第三章1-2节 二元合金与相图(同济-王国华)

1、第第3章章 二元合金与相图二元合金与相图主要内容：主要内容：1.合金、相图等相关概念，以及合金的类型；合金、相图等相关概念，以及合金的类型；2. 三种基本相图、及其平衡结晶过程分析，形三种基本相图、及其平衡结晶过程分析，形成合金的显微组织及杠杆定律；成合金的显微组织及杠杆定律；3. 合金的结晶过程合金的结晶过程1. 1. 纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差，纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差，如何改善？如何改善？2. 2. 合金的结晶过程是否与纯金属的结晶过程合金的结晶过程是否与纯金属的结晶过程相同？相同？3. 3. 相同成分不同含量的合金的结晶过程是否相相同成分不同含量的合金的结晶过程是

2、否相同？怎样表示？同？怎样表示？3.1.1 固态合金中的相结构及组织概念固态合金中的相结构及组织概念组元：组元：组成合金独立的最基本的单元。组成合金独立的最基本的单元。组元可以是元组元可以是元素或是稳定化合物。素或是稳定化合物。合金：合金：一种元素同另一种或几种其他元素一种元素同另一种或几种其他元素，通过熔化或其他方法结合在一起所形成，通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。的具有金属特性的物质。由两个组元组成的合金称为二元合金由两个组元组成的合金称为二元合金。如：铁碳合金、铜镍合金如：铁碳合金、铜镍合金相相相：相：凡化学成分相同（凡化学成分相同（可连续变化可连续变化 ）、晶体

3、结构相同）、晶体结构相同并有界面与其他部分分开的均匀组成部分称为相。并有界面与其他部分分开的均匀组成部分称为相。液相液相固相固相固溶体固溶体金属化合物金属化合物合金组元通过溶解合金组元通过溶解形成一种成分和性形成一种成分和性能均匀、且结构与能均匀、且结构与组元之一相同。组元之一相同。合金组元相互作合金组元相互作用形成的晶格类用形成的晶格类型和特性完全不型和特性完全不同于任一组元的同于任一组元的新相。新相。相：相：组元：组元： 与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多，另一组元为溶质，含量较少。金中含量较多，另一组元为溶质，含量较少。 固溶体用固溶

4、体用、等符号表示，等符号表示，A、B组元组组元组成的固溶体用成的固溶体用A(B),其中其中A为溶剂，为溶剂，B为溶质；为溶质；固溶体：溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相固溶体：溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相称为固溶体称为固溶体。 “固体溶液固体溶液” *均一的、保持熔剂金属的晶体结构 *晶格常数发生一定变化1. 固溶体固溶体固溶体的晶体结构特点固溶体的晶体结构特点按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为：按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为：置换固溶体和间隙固溶体置换固溶体和间隙固溶体(1) 固溶体的分类固溶体的分类溶解度：溶质在固溶体中的极限浓度即为溶质在溶解度：溶质在固溶体中的

5、极限浓度即为溶质在固溶体中的溶解度。固溶体中的溶解度。若超过这个溶解度有其他相形成，则此种固溶体若超过这个溶解度有其他相形成，则此种固溶体为有限固溶体。为有限固溶体。若溶质可以任意比例溶入，即溶质的溶解度可达若溶质可以任意比例溶入，即溶质的溶解度可达100，则固溶体为无限固溶体。，则固溶体为无限固溶体。按溶解度固溶体可分为：有限固溶体和无限固溶体按溶解度固溶体可分为：有限固溶体和无限固溶体按溶质原子在固溶体中分布是否有规律可分为：按溶质原子在固溶体中分布是否有规律可分为：无序固溶体和有序固溶体无序固溶体和有序固溶体 什么是固溶强化什么是固溶强化?造成固溶强化的原因是什么造成固溶强化的原因是什么

