--合金的晶体结构及结晶

1、第二节第二节 合金的晶体结构及结晶合金的晶体结构及结晶基本概念基本概念固态合金的相结构固态合金的相结构合金相图合金相图1、基本概念、基本概念合金合金由两种或两种以上金属元素或金属与非金属组成由两种或两种以上金属元素或金属与非金属组成的、具有的、具有金属特性金属特性的物质。如，的物质。如，Cu-Zn, Fe-C等合金等合金组元组元组成合金的最基本、独立的物质（元素、稳定化组成合金的最基本、独立的物质（元素、稳定化合物）。如，合物）。如，Fe-C合金中，合金中，Fe、C均为组元。均为组元。相相合金中具有相同化学成分、结构和性质，且与周围合金中具有相同化学成分、结构和性质，且与周围物质以界面分开的各

2、均匀组成部分。物质以界面分开的各均匀组成部分。凝固过程：水（液相）水（液相）水水+冰冰（双相）（双相）冰（固相）冰（固相）Fe-C合金合金中的相中的相F+ +Fe3 3 CFeFe3 3 C C 铁素体（铁素体（ F ）白色白色组织组织 相的形状、分布、组合状态。相的形状、分布、组合状态。单相组织（单相组织（F）双相组织（双相组织（F+ Fe3 C）合金中两类基本相：合金中两类基本相：固溶体固溶体 合金在固态下由组元间相互溶解而形成合金在固态下由组元间相互溶解而形成的晶体结构与某一组员相同的新相称为固溶体，其中的晶体结构与某一组员相同的新相称为固溶体，其中与合金的晶体结构相同的组元称为溶剂，其

3、余的称为与合金的晶体结构相同的组元称为溶剂，其余的称为溶质。溶质。化合物化合物溶质元素同溶剂元素相互作用形成一种不溶质元素同溶剂元素相互作用形成一种不同于任一组员晶格的新相。同于任一组员晶格的新相。2、固态合金的相结构固态合金的相结构固溶体固溶体化合物化合物间隙固溶体置换固溶体1）间隙固溶体）间隙固溶体溶质原子溶入溶剂晶格的间隙所形成的固溶体；溶质原子直径小于溶剂原子直径的0.59倍（铁中形成间隙固溶体的有：H、O、C、B、N；）；使溶剂晶格发生畸变，强度、硬度升高固溶强化；有一定的限度。(727时，C在-Fe中的溶解度为0.0218%)2）置换）置换 固溶体固溶体溶质原子占据溶剂晶格的某些结

4、点位置而形成的固溶体。能与铁形成置换固溶体的有：Mn、Ni、Cr、Si、Mo产生晶格畸变。溶解度较大。有限固溶体：Cu-Zn（39%）无限固溶体：Cu-NiZXY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YXZ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3）化合物）化合物定义：溶质元素同溶剂元素相互作用形成一种不同定义：溶质元素同溶剂元素相互作用形成一种不同于任一组员晶格的新相。

5、于任一组员晶格的新相。eg：Fe+CFe3C（渗碳体）（渗碳体） 1227化合物性能化合物性能熔点高、硬度高，脆性大。熔点高、硬度高，脆性大。化合物的分类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 2SiSi。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 3AlAl。间隙相间隙相 如，如，WCWC、TiCTiC、VCVC复杂结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物 如，如，FeFe3 3C C、CrCr2323C C6 6FeFe原子被原子被MnMn

6、或或CrCr置换，形成以置换，形成以FeFe3 3C C为基的固溶体：合金渗碳体为基的固溶体：合金渗碳体3、合金相图、合金相图相图：在相图：在平衡状态平衡状态（即极缓慢加热或冷却条件）下，（即极缓慢加热或冷却条件）下，以温度为纵坐标，以组元的含量为横坐标所绘制的坐以温度为纵坐标，以组元的含量为横坐标所绘制的坐标图。表示在平衡条件下，合金状态与成分、温度之标图。表示在平衡条件下，合金状态与成分、温度之间的关系图形。间的关系图形。制定合金工艺的重要理论依据制定合金工艺的重要理论依据1）二元相图的建立热分析实验法：纯铜：纯铜 ：75%Cu+25%Ni 75%Cu+25%Ni ：50%Cu+50%Ni

7、 50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni 25%Cu+75%Ni ：纯：纯NiNi2）匀晶相图）匀晶相图产生产生单一固溶体相单一固溶体相的合金相图的合金相图两组元在两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时，冷却时发生匀晶转变的合金系发生匀晶转变的合金系匀晶相图（匀晶相图（L）。）。 如如Cu-Ni，Fe-Cr，Au-Ag 铜镍铜镍二元二元匀晶匀晶相图相图L L（液相区）（液相区）L+ 液固两相区液固两相区 （固相区）（固相区）液相线液相线固相线固相线匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图及固溶体的结晶平衡结晶过程平衡结晶过程t1 温度开始结晶，尚无晶相t2

8、 温度通过扩散达到平衡t3 温度结晶结束0-1：L相相 1：开始析出：开始析出 1-21-2：L+L+ 2 2：结晶结束：结晶结束2-32-3： 相相在两相区内，温度一定时两相的质量比是一定的在两相区内，温度一定时两相的质量比是一定的，在合金的结晶过程中，合金中各个相的成分及，在合金的结晶过程中，合金中各个相的成分及其相对含量在不断的变化，不同条件下的成分及其相对含量在不断的变化，不同条件下的成分及其相对含量可由杠杆定律求出。其相对含量可由杠杆定律求出。具体方法：具体方法： （1 1）确定两平衡相的成分（浓度）确定两平衡相的成分（浓度） 做通过某点温度的水平线，与液相线交点即做通过某点温度的水

