热处理工艺学(第三章)

第三章合金的结构与结晶工业上广泛应用的不是纯金属，而是由两种或两种以上的金属元素、或金属元素与非金属元素熔合在一起的、具有金属特性的物质―合金。它的组织、结构比纯金属更为复杂,除具备纯金属的基本特性外，还兼有优越的机械性能和特殊的物理、化学性能，如高强度、强磁性、耐蚀性等。第一节基本概念一、组元组成合金最基本的、独立的物质称为组元，简称元。一般说来，组元就是组成合金的元素。如黄铜是铜和锌组成的合金，铁碳合金的组元是铁和碳等，有时稳定的化合物也可作为组成合金的组元，如Fe3C等。二、合金系由给定组元，可以按成分比例的不同配制成一系列的合金，这些合金组成一系列的合金系统，称为合金系。合金系可以由构成它的组元命名，如Fe一C合金系等，也可以用组元的个数命名，如由两个组元组成的合金系为二元系，三个组元组成的合金系为三元系.三、相合金中具有同一化学成分、同一结构和同一性能的均匀的组成部分称作相。相与相之间有明显的分界面。均匀的液态合金是一个相（也称单相），而在结晶过程中固态与液态共存，两者被相界面分开，就是固相与液相共存的两相混合物。合金在加热和冷却过程中发生的组织结构转变过程，称为相变。四、平衡金属学中所讲的平衡是指在一定的成分、温度及压力等条件下，金属或合金内部相的结构、成分及相对量等处于相对不变的状态。也就是说，在平衡条件下，合金的状态，是由合金的成分、温度及压力等外界条件决定的。纯金属处在熔点温度时，如温度不变，则金属的状态是液休和固休的二相共存的平衡状态。这种平衡实质上是动平衡，此时既有固相的溶解，又有液相的凝固，只是凝固的数量与溶解的数量是相等的.

第二节合金中的相组织

·合金的性能是出组成合金的各个相本身的结构、性能及各相的组合情况等决定的。根据组成合金的各组元之间相互作用的不同，固态合金的相组织可以分为固溶休、化合物和机械混合物三大类。一、固溶体大多数合金在液态下，其组元能够相互溶解形成均匀的溶液。如果合金的组元在凝固后能彼此相互溶解而形成均匀的固相，这种由一组元的原子溶解于另一组元晶格中所形成的均匀的固体合金称之为固溶体。当两个组元形成固溶体时，总有一组元保持其原有晶格不变，该组元称为溶剂，而溶于溶剂金属中的另一组元称为溶质。根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体区分为置换固溶体和间隙固溶体两种。1．置换固溶体一溶质原子在溶剂晶格中部分地占据了溶剂晶格结点位置而形成的固溶体，称为置换固溶体。在组成固溶体的两组元泊原子直径大小相近时，溶质原子不能处于溶剂晶格的间隙中，而只能占据溶剂原子的位置，形成置换固溶体。在置换固溶体中，由于溶质原子的溶入，造成溶剂晶格约畸变，使其晶格常数改变。如果溶质原子直径大于溶剂原子，则会引起品格常数增大，反之则使晶格常数减小.按溶质原子在溶剂中的溶解度的不同，置换固溶体可分为无限固溶体和有限固溶体。

不同溶质元素在不同溶刘中的溶解度是不同的。溶解度的大小与组元的晶格类型是否相同、原子半径是否接近、物理双化学性能是否相似及温度等因素有关。如果两组元的晶格类型相同，物理及化学性能相似，原子半径相对差别不超过8%（以铁为基的固溶休）时，就有可能形成无限固溶体，如Fe-Ni、Fe-