6、? 固溶强化就是通过形成固溶体使金属强度固溶强化就是通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象。和硬度提高的现象。 造成固溶强化的原因是固溶体随着溶质原造成固溶强化的原因是固溶体随着溶质原子的溶入而晶格发生畸变子的溶入而晶格发生畸变, ,晶格畸变增大位错运动晶格畸变增大位错运动的阻力的阻力, ,使金属的滑移变形变得更加困难使金属的滑移变形变得更加困难, ,从而提从而提高合金的强度和硬度。高合金的强度和硬度。(2) 固溶体的性质固溶体的性质2.金属化合物金属化合物Fe3C金属化合物特点：金属化合物特点：熔点较高、硬度高、脆性大。熔点较高、硬度高、脆性大。金属化合物金属化合物正常价化合物正常价化合物

7、电子化合物电子化合物间隙化合物间隙化合物复杂结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物间隙相间隙相 (1)正常价化合物正常价化合物 严格遵守化合价化合规律的化合物称正常严格遵守化合价化合规律的化合物称正常价化合物。如：价化合物。如：Mg2Si (2)电子化合物电子化合物 不遵守化合价规律但符合一定电子浓度的化合物不遵守化合价规律但符合一定电子浓度的化合物称电子化合物。称电子化合物。 电子浓度是指化合物中价电子数与原子数之比。电子浓度是指化合物中价电子数与原子数之比。 例：求例：求CuZn的电子浓度？的电子浓度？ 在元素周期表中在元素周期表中Cu排排29，Zn排排30 则价电子数：则价电子数：1(Cu

8、)+2(Zn)=3 原子数：原子数：1(Cu)+1(Zn)=2 电子浓度电子浓度=3/2问问Cu5Zn8 电子浓度为多少？电子浓度为多少？ 价电子指价电子指原子原子核外电子中能与其他原子相互作用形成核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键化学键的电子的电子 (3)间隙化合物间隙化合物 由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物为原子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。间隙化合物。 间隙相：当非金属原子半径与金属原子间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径之比小于半径之比小于0.59时，时，形成具有简单晶格的间形成具有简单晶格

9、的间隙化合物称为间隙相。例：隙化合物称为间隙相。例：VCVC 复杂结构的间隙化合物：复杂结构的间隙化合物：当非金属原当非金属原子半径与金属原子半径之比大于子半径与金属原子半径之比大于0.59时，时，形成形成具有复杂结构晶格的间隙化合物。例：具有复杂结构晶格的间隙化合物。例： Fe3C 间隙固溶体和间隙相有什么不同？间隙固溶体和间隙相有什么不同？ 间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中的固溶体叫间隙固溶体。其结构与组元之一之中的固溶体叫间隙固溶体。其结构与组元之一相同。相同。 间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径之间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径

10、之比小于比小于0.590.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物称时，形成具有简单晶格的间隙化合物称为间隙相。其结构和特性完全不同于任一组元。为间隙相。其结构和特性完全不同于任一组元。3.1.2金属材料的组织金属材料的组织1.组织的概念组织的概念金相试样的制备：金相试样的制备：取样取样(小块金属材料小块金属材料) 磨光磨光(用金相砂纸用金相砂纸) 抛抛光光(用绒布用绒布+抛光剂抛光剂) 腐蚀腐蚀吹干吹干 在显微镜下观察，可以看到金属材料内在显微镜下观察，可以看到金属材料内部的微观形貌。这种微观形貌称做显微组织部的微观形貌。这种微观形貌称做显微组织，简称组织。，简称组织。抛光机抛光机1-光源光源2

11、-拨盘拨盘3-底座物镜底座物镜4-孔径光阑孔径光阑 5-视场光阑旋钮视场光阑旋钮6-视场光阑滚花螺丝视场光阑滚花螺丝7-固定滚花螺钉固定滚花螺钉8-双筒目镜镜管双筒目镜镜管9-目镜目镜10-载物台载物台ll-物镜物镜12-物镜转换盘物镜转换盘13-镜架镜架14-粗调手轮粗调手轮15-微调手轮微调手轮 金相显微镜金相显微镜化学成分不化学成分不同显微组织同显微组织不同。不同。(a) w(c)=0.01%铁素体铁素体 (b) w(c)=0.45%铁素体铁素体+珠光体珠光体 (c) w(c)=0.77%珠光体珠光体 (d) w(c)=1.2%珠光体珠光体 +二次渗碳体二次渗碳体2.组织的决定因素组织的

