金属学热处理3

1、第三章第三章 二元合金的相结构与结晶二元合金的相结构与结晶概念概念 合金合金: 两种或者两种以上的金属、或金属与非金属，两种或者两种以上的金属、或金属与非金属， 经过熔炼或烧经过熔炼或烧结、或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。结、或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。 组元组元： 组成合金最基本的、独立的物质。一般说，组元就是组成合金最基本的、独立的物质。一般说，组元就是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。 二元合金二元合金：由两个组元组成的合金。：由两个组元组成的合金。 合金系合金系：由给定的组元以不同的比例配置成一系列成分不同：由给定的组元

2、以不同的比例配置成一系列成分不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系。的合金，这一系列合金就构成一个合金系。相相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。的组成部分。分类分类: 固溶体固溶体：合金的组元间以不同的比例相互混合，混合后：合金的组元间以不同的比例相互混合，混合后形成的晶体结构与某一组元的晶体结构相同，这种相就形成的晶体结构与某一组元的晶体结构相同，这种相就是固溶体，这种组元叫溶剂，其他的组元叫溶质。是固溶体，这种组元叫溶剂，其他的组元叫溶质。金属化合物金属化合物：在合金系中，组元间发生相互作用，形成：在合金系中，组元

3、间发生相互作用，形成一种具有金属性质的新相。它具有独立的晶体结构和性一种具有金属性质的新相。它具有独立的晶体结构和性质，与各个组元的晶体结构和性质都不同。质，与各个组元的晶体结构和性质都不同。影响相结构的因素影响相结构的因素: 负电性负电性,原子尺寸原子尺寸,电子浓度电子浓度.3.1 合金中的相合金中的相3.2 合金的相结构合金的相结构一。固溶体一。固溶体分类：分类：1.位置：置换，间隙。位置：置换，间隙。2.固溶度：有限固溶，固溶度：有限固溶， 无限固溶。无限固溶。3.相对分布：无序，有序。相对分布：无序，有序。结构结构1.晶格畸变晶格畸变2.偏聚偏聚3.有序有序二。金属化合物（中间相）二。

4、金属化合物（中间相）分类：分类：正价化合物，正价化合物， 电子化合物，电子化合物， 间隙相和间隙化合物。间隙相和间隙化合物。三。间隙相与间隙固溶体区别三。间隙相与间隙固溶体区别 间隙相是一种化合物，它具有与其他组元完全不同的晶体结构；而间隙间隙相是一种化合物，它具有与其他组元完全不同的晶体结构；而间隙固溶体仍保持着溶剂组元的晶格类型。固溶体仍保持着溶剂组元的晶格类型。3.3 3.3 二元合金相图的建立二元合金相图的建立一一. . 二元相图的表示方法二元相图的表示方法二二. . 二元相图的测定方法二元相图的测定方法三三. . 相律和杠杆定律相律和杠杆定律( (一一) )杠杆定律杠杆定律: :W

5、WL L/W/Wa a=rb/ar=rb/ar( (二二) )相律及其应用相律相律及其应用相律: : f=c-p+2f=c-p+2C:C:系统的组元数系统的组元数; P:; P:平衡条件下系统的相数平衡条件下系统的相数; f: ; f: 自由度数自由度数; ;常数常数2 2代表代表: : 温度和压力温度和压力. .当压力为常数时当压力为常数时: : f=c-p+1f=c-p+1C:C:系统的组元数系统的组元数; P:; P:平衡条件下系统的相数平衡条件下系统的相数; f: ; f: 自由度数自由度数. .相律的作用相律的作用确定系统中可能存在的最多平衡相数确定系统中可能存在的最多平衡相数.单元

6、系: C=1, 当f f =0时, P=1-0+1=2, 说明同时共存的相最多两个.二元系: C=2, 当f f =0时, P=2-0+1=3, 说明同时共存的相最多三个.解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别单元系: C=1, p=2 时, f =0, 说明纯金属结晶时只能在恒温下.二元系: C=2, P =2时, f =1, 说明二元合金在一个温度范围内进行; 当三相共存(P P =3)时, f f =0, 说明结晶只能在各个因素完全不变的条件下进行.3.4 匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图及固溶体的结晶一一.相图分析相图分析 匀晶相图匀晶相图: 两组元在液

7、相和固相都无限互溶的二元合金所形成的相图两组元在液相和固相都无限互溶的二元合金所形成的相图.二二. 固溶体合金的平衡结晶过程固溶体合金的平衡结晶过程1.概念概念:平衡结晶平衡结晶: 合金在极其缓慢的冷却条件下进行结晶的过程合金在极其缓慢的冷却条件下进行结晶的过程.成分起伏成分起伏:虽然液态合金在宏观上成分平均虽然液态合金在宏观上成分平均, 但是在微观上但是在微观上, 由于原子由于原子运动的结果运动的结果, 在任一瞬间在任一瞬间, 液相中总有些微小体积可能偏离液相的平液相中总有些微小体积可能偏离液相的平均成分均成分, 这些微小的体积的成分、大小、位置都是在不断地变化的。这些微小的体积的成分、大小