V、Fe-

Cr等，否则就只能形成有限固溶体。大多数情况下，溶质在溶剂中的溶解度随温度的升高而增大.所以，凡在高温下达到饱和的有限固溶休,当其由高温冷却下来时．由于溶解度的降低，都会从固溶体中析出其它结构的新相。2.间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。间隙固溶体是由一些原子半径较小(溶质与溶剂原子半径的比值小于0.59)的非金属元素如氢、氮、氧、炭等溶入过渡族金属而形成的。碳溶于铁中所形片的固熔体为间隙固溶体。间隙固溶体的溶解度与溶剂晶格类型、溶质原子半径大小等因素有关．溶质原子半径越小，其溶解度也越大。由于溶剂晶格中的间隙是有限的，而且随着溶质原子的溶入,溶剂晶格将发生畸变，溶入的溶质原子越多，引起的畸变越大。当畸变量超过一定数值时，溶剂晶格就变得不稳定，使溶质原子不能继续溶入，所以间隙固溶体只能是有限固溶体。3．固溶体的性能固溶体形成时，由于固溶体的晶格畸变,使晶体平面之间的滑移困难,从而使其塑性变形的抗力增加,提高了合金的强度和硬度.固溶体的强度和硬度比纯金属高的现象叫固溶强化.利用固溶强化提高材料的强度和硬度的同时,一般会降低其塑性和韧性.但若溶质的浓度适当,则对固溶体的塑性影响较小.固溶体的晶格畸变，除引起固溶强化外，还使固溶体的某些物理性质发生变化,如其电阻比纯金属高、导热性较纯金属低。二、金属化合物合金中的两个组元，按照一定的原子数量比相互化合而成的一种完全不同于原有组元晶格的新相，叫金属化合物。金属化合物是金属元素与金属元素或金属元素与非金属元素发生相互作用而生成的一种新相，其晶格类型和性能完全不同于任一组元.其特点如下:1）金属化合物户的原子数量比，可以用AmBn的化学分子式表示，如Fe3C等;

2）金属化合物具有与组成化合物的任一组元完全不同的墓复杂晶格;3）化合物一般具有较高的熔点，较高的硬度和较大的脆性。金属化合物硬度高脆性大，一般不能单独形成合金,而是与固溶体或纯组元同时存在于合金中。

当合金中出现金属化合物时，会使合金的强度、硬度和耐磨性提高,使其塑性降低.在合金中能使其强度、硬度提高的相称为强化相，利用强化相进行强化比固溶强化具有更好为强化效果.在各类合金钢、硬质合金及有色金属中都以全属化合物做为重要的组成相.根据金属化合物本身的结构、性能及其在合金中的相对量、形伏、大小及分布情况的不同，合金也具有不同的性能。金属化合物的种类很多，钢铁材料中常出现的是由过渡族金属元素与碳、氮等原子半径较小的非金属元素形成的金属化合物，如碳钢中的Fe3

C，合金钢中的Cr7C3、WC等，这一类化合物都有很高的硬度和熔点。碳钢中的Fe3C是钢中一种重要的化合物，它具有复杂的斜方晶格，Fe3C中的铁原子可以部分地被其它金属原子（锰、铬、钨、钼等）置换，形成以化合物为基的固溶体，这种固溶体称为合金渗碳体。钢中的这些化合物，根据其类型、数量及存在形式的不同，对钢的性能的影响也不相同。三、机械混合物在合金中,纯组元、固溶体、化合物是构成合金组织结构的基本相。若组成合金的各组元在固态下既不能单独形成固溶体、又不能单独形成化合物，而是由两种或两种以上的基本相混合在一起的组成物，这种组成物称为机械混合物。机械混合物中的各个相仍保持原来的晶格和性能，所以机械混合物的性能取决于各组成相的类型、性能、相对量及其形状、大小和分布情况。由机械混合物组成的合金，其强度和硬度比单一固溶体高。当均匀细小的金属化合物分布在铁素休基体上时，强度和硬度提高更为显著，但塑性及抗腐蚀能力不如单一固溶体。第三节二元合金状态图二元合金状态图是研究合金的组成、性能以及相变规律的工具,是热处理工艺学最重要的内容.一、状态图的概念合金状态图是表示在极其缓慢的加热、冷却的条件下，某一合金系中各种成分的合金，其其内部组织随温度、成分而变化的简明图解。纯金属的结晶过程，用一个纵坐标（温度轴）就可以把它在不同温度下的组织状态表示出来，对于二元合金，除了有温度的变化外，还有成分的变化，所以二元合金系就要有表示温度和表示成分的两个坐标轴。一般纵坐标表示温度，横坐标表示成分，合金的成分一般用重量百分数表示。二、二元合金状态圈的测定方法合金状态图多数是用实脸方法测定的。为了绘制状态图，必须在实验时测定一系列合金的状态变化的温度（临界点）。合金状态变化的临界点可以用热分析法、电阻法、热膨胀法、金相法、X射线分析法等测得。一般多以热分析法为主。这种方法是将合金极缓慢地加热或冷却，每经过相等的时间间隔测量一次合金的温度，根据这些温度数据绘出合金的加热或冷却曲线。由于合金从一种状态转变为另一种状态时会发生吸热或放热现象，而使加热（或冷却）曲线发生明显的转折或呈水平。

