机械2010工程材料3

机械2010工程材料3第一页，共68页。在金属或合金中，凡是具有相同成分，相同晶体结构并与其他部分有界面分开的均匀组成部分，称为相。相第一节固态合金相的种类及特点在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。纯金属在固态时为一个相（固相），在熔点以上为另一个相（液相）。合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。第二页，共68页。

1.1固溶体的分类：按溶质原子在溶剂晶格中的所占的位置，可将固溶体分为两大类：置换固溶体和间隙固溶体。溶剂能够保持其原有晶格类型并与固溶体晶格相同的组元称为溶剂。溶质失去原有晶格类型的组元称为溶质，一般在合金中含量较少。+1、固溶体：

在固态下，溶质原子可以不同方式进入溶剂金属组元的晶格中去，这样所形成的新相，称之为固溶体。固溶体一种固相第三页，共68页。1.1.1置换固溶体:溶质原子置换溶剂晶格结点上的溶剂原子而形成的固溶体。如书P34图3-1a）所示；根据溶质原子在溶剂晶格中分布是否有规律可将固溶体分为：有序固溶体和无序固溶体。溶质原子有规则地占据溶剂结构中的固定位置，溶质与溶剂原子数之比为一定值时，所形成的固溶体称为有序固溶体。否则为无序固溶体。第四页，共68页。铜和金形成的置换固溶体第五页，共68页。间隙固溶体溶质原子与溶剂原子直径之比应小于0．59方可。溶质原子不是占据溶剂晶格的结点位置而是进入溶剂晶格的间隙时，所形成的固溶体。过渡族元素(溶剂)与尺寸较小的元素C、N、H、B等易形成间隙固溶体。溶质原子在间隙固溶体中的溶解度一般很小,所以间隙固溶体都是有限固溶体。溶质原子将使间隙固溶体发生畸变，其浓度越大，畸变越大。溶质原子在间隙固溶体中的分布是随机的，间隙固溶体都是无序固镕体。-19第六页，共68页。碳在α－Fe中的间隙固溶体第七页，共68页。（三）固溶体中的溶解度C及其影响因素：C=溶质元素的重量（原子数）/固溶体的总重量（总原子数）×100%。

当C有一定限度时，这种固溶体叫做有限固溶体。

当C没有一定限度时，（即溶质元素与溶剂元素之间可以形成任何比例的固溶体,固溶度达100％），这种固溶体叫做无限固溶体。只有当溶质元素与溶剂元素之间形成置换固溶体时，才有可能形成无限固溶体；而形成间隙固溶体时，只能是有限固溶体。第八页，共68页。⑴

晶体结构：溶质与溶剂晶体结构相同的元素之间具有较大的溶解度，可形成无限固溶体或有限固溶体。晶体结构不同的元素之间的溶解度较小，形成有限固溶体。（例如，具有fcc晶格的Mn、Cu、Ni等在fcc的γ-Fe中的溶解度较大，而在具有bcc的α-Fe中的溶解度较小。）影响固溶体溶解度的因素：第九页，共68页。

⑵原子大小因素：当溶质与溶剂的原子直径差别（△d=d溶剂-d溶质）小时，易形成置置换固溶体，而且差别越小，C越大，当差别小到一定程度时，C→∞。当△d≤14%-15%时，可形成无限固溶体。例如，以铁为基的固溶体此差别＜8%时，C→∞。反之，当差别大时，易形成间隙固溶体。间隙原子造成的晶格畸变比置换原子造成的晶格畸变大得多，所以其溶解度一般不会很大。第十页，共68页。⑶电负性：得电子成为负离子的能力

负电性相差越大，他们的化学亲和力就越大，就越容易形成化合物，而不易形成固溶体，即使形成固溶体，溶解度也很小。二组元电负性差别小，易形成固溶体且溶解度大，即两组元在周期表中位置接近。它是强化金属材料的重要途径之一。固溶体的强度硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，所以，其综合性能较好，常作为结构合金的基体相通过向溶剂中溶入溶质元素形成固溶体，而使固溶体合金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。⑷固溶强化：固溶体与纯金属相比电阻率矫顽力逐渐升高，导电率下降等。第十一页，共68页。固溶强化的原因

？由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，变形抗力增大，从而提高合金的强度和硬度。第一章材料的结构与性能第一节金属材料的结构与组织单元2-25第十二页，共68页。2、金属化合物：

它是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，又称为中间相。新相的晶格结构与合金的各组元的晶格结构都不相同。一般可用分子式来大致表示其组成。

