讲合金的构造与合金相图

1、第六章合金的构造与合金的相图一、合金与相1、合金的基本概念（1）合金：是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。 组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。 组成合金的元素相互作用可形成不同的相。（2）组元: 组成材料最基本的独立物质。由2个组元组成的合金称二元合金，3个组元组成的称三元合金，依次类推。1晶体材料的基本相结构（3）相与相结构： 材料中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为“相”。 相中原子的具体排列规律，即为相结构。 （4）合金系：相同组元可按不同比例配制成性能不同的系列合金，构成一个合金系统，简称合金系。（5）组织：

2、用肉眼或在显微镜下所观察到的材料内部微观形貌图像。 （6）相与组织的异同点：“相”是构成组织的最基本的组成部分；当“相”的大小、形态与分布不同时会构成不同的微观形貌图像即形成不同的组织。22、 合金的基本相结构 大部分的合金在液态时组元能相互溶合，形成均匀的单一液相。而在固态时，由于组元之间相互的不同作用，可以形成不同的相结构，成为合金不同的组织组成相。按合金中组成相的结构特征，可分为固溶体和金属化合物两类。（1)固溶体： 固态合金中，一组元的晶格中溶入另一种或多种其他组元而形成均匀的相，称为固溶体。保留晶格的组元称溶剂，溶入晶格的组元称溶质。3固溶体分类： （1）按溶质原子占据的位置 置换固

3、溶体，间隙固溶体 （2）按溶质原子的溶解度 有限固溶体，无限固溶体 （3）按溶质原子在固溶体中的相对分布特征 无序固溶体，有序固溶体4置换固溶体与间隙固溶体Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体5无限固溶体与有限固溶体Cu-Ni无限固溶体Cu-Zn有限固溶体固溶体化合物6 晶体缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。晶格畸变使材料的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。例如，间隙原子导致的晶格畸变过程（如下图所示）。空位间隙原子小置换原子大置换原子7-Fe的固溶强化8 固溶强化 随溶质含量增加, 固溶体的强度、硬度增加, 塑性、韧性下降固溶强化。 产生固溶强化的原因是溶质 原子使晶格发

4、生畸变及对位错的钉扎作用。 与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与金属化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。9 2、合金化合物（1）含义：合金组元间按一定比例组成，并形成新的晶格结构和明显金属特性的新相，这种新相称为金属化合物。金属化合物可用一定的分子式来表示如Mg2SiFe3C、Cr23C6，Fe4W2C等。（2）性能特点：金属化合物通常具有复杂的晶格结构，熔点高，硬度高而脆性大。提高硬度和强度；但降低塑性和韧性，是金属材料中的重要强化相。珠光体中的Fe3C10（3）分类 1） 正常价化合物符合正常原子价规律。通常是由强金属元素(如Mg)与非金屑元素或类金属元素

5、(如、族的Sb、Bi、Sn、Pb等)组成的，例如Mg2Si、Mg2Sn、MnS等。这类化合物一般不能形成以自身为基体的固溶体。Al-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基轴承合金中的电子化合物112）电子化合物 取决于电子浓度规律所形成的金属间化合物称电子化合物。 电子化合物主要是由元素周期表中第族或过渡族金属元素与第至第族金属元素结合而成。电子化合物的晶体结构与合金的电子浓度密切相关，例如电子浓度为32(2114)时，具有体心立方晶格，称为相；电子浓度为2113时，为复杂立方晶格，称为相；电子浓度为2112时，则为密排六方晶格，称为相。电子化合物虽然可以用化学式表示，但不符合化合价规律，并且其成

6、分可在一定范围内变化，因此可以把它看作是以电子化合物为基的固溶体，其电子浓度也在一定范围内变化。电子化合物是合金特别是非铁(有色)金属合金中重要自强化相。12电子浓度：价电子总数与原子数之比。 表12 每个原子贡献的价电子数13电子浓度不同，所形成化合物的晶格类型也不同Cu-ZnCuZnCu5Zn8CuZn3Cu-SnCu5SnCu31Sn8Cu3SnCu-AICu3AICu9AI4Cu5AI3Cu-SiCu5SiCu31Si8Cu3Si143)间隙化合物 间隙化合物是由过渡族金属与原子半径很小的非金属元素氢、氮、碳、硼等所组成，后者处于这类化合物晶格的间隙中。根据非金属元素(X)与过渡族金属