下图表示用热分析法测定Cu-

Ni合金的临界点，再由其冷却曲线来绘制得出的状态图。其过程是：

1）配制一系列不同成分的Cu一Ni合金。2）测定各种不同成分合金的冷却曲线，并找出相应的各临界点。

3）将各冷却曲线的临界点，分别画在对应的合金成分、温度坐标系中。4）连按各相同意义的临界点，就可得到如图所示的合金状态图。

由图上可看到，在纯铜与纯镍的冷却曲线上出现了平台，它表明纯金属的结晶是在恒温下进行的，也就是纯金属只有一个临界点，也就是熔点。而在其它几个合金的冷却曲线上没有平台，但有两个转折点,这两个转折点所对应的温度表示两个临界点,它表明其它九种合金的结晶是在一个温度范围内进行的。较高温度时的临界点是结晶开始温度，称为上临界点，较低温度时的临界点是结晶终了温度，称为下临界点.状态图中各相同意义的临界点的连线称作相界线。结晶开始温度连成的相界线称作液相线，由结晶终了温度连成的相界线称作固相线。

第四节二元合金状态图的基本类型根据组成合金的组元之间相互作用的不同，状态图的图形有的比较简单，有的比较复杂，但基本上都是由匀晶、共晶、包晶等几种最基本的简单状态图所组成。一、匀晶状态图两组元在固态和液态都能无限互溶而形成无限固溶体的状态图称作匀晶状态图，从液相中结晶出固溶体的过程叫做匀晶转变。大多数的二元合金系都可能发生匀晶转变,如Fe-Ni、Cu-Ni等合金都具有匀晶转变。

固溶体的结晶与纯金属的结晶相同，也是形核和长大的过程，并且也需要一定的过冷度。由于合金在结晶时所形成的固溶体的成分与原来液相成分不同，因此，在形成固溶体晶核的地方，必须具有固溶晶核所需要的成分，这种需要可通过成分起伏（浓度起伏）来转足。通常所说的液态合金成分是指平均成分，但是由于液态下原子热运动的结果，引起了液相成分的局部不均匀性，使得液相中的某些微小体积的成分，在某一瞬间会高于或低于滚相的平均成分，这种现象称为成分起伏。液态合金中的成分起伏，为固溶体的形核创造了条件。合金的结晶比纯金属复杂。纯金属的结晶是在恒温下完成的，而合金的结晶是在一定的温度范围内进行的，而且合金结晶的过程中同时伴随有成分的变化。3．杠杆定律通过合金状态图不仅可以了解一定成分的合金在一定温度下两个平衡相的成分，同时还可利用杠杆定律求出两个平衡相的相对量。4.不平衡结晶在实际生产过程中，液态合金浇铸后的冷却速度比较快，使得液态合金在冷却到与液相线相交温度时，并未开始结晶，而要过冷到液相线以下某一温度才一开始结晶，从而使结晶终了温度降低。同时，由于原子在固相中的扩散过程落后于固溶体的形成，造成了先后结晶出的固溶体的成分不均匀。这种存在于晶粒内部的成分不均匀现象称作晶内偏析。由于这种偏析是呈树枝状分布的，所以又叫树枝状偏折。晶内偏析程度大小，取决于状态图的形状、冷却条件和原子扩散能力。如果相图中的液相线与固相线之间的水平距离大，说明结晶时成分差别大，偏析严重。如果相图中液相线与固相线之间的垂直距离大，说明结晶的温度区间大，结晶的终了温度低，温度越低，原子扩散能力越小，使偏析更加严重。如果偏析元素的扩散能力越大，则偏析的程度就越小。在其它条件相同时，冷却速度越大，实际结晶的温度越低，原子扩散能力越小，偏析程度就越严重。严重的树枝状偏析会使合金的机械性能降低，特别是塑性和韧性下降，使合金不容易进行压力加工。枝晶偏析是一种不稳定的组织，可采用均匀化退火的方法来消涂枝晶偏析。二、共晶状态图在一定温度下，一定成分的均匀液相中同时结晶出成分一定的两个固相的过程，称为共晶转变。共晶转变时形成的二元合金系的相图，称为共晶状态图。