在化合物中具有相当程度的金属键及一定的金属性质，所以又称为金属化合物。如：碳钢中的Fe3C；金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆。合金中出现金属化合物时，常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。第十三页，共68页。2.1、分类：2.1.1、正常价化合物：符合一般化合物的原子价规律，有严格的化合比，成分固定不变，并可用化学式来表示。例如：Mg2Si、MnS等，正常价化合物具有较高的硬度和脆性。第十四页，共68页。CaF2型的晶格形式和ZnS型晶格形式-28第十五页，共68页。2.1.2、电子化合物：不遵守原子价规律但符合电子浓度（组元贡献的价电子数与合金相原子数目之比值）规律的化合物。电子浓度(即电子数／原于数)为3／2的电子化合物，皆具有体心立方晶格称之为β相。如CuZn、Cu5Sn、FeAl、NiAl等。电子浓度为21／13的电子化合物皆具有复杂立方晶格，称为γ相如Cu5Zn8、Cu31Sn8等。电子浓度为7／4的电子化合物，皆具有密排六方晶格，称作ε相。如CuZn3、Cu8Sn等电子化合物主要以金属键结合，有明显的金属特性它的熔点、硬度很高，但塑性较低，在许多有色金属中为重要的强化相。第十六页，共68页。2.1.3、间隙化合物(interstitialcompounds)是由过渡族金属(Fe、Cr、Mn、Mo、W、V等)同原子直径较小的非金属元素(C、N、H、B等)形成的化合物。在不同于组成元素的新晶格中，尺寸较大的过渡族元素占据晶格的正常位置，尺寸较小的非金属原子则有规则的嵌入晶格的间隙中。间隙化合物种类间隙相具有复杂结构的间隙化合物-30第十七页，共68页。⑴间隙相：当r非/r金属＜0.59时，形成的间隙化合物具有比较简单的晶格结构，称为间隙相。例如：VC具有fcc结构。间隙相具有十分突出的金属特性，有金属光泽和良好的导电性，熔点和硬度极高，间隙化合物的合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性及耐磨性。是高速钢和硬质合金中的重要组成相，也是合金工具钢和高温金属陶瓷中的重要组成相。如TiC、WC、TiN、VC、NbC、Mo2N、Fe4N等

第十八页，共68页。⑵间隙化合物：

当r非/r金属＞0.59时，所形成的化合物具有较复杂的晶体结构，称为间隙化合物。例如：Fe3C，具有正交晶格。间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，但与间隙相相比，它们的熔点和硬度要低一些，而且在加热时，容易分解。第十九页，共68页。VC晶体结构Fe3C晶体结构第二十页，共68页。

第二节二元合金相图合金在结晶之后，既可获得单相的固溶体组织，又有可得到单相的化合物组织，还可得到由固溶体和化合物或几种固溶体组成的多相组织。并且组元成分、温度还影响到结晶后所获得的相的性质、数目和相对含量。为了研究清楚这些问题，我们需要利用相图这一工具。第二十一页，共68页。几个名词：1.合金系：由两个或两个以上组元按不同的比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系，例如，Pb-Sn系、Fe-Fe3C系；2.相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解，称为相图。相图上表示的组织都是在极其缓慢冷却的条件下所获得的，都是接近平衡状态的组织，又叫做平衡图。3.组织：在金相显微镜下观察到的具有某种形貌或形态特征的组成部分。第二十二页，共68页。一、二元合金相图的建立：比较常见的是利用热分析法建立；Cu—Ni相图的建立过程：配置合金测定冷却曲线标定临界点绘制合金相图第二十三页，共68页。二、二元合金相图的基本类型（一）匀晶相图：两组元在液态和固态均无限互溶的二元合金系所形成的相图。例如：Cu—Ni、Cu—Au、Au—Ag、Fe—Ni等。1、相图分析：第二十四页，共68页。1.1点：A：Cu的熔点；B：Ni的熔点；1.2线：AB线（上面）：液相线；

AB线（下面）：固相线；1.3面：液相区；固相区；液固两相共存区；第二十五页，共68页。铜-镍合金匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线液相区固相区液固两相区AB第二十六页，共68页。匀晶合金的结晶过程匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。l1bcdT,CtLLL匀晶转变