7、元素(M)原子半径的比值，可将其分为两类：当rxrM059时，形成具有简单结构的化合物，称为间隙相；当rxrM059时，则形成具有复杂晶体结构的化合物，称为间隙化合物。15间隙相：形成间隙相时，金属原子形成与其本身晶格类型不同的一种新结构，非金属原子处于该晶格的间隙之中。 例如，钒为体心立方晶格，但它与碳组成碳化钒(VC)时，钒原子却构成面心立方晶格，碳原子占据晶格的所有八面体间隙位置，如图所示。部分碳化物所有的氮化物。 M4X (Fe4N)、 M2X (Fe2N、 W2C)、 MX (TiC、VC、TiN)等。 VC的结构 间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。 部分碳化物和所有氮

8、化物属于间隙相。16由此可见，间隙相和间隙固溶体不同，它是一种金属间化合物，其晶格类型不同于任一种组元的晶格类型；而间隙固溶体是一种固溶体，它保持着溶剂组元的晶格类型。17高温合金中的Cr23C6Fe3C的晶格间隙化合物 晶体结构都很复杂。部分碳化物所有的硼化物。如在合金钢中常见的有Fe3C、Cr7C3、Cr23C6、Fe3W3C， Fe4W2C等。 Fe3C是钢中的一种基本相也是重要的间隙化合物，称为渗碳体。其晶体结构属正交晶系，如图所示。这种复杂结构的间隙化合物中的铁原子可被其它原子如Mn、Cr、Mo、W所取代，分别形成(Fe ，Mn3）C，(Fe，Cr3) C 等更复杂的化合物，称为合金

9、渗碳体。其它间隙化合物的金属原子也可被其它金属元素所置换。18一些碳化物的熔点和硬度间 隙 相19四、金属的非晶态结构 非晶态金属具有独特的力学性能和物理、化学性能，因而对它的研究也越来越受到重视。非晶态金属的结构与液态金属结构相似，原子排列没有长程的周期性。在非晶态金属中，没有晶界、位错等晶态金属所特有的晶体缺陷。1、描述方法 与晶态相比，非晶态结构是一种无序结构，但不像气体那样原子排列完全没有规则，而存在短程有序。描述方法是统计方法，即在非晶态材料中以任一原子为中心，在和它相距为r+dr的球壳中发现另一个原子的几率为 g(r)4r dr。式中 g（r）4 r dr为径向分布函数；为单位体积

10、中的原子数；g(r)为双体相关函数。VN2NVVN220 径向分布函数或双体相关函数可以在一定程度上反映非晶态结构的统计性质，但它给出的仅是有关结构的一维信息，不能给出结构的具体细节。比较气态、非晶态和晶态的双体相关函数可以看出，非晶态结构与液态非常接近，存在一定程度的短程有序，而与气态和晶态则差别显著。 2模型 关于非晶态结构细节的研究，多数人公认的模型是硬球无规密堆模型。该模型把原子假设为不可压缩的硬球，均匀、连续、无规地堆积，结构中没有容纳另一硬球的空间，如图所示。这种模型的计算结果与实际结果有的符合较好，有的不很相符。 (a)晶态 （b）非晶态21第二节 合金的结晶1、合金结晶的组织：

11、 不同成分的合金，在高温液态时通常为均匀的单相熔液。而在冷却结晶后，可形成单相的固溶体组织、金属化合物组织、几种固溶体、固溶体和化合物组成的多相组织。并且随温度等条件变化，组成相还会变化。一定成分的合金在一定温度究竟形成什么组织，通常可由合金相图来确定。2、合金相图：（又称合金状态图或合金平衡图）以温度和成分作为独立变量，表示合金系中各合金在极其缓慢的冷却条件下结晶过程的简明图解。既表示平衡条件下合金成分、温度和组织状态之间的关系图形。3、合金相图的作用：根据相图可以知道不同成分的合金，在不同温度下的相组织状态，温度变化时可能发生的转变。还可根据组织状态估测合金的性能，作为制订铸造、锻压、焊接