12、决定因素组织的决定因素：化学成分和工艺过程组织的决定因素：化学成分和工艺过程化学成分相同，热处理工艺不化学成分相同，热处理工艺不同，显微组织形态不同。同，显微组织形态不同。 w(c)=0.77% 片状珠光体片状珠光体 w(c)=0.77% 球状珠光体球状珠光体3.组织与性能的关系组织与性能的关系金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定。金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定。注意：注意：(1)在某些情况下，金属的组织名称相同，组成相在某些情况下，金属的组织名称相同，组成相也相同，但晶粒形状、大小不同，则它们的性能也相同，但晶粒形状、大小不同，则它们的性能也不同。也不同。(2)在某些合金中，在

13、显微镜下观察它们的组织，在某些合金中，在显微镜下观察它们的组织，组成相相同，且形状、大小无明显差异，只是其组成相相同，且形状、大小无明显差异，只是其成分有所不同，这时表现出来的性能也不相同。成分有所不同，这时表现出来的性能也不相同。3.1.3 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能工艺性能：指制造工艺过程中材料适应加工的性能。工艺性能：指制造工艺过程中材料适应加工的性能。1.2.1金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能使用性能：指金属材料在使用情况下所表现出来的性能。使用性能：指金属材料在使用情况下所表现出来的性能。零零件件 1.铸造性能铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称金属材料铸造成

14、形获得优良铸件的能力称为铸造性能。为铸造性能。 2.锻造性能锻造性能 金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称为金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称为锻造性能。锻造性能。 3.焊接性能焊接性能 金属材料对焊接加工的适应性称为焊接性能。金属材料对焊接加工的适应性称为焊接性能。 4.切削加工性能切削加工性能 切削加工一般用切削后的表面质量和刀具寿切削加工一般用切削后的表面质量和刀具寿命来表示。命来表示。 5.热处理工艺性能热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性，即钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性，即钢接受淬火的能力。钢接受淬火的能力。3.2 3.2 二元合金的结晶与相图二元合金的结晶

15、与相图 表明合金系中各种合表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图之间关系的一种简明示图（温度（温度-成分成分-（表）相）（表）相） 合金的结晶通常运用合金相图来分析（合金合金的结晶通常运用合金相图来分析（合金的结晶过程）。的结晶过程）。什么是相图？什么是相图？(phase diagram)AB相图的制作过程相图的制作过程四步：四步：1.1. 配制一系列成分的合金配制一系列成分的合金 （合金系概念）（合金系概念）如：如：(1) 100%Ni+0%Cu(1) 100%Ni+0%Cu (2) 80%Ni+20%Cu (2) 80%Ni+20%Cu (3)

16、 60%Ni+40%Cu (3) 60%Ni+40%Cu (4) 40%Ni+60%Cu (4) 40%Ni+60%Cu (5) 20Ni%+80%Cu (5) 20Ni%+80%Cu (6) 0%Ni+100%Cu (6) 0%Ni+100%Cu2.2.测出上述合金的冷却曲线测出上述合金的冷却曲线（平衡状态（平衡状态- -原子充分扩散）原子充分扩散）3.3.根据各冷却曲线上的转折根据各冷却曲线上的转折点确定合金的临界点点确定合金的临界点4.4.将这些临界点标在将这些临界点标在相图坐标系中的相应相图坐标系中的相应位置上，最后把各意位置上，最后把各意义相同的临界点连起义相同的临界点连起来。来。相

17、图的制作相图的制作P14时间时间 温度温度20406080 Ni%Cu100%Ni80%60%40%20%0%3.2.1 匀晶相图匀晶相图(uniform grain phase diagram)1. Cu-Ni合金的结晶过程合金的结晶过程由液相结晶出单相固溶体单相固溶体的过程称为匀晶转变LL+纯金属为纯金属为恒温结晶恒温结晶(1) 固溶体从液相结晶出来的过程中，也包括生核固溶体从液相结晶出来的过程中，也包括生核与长大过程。与长大过程。2. 匀晶结晶的特点匀晶结晶的特点(5个特点个特点)生核生核长大长大(2) 固溶体结晶在一个固溶体结晶在一个温度区间内进行。即温度区间内进行。即变温结晶过程。变