L

冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+12344321l2l3l4液态合金冷至t1温度，开始从液态合金中析出α相，此时结晶出的α成分为α1，液相的成分为L1（即为合金的成分）；随着温度的降低，L→α，到达t2温度，液相的成分沿着液相线变为L2，固相沿着固相线变为α2；同时，液相的数量逐渐的降低，α相的数量逐渐的增加；温度冷至t3时，液相成分沿着液相线变化为l3，固溶体成分沿着固相线变化为α3，并与l3相平衡。温度冷至t4时，液相全部结晶为α相，α成分沿固相线变为α4（即合金的成分）。温度继续下降，就为固溶体α的简单冷却。第二十七页，共68页。2、平衡结晶过程：以如图所示合金1为例来分析平衡结晶过程：液态合金冷至t1温度，开始从液态合金中析出α相，此时结晶出的α成分为α1，液相的成分为L1（即为合金的成分）；随着温度的降低，L→α，到达t2温度，液相的成分沿着液相线变为L2，固相沿着固相线变为α2；同时，液相的数量逐渐的降低，α相的数量逐渐的增加；温度冷至t3时，液相成分沿着液相线变化为l3，固溶体成分沿着固相线变化为α3，并与l3相平衡。温度冷至t4时，液相全部结晶为α相，α成分沿固相线变为α4（即合金的成分）。温度继续下降，就为固溶体α的简单冷却。第二十八页，共68页。注意：①合金在平衡结晶时，结晶出的固相成分沿固相线变化，液相的成分沿液相线变化；②液（固）相线表示在无限缓慢冷却的条件下，液、固两相平衡共存时，液（固）相的化学成分随温度的变化情况。第二十九页，共68页。3、杠杆定律：解决二元合金在冷却结晶过程中，液固两相平衡共存时的相对含量；如图从图中可知：合金1在t1温度时是L、α两相平衡共存，液相的成分为x1，固相的成分为x2，合金的成分为x。求：L、α两相的相对含量？设：合金的总重量为1；在温度t1时，液相的质量为QL，固相的质量为Qα；则有：Qα=aC/ab；QL=Cb/ab；QL/Qα=aC/Cb第三十页，共68页。杠杆定律CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+12ABxacbT1T21.在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。2.随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。杠杆定律：在两相区内，对应每一确定的温度T1，两相质量的比值是确定的。即QL/Q=cb/ac杠杆定律推论：在两相区内，对应温度T1时两相在合金b中的相对质量各为QL=(x2-x)/(x2-x1)Q=(x-x1)/(x2-x1) =1-QLx1x2第三十一页，共68页。例：求30%Ni合金在1280时相的相对量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ac30a1b1c11280C解：作成分线和温度线如图。6618根据杠杆定律推论，

Q/

QH

=a1b1/a1c1=12/48=1/4答：所求合金在1280时相的相对质量为1/4。第三十二页，共68页。4、枝晶偏析：在晶粒内部化学成分不均匀的现象叫做晶内偏析，也叫枝晶偏析；产生原因：在实际生产中，冷却速度较快，使合金内部，尤其是固相内部的原子来不及充分扩散；危害：严重影响机械性能，特别是使塑性、韧性下降，抗蚀能力下降；消除方法：采用扩散退火（均匀化退火）：即将铸件加热到低于固相线100~200℃的温度进行长时间的保温，使偏析元素充分的扩散，从而使合金的成分均匀化。第三十三页，共68页。

第四节二元共晶相图二元共晶相图：当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，并能发生共晶转变的二元相图叫做二元共晶相图。例如：Pb—Sn、Cu—Ag、Zn—Sn相图等；第三十四页，共68页。1、相图分析：如图所示：1.1点：a点：Pb的熔点；b点：Sn的熔点；c点：共晶点；1.2线：acb：液相线；adceb线：固相线；df线：α固溶体的溶解度曲线（α固溶体是以Pb为溶剂，以Sn为溶质的有限固溶体）；eg线：β固溶体的溶解度曲线（β固溶体是以Sn为溶剂，以Pb为溶质的有限固溶体）；1.3面：单相区：液相区、α固溶体区、β固溶体区；两相区：L+

α、L+

β、

α+

β；ced线是L+

α+

β三相共存区，dce线也叫共晶线；第三十五页，共68页。1.4共晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定且不相同的两个固相的转变，称为共晶转变或共晶反应。如图3-15所示，在dce线所对应的温度下，成分为c的液相（Lc）会同时结晶出成分为d的αd和成分为e的βe两个固相，所以发生了共晶反应。表达式为：