8、、位置都是在不断地变化的。异分结晶异分结晶（选择结晶）：结晶的晶体同液态母相化学成分不同的结（选择结晶）：结晶的晶体同液态母相化学成分不同的结晶。晶。同分结晶同分结晶：结晶的晶体同液态母相化学成分完全相同的结晶。：结晶的晶体同液态母相化学成分完全相同的结晶。2.固溶体形核的条件：固溶体形核的条件： 结构起伏，结构起伏， 能量起伏，能量起伏， 成分起伏。成分起伏。3.固溶体结晶特点固溶体结晶特点 异分结晶异分结晶平衡分配系数：平衡分配系数：k0=C /CLC 、 CL为固相和液相的平衡浓度。为固相和液相的平衡浓度。 K0 的大小反映了溶质组元重新分配的大小反映了溶质组元重新分配的强弱程度。的强弱

9、程度。需要一定温度范围需要一定温度范围 （下页）（下页）固溶体的结晶过程固溶体的结晶过程 固溶体晶核的形成（或原晶体的长大）造成相内（液相固溶体晶核的形成（或原晶体的长大）造成相内（液相或固相）的浓度梯度，从而引起相内的扩散过程，这就破坏或固相）的浓度梯度，从而引起相内的扩散过程，这就破坏了相界面处的平衡，因此晶体必须长大，才能使相界面处重了相界面处的平衡，因此晶体必须长大，才能使相界面处重新达到平衡。新达到平衡。 固溶体晶体的长大过程：平衡固溶体晶体的长大过程：平衡-不平衡不平衡-平衡平衡-不平衡。不平衡。三三. 固溶体合金的不平衡结晶过程固溶体合金的不平衡结晶过程不平衡结晶不平衡结晶：偏离

10、平衡结晶条件的结晶。：偏离平衡结晶条件的结晶。晶内偏析晶内偏析(枝晶偏析枝晶偏析)：在一个晶粒内化学成分不均匀的现象，叫晶内偏析。由于：在一个晶粒内化学成分不均匀的现象，叫晶内偏析。由于固体晶体通常呈树枝状，使树干和树枝间的化学成分不同，所以又叫枝晶偏析。固体晶体通常呈树枝状，使树干和树枝间的化学成分不同，所以又叫枝晶偏析。假设：液体内充分混合，假设：液体内充分混合， 而固相内没有扩散而固相内没有扩散。偏析的大小与偏析的大小与k0有关。有关。偏析的最大值：偏析的最大值：C0-C 0= C0 - C0 K0= C0 （1- K0 ）影响偏析的因素：溶质扩散能力，影响偏析的因素：溶质扩散能力，冷却

11、速度。冷却速度。四四.区域偏析和区域提纯区域偏析和区域提纯(一一)区域偏析：固溶体合金不平衡结晶中造成的大范围内化学成分不均匀现象。区域偏析：固溶体合金不平衡结晶中造成的大范围内化学成分不均匀现象。区域偏析的形成区域偏析的形成情况情况1。假定：液体内化学成分充分混合（靠扩散、对流和搅拌），。假定：液体内化学成分充分混合（靠扩散、对流和搅拌）， 而固相内无扩散。而固相内无扩散。情况情况2。假定：液体内溶质原子仅靠扩散混合（无对流和搅拌），。假定：液体内溶质原子仅靠扩散混合（无对流和搅拌）， 固相内无固相内无扩散。扩散。情况3。实际不平衡结晶如曲线d.(二二)区域提纯区域提纯五五.成分过冷及其对晶

12、体成长形状和铸锭组织的影响成分过冷及其对晶体成长形状和铸锭组织的影响思考问题：固溶体的晶体生长形态是什么样？（固液界面前液体分别在正、思考问题：固溶体的晶体生长形态是什么样？（固液界面前液体分别在正、负温度梯度下）负温度梯度下）(一一) 形成成分过冷的条件及其影响因素形成成分过冷的条件及其影响因素成分过冷成分过冷：固溶体合金在结晶时，溶质组元重新分布，在固液界面处形：固溶体合金在结晶时，溶质组元重新分布，在固液界面处形成溶质的浓度梯度，产生一个过冷区，由于这个过冷度是由液相中成分成溶质的浓度梯度，产生一个过冷区，由于这个过冷度是由液相中成分的变化引起的，所以叫。的变化引起的，所以叫。1。纯金属

