子发生位移,点阵常数发生改变。2 2、置换固溶体中,溶质原子比溶剂原子大,、置换固溶体中,溶质原子比溶剂原子大,则溶质原子周围点阵发生膨胀;反之,则则溶质原子周围点阵发生膨胀;反之,则溶质原子周
7、围点阵发生收缩。溶质原子周围点阵发生收缩。3 3、间隙固溶体中,溶质原子周围点阵总是、间隙固溶体中,溶质原子周围点阵总是发生膨胀。发生膨胀。20 固溶体中的晶格畸变示意图 a)间隙固溶体 b)置换固溶体 21( (三三) )固溶体的溶解度固溶体的溶解度1 1、定义:在一定条件下溶质元素在固溶体、定义:在一定条件下溶质元素在固溶体中的极限浓度。中的极限浓度。2 2、溶解度的表示方法:重量百分比;原子、溶解度的表示方法:重量百分比;原子百分比。百分比。3 3、有限固溶体:溶解度小于、有限固溶体:溶解度小于100%100%,溶质元,溶质元素的含量有一定限度。素的含量有一定限度。4 4、无限固溶体:溶
8、解度等于、无限固溶体:溶解度等于100%100%,可以形,可以形成任何成分比例的固溶体。成任何成分比例的固溶体。22( (四四) )影响溶解度的因素影响溶解度的因素1 1、间隙固溶体、间隙固溶体(1)(1)晶格中间隙位置的数量有一定限度,所晶格中间隙位置的数量有一定限度,所以只能形成有限固溶体。以只能形成有限固溶体。(2)(2)间隙固溶体中的晶格畸变大,因而和置间隙固溶体中的晶格畸变大,因而和置换固溶体相比溶解度小。换固溶体相比溶解度小。(3)(3)FeFe间隙尺寸较大,溶解度也较大;间隙尺寸较大,溶解度也较大;FeFe间隙尺寸小,溶解度也很小。间隙尺寸小,溶解度也很小。232 2、置换固溶体
9、、置换固溶体 溶质和溶剂元素必须同时满足下列四溶质和溶剂元素必须同时满足下列四个条件,才可能形成无限固溶体,否则个条件,才可能形成无限固溶体,否则只能形成有限固溶体。只能形成有限固溶体。原子尺寸原子尺寸d d:810%810%。(2) (2) 晶体结构类型相同。晶体结构类型相同。(3) (3) 负电性差负电性差x x:0.40.40.50.5。(4) (4) 电子浓度在一定范围之内。电子浓度在一定范围之内。243 3、硼:原子半径为、硼:原子半径为0.97A0.97A,既不利于作,既不利于作为间隙原子,也不利于作为置换原子,故为间隙原子,也不利于作为置换原子,故在在FeFe和和FeFe中溶解度
10、都非常小。中溶解度都非常小。 25 ( (五五) )固溶体的性能固溶体的性能1 1、固溶强化:溶质元素产生晶格畸变,、固溶强化:溶质元素产生晶格畸变,使固溶体强度、硬度升高的现象。使固溶体强度、硬度升高的现象。2 2、固溶体在显著提高强度、硬度的同时,、固溶体在显著提高强度、硬度的同时,仍然保持相当好的塑性和韧性。仍然保持相当好的塑性和韧性。3 3、固溶体是金属材料最主要最基本的相、固溶体是金属材料最主要最基本的相组成物,是金属材料的基体。组成物,是金属材料的基体。26 二、金属间化合物二、金属间化合物 当溶质含量超过固溶体的溶解度时,当溶质含量超过固溶体的溶解度时,将出现晶体结构和任一组元都
11、不相同的新将出现晶体结构和任一组元都不相同的新相,即金属间化合物。相,即金属间化合物。27( (一一) )正常价化合物正常价化合物1 1、符合一般化合物的原子价规律,成分、符合一般化合物的原子价规律,成分固定并可用化学式表达。固定并可用化学式表达。2 2、硬度高、脆性大,在固溶体基体上合、硬度高、脆性大,在固溶体基体上合理分布时可提高强度,起强化相作用。理分布时可提高强度,起强化相作用。如如Al-Mg-SiAl-Mg-Si合金中的合金中的MgMg2 2SiSi 。28 ( (二二) )电子化合物电子化合物1 1、化合物的晶格类型和电子浓度有关。、化合物的晶格类型和电子浓度有关。2 2、硬度高、
12、韧性低,在有色合金中可起、硬度高、韧性低,在有色合金中可起强化相作用。强化相作用。29 ( (三三) )间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物 由原子尺寸较大的过渡族金属元素和由原子尺寸较大的过渡族金属元素和原子尺寸较小的非金属元素组成,金属原原子尺寸较小的非金属元素组成,金属原子组成一种新的晶格,非金属原子处于晶子组成一种新的晶格,非金属原子处于晶格的间隙之中。格的间隙之中。 两种原子的尺寸比决定了化合物的晶两种原子的尺寸比决定了化合物的晶格特点。格特点。301 1、间隙相、间隙相(1)(1)定义:当定义:当r r非非/r/r金金0.590.59时,化合物具有时,化合物具有简单的晶体结构。简单