第三十六页，共68页。几个概念：dce线叫做共晶线；c点叫做共晶点；c点所对应的温度叫做共晶温度tc；成分为c点的合金叫做共晶合金；成分在d~c之间的合金叫做亚共晶合金；成分c~e在之间的合金叫做过共晶合金。所生成的产物αd+

βe叫做共晶产物。第三十七页，共68页。2．共晶相图PbSnSn%T,C铅-锡合金共晶相图液相线L固相线+

L

+L

+固溶线固溶线第三十八页，共68页。共晶转变分析PbSnT,CL+L

+L

+共晶反应线表示从d点到e点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。ce共晶点表示c点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。dLd

c

+

e第三十九页，共68页。2、合金的平衡结晶过程：

2.1共晶合金的结晶过程：如图所示：合金Ⅱ为WSn=61.9%的共晶合金，它的冷却过程如图所示：冷却到c点，合金的温度冷到了tc（183℃），合金的成分为共晶成分，所以发生共晶反应：Lc→αd+

βe，得到共晶组织，计算一下它们的相对含量：

Qβ=1-Wα=1-45.4%=54.6%第四十页，共68页。温度冷到c（1点）点以下时，α相和β相均冷却，其中，α相的溶解度沿着df线变化，β相的溶解度沿着eg线变化，各自分别生出次生相，αⅡ、βⅡ，可忽略。所以，共晶合金的室温组织为α+

β；如图所示。第四十一页，共68页。结晶过程分析

（共晶合金）T,CtL(+)L(+)LL(+)共晶体冷却曲线(+)PbSnT,CL+

L

+L

+183dec12第四十二页，共68页。如图所示，α和β相呈层片状交替分布，其中白色组织为β相，黑色组织为α相。第四十三页，共68页。1点以上是液相的简单冷却；1~2点是L→α；2点：发生共晶反应：

Lc→αd+

βe；此反应一直进行到液相用完为止，所以此时的组织：α（初晶）+（αd+

βe）2点以下是次生相的析出，同理，

αd+

βe的次生相可以忽略，但初晶α的次生相

βⅡ不能忽略。所以，亚共晶合金的室温组织为：

α先+（αd+

βe）+βⅡ2.2亚共晶合金的结晶过程：如图所示，合金Ⅲ为WSn=50%的亚共晶合金，它的冷却结晶过程如图所示：第四十四页，共68页。合金结晶过程分析

（亚共晶合金）X1T,CtLL+

(+)++

Ⅱ12(+)+PbSnT,CL+

L

+L

+183decL+(+)+第四十五页，共68页。图中黑色的树枝状晶为初晶α，其中的白色组织为βⅡ，黑白相间分布的是共晶组织（α+β）。第四十六页，共68页。cefgX1T,CtLLLL+

冷却曲线+

ⅡⅡ1234{PbSnT,CL+

L

+L

+183ced2.3边际固溶体合金含Sn量小于d点（19%）的合金的结晶过程：如图所示：合金Ⅰ为WSn=10%，它的结晶过程如图3-9所示第四十七页，共68页。1以上是L的冷却；1~·2点L→α；2~3点α相的冷却；3~4点α→βⅡ；所以，室温组织为：α+βⅡ。计算它们的相对含量：

QβⅡ=1-Qα=1-90%=10%第四十八页，共68页。第五节二元包晶相图二元包晶相图：当两组元在液态时无限互溶，在固态时只能有限互溶，并且发生包晶反应时所构成的相图叫做二元包晶相图。例如：Pt—Ag、Cu—Zn相图等。第四十九页，共68页。1、相图分析：Pt—Ag二元包晶相图；1.1点：a点：Pt的熔点；b点：Ag的熔点；d点包晶点；1.2线：aeb线：液相线；acdb线：固相线；cf线：Ag在Pt中的溶解度曲线；dg线：Pt在Ag中的溶解度曲线；1.3面：三个单相区：L、α、β；

三个两相区：L+α、L+β、α+β；cde线是L、α、β的三相共存线。1.4包晶反应:在一定的温度下，由一定成分的固相和一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的过程.其中，d点为包晶点；d点所对应的温度td叫做包晶温度；cde线叫做包晶线。

