华科复试课件04二元合金

1第四章二元合金的相结构与结晶§3–2合金的相结构一、基本概念1.合金：一种金属元素与若干种其它种元素结合成的具有金属特性的物质。2.组元：组成合金的基本物质，可以是元素，也可以是化合物。3.相：合金中化学成分、晶体结构相同，且以界面相互分开的组成部分。二、合金的相结构1.固溶体（solidsolution）⑴合金中各组元在固态互相溶解形成的晶格与某组元相同的新相。该组元称溶剂，其它称溶质。●固溶体的晶体结构与溶剂相同。●浓度：溶质原子溶入固溶体中的量。●溶解度：一定温度下的最大浓度，也称固溶度。2⑵固溶体的分类：●置换固溶体：溶质原子处于晶格结点上。●间隙固溶体：溶质原子处于晶格间隙中。⑶固溶体的性能：因溶质原子的溶入，溶剂晶格产生畸变，使固溶体的强度、硬度升高，而塑性、韧性下降。

固溶强化：因形成固溶体使材料的强度、硬度上升的现象。32.金属化合物⑴合金组元相互作用而形成的晶格不同于任一组元的新相。⑵分类：①正常价化合物：由元素周期表中相距较远的元素组成，电负性相差较大,符合化合价规律，如：Mg2Si,ZnS,……②电子化合物：由元素周期表中相距较近,且原子尺寸相差较小的的元素组成，一般不符合化合价规律，其晶体结构由电子浓度（价电子总数与原子总数之比）决定，如下表所例：4③间隙化合物：由过渡族金属元素（原子半径较大）与非金属元素（原子半径较小）组成，非金属原子（C、N、B等）处于晶格间隙中。间隙化合物的晶体结构不同于任一组元，如：

VC(fcc结构)Fe3C(复杂晶格)5

⑶性能：金属化合物都具有高硬度、高脆性、高熔点的特点，如下表所例：6三、二元合金相图

1。相图：表明合金系中不同成分合金在极缓慢加热(冷却)过程中的不同温度时，由哪些相构成以及这些相之间的平衡关系的图形。●极缓慢加热（冷却）过程：即是在每一温度都停留足够长时间，使合金中的原子充分扩散，组织中各相的化学成分和相对量最终达到动平衡的状态。这样的过程称平衡过程。生产实践中的缓慢加热（冷却）过程近似看成是平衡过程。●相之间的平衡关系：各相的化学成分和相对量（质量分数）。72。相图的建立：用实验方法测绘，如Cu–Ni合金系：⑴配置不同成分的Cu–Ni合金；⑵将各液态合金自高温缓慢冷却，作冷却曲线。冷却曲线上的转折点表示相变开始、终了的温度。记下这些临界点；⑶连点成线。8四、二元相图及合金的平衡结晶分析㈠匀晶相图：两组元在液态、固态均无限互溶则形成匀晶相图，如Cu–Ni相图：1.相图简介：线：液相线、固相线，液相线与固相线的交点

A,B分别为两组元Cu,Ni的熔点。相区：液相区:单相液态合金L

固相区:单相固溶体α

两相区:L与α共存92.两相区内的相平衡关系

⑴两相的成分

过T1作水平线交液相线、固相线于a、c，则a、c的成分就分别是液相和固相的成分。

⑵两相的相对量（质量分数）满足杠杆定律：

mL˙ax＝mα˙xc

设mL＋

mα＝100%

则

mL＝xc/ac˙100%，

mα＝ax/ac˙100%

103.

两相区内合金的平衡结晶

随温度缓慢下降，液相、固相的成分分别沿着液相线、固相线变化，两相的相对量也不断变化。温度降至固相线的时候，液相消失，结晶完成，组织为均匀的固溶体。114.

固溶体合金的不平衡结晶实际结晶一般都是不平衡结晶。如右图，在温度t2，在晶体表面结晶出成分为α2的固相，但晶体内部的成分还是α1，由于冷速较快，原子来不及充分扩散，α1还未变成α2，温度就下降了，又有新固相结晶出来。这样直至结晶完成，最终形成成分不均匀的固溶体，这种成分不均匀的现象称成分偏析。