DCE线为三相共存水平线。相当于C点成分的液相（Lc)，在DCE水平线对应的温度下，同时结晶出成分与D点相对应的a固溶体和与E点成分相对应的固溶体。这种转变叫共晶转变；C点为共晶转变点；DCE水平线又叫共晶转变线；共品转变的产物是两个固相的混合组织，称为共晶体。2．合金的平衡结晶及其组织(l)I-I合金的结晶过程当合金缓冷到1点时开始从液相中结晶出a固溶体。在1~2点之间，随温度的下降，a的数量不断增加，而液相L的量不断减少，a及L的成分分别沿taD和taC线变化。当冷却到2点时，合金全部结晶成二固溶体。以上转变过程与匀晶转变相同。在2、3点温度范围内继续冷却时，a不发生变化。冷却到3点时，与固溶线DF相交，Sn在Pb中的溶解度达到饱和，继续冷却时，过剩的Sn将以固溶体的形式从a固溶体中析出来。继续冷却，从a固溶体中不断析出固溶体,a固溶体的成分沿DF线变化。为了与直接从液相中结晶出的相相区别，把从a相内析出的固洛体叫做次生相,以表示。合金的室温组织为a＋。(2)II一II共晶合金的结晶过程（含Sn61.9%）液态合金缓慢冷却到183℃的C点时，发生共晶转变：这一转变过程在tc温度下一直进行到液相完全消失为止。共晶转变的产物是由a和固溶体所组成的机械混合物，称作共晶组织。在C点以下温度继续冷却时，将从和固溶体中分别析出和,和的成分分别沿DF和EG线变化。从共晶组织中析出的次生相，常与、固溶体混在一起，因此在里微镜下很难分辨出次生相。共晶成分合金的结晶，是在恒温下完成的.在结晶过程中，和两种固溶体总是相互交替地从液相中结晶出来，因而共晶体的金相组织是与呈层片状分布的混合组织。(3)亚共晶合金的结晶过程（成分在C、D点之间）液态合金缓冷到1点时，开始结晶出a固溶体．在1~2点之间冷却时，不断结晶出a固溶体,a固溶体沿taD线变化,液相成分沿taC线变化.当温度降到共晶温度的2点,剩余液相达到共晶成分,发生共晶转变:这一转变一直持续到剩余液相全部形成共晶组织为止。共晶转变结束后亚共晶合金组织为初晶a固溶体＋共晶组织。通常，在共晶转变前所形成相称作先晶（初晶)相.在2点以后继续冷却将分别从相、中析出、。a和相的成分分别沿DF、EG线变化.在显微镜孔只有从先共晶的固溶体中或边界上析出的可能观察到,共晶组织组中析出的和一般难以分辨。所以亚共晶合金的室温组织为(4)过共晶合金的结晶过程（成分在C、E点之间）过共晶合金的平衡结晶过程与亚共晶合金相似,所不同的是其初晶是固溶体而不是固溶体，结晶后的组织为:三、含有稳定化合物的共晶状态图在二元合金系中，由两组元所形成的化合物有稳定和不稳定的两种。稳定化合物是指具有一定熔点、在熔点以下仍能保持其结构形式而不发生分解的化合物。如Mg-Si合金中的Mg2Si.在状态图中，Mg2Si是一条平行于温度轴的垂线，可将稳定的化合物当作一个组元，把状态图看成是由Mg-Mg2Si和Mg2Si-Si两个简单共晶状态图所组成的,分析这类状态图的方法与前述共晶状态图的分析方法相同.四、具有包晶转变的状态图包晶转变是指在一定温度下，一定成分的液相和一定成分的固相相互作用，形成另一新的固相的转变过程。二元合金系的两组元在液态下无限互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶转变的二元合金相图，称作包晶状态图。具有包晶转变的二元合金系有Fe-C、Cu-Sn等。1．状态图分析图为Pt一Ag状态图。其中，ACB为液相浅；APDB为固相线；PE是Ag溶于Pt中的溶解度曲线；DF是Pt在Ag中的溶解度曲线，水平线PDC是包晶转交线；D点为包晶点。合金系中有三个基本相:液相L及固相a和。a相是Ag溶于Pt中的固溶体，相是Pt溶于Ag中的固溶体。图中有三个单相区（a、及L)，三个两相区（L+a、L+、a＋）、一条三相共存的水平线。2。典型合金的结晶过程(1)I-I的结晶过程（含Ag为42.4％的包晶合金）当合金在1一2点之间冷却时，其结晶过程同一般的匀晶状态图相同。当冷却到包晶线上2点（D点）时，

a固溶袜取得P点成分，而剩余液相取得C点成分，在此温度下，P点成分的a固溶体与C点成分的液相发生包晶转变，转变成相当于D点成分的固溶体。这一转变过程,在包晶转变温度下一直进行到液相和a相全部消失,形成单一的相为止.(2)合金II-II的结晶过程(略)(3)合金II-II的结晶过程(略)五、具有固态相变的状态图在二元合金中,有些合金的固态组织在连续冷却的过程中会发生转变,形成新相.这种在凝固后继续冷却过程中,固态合金发生的组织转变称为固态相变.

