合金的相结构与相图

合金的相结构与相图第1页/共42页学习要求1.了解二元匀晶相图、二元共晶相图、二元包晶相图各个区间的组织组成和特征；2.掌握共晶转变和共析转变的实质和条件；3.掌握铁碳合金基本组织的特征和性能，并能结合晶体结构知识进行分析、对比；4.熟练分析铁碳合金典型7种合金的结晶过程，并能够做到举一反三；5.了解铁碳合金的化学成分、组织状态和性能之间的定性关系；6.了解合金的性能与相图的关系。第2页/共42页第一节基本概念合金: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或烧结而成的具有金属特性的物质。一般前者为熔合合金，后者为烧结合金.组元:组成合金最基本的、独立的物质叫组元。一般来说，组元既可以是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。合金系:由两种或两种以上的组元按不同的比例配制成一系列不同成分的所有合金称为合金系。相:金属中具有相同的化学成分、相同结构和相同物理性能并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，称为相。组织:是指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。第3页/共42页第二节合金的相结构

一、固溶体合金中两组元在液态和固态下都互相溶解，共同形成均匀的固相，这类相称为固溶体。习惯以、、表示。与合金晶体结构相同的元素称溶剂,其它元素称溶质。置换固溶体:溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。置换固溶体

第4页/共42页间隙固溶体:溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂<0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。间隙固溶体第5页/共42页固溶体的性能随溶质含量增加,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。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。置换固溶体的晶格畸变

间隙固溶体晶格畸变

第6页/共42页二、金属化合物在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除了形成固溶体外，还将出现新相。若新相的晶体结构与合金中某一组成元素相同，则新相是以该一组成元素为溶剂的固溶体。若新相的晶体结构不同于任一组成元素，则新相将是组成元素问相互作用而生成的一种新的物质，即为金属化合物或称中间相。1.正常价化合物——符合正常原子价规律。如Mg2Si。2.电子化合物——符合电子浓度规律。如Cu3Sn。电子浓度为价电子数与原子数的比值。3.间隙化合物——由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。第7页/共42页①间隙相r非/r金0.59时，形成具有简单晶格结构的间隙化合物。如M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)等。简单晶格间隙化合物的共同特点，是具有极高硬度和熔点，是硬质合金和高温金属陶瓷材料的重要组成部分。部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。VC的结构第8页/共42页②具有复杂结构的间隙化合物当r非/r金>0.59时形成复杂结构间隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。形成复杂晶格的间隙化合物，其熔点和硬度较间隙相低，稳定性也较差。化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。间隙化合物Fe3C的晶体结构第9页/共42页三、机械混合物纯金属、固溶体、金属化合物是组成合金的基本相，由这些基本相按照固定比例构成的组织称为机械混合物。它可以是两种或多种纯金属、固溶体、金属化合物各自组成的机械混合物，也可以是它们之间的混合物。机械混合物中的各个组成相仍然保持各自的晶体结构和性能，一般情况下在金相显微镜下可以加以区别。机械混合物的性能取决于各组成相的大小、数量、分布及形状。工业生产中大多数合金是由机械混合物组成，如钢、铸铁、铜合金、铝合金等。第10页/共42页第三节二元合金相图的建立相图又称状态图，它表明金属的相结构或状态随温度、压力及成分的改变而发生变化的情况。由于它只表示金属在平衡状态(那是极缓慢加热或冷却条件)下的相结构，所以也称平衡图。第11页/共42页一、二元合金相图的表示方法二、二元合金相图的建立二元合金相图的坐标