在成分偏析的固溶体中，先结晶出来的部分含有较多的高熔点组元。

12５．成分过冷及其对晶体长大的影响

●成分过冷的产生如右图，固溶体合金结晶到达T2温度。其液固界面前沿液相具有正温度梯度⑴，界面前沿液相中溶质B的浓度分布不均匀⑵，该处液相的理论结晶温度发生如⑶的变化，使实际温度低于理论结晶温度，产生了一个过冷区域，这种因溶质浓度改变而在界面液相产生的过冷现象称为成分过冷。成分过冷区的大小取决于液相实际温度的分布情况和成分不均匀的程度。L1LL2αT1T2C0温度溶质B%温度温度温度距离距离距离T2L1L2T1T2B%13●成分过冷对晶体长大方式的影响⑴温度梯度为G1时界面前沿液相出现较大成分过冷，过冷度随距离增大明显加大，晶体以树枝状长大，即枝晶成长。⑵温度梯度为G2时界面前沿液相中的成分过冷较小，过冷度随距离增大不明显加大，晶体以胞状长大，形成胞状结构。⑶温度梯度为G3时界面前沿液相中无成分过冷，晶体平面长大。在实际生产条件下，金属结晶时界面前沿液相中的温度梯度不大，所以固溶体合金的结晶一般都成长为树枝状晶体。G2G1G3温度界面距离熔点曲线实际温度成分过冷对晶体长大影响示意图146.枝晶偏析⑴产生原因：在固溶体合金实际结晶过程中，因不平衡结晶和枝晶生长，先结晶出来的枝晶晶轴与后结晶出来的分支及枝间部分成分不一，形成成分不均匀的树枝状晶体。⑵枝晶偏析对金属的力学性能有不良影响，尤其使塑性韧性下降明显。枝晶偏析可用扩散退火消除。⑶影响枝晶偏析的因素●合金在相图中液、固相线距离越大，则枝晶偏析越严重。●合金的冷却速度越大，则枝晶偏析越严重。●合金中原子扩散能力越小，则枝晶偏析越严重。15

㈡共晶相图

1.相图简介：

线：●液相线：aEb，固相线：aCEDb

●溶解度线（固溶线）：

CG:Sn在α中的溶解度线，

DH:Pb在β中的溶解度线。

●共晶线：一条水平线CED。相区：●单相区：L,α,β●双相区：L+α，

L+β，

α+β●三相区：L+α+β

二元相图中的三相区都是水平线。

162.共晶转变

恒温下，由一定成分的液相同时结晶出两种成分一定的固相的转变。

LE

αC+βD

产物称为共晶体，为两相细密交替分布的机械混合物，如下右图所示。

共晶体总是写在括号内,如(αC+βD)。

tE共晶体结构示意图173.典型合金平衡结晶分析

●合金Ⅰ

室温时为均匀的单相α。

●合金Ⅱ

冷却至CG线上的3点时，α

相达到饱和，继续冷却，则从α

相中析出βⅡ相。

从固溶体里析出的另一固相称为次生相或二次相。

合金Ⅱ的室温平衡组织是α+βⅡ

。

●合金Ⅳ(共晶合金)

在183℃发生共晶转变，产物是（αC+βD），室温时的组织是:

（α+β）。18●合金Ⅲ

为亚共晶合金,

冷至aE线时结晶出固溶体α(称为初晶或先共晶相），在183℃时剩余液相的成分到达E点，这些液相便发生共晶转变，变成共晶体。共晶转变完成后温度继续下降，初晶α的溶解度发生变化，其内析出二次相βⅡ。

至室温，合金Ⅲ的平衡组织是（α+β）+α+βⅡ

结晶过程及组织示意图如下右图所示。194.共晶相图小结

●在共晶线上都有共晶转变发生。

●要区分共晶体、先共晶相（初晶）、二次相的概念。

●相组成物：组织中的组成相。上图中填写的就是相组成物。

组织组成物：组织中有一定形貌的组成部分。

●可用杠杆定律计算相组成物、组织组成物的相对量。思考：在上图中填写组织组成物，计算在共晶温度时共晶体内相组成物的相对量。20㈢包晶相图

1.包晶转变：

αd+Lcβp

恒温下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用形成另一个一定成分的固相的转变。水平线dPc为包晶线。

新固相是包在旧固相的外层逐渐长大而成，故名包晶转变。

包晶转变结束形成单相β，在随后冷却过程中从其中析出二次α相。

tp212.

典型合金的平衡结晶⑴合金Ⅰ

在tp

温度发生包晶转变，由αd、

Lc两相互相作用，生成βp相，转变终了，α

、

L两相同时消耗完。最终室温组织：β+αⅡ⑵合金

Ⅱ包晶转变终了，有α相剩余。最终室温组织：α+βⅡ+β+αⅡ⑶合金

Ⅲ包晶转变终了，有L相剩余。最终室温组织：β+αⅡⅠⅡⅢ22

㈣共析相图

共析转变：恒温下，由一定成分的固相同时析出另外两种成分一定的固相的转变。

γα+β

产物（α+β）称共析体，也是两相细密交替分布。

㈤形成稳定化合物的相图稳定化合物在相图中表现为一垂线，可将其视为独立组元，并以其为界将相图分开进行分析。如Mg-Si相图，以Mg2Si为界分为两个简单的共晶相图进行分析。23