西工大 工程材料 第二章 合金相结构和二元合金相图(新PPT)

1、合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图 2.2 2.2 二元合金相图二元合金相图 2.3 2.3 二元相图的应用二元相图的应用2.1 2.1 合金的相结构合金的相结构第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图2.1 2.1 合金的相结构合金的相结构 ：导电性、导热性好。但强度并不高，应用受限制。：导电性、导热性好。但强度并不高，应用受限制。 ：是两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素制：是两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素制成的具有金属特性的物质。成的具有金属特性的物质。 。 由两个

2、组元组成的合金称为由两个组元组成的合金称为。 由由 ：是金属或合金中具有：是金属或合金中具有同一结构同一结构，同一原子聚集状态同一原子聚集状态和和性质均匀性质均匀的连续组成体，不同的连续组成体，不同“相相”之间存在界面，称为相之间存在界面，称为相界面。界面。2.1 2.1 合金的相结构合金的相结构是指相的原子排列规律。它比金属是指相的原子排列规律。它比金属晶体结构复杂，可归为两类：晶体结构复杂，可归为两类：。1 1、固固体体：固：固体与溶液一样，有体与溶液一样，有剂与剂与质之分。质之分。含量少的叫含量少的叫，含量多的叫，含量多的叫。 特点特点：剂组元保持它的晶格类型不变，所以固剂组元保持它的晶

3、格类型不变，所以固体的晶格类型就是体的晶格类型就是剂组元的晶格类型。剂组元的晶格类型。 分类分类：按：按质原子在质原子在剂晶格中所占位置的不同，剂晶格中所占位置的不同，可分为可分为和和。第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图 2.1 2.1 合金的相结构合金的相结构图图1 1 固溶体两种类型示意图固溶体两种类型示意图第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图 1 1、固、固体体 （ “Cu-Ni合金合金”: Cu的面心立方晶格结点上的原子，的面心立方晶格结点上的原子，可以可以被溶质原子被溶质原子Ni置换掉。置换掉。 按溶质组元的固溶度可分为按

4、溶质组元的固溶度可分为和和； （当溶质组元浓度固溶度后，可形成另（当溶质组元浓度固溶度后，可形成另 一新相）；一新相）； （完全溶解（完全溶解100%100%溶质组元，但不改变溶剂溶质组元，但不改变溶剂 的晶格类型）。的晶格类型）。第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图 1 1、固、固体体 溶剂组元的晶格类型保持不变。溶质原子溶入到溶剂晶溶剂组元的晶格类型保持不变。溶质原子溶入到溶剂晶格的间隙中，这种固溶体称为格的间隙中，这种固溶体称为。 ：晶格间隙一般小于：晶格间隙一般小于0.1nm0.1nm，只有半，只有半径较小的原子才可溶入间隙，如氢（径较小的原子才可溶入间隙

5、，如氢（0.0460.046nmnm）、氧）、氧（0.0600.060nmnm）、碳（）、碳（0.0770.077nmnm）和硼（）和硼（0.0970.097nmnm）等。）等。 ： 置换固置换固体体 晶格畸变；晶格畸变； 间隙固间隙固体体 晶格畸变晶格畸变 晶格畸变晶格畸变 。第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图2.1 2.1 合金的相结构合金的相结构 固固体性能的变化体性能的变化图图2 2 固溶体中大、小溶质原子所引起晶格畸变示意图固溶体中大、小溶质原子所引起晶格畸变示意图第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图2.1 2.1 合金的

6、相结构合金的相结构：A、B两组元组成合金时，由于溶解度的不同，两组元组成合金时，由于溶解度的不同，除形成有限固除形成有限固体外，还有可能形成与体外，还有可能形成与A、B组元晶格组元晶格类型不同的新相，这种新相就称为金属化合物。类型不同的新相，这种新相就称为金属化合物。：金属化合物根据形成条件，可分为下列三种类：金属化合物根据形成条件，可分为下列三种类型，即型，即正常价化合物正常价化合物、电子化合物电子化合物、间隙化合物间隙化合物。（1）正常化合物）正常化合物 这类化合物按正常的原子价规律组成，具有一定的化这类化合物按正常的原子价规律组成，具有一定的化学成分，可用化学分子式来表示其组成，例如：学