13、的晶体结构。 (2)(2)简单的晶体结构:一个金属原子占据晶简单的晶体结构:一个金属原子占据晶格的一个结点。格的一个结点。 VCVC:V V原子组成原子组成fccfcc点阵,点阵,C C原子处在点阵原子处在点阵的间隙之中。的间隙之中。(3)(3)种类:种类:V V、TiTi、NbNb的碳化物,的碳化物,W W、MoMo的部的部分碳化物,过渡族金属的氮化物。分碳化物,过渡族金属的氮化物。312 2、间隙化合物、间隙化合物(1)(1)定义:当定义:当r r非非/r/r金金0.590.59时时, ,化合物具有化合物具有复杂的晶体结构。复杂的晶体结构。(2)(2)复杂的晶体结构:一个金属团占据点复杂的
14、晶体结构:一个金属团占据点阵的一个结点。阵的一个结点。 如如CrCr7 7C C3 3是复杂六方点阵,一个晶胞由是复杂六方点阵,一个晶胞由5656个金属原子,个金属原子,2424个碳原子组成。个碳原子组成。32(3)(3)种类:种类:W W、MoMo的部分碳化物;的部分碳化物;CrCr、FeFe的的碳化物;硼化物。碳化物;硼化物。 (4)(4)渗碳体:是渗碳体:是FeFe的碳化物,以的碳化物,以FeFe3 3C C表示,表示,每个晶胞由每个晶胞由1212个个FeFe原子和原子和4 4个个C C原子组成,原子组成,是钢中最常见的化合物。是钢中最常见的化合物。(5)(5)合金渗碳体:渗碳体中的铁原
15、子被其合金渗碳体:渗碳体中的铁原子被其它金属原子置换。它金属原子置换。如(如(FeFe,CrCr,MoMo)3 3C C。33(6)(6)间隙化合物中的金属原子也可被其它间隙化合物中的金属原子也可被其它金属原子置换。金属原子置换。 如(如(CrCr,W W,MoMo,FeFe)2323C C6 6。(7)(7)碳化物中的碳原子也可被氮、硼原子碳化物中的碳原子也可被氮、硼原子置换。置换。如碳氮化物如碳氮化物Ti(CTi(C,N)N), 碳硼化物碳硼化物(Cr,Fe,W,Mo)(Cr,Fe,W,Mo)2323(C C,B B)6 6。3 3、间隙相和间隙化合物熔点高、硬度高,、间隙相和间隙化合物熔
16、点高、硬度高,是钢中的强化相。是钢中的强化相。34 钢中常见碳化物的硬度和熔点钢中常见碳化物的硬度和熔点类型类型 间间 隙隙 相相 间隙化合物间隙化合物NbCTiCVCW2CMo2CCr23C6Fe3C熔点熔点3770 3410 3023 3130 296016771227硬度硬度HVHV2050 2850 2010 1720 1680145080035特点:两组元在液态时无限互溶,在固态特点:两组元在液态时无限互溶,在固态时有限互溶,且发生共晶反应。时有限互溶,且发生共晶反应。 共晶反应:在恒温下,由一个液相同共晶反应:在恒温下,由一个液相同时结晶出两种成分不同的固相的转变。时结晶出两种成分
17、不同的固相的转变。 L Le e c c+d d 液相和生成的两种固相成分固定,分液相和生成的两种固相成分固定,分别为别为e e、c c、d d。 2-2 2-2 二元共晶相图二元共晶相图36 一、相图分析一、相图分析1 1、液相线:、液相线:aebaeb,表示结晶开始。,表示结晶开始。 固相线:固相线:acedbacedb,表示结晶结束。,表示结晶结束。 溶解度曲线:溶解度曲线:cfcf,dgdg。表示。表示、固溶固溶体在不同温度时的溶解度。体在不同温度时的溶解度。2 2、单相区:、单相区:、L L,、。 两相区:两相区:+L+L,+L+L,+。373 3、三相共存水平线:、三相共存水平线:
18、cedced。 (1)(1)也叫共晶线,表示共晶反应的温度和反也叫共晶线,表示共晶反应的温度和反应物、生成物的成分。(反应物在共晶线应物、生成物的成分。(反应物在共晶线的中间,生成物在共晶线的两端)的中间,生成物在共晶线的两端)(2)(2)成分垂直线和共晶线相交的合金,在冷成分垂直线和共晶线相交的合金,在冷却过程中均会发生共晶反应。却过程中均会发生共晶反应。4 4、共晶点:发生共晶反应的液相温度和成、共晶点:发生共晶反应的液相温度和成分。分。38二、合金的结晶过程二、合金的结晶过程( (一一) )共晶合金的结晶过程共晶合金的结晶过程1 1、共晶合金:具有共晶点成分的合金。、共晶合金:具有共晶点
