第六章 合金相结构与二元合金相图(新PPT)

第六章合金的相结构与二元合金相图第六章合金的相结构与二元合金相图6.1合金的相结构6.2二元合金相图6.3二元相图的应用第六章合金的相结构与二元合金相图

6.1合金的相结构一．概述纯金属：导电性、导热性好。但强度并不高，应用受限制合金：工业上应用最多的是合金材料合金：是两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素制成的金属。组元：组成合金的最基本物质。由两个组元组成的合金称为二元合金。由三个组元组成的合金称为三元合金或多元合金。相：是金属或合金中具有同一化学成份，同一原子聚集状态和性质的均匀连续组成体，不同“相”之间存在界面，称为相界面。第六章合金的相结构与二元合金相图

6.1合金的相结构二．合金的相结构合金的相结构是指相的原子排列规律。它比金属晶体结构复杂，但可归为两类，①固溶体②金属化合物。1、固溶体：固溶体与溶液一样，有溶剂与溶质之分。含量少的叫溶质，含量多的叫溶剂。特点：溶剂组元保持它的晶格类型不变，所以固溶体的晶格类型就是溶剂组元的晶格类型。分类：按溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，可分为置换固溶体和间隙固溶体。第六章合金的相结构与二元合金相图

6.1合金的相结构二．合金的相结构1、固溶体（1）置换固溶体“Cu-Ni合金”:Cu的面心立方晶格结点上的原子，可以部分或全部被溶质原子Ni置换掉。►按溶质组元的固溶度可分为无限固溶体和有限固溶体；

有限固溶体（当溶质组元浓度＞固溶度后，可形成另一新相）；

无限固溶体（完全溶解100%溶质组元，但不改变溶剂的晶格类型）。第六章合金的相结构与二元合金相图

6.1合金的相结构置换固溶体和间隙固溶体图1固溶体两种类型示意图第六章合金的相结构与二元合金相图

6.1合金的相结构（2）间隙固溶体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，这种固溶体称为间隙固溶体。形成间隙固溶体的条件：晶格间隙一般小于0.1nm，只有半径较小的原子才可溶入间隙，如氢（0.046nm）、氧（0.060nm）、碳（0.077nm）和硼（0.097nm）等。

溶质与溶剂原子半径比小于0.59固溶体性能的变化：①当形成置换固溶体时，溶剂原子半径存在差别，故要产生晶格畸变；②当形成间隙固溶体时，因溶质原子半径稍大于间隙半径，也要产生畸变。晶格畸变使强度、硬度上升，塑性、韧性下降，这种由晶格畸变引起强、硬度上升的效应称为固溶强化。第六章合金的相结构与二元合金相图

6.1合金的相结构固溶体性能的变化图2固溶体中大、小溶质原子所引起晶格畸变示意图第六章合金的相结构与二元合金相图

6.1合金的相结构2、金属间化合物（中间相）定义：A、B两组元组成合金时，由于溶解度的不同，除形成有限固溶体外，还有可能形成与A、B组元晶格类型不同的新相，这种新相就称为金属间化合物。分类：金属间化合物根据形成条件，可分为下列三种类型，即正常价化合物、电子化合物、间隙化合物。（1）正常化合物这类化合物按正常的原子价规律组成，具有一定的化学成分，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。第六章合金的相结构与二元合金相图

6.1合金的相结构（2）电子化合物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=2/3时，铜锌可形成体心立方的CuZn中间相；当电子浓度=21/13时，则形成复杂立方结构的Cu5Zn8中间相。（3）间隙化合物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。可按原子半径比值分类

简单间隙化合物

复杂间隙化合物第六章合金的相结构与二元合金相图6.2二元合金相图一．概述二．二元合金相图的制作三．匀晶相图四．共晶相图五．包晶相图六．其它二元相图第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图一．概述定义：相图是表示合金系中所有合金，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组织的图解。作用：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、室温下合金的平衡组织及性能，为制定热处理规范提供依据。第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图二．二元合金相图的制作

1、以Cu-Ni二元合金系为例，用热分析法来绘制相图。

LL+αα第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图2、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LtAbtB线下为一固相区S两线之间为液固相区L+S第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图三．匀晶相图1．合金的平衡结晶过程示意图L→α第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图三．匀晶相图2．合金的平衡结晶过程平衡结晶是合金在极缓慢的冷却过程中，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t1温度并稍过冷时，开始从液相L1中结晶出成分为的α1