Cu-Ni二元合金相图的建立

第12页/共42页第四节二元匀晶相图匀晶相图：两组元在固态时形成无限固溶体，且液态时又能完全互溶的合金相图称为匀晶相图。一、相图分析二、合金的结晶过程Cu-Ni合金相图、冷却曲线及结晶过程分析第13页/共42页三、杠杆定律1.两平衡相及其成分的确定2.两平衡相相对质量的确定mLar=mαrb

mL=rb/ab×100%mα=ar/ab×100%杠杆定律杠杆定律的力学比喻

第14页/共42页例：Bi-Sb二元合金相图，求Sb的质量分数为40%的Bi-Sb合金，在400℃时组成相的成分及组成相的相对质量。解：在成分轴上找出Sb的质量分数40%的合金点，并引Ⅰ-Ⅰ成分垂线，再在400℃作水平线与液相线和固相线分别相交于C点及E点，且与Ⅰ-Ⅰ成分垂线相交于D点，此时C点在成分轴上的投影即为液相的成分。故液相中Sb的质量分数为18%，同理α固溶体中Sb的质量分数为72%。根据杠杆定律，求得液、固两相的相对质量分别为：mL

=DE/CE=(72-40)/(70-18)=55%mα=1-55%=45%四、枝晶偏析Bi-Sb二元合金相图在一个晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。枝晶偏析的存在，使塑性、韧性降低，使合金的压力加工难以进行。另外，枝晶偏析也将导致合金的力学性能不均匀，使合金的耐蚀性下降。第15页/共42页第五节二元共晶相图共晶相图：两组在液态无限互溶，在固态相互有限溶解或不溶解且发生共晶转变的相图，称为共晶相图。一、相图分析共晶转变：从某种成分固定的合金溶液中同时结晶出两种成分和结构皆不相同的固相，称为共晶转变。共晶转变

Pb-Sn二元共晶相图

第16页/共42页二、典型合金的结晶过程1.共晶合金的结晶过程（合金Ⅰ）合金Ⅰ的冷却曲线及结晶过程

Pb-Sn共晶合金组织

第17页/共42页2.亚共晶合金的结晶过程（合金Ⅱ）3.过共晶合金的结晶过程（合金Ⅲ）合金Ⅱ的冷却曲线及结晶过程

合金Ⅲ的冷却曲线及结晶过程

第18页/共42页4.含Sn量小于c点的合金结晶过程（合金Ⅳ）合金Ⅳ的冷却曲线及结晶过程第19页/共42页第六节二元包晶相图包晶相图:两个组元在液态无限互溶，在固态形成有限固溶体并发生包晶反应的相图，称为包晶相图。一、相图分析包晶转变:成分为P点的α固溶体和在它周围成分为C点的液相L，在PDC水平线所对应的温度下，相互作用转变为成分是D点的另一新相β固溶体，这一转变称为包晶转变。Pt-Ag包晶相图

包晶转变

第20页/共42页二、典型合金的结晶过程1.合金Ⅰ的结晶过程2.合金Ⅱ的结晶过程3.合金Ⅲ的结晶过程第21页/共42页第七节具有共析反应的二元合金相图共析转变：自某种均匀一致的固相中同时析出两种化学成分和晶格结构完全不同的新固相的转变称为共析转变。

共析转变

第22页/共42页分析二元合金相图的要点：⑴相图中每一点都代表某一成分的合金在某一温度下所处的状态，此点称为合金的表象点。⑵在单相区中，合金由单相组成，相的成分即等于合金的成分，它由合金的表象点来决定。⑶在两个单相区之间必定存在着一个两相区。在此两相区中，合金处于两相平衡状态；两个平衡相的成分可由通过合金表象点的水平线与两相区边界线的交点来决定，两相的相对质量可运用杠杆定律加以计算。⑷在二元合金相图中，三相平衡共存表现为一条水平线。第23页/共42页三相平衡线的图形特征及性质

第24页/共42页第八节合金的性能与相图的关系一、合金的使用性能与相图的关系二、合金的工艺性能与相图的关系第25页/共42页第九节铁碳合金相图一、纯铁的同素异构转变金属在固态下随温度或压力的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的变化，称为同素异构转变。纯铁的冷却曲线