前面提到的固态合金由于溶解度的变化引起的次生相的析出,就是一种固态相变.

常见的固态相变有:固溶体的同素异构转变、共析转变、固溶体的脱溶转变等.1.固溶体的同素异构转变当合金中的组元具有同素异构转变时,以组元为基所形成的固溶体势必要发生同素异构转变.铁是同素异构的金属,以铁为基的与其他组元所形成的固溶体也具有同素异构转变.2．具有共析转变的状态图在有些合金系中，合金在完成结晶形成固溶体后，在继续冷却过程中的一定温度下，将由一定成分的固溶体同时转变为另外两个新的固相，这种转变称为共析转变或共析反应。

上图为具有共析转变的部分Fe-C合金状态图。铁碳合金中相当于S点成分的固溶体在727℃时进行共析转变。

转变结束后，生成P点成分的a固溶体与Fe3C的混合组织,转变产物叫共析体或共析组织.一般a固溶体与Fe3C以片状相间的形式组合在一起，其金相组织呈片状或粒状。共析转变与共晶转变相似，只是共晶转变是由一定成分的液相中同时结晶出两个不同成分的固相，共析转变则是从固相中同时析出两种不同成分的新相。3具有脱溶转变的状态图在合金中，由于固溶体的溶解度随温度的降低而下降，因此随着温度的降低，从固溶体中析出第二相的过程，称为脱溶转变.Pb–

Sn合金状态图中，在F点与D点之间成分的合金，当温度下降到DF线时，将从a固溶体中析出的转变就是脱溶转变过程。第五节二元合金状态图的分析与应用一、二元台金众态图遵循的规律在二元合金状态图中存在这样一些规律：1）两个单相区只能交于一点，而不能交成一条线。

2）两个单相区之间必定有一个两相区，且两相区中的组织是由与其相邻的两个单相所组成的。3）当图中有水平线出现时，必定有三相共存，且水平线连着三个单相区，这三个单相区分别处于水平线的中间和两端。在水平线所对应的温度下，合金将进行共晶、包晶或共析转变。不同特征的每一条水平线的两端及中间都有六条曲线伸出。由同一点伸出的两条曲线所包围的区域是单相区。根据单相区相的状态及其分布情况就可确定水平线的转变类型。4)在两个恒温转变中如果有有两个相同的相，那么在这两个转变的水平线之间必定是由两个相同的相组成的两相区.二、二元合金状态图的分析方法1．当状态图中有稳定的化合物存在时（状态图中必定有一条垂直的相界线），分析时可将稳定的化合物看作一个组元，以其相界线为界把状态图分成几个简单部分进行分析。2．根据二元台金状态图所遵循的规律，进行相区分析,确定各相区的组成

(1)可根据纯组元坐标上的临界点，判断合金中是否有同素异构转变现象存在。

(2)确定单相区

1)液相线以上的区域为液相区。2)若封闭区域与纯组元相邻，此区域是以该组元为基的单相固溶体区。

3)每条水平线的两端和中间，分别有三个单相区与水平线相连。(3)两个单相区之向必定有一个由该两相所组成的两相区。3.找出状态图中三相共存的水平线。并明确水平线所表示的转变类型。4.利用状态图分析典型合金的结晶过程并确定其平衡组织，状态图的横坐标（成分轴）上首先选定所分析的合金成分，再由此点垂直于横坐标引直线，此垂线称为合金线，然后沿此合金线从高温到低温分析其组织形成过程。

(1)在单相区内，合金的组织为单相，相的成分和重量与原合金相同，随着温度的变化，单相的组织及成分不发生变化。(2)在两相区内，合金的组织由两相构成。随着温度的变化，两相的成分及相对量也发生变化，两相的成分均沿其相界线变化，各相的相对量可由枉杆定律求出。(3)当合金处于三相共存的水平线时，则表明合金中正在进行某种转变。此时三个相的成分是固定的，但其相对量是在不断变化的。(4)如果两相区中的固熔线是倾斜的，随着温度的变化将有二次晶体析出。三、状态图形式与合金性能间的关系合金的性能是由合金的成分及其组织所决定的。合金状态图既可反映出合金的成分、组织,又可反