12、和热处理等热加工工艺的主要依据。22一、 二元相图的建立二元相图是以实验数据为依据，在以温度为纵坐标，材料成分为横坐标的坐标系中绘制的。实验方法有很多种，最常用的是热分析法。1、二元相图的建立步骤：配制系列不同成分合金； 分别作出其冷却曲线； 在相应曲线上分别找出其上、下拐点；把这些特性点分别在以温度为纵坐标、成分为横坐标的坐标系中标出； 把相同意义的特性点连成线（特性线）。232、配制系列不同成分合金名称A金属B金属晶格类型bccbcc熔点高低合金1100%0%合金290%10%合金380%20%.合金920%80%合金1010%90%合金110%100%243、热 分 析 法25时间温度9

13、0705030AB温度A温度温度26(一)二元匀晶相图：匀晶相图是两组元在液态和固态均能无限互溶，在结晶时发生匀晶转变的相图，如Cu-Ni、Au-Ag、Cr-Mo、Cd-Mg等合金系均形成匀晶系。1、相图分析二、二元相图的基本类型与分析（1) 点：A、B点分别为纯组元铜、镍的熔点。 （2) 线：A1B线为液相线，是匀晶转变的开始线 ，合金加热到该线以上时，全部转变为液体，而冷却到该线时，开始结晶出固溶体。 A4B线为固相线，是匀晶转变的终止线，合金加热到该线时开始熔化，冷却到该线时，全部转变为固溶体。（3) 相区：单相区、有L、两个，液相L在液相线以上，固相在固相线 以下。两相区一个，在液、固

14、相线与之间。272、合金的结晶过程当合金自液态缓冷到液相线上的t1温度时，开始从液相中结晶出成分为1，的固溶体，其镍含量高于合金的平均含量。这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。随温度下降， 相重量增加，液相重量减少，同时，液相成分沿着液相线变化，固相成分沿着固相线变化。28例如温度降到t2时，液相成分变化到2，固溶体成分变化到 2。成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到固相线上的t4温度时，最后一滴4成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又回到合金成分 4上来。 由此可见，液、固相线不仅是相区分界线，也是结晶时两相的成分变化线。还可以看出，匀晶转变是变温转变，在结晶

15、过程中，液、固两相的成分随温度而变化。在以后所接触的相图中，除水平线和垂直线外其他相线都是成分随温度的变化线。29TLTSTnbac3、杠杆定律QS=(bcab) 100% QL=(acab) 100% QS + QL = 1aQS + bQL = cABabLS温度QLQs用杠杆定律求出两平衡相的相对重量百分比如K合金在Tn时，液、固两相平衡相的成分点分别为a、b，而合金成分点用C点表示，用QL、QS分别表示液相、固相和合金的质量。则此方法很像力学中的杠杆定律。即以C点为支点，a、C、b为杠杆，则在杠杆两端挂重物的相对量比，与两者的杠杆长度成反比。30由于冷却速度较快，合金在冷却到与液相线相

16、交时，并不开始结晶，而是过冷到t1时开始结晶出成分为1的固溶体，继续冷却到t2时从液体中结晶出成分为2的固溶体。因冷却速度较快，t1时结晶出的来不及通过原子充分扩散，先结晶含高熔点组元A比多，这时合金固相的平均成分介于1和2之间为2。当合金冷却到t3时（已与固相线相交），由于固相的平均成分（ 3）没有达到原合金成分，所以结晶还没有结束，只有冷却到t4时，固相的平均成分达到原合金的成分时结晶才结束，将12 3 4连成的线称为固溶体不平衡结晶时的平均成分线，它偏离于平衡结晶时的固相线，并随冷却速度的增大，偏离的程度增大。4、枝晶偏析31由以上分析可知合金在不平衡结晶后，得到的固溶体成分是不均匀的，