7、成分，可用化学分子式来表示其组成，例如：Mg2Si 、Mg2Sn等。其特点是硬度高，脆性大。等。其特点是硬度高，脆性大。第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图2.1 合金的相结构 这类化合物的组成不遵守原子价规律，而是按一定的电子浓度组成。这类化合物的组成不遵守原子价规律，而是按一定的电子浓度组成。 如电子浓度如电子浓度=2/3时，铜锌可形成体心立方的时，铜锌可形成体心立方的CuZn中间相中间相；当电子浓度当电子浓度=21/13时，则形成复杂立方结构的时，则形成复杂立方结构的Cu5Zn8中间相。中间相。（3）间隙化合物）间隙化合物 这类化合物是由过渡族金属与原子半径

8、较小的非金属元素，如这类化合物是由过渡族金属与原子半径较小的非金属元素，如C、N、O、B等形成的金属化合物。等形成的金属化合物。 可按原子半径比值分类可按原子半径比值分类 59. 0金属非金属rr59. 0金属非金属rr第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图 定义定义：相图是表示合金系中所有合：相图是表示合金系中所有合金，在非常缓慢冷却（或加热）条金，在非常缓慢冷却（或加热）条件下，在各个温度下存在的相或其件下，在各个温度下存在的相或其组织的图解。组织的图解。第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图 作用作用：通过相图知道各种成分的合金在任

9、一温度下存在的：通过相图知道各种成分的合金在任一温度下存在的相及相成分。加热或冷却过程中的相变及相变温度、室温下相及相成分。加热或冷却过程中的相变及相变温度、室温下合金的平衡组织及性能，为制定热处理规范提供依据。合金的平衡组织及性能，为制定热处理规范提供依据。 1、以、以Cu-Ni二元合金系为例，用二元合金系为例，用来绘制相图。来绘制相图。 LL+ 第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图2 2、二元合金相图特征点、线的意义、二元合金相图特征点、线的意义 tA铜的熔点 tB镍的熔点 tAatB液相线 tAbtB固相线 tAatB线上为一液相区 L tAbtB线下为一固

10、相区 两线之间为液固相区 L+第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图 定义：定义：若两组元在液态时无限互溶，在固态时也无限互若两组元在液态时无限互溶，在固态时也无限互溶，冷却时将产生匀晶反应溶，冷却时将产生匀晶反应-构成匀晶相图。构成匀晶相图。1 1合金的平衡结晶过程示意图合金的平衡结晶过程示意图L第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图 平衡结晶是合金在过程中，原子能够充分扩 散，随时达到相平衡的结晶过程。 当合金从高温缓慢地冷却到与液相线相交的t t1 1温度并稍过冷时，开始从液相L1中结晶出成分为的1 1 固溶体。固相成分沿着固相线变

11、化，液相成分沿着液相线变化。当然随着结晶的进行，液相量逐渐减少，固相量逐渐增加。在t t2 2到t t3 3温度间，结晶继续进行，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化，并在温度 t t3 3 时结晶完毕，得到成分为 3 3（含60%Ni60%Ni）的单相固溶体，由一颗颗的晶粒组成。第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图 当合金在某一温度处于相图中的两相区时，从相图中不仅可知两平衡相的成分，还可应用“杠杆定律”求出两个平衡相的重量比。现以图6铜镍合金中含x%Ni的合金为例，来说明杠杆定律极其应用。 第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相

12、图 在平衡温度时，合金的两个平衡相为：液相的成分以在平衡温度时，合金的两个平衡相为：液相的成分以a点表示，即含点表示，即含y%Ni, 固固溶溶体的成分以体的成分以c点表示，即含点表示，即含z%Ni。设液、固两相的重量分别为设液、固两相的重量分别为WL 和和Wa ，合金的总重量为合金的总重量为W。则则 WL+Wa=W （2-1） 由于液、固两相中含镍量的和等于合金总的含镍量，即由于液、固两相中含镍量的和等于合金总的含镍量，即 WLy%+Waz%=Wx% （2-2） 将（将（2-1）式代入（）式代入（2-2）式并移项，则）式并移项，则 Wa(z%-x%)=WL(x%-y%) （2-3） 所以（所以