18、温结晶过程。(3) 在两相区内，温度在两相区内，温度一定时，液相和固相的一定时，液相和固相的成分是确定的成分是确定的 。确定相成分的方法：确定相成分的方法：过指定温度过指定温度T1作水平线，分作水平线，分别交液相线和固相线于别交液相线和固相线于a1点、点、c1点点温度为温度为T1时时液相的成分液相的成分温度为温度为T1时时固相的成分固相的成分随着温度的下降，液相成分随着温度的下降，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。相线变化。求求a1点、点、c1点在成分轴上的点在成分轴上的投影点即为液相投影点即为液相L和固相和固相的成的成分。分。a1c1T1a2c2T2到温度

19、到温度T2时，时，L相成分及相成分及相相成分分别为成分分别为a2、c2在成分轴上的在成分轴上的投影。投影。2. 匀晶结晶的特点匀晶结晶的特点(5个特点个特点)(4) 在两相区内，温度一定时，两相的质量比是确定的在两相区内，温度一定时，两相的质量比是确定的 a1c1T1b1P17a1b1c1QLQ杠杆定律1111bacbQQL如在如在T1温度时，两相的温度时，两相的质量比可用下式表达。质量比可用下式表达。QL为为L相的质量；相的质量；Q为固相的质量；为固相的质量；b1c1、a1b1为线长为线长,可用其成可用其成分坐标上的数字来度量。分坐标上的数字来度量。1111cbQbaQL2. 匀晶结晶的特点

20、匀晶结晶的特点(5个特点个特点)杠杆定律的证明杠杆定律的证明P17abcQLQ设合金的总量为设合金的总量为Q合金合金，其中，其中Ni的质的质量分数为量分数为b，在，在T1温度时，温度时，L中的质中的质量分数为量分数为a，中的中的质量分数为质量分数为cT1合金中含合金中含Ni的总质量的总质量=L相中含相中含Ni的质量的质量+ 中含中含Ni的质量的质量Q合金合金b=QL a+Q c(1)Q合金合金=QL +Q(2)联合求解上述两式联合求解上述两式abbcQQLP17abcQLQabbcQQLacbcQQL合金acabQQ合金合金中液相和固合金中液相和固相在合金中所占相在合金中所占的相对质量。的相对

21、质量。T1杠杆定律的理解杠杆定律的理解P17abcQLQQL.ab=Q.bcabbcQQLbc长度代表液相的长度代表液相的质量，随着温度下质量，随着温度下降，液相越来越少降，液相越来越少，bc越来越短。越来越短。ab长度代表固相的长度代表固相的质量，随着温度下质量，随着温度下降，固相越来越多降，固相越来越多，ab越来越长。越来越长。T1ac长度代长度代表合金的表合金的质量。质量。acac将将20kg20kg纯铜与纯铜与30kg30kg纯镍熔化后慢纯镍熔化后慢冷至如图所示的温度冷至如图所示的温度T T1 1，求此时，求此时(1) (1) 两相的成分；两相的成分；(2) (2) 两相的质量比；两相

22、的质量比；(3) (3) 两相的相对质量；两相的相对质量；(4) (4) 两相的质量。两相的质量。 (1)(1)两相的成分，两相的成分，T T1 1温度时：温度时： 液相：含液相：含Cu 50% Ni 50%Cu 50% Ni 50%合金质量：合金质量： Q Q合金合金=20+30=50kg=20+30=50kg合金的成分：含合金的成分：含Cu:20/50=40% Cu:20/50=40% 含含Ni:30/50=60%Ni:30/50=60%例题例题(应用应用)固相：含固相：含Cu 20% Ni 80%Cu 20% Ni 80%abc(2(2）两相的质量比）两相的质量比121020506060