固溶体。固相成分沿着固相线变化，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t2到t3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

t3

时结晶完毕，得到成分为3（含60%Ni）的单相固溶体，由一颗颗的晶粒组成。第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图三．匀晶相图3．杠杆定律极其应用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。第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图三．匀晶相图3．杠杆定律极其应用在平衡温度时，合金的两个平衡相为：液相的成分以a点表示，即含y%Ni,固溶体的成分以c点表示，即含z%Ni。设液、固两相的重量分别为WL

和Wa，合金的总重量为W。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

WL×y%+Wa×z%=W×x%（2-2）将（2-1）式代入（2-2）式并移项，则

Wa(z%-x%)=WL(x%-y%)（2-3）所以（2-3）式可写为WL×（ab）=Wa×（bc）或

WL/Wa=bc/ab

（2-4）如果把abc看作一根杠杆，（2-4）式中WL/W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（2-4）的关系也称为杠杆定律。（2-4）式也可换写成下列形式：l

液相的重量百分数l

固溶体的重量百分数l

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。第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图三．匀晶相图4、合金的不平衡结晶与树状偏析在实际生产中，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；这种结晶过程称为不平衡结晶。第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图三．匀晶相图4、合金的不平衡结晶与树状偏析如图7所示，在不平衡结晶过程中，开始结晶出来的树枝状固溶体晶体，其成分为α1（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α2、α′2、α3……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。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。由于一个枝晶形成一颗晶粒，故枝晶偏析也叫晶内偏析。第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图三．匀晶相图4、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8）。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来困难。为此，生产上通常在高温下（低于固相线温度）长时间加热，使原子充分扩散，以消除枝晶偏析。这种热处理工艺称为扩散退火或均匀化退火。第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图三．匀晶相图4、合金的不平衡结晶与树状偏析图9Cu-Ni合金铸态组织第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图四．共晶相图

1.共晶相图的特征：

L→α＋β

1)图中有一条水平线MEN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。

L+αL+βα＋β第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图四．共晶相图

2．典型合金的平衡结晶过程（1）端部固溶体合金的结晶过程

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。第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图合金在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t1～t2温度的冷却过程中，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t2～t3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β固溶体。这种析出的过程称为脱溶。由a固溶体中析出的β相称为次生相，以βII表示，以与从液相中结晶出来的初生相β相区别。次生相可沿母相晶界或晶内原子面析出。室温组织：a＋βII

反应过程：匀晶反应＋二次结晶第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图

四．共晶相图2．典型合金的平衡结晶过程（2）共晶合金的结晶过程►图9中成分通过E点（含61.9%Sn）的合金叫共晶合金。►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α固溶体（αM）和N点成分的β固溶体（βN）。发生共晶反应：产物为（αM

＋βN）的两相交互分布的混合物，称共晶体或共晶组织。►共晶体中αM相和βN相的相对量可应用杠杆定律计算如下：第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图四．共晶相图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α相和β相将分别沿及固溶度线析出次生的βⅡ相及αII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：α＋β

反应过程：共晶反应＋二次结晶第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图四．共晶相图2．典型合金的平衡结晶过程（3）亚共晶合金的结晶过程凡成分位于M～E点之间的合金统称为亚共晶合金。现以30%Sn的Pb-Sn合金为例，分析其平衡结晶过程。第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图四．共晶相图Pb-Sn共晶合金的组织含50%Sn的Pb-Sn合金组织亚共晶合金的结晶过程示意图第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图四．共晶相图2．典型合金的平衡结晶过程（3）亚共晶合金的结晶过程这里有两个十分重要的概念必须区分清楚。第一，“相组成物”：是指合金由哪几种相组成。第二，“组织组成物”：是指合金试样在显微镜下有哪几种可以清楚区分的相分布形态。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β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。共晶合金的组织组成物只有一种，即由a与β相交替分布呈层片状的共晶体。亚共晶合金在显微镜下可区分出树枝状的初生a相，少量次生βII相分布于初生a相中，还有a相与β相呈交替分布的共晶体，故其组织组成物为a初、βII与共晶体等三种。第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图四．共晶相图2．典型合金的平衡结晶过程（4）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过共晶合金。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β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β相中析出次生aII相。过共晶合金的室温组织由初生β相、次生aII相及共晶体组成。第六章合金的相结构与二元合金相图

6.2二元合金相图五．包晶相图Pt-Ag相图是一种典型的包晶相图。如图13