13、（2-3）式可写为）式可写为 WL（ab）=Wa（bc） 或或 WL/Wa = bc/ab （2-4） 如果把如果把abc看作一根杠杆，（看作一根杠杆，（2-4）式中）式中WL/W恰好与它们的杠杆臂成反恰好与它们的杠杆臂成反比关系。这个关系符合力学中的杠杆定律，所以把式（比关系。这个关系符合力学中的杠杆定律，所以把式（2-4）的关系也称为）的关系也称为杠杆定律杠杆定律。（。（2-4）式也可换写成下列形式：）式也可换写成下列形式： 液相的重量百分数液相的重量百分数 固溶体的重量百分数固溶体的重量百分数 必须指出，杠杆定律只能在两相区应用。在三相共存区，不能应用。必须指出，杠杆定律只能在两相区应用

14、。在三相共存区，不能应用。%100acbcWL%acabWa100第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图2 在实际生产中，由于冷却速度较快，合金在结晶过在实际生产中，由于冷却速度较快，合金在结晶过程中，固相中的原子都来不及进行充分扩散而结晶；程中，固相中的原子都来不及进行充分扩散而结晶； 这种结晶过程称为这种结晶过程称为不平衡结晶不平衡结晶。 第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图三匀晶相图三匀晶相图4、合金的不平衡结晶与树状偏析、合金的不平衡结晶与树状偏析 如图如图7所示，在不平衡结晶过程中，开始结所示，在不平衡结晶过程中，开始结晶出来

15、的树枝状固溶体晶体，其成分为晶出来的树枝状固溶体晶体，其成分为1（含高溶点组元镍较多），随着温度的下（含高溶点组元镍较多），随着温度的下降，在它的外面又形成一层层成分为降，在它的外面又形成一层层成分为2、2、3 的固溶体（高溶点组元镍的含的固溶体（高溶点组元镍的含量逐层减少）。由于各层之间的原子来不量逐层减少）。由于各层之间的原子来不及充分扩散，这种成分不均匀现象可保持及充分扩散，这种成分不均匀现象可保持到结晶完毕，直至室温。到结晶完毕，直至室温。 这种在一个枝晶范围内成分不均匀的现象这种在一个枝晶范围内成分不均匀的现象叫枝晶偏析或树状偏析。由于一个枝晶形叫枝晶偏析或树状偏析。由于一个枝晶形成

16、一颗晶粒，故成一颗晶粒，故枝晶偏析也叫晶内偏析枝晶偏析也叫晶内偏析。 第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图三匀晶相图三匀晶相图4 4、合金的不平衡结晶与树状偏析、合金的不平衡结晶与树状偏析由于树枝状晶体各次晶轴的成分不由于树枝状晶体各次晶轴的成分不同，其金相试样经磨平抛光及浸蚀同，其金相试样经磨平抛光及浸蚀后，可显现出树枝状晶体（见图后，可显现出树枝状晶体（见图8 8）。）。 具有枝晶偏析的合金，其塑性、韧具有枝晶偏析的合金，其塑性、韧性显著下降，给合金的压力加工带性显著下降，给合金的压力加工带来困难。为此，生产上来困难。为此，生产上通常在高温通常在高温下（下（）

17、长时间加热，）长时间加热，使原子充分扩散，以消除枝晶偏析。使原子充分扩散，以消除枝晶偏析。这种热处理工艺这种热处理工艺称为称为扩散退火扩散退火或或均均匀化退火。匀化退火。第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图4、合金的不平衡结晶与树状偏析、合金的不平衡结晶与树状偏析图图9 Cu-Ni9 Cu-Ni合金铸态组织合金铸态组织第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图 四共晶相图四共晶相图 两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，则冷两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，则冷却时产生共晶反应，构成共晶相图。却时产生共晶反应，构成共晶相图。 1

18、.1.共晶相图的特征共晶相图的特征 L+L+L第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图 1) 图中有一条水平线CED称为共晶线; 2) 线的两端各与一个固相单相区相连; 3) 线上有一点E点称为共晶点，与液相区相连。 四共晶相图四共晶相图 2 2典型合金的平衡结晶过程典型合金的平衡结晶过程 凡含锡量19%或97.5%的合金统称为端部固溶体合金。现以图9中含10%Sn的合金为例来说明端部固溶体合金的结晶过程。第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图 合金在t1温度以上为液相，当冷到t1温度时，开始从液相中结晶出a固溶体。在t1t2温度的冷却过程