23、80abbcQQL(3(3）两相的相对质量）两相的相对质量%67.6632302050806080)(acbcQQLWL合金%33.3331301050805060)(acabQQW合金QLQ(4(4）两相的质量）两相的质量kgQacbcQL335.3350%67.66合金kgQacabQ665.1650%33.33合金abcQLQ(5) 固溶体结晶时成分是变化的，缓慢冷却时由于原固溶体结晶时成分是变化的，缓慢冷却时由于原子的扩散能充分进行，形成的是成分均匀的固溶体子的扩散能充分进行，形成的是成分均匀的固溶体 。枝晶偏析：一枝晶偏析：一个晶粒内化学个晶粒内化学成分不均匀的成分不均匀的现象。现象

24、。2. 匀晶结晶的特点匀晶结晶的特点 固溶体结晶时成分是变化的（固相线和液相线），如冷却较快，原子扩散不能固溶体结晶时成分是变化的（固相线和液相线），如冷却较快，原子扩散不能充分进行，则会形成成分不均匀的固溶体。固溶体一般都以枝晶状方式结晶，使得一充分进行，则会形成成分不均匀的固溶体。固溶体一般都以枝晶状方式结晶，使得一个晶粒中先结晶的树枝晶枝杆含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶枝间含低熔点组元个晶粒中先结晶的树枝晶枝杆含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶枝间含低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶偏析。较多，结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶

25、偏析。 枝晶偏析的合金对合金的力学性能影响较大。容易导致合金塑性韧性下降；易引起枝晶偏析的合金对合金的力学性能影响较大。容易导致合金塑性韧性下降；易引起晶间腐蚀，降低合金的抗蚀性能。晶间腐蚀，降低合金的抗蚀性能。 消除枝晶偏析的方法采用扩散退火。消除枝晶偏析的方法采用扩散退火。组织组成物：指合金组织中那些具有确定本质组织组成物：指合金组织中那些具有确定本质，一定形成机制的特殊形态的组成部分。组织，一定形成机制的特殊形态的组成部分。组织组成物可以是单相，或两相混合物。组成物可以是单相，或两相混合物。亚共析钢：亚共析钢：( 铁素体铁素体)F+（珠光体）（珠光体）P 在显微镜下，白色为在显微镜下，白

26、色为F和黑色为和黑色为PFP相图的种类相图的种类相图的种类相图的种类(1)匀晶相图匀晶相图(2)共晶相图共晶相图(3)包晶相图包晶相图(4)共析相图共析相图(5)含有稳定化合物的合金的结晶相图含有稳定化合物的合金的结晶相图(2)共晶相图共晶相图(eutectic phase diagram)Pb-Sn(铅铅-锡锡)合金相图合金相图一种液相一种液相固固相相1固固相相2ecdL恒温恒温共晶反应共晶反应共晶相图共晶相图共晶相图：液相组元无限互溶，固相组元有限溶共晶相图：液相组元无限互溶，固相组元有限溶解的合金系，当溶质超出固溶体溶解极限时，冷解的合金系，当溶质超出固溶体溶解极限时，冷却过程中发生共晶

27、转变，这类合金构成的相图称却过程中发生共晶转变，这类合金构成的相图称为共晶相图。为共晶相图。从一个液相中同时析出两个固相的从一个液相中同时析出两个固相的转变过程称为共晶转变。转变过程称为共晶转变。共晶转变式：共晶转变式：L + PbSnSn%T, C液相线液相线L固相线固相线 + L+ L + 固溶线固溶线 固溶线固溶线共晶相图共晶相图ABEMNFG共晶相图简介共晶相图简介共晶相图共晶相图PbSnT, CL + L + L + 共晶反应线共晶反应线表示从表示从M点到点到N点点范围的合金，在范围的合金，在该温度上都要发该温度上都要发生不同程度上的生不同程度上的共晶反应。共晶反应。ce共晶点共晶点表示表示E点成分的合点成分的合金冷却到此温度金冷却到此温度上发生完全的共上发生完全的共晶转变。晶转变。dLE M + NABEMNFGPbSnT, CL + L + L + 183ced1.1.共晶转变在恒温