纯铁的同素异构转变

第26页/共42页二、铁碳合金的基本组织铁素体：碳溶于体心立方晶格的α-Fe中所形成的间隙固溶体，称为铁素体，用符号“F”或α表示。在727℃时，碳在α-Fe中的溶解度最大（0.0218%），室温下几乎为零（0.0008%）。由于铁素体的溶碳量很小，可认为是纯铁，其力学性能与纯铁极为相近，强度、硬度低，而塑性、韧性好。铁素体在770℃以下具有铁磁性，在770℃以上时铁磁性消失。奥氏体：碳溶于面心立方晶格的γ-Fe中所形成的间隙固溶体，称为奥素体，用符号“A”或γ表示。在1148℃时溶碳量最大，为2.11%，随着温度的下降，溶解度也逐渐下降，在727℃时，溶碳量为0.77%。奥氏体溶有较多的碳，故其具有一定的强度和硬度，良好的韧性，低的塑性变形抗力，易于锻造成形。第27页/共42页渗碳体：碳与铁以一定的比例形成的具有复杂晶格的间隙化合物，称为渗碳体，用分子式Fe3C表示。渗碳体的含碳量为6.69%，是钢中的主要强化相，它的数量、形状、大小及分布对钢的性能影响很大，其组织形态有片状、球状、网状和长条状。渗碳体的力学性能特点是硬度高、脆性大。塑性、韧性几乎等于零。珠光体：铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物，称为珠光体，用符号“P”表示。珠光体的含碳量为0.77%,其性能介于铁素体和渗碳体之间，具有较高的强度和足够的韧性。莱氏体莱氏体：奥氏体和渗碳体两相组成的机械混合物，叫莱氏体，用符号“Ld”表示。莱氏体的含碳量为4.3%，存在于1148～727℃温度范围的莱氏体，称为高温莱氏体。727℃以下时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号“Ld'”表示。因为莱氏体是以渗碳体为基体，其力学性能与渗碳体相近，硬度很高，塑性很差。第28页/共42页三、铁碳合金相图第29页/共42页㈠Fe-Fe3C相图分析1.Fe-Fe3C相图中的特性点第30页/共42页2.Fe-Fe3C相图中的特性线1）三种恒温转变⑴包晶转变在1495℃（HJB水平线）发生包晶转变：

⑵共晶转变在1148℃（ECF水平线）发生共晶转变：⑶共析转变在727℃（PSK水平线）发生共析转变：2）三条特性曲线⑴ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。⑵GS线是冷却时奥氏体开始析出铁素体的转变线和加热时铁素体转变为奥氏体的终了线，又叫A3线。⑶PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。第31页/共42页3）Fe-Fe3C相图中的相区5个单相区：

ABCD线以上——液相区（L）

AHNA——高温铁素体区（δ）

NJESGN——奥氏体区（A或γ）

GPQG——铁素体区（F或α）

DFK——渗碳体区（Fe3C）

7个两相区：L+δ；L+A；L+Fe3C；δ+A；F+A；A+Fe3C及F+Fe3C，它们分别位于两相邻的单相区之间。三相共存水平线——HJB、ECF及PSK分别可以被看作是三相区。第32页/共42页3.铁碳合金的分类⑴工业纯铁（C＜0.02%）；⑵钢（0.02%～2.11%C）：包括亚共析钢（＜0.77%C）、共析钢（0.77%C）和过共析钢（＞0.77%C）；⑶白口铸铁（2.11%～6.69%C）：包括亚共晶白口铸铁（＜4.3%C）、共晶白口铸铁（4.3%C）及过共晶白口铸铁（＞4.3%C）。㈡典型合金结晶过程分析

第33页/共42页7个典型合金在相图上的位置7个典型合金在相图上的位置

第34页/共42页⑴工业纯铁合金①工业纯铁在室温下的平衡组织为F+Fe3CⅢ

⑵共析钢合金②

共析钢的显微组织

工业纯铁的显微组织

共析钢结晶过程示意图

第35页/共42页⑶亚共析钢合金③⑷过共析钢合金④

亚共析钢结晶过程示意图

过共析钢结晶过程示意图0.45%C钢的显微组织1.2%C钢的显微组织第36页/共42页⑸共晶白口铸铁合金⑤⑥亚共晶白口铸铁合金⑥共晶白口铸铁结晶过程示意图

亚共晶白口铸铁结晶过程示意图

共晶白口铸铁的显微组织

亚共晶白口铸铁的显微组织

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