包晶反应的表达式为：

Le+αc→βd（td）第五十页，共68页。2、平衡结晶过程：以合金Ⅰ为例，分析其结晶过程：温度在1点以上为液相的简单冷却；1~·2点为L→α；随温度降低，α的成分沿ac线变化，液相的成分沿液相线ae变化冷至2点，温度冷至包晶温度td，液相的成分达到e点，α的成分达到c点，其含量可用杠杆定律求得：td温度，液相L和固相α发生包晶反应：Le+αc→βd，包晶反应的示意图如图。反应结束后，液相和α恰好全部转变为β相。2~3点，Pt在β相中的溶解度沿dg线变化，生成次生相αⅡ。所以，合金的室温组织为β+αⅡ；第五十一页，共68页。3．包晶相图包晶转变：Le

+

c

dPtAgAg%T,C铂-银合金包晶相图L+L

+L

+cdefgT,CtLL+L+

+Ⅱba第五十二页，共68页。以合金Ⅱ10.5%~42.4%为例，分析其结晶过程：温度在1点以上为液相的简单冷却；1~·2点为L→α；冷至2点，液相的成分变到e点，α的成分沿ac线变到c点，温度冷至包晶温度.用杠杆定理可算出二者的含量：至此将发生包晶反应：Le+αc→βd，反应结束后，除形成新相β外，α相有剩余。在td以下温度，随着固溶体溶解度变化，从β固溶体和α固溶体中将不断析出二次相βⅡ和αⅡ。合金的室温组织为α+β

+βⅡ

+αⅡ；第五十三页，共68页。反应结束后，除形成β相外，L相有剩余。

当温度从2点降低时，剩余的液相将继续结晶出β固溶体，此时β相成分沿着db线变化，当温度达到3点后，液相全部结晶为与合金成分相同的β固溶体。

3~4点之间，合金为单相固溶体合金，不发生变化。

在4点以下，将从β固溶体中析出二次相βⅡ。

合金Ⅲ的室温组织为β+αⅡ；用杠杆定律可算出，在包晶转变时系统中液相的数量比包晶转变时所需的量多，即以合金Ⅲ为例，分析其结晶过程：

温度在1点以上为液相的简单冷却；

1~·2点为L→α；

冷至2点，液相的成分变到e点，α的成分沿ac线变到c点，温度冷至包晶温度，所以可以发生包晶反应：Le+αc→βd，第五十四页，共68页。

（四）其他类型的相1、形成稳定化合物的二元相图2、二元共析相图共析转变：在一定温度下，由成分一定的固相同时析出两种成分一定且不相同的新固相的转变。dce线为共析线，c点为共析点，共析反应：γc→αd+βe；αd+βe叫做共析组织；共析线所对应的温度叫做共析温度。第五十五页，共68页。4.共析相图共析转变：

(+)共析体ABT,C+

+

+cedL

+L第五十六页，共68页。（五）二元合金相图小结：两个单相区只能交于一点。根据相区接触法则，即在二元合金相图中相邻相区的相数相差一个（点接触除外），得出：两个单相区之间必定有由这两个相所组成的两相区，两个两相区之间必定以单相区或三相共存水平线隔开。三相共存线和与之接触的三个单相区是点接触,第五十七页，共68页。1.3分析转变类型：找出三相共存线和与之点接触的三个单相区,根据它们的位置配置来确定转变类型：如表所示；第五十八页，共68页。注意：

1.利用相图分析合金的平衡结晶时，应注意：在单相区内，该相的成分即为合金的成分；在两相区内，不同温度下两相的成分沿着其相界线变化，两相的相对含量可以用杠杆定律计算；在三相平衡时，三个相的成分是固定的。在反应前和反应后，各组成相的相对含量也可利用杠杆定律进行计算。

2.相图反映的是平衡结晶过程，在生产实践中冷却速度较快，所以相的相对含量及组织可能会产生较大的变化，如：偏析等情况。第五十九页，共68页。如图，固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关，溶质浓度↑→强度、硬度↑塑性有所降低（固溶强化）。电阻率增大，电阻温度系数减小。合金固溶体随温度下降，会有二次相析出。弥散强化：二次相以细小粒子，均匀、弥散地在固溶体晶粒中析出时，会使合金的强度硬度增加，塑性、韧性稍有下降，这种现象称为合金的弥散硬化。弥散硬化的效果与二次相粒子的细密程度，即与弥散度有关，弥散度越高，强度效果越大。

单相固溶体合金所能达到的强度和硬度是有限的。因而总体说来，单相固溶体的强度低，塑性、韧性好，适于压力加工，不适宜做结构材料。因它的电阻率大而电阻温度系数又小，所以适宜做电阻合金材料，例如：Cr20Ni80、Cu50Ni50；第三节