19、成分的合金。2 2、结晶过程、结晶过程391 1点以上:液相。点以上:液相。1-11-1:恒温,发生共晶反应,得到共晶体。:恒温,发生共晶反应,得到共晶体。 L Le e ( (c c+d d) )1 1:液相完全消失,固相全部为共晶体。:液相完全消失,固相全部为共晶体。1 1以下:组织无变化。以下:组织无变化。 室温组织:共晶体室温组织:共晶体(+)(+)。 室温相组成:室温相组成:和和。4041423 3、共晶体、共晶体(1)(1)定义:共晶反应得到的非常致密的两相定义:共晶反应得到的非常致密的两相机械混合物。机械混合物。(2)(2)形成过程:合金溶液中存在成分偏析,形成过程:合金溶液中存
20、在成分偏析,在含在含PbPb多的地方优先生成多的地方优先生成相晶核,因为相晶核,因为相含有较多的相含有较多的PbPb,此时,此时相晶核周围的相晶核周围的液体含液体含PbPb量降低,有利于形成量降低,有利于形成相晶核,相晶核,而而相晶核周围含相晶核周围含PbPb量增加,又有利于形量增加,又有利于形成成晶核。因此,会迅速形成一个晶核。因此,会迅速形成一个相和相和相彼此相间排列的组织。相彼此相间排列的组织。43( (二二) )亚共晶合金的结晶过程亚共晶合金的结晶过程1 1、亚共晶合金:发生共晶反应,且浓度低、亚共晶合金:发生共晶反应,且浓度低于共晶点的合金。于共晶点的合金。2 2、结晶过程、结晶过程
21、 第第4747页图页图3-173-17,要注意每一个相的数量,要注意每一个相的数量和成分的变化。和成分的变化。441 1点以上:液相。点以上:液相。1-21-2:液相中析出先共晶:液相中析出先共晶固溶体。固溶体。 液相数量减少,成分沿液相数量减少,成分沿aeae线变化;线变化; 固溶体数量增加,成分沿固溶体数量增加,成分沿acac线变化。线变化。 其相对数量符合杠杆定律。其相对数量符合杠杆定律。2 2:由成分为:由成分为c c的先共晶的先共晶固溶体和成分为固溶体和成分为e e的液相组成。的液相组成。45LLWC+ W1CCW Lo bWa o46 2-22-2:液相发生共晶反应,得到共晶体;:
22、液相发生共晶反应,得到共晶体;先共晶先共晶固溶体的数量和成分不发生变化。固溶体的数量和成分不发生变化。2 2:液相消失,组织为先共晶:液相消失,组织为先共晶固溶体和固溶体和(c c+d d) )共晶体。共晶体。2 2以下:以下:、相的溶解度随温度下降而相的溶解度随温度下降而减小,析出新相。减小,析出新相。47 先共晶先共晶固溶体中析出次生相固溶体中析出次生相。 共晶体共晶体(+)(+)中析出的次生相可以不中析出的次生相可以不考虑。考虑。 室温组织:室温组织:+(+)+(+)+。 室温相组成:室温相组成:和和。48495051523 3、同一种相的三种不同组织(形态)、同一种相的三种不同组织(形
23、态)(1)(1)初生相初生相( (一次相一次相) ):从液体中析出,可以自:从液体中析出,可以自由生长,常为树枝状、块状或片状,尺寸较由生长,常为树枝状、块状或片状,尺寸较大。大。(2)(2)共晶相:两个相从液体中同时析出,交叉共晶相:两个相从液体中同时析出,交叉排列,比较致密。排列,比较致密。(3)(3)次生相次生相( (二次相二次相) ):从固相中析出,难以长:从固相中析出,难以长大,以小颗粒状分布在母相晶内或晶界。大,以小颗粒状分布在母相晶内或晶界。(4)(4)表示方法:初生相不用专门注明,共晶相表示方法:初生相不用专门注明,共晶相用括号表示,次生相用下标用括号表示,次生相用下标表示。表示。534 4、晶内偏析、晶内偏析(1)(1)定义:晶粒内出现的成分不均匀现象。定义:晶粒内出现的成分不均匀现象。(2)(2)产生原因:先、后结晶固溶体的成分不产生原因:先、后结晶固溶体的成分不同,又来不及扩散均匀。同,又来不及扩散均匀。(3)(3)枝晶偏析枝晶偏析: :固溶体常以树枝状生长方式结固溶体常以树枝状生长方式结晶,使枝干和分枝的成分不一致。晶,使枝干和分枝的成分不一致。 54555657( (三三) )过
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