17、在Cu- Ni合金中，一个晶粒中先结晶的部分（晶粒中心）含高熔点组元Ni多，后结晶部分（晶粒边缘）含低熔点组元Cu多。这种晶粒内部化学成分不均匀的现象称为晶内偏析，由于固溶体结晶时一般按树枝状方式生长，先结晶的枝杆和后结晶的枝间成分也不相同，通常称为枝晶偏析，见图，黑色为先结晶的枝杆含Ni多，白色为后结晶的枝间含Cu多。32严重的枝晶偏析会使合金的力学性能降低，主要是塑性和韧性以及耐蚀性等。生产中常用均匀化退火（扩散退火）方法来消除枝晶偏析。具体方法是将铸件加热到固相线以下100200，进行较长时间的保温，让原子进行充分扩散，消除偏析达到成分均匀化的目的，33（二）共晶相图 典型的Pb-Sn二

18、元合金相图（一般形式） 两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。 Pb-Sn、 PbSb、AlSi、AgCu等合金。以下仅以 Pb-Sn 相图为例进行分析。 特殊形式的二元共晶相图34（1）特性点：A、B点 分别纯铅和纯锡的熔点和凝点。 M、N点 分别为固溶体（锡在铅中）和固溶体（铅在锡中）的最大溶解度点。 E点 共晶点，该点成分（61.9%Sn)的合金在恒温TE(183)时发生共晶转变,同时结晶出具有M点成分固溶体和具有N点成分固溶体。反应产物是 的两相混和物,称为共晶组织(共晶体) F、G点 分别是室温时锡在铅中和铅在锡中的溶解度。1、相图分析

19、M35（2）特性线： 1）液相线AEB。2） 固相线AMENB。 3）固溶线: 溶解度点的连线称固溶线。相图中的MF、NG线分别为 Sn在 Pb中和 Pb在 Sn中的固溶线。 固溶体的溶解度随温度降低而下降。364）共晶线：水平线MEN叫做共晶线。 在共晶线对应的温度下 (183 ) ， LE成分（61.9%Sn)的合金同时结晶出M点成分的 固溶体和N点成分的 固溶体，形成这两个相的机械混合物共晶体 LE (M + N)在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应.Pb-Sn共晶组织37具有共晶成分的合金称共晶合金。共晶线上。凡成分位于共晶

20、点以左的合金称亚共晶合金。 位于共晶点以右的合金称过共晶合金。 凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。（3）相区：相图中有: 三个单相区： L、；三个两相区： L+、L+、+ ；一个三相区：即水平线MEN。 38（1）有限固溶体合金 即含Sn量小于M点合金(合金)的结晶过程 在2点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体, 这种直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相.温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相 相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相 。 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种.2.典型合金的平衡结晶过程分

21、析MN由 析出的二次 用表示。39由于二次相析出温度较低，一般十分细小。 合金室温组织为 + 。室温下的相对重量百分比为：随温度下降， 和 相的成分分别沿MF线和NG线变化， 的重量增加。 MNQ =(4GFG) 100%成分大于 N点合金结晶过程与合金相似,室温组织为 + 。4010%Sn有限固溶体合金的冷却曲线及组织41(2)共晶合金(合金)的结晶过程分析 含61.9%Sn的PbSn液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 在恒温下发生共晶反应：LE M+N 。析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共晶组织较细,其形态呈片、棒、点球、针、螺旋等形状。19.2wt%Sn温度,

22、MN共晶合金的冷却曲线及室温下的组织.42在共晶转变过程中，L、 、 三相共存, 三个相的量在不断变化，但它们各自成分是固定的。 共晶组织中的相称共晶相.共晶转变结束时， 和 相的相对重量百分比为： 19.2wt%Sn温度, MN43共晶结束后，随温度下降， 和 的成分分别沿MF线和NG线变化，并从共晶 中析出 ，从共晶 中析出 ，由于共晶组织细, 与共晶结合， 与共晶 结合，共晶合金的室温组织仍为 ( + ) 共晶体。室温下两相的相对重量百分比是多少？44 (3)亚共晶合金(合金)的结晶过程 合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到M点，液相成分变化到E点, 此时两相的相对重