13、固液界面的温度梯度对结晶形状的影响。纯金属固液界面的温度梯度对结晶形状的影响平面生长平面生长树枝状生长树枝状生长(二二)固溶体合金的成分过冷对晶体生长形状的影响固溶体合金的成分过冷对晶体生长形状的影响2。固溶体合金的成分过冷对晶体生长形状的影响。固溶体合金的成分过冷对晶体生长形状的影响G1:平面生长G2: 生长方式G3:树枝生长3.5 共晶相图及合金的结晶概念: 共晶相图： 共晶转变：由一个液相同时结晶出两个固相的过程。一. 相图分析MF、NG固溶度曲线；固溶度曲线；AE、BE液相线；液相线；AMNB固相线；固相线；三个单相区；三个两相区；一个三相共存区三个单相区；三个两相区；一个三相共存区M

14、EN。共晶转变（反应）：共晶转变（反应）：LE M+ N共晶线共晶线MEN；共晶点；共晶点E；共晶温度；共晶合金；过共晶合金；亚共晶合金。；共晶温度；共晶合金；过共晶合金；亚共晶合金。二.典型合金的平衡结晶极其组织合金合金IL L+ + IIw = 100%xF4/FGW = 100%x4G/FG脱溶过程脱溶过程(二次结晶二次结晶); 二次相二次相. 共晶合金(合金II)共晶转变（反应）：共晶转变（反应）：LE M+ Nw M = 100%xME/MNW N= 100%xEN/MNL- + - ( + ) + ( II + II)通常下：通常下：( II + II)省略。所以组织：省略。所以组

15、织： + 共晶组织的生长方式共晶组织的生长方式:片层状生长片层状生长 亚共晶合金(合金III)L-L+ - +( + ) - +( + ) + II先共晶相和剩余液体质量比先共晶相和剩余液体质量比:W = 100%xE2/MEWL = 100%xM2/ME过共晶合金(合金IV)L-L+ - +( + ) - +( + ) + II 不同合金的组织组成物2点点: 先共晶相和共晶组织含量先共晶相和共晶组织含量: w = 100%x2E/ME W + = 100%x2M/ME 相组成物的含量相组成物的含量: W = 100%x2N/MN w = 100%xM2/MN三. 非平衡结晶极其组织(一)伪共

16、晶伪共晶 在不平衡结晶条件下,成分在共晶点附近的亚(过)共晶合金,也能得到全部共晶组织,这种非共晶成分的合金所得到的共晶组织,叫伪共晶.离异共晶离异共晶 在先共晶相数量较多而共晶组织较少情况下,有时共晶组织中与先共晶相相同的那一相,会依附于先共晶相上生长,剩下的另一相则单独存在于相界处,从而使共晶组织的特征消失,这种两相分离的共晶叫离异共晶会给合金性能带来不良影响离异共晶会给合金性能带来不良影响.对不平衡组织可用均匀化退火消除对不平衡组织可用均匀化退火消除.四四.比重偏析和区域偏析比重偏析和区域偏析包晶相图及其合金的结晶包晶相图及其合金的结晶包晶相图包晶反应（转变）一. 相图分析PEDF固溶度

17、曲线；固溶度曲线；ACB液相线；液相线；APDB固相线；固相线；三个单相区；三个两相区；一个三相三个单相区；三个两相区；一个三相(L、 、 ）共存区共存区PDC。包晶反应（转变）：包晶反应（转变）：Lc+ p D包晶点包晶点D，包晶温度，包晶温度tD，包晶线，包晶线PDC。二.典型合金的平衡结晶过程及组织(一).合金I结晶过程:L-L+- + IID点:WL =100% x PD/PC W =100% x DC/PC包晶反应包晶反应(二).合金II结晶过程结晶过程:L-L+ - + - + + II+ II包晶反应包晶反应2点:WL =100% x PH/PC W =100% x HC/PC(

18、二).合金III结晶过程结晶过程:L-L+ - +L - - + II包晶反应包晶反应2点点:WL =100% x 2D/DC W =100% x 2C/DC三三.不平衡结晶及组织不平衡结晶及组织包晶偏析包晶偏析:包晶转变的不平衡组织可用长时间扩散退火消除包晶转变的不平衡组织可用长时间扩散退火消除.四.包晶转变的实际应用在轴承合金中细化晶粒作用3.7 二元相图的分析和使用二元相图的分析和使用一一.相图分析步骤相图分析步骤(1).看是否存在稳定化合物看是否存在稳定化合物,将相图分解将相图分解.(2).确定单相区、两相区和三相区。确定单相区、两相区和三相区。(3).确定三相平衡转变性质确定三相平衡转变性质.(4).综合