19、中，从液相中不断结晶出固溶体，液相成分沿液相线变化，a固溶体成分沿固相线变化。在t2温度结晶完毕，得到单相a固溶体。在t2t3温度之间为单相a的冷却。这个结晶过程与匀晶相图的固溶体合金平衡结晶过程相同。当冷到t3温度以下直到室温时，由于溶解度的限制，将从a固溶体中不断析出相相。这种析出的过程称为脱溶脱溶。由a固溶体中析出的相称为次生相次生相，以II表示，与从液相中结晶出来的初生相初生相相区别。次生相可沿母相晶界或晶内原子面析出次生相可沿母相晶界或晶内原子面析出。第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图 室温组织室温组织：aII 反应过程反应过程：匀晶反应匀晶反应二次结

20、晶二次结晶2典型合金的平衡结晶过程（2 2）共晶合金的结晶过程）共晶合金的结晶过程 通过E点（含61.9%Sn）的合金叫共晶合金共晶合金。 当合金从液态缓冷到E点温度（tE=183 ）时，液相LE将同时结晶出 M点成分的固溶体（M）和N点成分的固溶体（N）。 发生共晶反应： 产物为（M N ）的两相交互分布的混合物，称共晶体共晶体或共晶组织共晶组织。 共晶体中M相和N相的相对量可应用杠杆定律计算如下：NMEL %.%.%44510019597961597100 MNENM%6 .54%100195 .97199 .61%100MNMEN第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元

21、合金相图2典型合金的平衡结晶过程（2）共晶合金的结晶过程 合金继续冷却到室温时，共晶体中的相和相将分别沿及固溶度线析出次生的相及II相。但它们与共晶体中的同类相混在一起，在显微组织中很难区分清楚，故通常认为其显微组织特征不变。 室温组织：； 反应过程：共晶反应二次结晶第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图图11 Pb-Sn共晶合金平衡结晶过程示意图2 2典型合金的平衡结晶过程（3 3）亚共晶合金的结晶过程 凡成分位于M ME E点之间的合金统称为亚共晶合金。现以30%Sn30%Sn的Pb-SnPb-Sn合金为例，分析其平衡结晶过程。第二章第二章 合金的相结构与二元合

22、金相图合金的相结构与二元合金相图四共晶相图四共晶相图Pb-SnPb-Sn共晶合金的组织共晶合金的组织含含50%Sn50%Sn的的Pb-SnPb-Sn合金组织合金组织第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图2 2典型合金的平衡结晶过程（3）亚共晶合金的结晶过程。 第一 ： 是指合金由哪几种组成。 第二 ：是指合金试样在显微镜下有哪几 种可以清楚区分的。 例如，上述共晶合金和亚共晶合金的相组成物是一样的，即均以a相和相两种相组成。但是，共晶合金和亚共晶合金的组织组成物则不一样。共晶合金共晶合金的组织组成物只有一种，即由a与相交替分布呈层片状的共晶体。亚共晶合金亚共晶合金在

23、显微镜下可区分出树枝状的初生a相，少量次生II相分布于初生a相中，还有a相与相呈交替分布的共晶体，故其组织组成物为a初初、II与与共晶体共晶体等三种。第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图（3）亚共晶合金的结晶过程 相组成物：a相和相含量是多少？ 组织组成物：第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图（4 4）过共晶合金的结晶过程）过共晶合金的结晶过程 图9中凡成分介于E点到N点之间的合金统称为合金。 过共晶合金的冷却曲线及结晶过程与亚共晶合金的相似。所不同的，只是初生相为固溶体，在共晶温度的共晶转变后的继续冷却过程中，从初生相中析出次生II相。第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图五包晶相图五包晶相图 Pt-Ag相图是一种典型的包晶相图。如图13所示。 包晶转变的特点： L第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图+L+L+第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图五包晶相图 (1)共析相图共析相图 特点：恒温特点：恒温 cd+e图图15 具有共析反应的二元合金相图具有共析反应的二元合金相图第二章第二章 合金的相结构与二元合金相图合金的相结构与二元合金相图 具有较大过冷倾向具有较大过冷倾向 共析体细小、弥散共析体