9、平线，与液相线交点即为为L L相成分；与固相线交点即为相成分；与固相线交点即为 相成分。相成分。 （2 2）确定两平衡相相对含量）确定两平衡相相对含量杠杆定律杠杆定律CuNiNi%T, C204060801001000110012001300140015001455acbT1（1）（2）XX2X1eg.eg. 求某含求某含NiNi的量为的量为X%X%铜镍铜镍合金，在合金，在T1T1温度下温度下液相的重液相的重量为量为Q QL L与与 相的相的重量为重量为Q Q 。Q QL LQ Q （1 1）做）做T1T1温度的水平线，则其与液相线的交点温度的水平线，则其与液相线的交点即为即为L L相的相的Q

10、 QL L ，与固相线的交点即为，与固相线的交点即为 成分成分Q Q 。 设合金的总重量为设合金的总重量为1 1，L L相中的含镍量为相中的含镍量为X1%X1%， 相中含相中含NiNi量为量为X2%X2%。Q QL L+Q+Q =1=1Q QL L X1+Q X1+Q X2 X2 =X=X则有则有Q QL L=(X2-X)/(X2-X1)=(X2-X)/(X2-X1)Q Q =(X-X1)/(X2-X1)=(X-X1)/(X2-X1)Q Q =(X1X/X1X2)%=(X1X/X1X2)%Q QL L=(XX2/X1X2)%=(XX2/X1X2)%（2 2）Q QL L :Q :Q =XX2/

11、X1X =XX2/X1X即：即： Q QL L X1X=Q X1X=Q XX2XX2（杠杆定律）（杠杆定律）Q QL LQ Q X1XX1XXX2XX2成分偏析（枝晶偏析）成分偏析（枝晶偏析）只有结晶过程是在及其缓慢冷却的条件下，才能只有结晶过程是在及其缓慢冷却的条件下，才能得到成分均匀的固溶体。而在实际生产中，冷却得到成分均匀的固溶体。而在实际生产中，冷却速度较快，使扩散过程落后于结晶过程，造成先速度较快，使扩散过程落后于结晶过程，造成先结晶的与后结晶的成分上的差异。结晶的与后结晶的成分上的差异。定义：定义：当冷却速度较快时，晶粒中先结晶的（高熔点）树当冷却速度较快时，晶粒中先结晶的（高熔点

12、）树枝晶轴成分和后结晶（低熔点）的树枝晶成分上存在差异枝晶轴成分和后结晶（低熔点）的树枝晶成分上存在差异的现象。的现象。影响：影响：枝晶偏析对材料的力学性能、抗腐蚀性能及工艺性枝晶偏析对材料的力学性能、抗腐蚀性能及工艺性能都不利。能都不利。影响因素：影响因素： (1) (1)冷却速度冷却速度 (2) (2)结晶温区（液相与固相的垂直距离）结晶温区（液相与固相的垂直距离）解决措施：解决措施：把合金加热到高温（低于固相线把合金加热到高温（低于固相线100100左右，并左右，并进行长时间保温，使原子充分扩散，从而获得成分均匀的进行长时间保温，使原子充分扩散，从而获得成分均匀的固溶体固溶体扩散退火扩散

13、退火定义：当两个组元液态能无限互溶，但固态只能有限互溶，且发生共晶反应所构成的相图。2）共晶相图共晶反应：液相共晶反应：液相 Ld 固相固相 c + 固相固相 e共晶转变在共晶转变在恒温恒温下进行下进行铅铅-锡共晶相图锡共晶相图PbSnSn%T, CL + L + L + 液相线液相线固相线固相线 固溶线固溶线 固溶线固溶线3个单相区，3个两相区，1个三相区；5条特性线；5个特性点共晶转变分析共晶转变分析PbSnT, CL + L + L + 共晶反应线共晶反应线表示从表示从c点到点到e点范围点范围的合金，在该温度上的合金，在该温度上都要发生不同程度上都要发生不同程度上的共晶反应。的共晶反应。

14、ce共晶点共晶点表示表示d点成分的合金点成分的合金冷却到此温度上发生冷却到此温度上发生完全的共晶转变。完全的共晶转变。该点凝固温度最低该点凝固温度最低d典典型型合合金金的的结结晶晶过过程程共晶相图及其合金的结晶0112合金合金：（：（ 共晶合金）共晶合金）Le0-1: L室温下：室温下：组织组成物：组织组成物：（+）)(:11dcL恒温f + IIg+II2:（+）相组成物：相组成物：，1-2012合金合金：（：（ 亚共晶合金）亚共晶合金）L)(dceL恒温f + IIL+c +II+（ a+） （+）室温下：室温下：组织组成物：组织组成物： +II+（ a+）相组成物：相组成物：，1023组

15、织标注相图组织标注相图3)3)共析相图共析相图共析转变：共析转变： ( + ) 共析体共析体ABT, C + + + cedL + L包晶相图包晶相图包晶转变：包晶转变： Ld + c ePtAgAg%T, CL + L + L + cedfg4、合合金性能金性能与相图与相图的关系的关系溶质元素溶质元素晶格畸变大晶格畸变大强度、硬度强度、硬度（50%最大）最大） 复相组织区域内，合金的强度和硬度随成分的变化复相组织区域内，合金的强度和硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。组成相或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共组成相或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强度可达最高值。）晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强度可达最高值。） （1 1）形成单相固溶体）形成单相固溶体（2 2）形成两相混合物）形成两相混合物合金铸造性能与相图的关系液固相线距离愈小，结晶温度范围