23、量为：MN45在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应： LE(M+N)，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等, 即QE =QL 反应结束后，在共晶温度下、 两相的相对重量百分比为： MN46温度继续下降，将从一次 和共晶 中析出，从共晶 中析出。其室温组织为+ (+) + 。亚共晶合金的冷却曲线及组织黑是黑白相间+黑内可见白点相间47 (4) 过共晶合金结晶过程 与亚共晶合金相似, 不同的是一次相为 , 二次相为 室温组织为+(+)+.483、组织组分在相图上的标注 49组织组分是指组成合金显微组织的独立部分。和, 和,共晶体(+)都是组织组分。 相与相之间的差别主要在结构和

24、成分上。组织组分之间的差别主要在形态上。如 、 和共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组分。 将组织组分标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。它们的相对重量可用杠杆定律进行分析。50 （三）二元包晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。合金冷却至某一定温度，已结晶出的一定成分的固相和它周围未结晶的液相生成另一新的固相称包晶转变或包晶反应。如Pt-Ag（铂、银）Sn-Sb、Ag-Sn、Cu-Zn、Fe-C合金等都含有包晶相图。51L+ L+ L + 1、 相图分析（以Pt-Ag合金相图为例）A、

25、B点为纯铂、纯银的熔点。P点为（银在铂中）的最大溶解度点，也是包晶转变时相的平衡成分点。D点是包晶点，合金在恒温1186时发生包晶转变 。 D点：也是（铂在银中）的最大溶解度点。C点：是包晶转变时，液相的平衡成分点。E、F点：分别为室温时，的溶解度。ACB线：是液相线；APDB线：是固相线；PDC线：是包晶反应线；PC之间的合金，在恒温1186时都发生包晶转变； PE、DF线：分别为、的溶解度曲线。单相区：L、 二相区：L+、 L+、+ 三相区：L+ （水平线PDC）EFABCDP铂银522、典型合金的平衡结晶过程两端部结晶过程与共晶相图一样；而合金I、II、III都与包晶线PDC相交，结晶时

26、先发生匀晶转变，在TD温度时发生包晶转变。 由于它们在发生包晶转变前L%和 %的相对量不同，因此在包晶反应后合金“I”得到100%包晶产物 包。合金“II”为 包+ 剩合金“III”为。 包+ L剩53因为包晶转变的产物是在反应相L和的界面处形成，它是通过消耗L和来长大，当L或的量过多时，就会有剩余；因合金III的L%合金I的L%，所以有L剩余，合金 II的 %合金I的 %，所以有剩余，在包晶转变结束后，合金 I 的成分沿DF变化析出次生相 ，室温组织为包 + 。合金III的成分分别沿CB和DB变化，发生匀晶转变在液相消失后，得到单相的 ，当它与DF线相交时，从 ，室温组织为 + 。合金II的

27、成分分别沿PE和DF变化，从 ，从包 室温组织为 。543、包晶偏析 包晶转变时，一旦新相将旧的固相包围，转变就受控于原子在新相中的扩散，而固相中原子扩散要比液相中更加困难，所以包晶转变速度非常缓慢。合金在实际冷却过程中冷却速度较快，这就使得上述扩散过程不能够充分进行，使本应完全消失的初生相部分地被保留下来，剩余的液相则在随后的冷却过程中发生匀晶转变结晶出 相，最终形成的相的成分极不均匀。这种由于包晶转变不能充分进行而产生的化学成分不均匀现象称为包晶偏析。 包晶偏析在一些包晶转变温度较低的合金中最易出现，而在转变温度很高时(如FeFe3C合金中的包晶转变)，由于原子扩散较快，包晶转变则有可能充分进行。 当金属结晶后出现包晶偏析时，可通过长时间的扩散退火来减少或消除。55（四） 形成稳定化合物的二元合金相图稳定化合物：具有一定的熔点，在熔化前不分解也不产生任何化学反应的化合物，它可以是成分一定的，也可以是具有一定成分范围的化合物，如图在Mg-Si相图中，当Si为36.6%时，Mg与Si形