第4章合金的结构与结晶

第四章合金的结构和结晶

第四章合金的结构和结晶§1合金中的相结构

§2二元合金状态图

§3相图与合金性能的关系§1合金中的相结构一、合金的基本概念二、合金中的相结构1．固溶体置换固溶体

间隙固溶体

固溶体的性能

2．化合物

一、合金的基本概念合金

通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。组元组成合金的最基本的、独立的物质称为组元

一合金中的基本概念

相在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均称之为相.二、合金中的相结构固溶体置换固溶体

间隙固溶体

固溶体的性能

化合物固溶体

置换固溶体

间隙固溶体

组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。

置换固溶体溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固溶体称置换固溶体。溶质原子在溶剂晶格结点上呈无序分布的置换固溶体称为无序固溶体；溶质原子在溶剂晶格结点上按一定秩序排列的置换固溶体称有序固溶体。显然，只有当溶质原子和溶剂原子成一定比例时，才有可能形成有序固溶体。此外，按照溶解度的大小，置换固溶体，又可分为无限置换固溶体和有限置换固溶体。间隙固溶体溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体，间隙固溶体仍保持着溶剂金属的晶格类型。已有研究表明，当溶质元素的原子直径与溶剂元素的原子直径之比小于0.59时，易于形成间隙固溶体，而在直径大小差不多的元素之间易于形成置换固溶体。且溶质原子在间隙固溶体中只能呈统计分布，形成无序固溶体，而且当溶剂晶格间隙被溶质原子填充到一定程度后就不能再继续溶解，多余的溶质原子将以新相出现，因此，间隙固溶体的溶解总是有限的，间隙固溶体总是有限固溶体。

固溶体的性能无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不同于原纯金属。当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。固溶体的性能

不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。化合物若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质，属于化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的β相（CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等，都是化合物。

金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。钢中渗碳体（Fe3C）是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶格形式。在这些化合物中，Fe3C和β相均具有相当程度的金属键及一定的金属性质，是一种金属物质，称为金属化合物，而FeS、MnS具有离子键，没有金属性质，属于一般的化合物，因而又称为非金属化合物。在合金中，金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，而非金属化合物是合金原料或熔炼过程带来的，数量少且对合金性能影响很坏，因而一般称为非金属夹杂。化合物分类：（１）正常价化合物：符合一般化合物的原子价规律，成分固定，可用化学式表示。（２）电子化合物：是由第一族元素，过渡族元素与第二至第五族元素结合而成。服从电子浓度规律，即当合金的电子浓度达到某一数值，变形成具有某种晶格结构的化合物相。例：Ｃu－Ｚnβ-γ-ε(３)间隙化合物（尺寸因素化合物）间隙相：d非／d金＜０.５９具有比较简单的晶格结构。例：ＷＣ、ＴIＣ间隙化合物：d非／d金＞０.５９具有的复杂结构。例：Ｆe３

ＣＣr２３Ｃ6

金属化合物金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。

绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的混合物，其性质取决于固溶体与金属化合物的数量、大小、形态和分布状况。

组织组织(是一种显微尺度)在金属和合金中，用肉眼、低倍放大镜或普通金相显微镜，可观察到的金属或合金内部晶体(微观)形貌。它是由单相物质或多相物质组合成的，具有一定形态特征的聚合体.例：Ｆe与Ｆe３

Ｃ——Ｐ、Ｓ、Ｔ、Ｓ回、Ｔ回、组织

组织

铁碳合金的结晶组织金相像片§2二元合金相(状态)图

一、相图的意义及相关概念二、二元合金状态图的建立

三、平衡相组成的分析

四、二元状态图的基本类型分析

一、相图的意义及相关概念相图的意义相关概念组元合金系相图一相图的相关概念1．组元：通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的物质称为组元。但在所研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可称为组元，如Fe3C看作一组元。2．合金系由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系。3．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，又称状态图或平衡图。相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。

二、二元合金状态图的建立

目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。以Cu—Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤：（1）配制不同成分的合金试样，如Ⅰ纯铜；Ⅱ75%Cu+25%Ni；Ⅲ50%Cu+50%Ni；合金Ⅳ25%Cu+75%Ni；Ⅴ：纯Ni。（2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点；（3）将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上；（4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu、Ni合金相图。用热分析法测定Cu、Ni相图a）冷却曲线b）相图abab

:液相线ab

:固相线LL

+SSL:液相区S:固相区L+S:液固共存区AB温度三、平衡相组成的分析1．平衡相成分的确定

2．平衡相相对重量的确定：（杠杆定律）三、合金的平衡结晶过程1．平衡相成分的确定选择结晶：先结晶出来的晶体含有较多的高熔点的组元。在整个冷却过程中，随温度的降低：液相成份随液相线变化;固相成份随液相线变化;平衡相成分分析示意图TLTSTnnmx2杠杆定理QS=(nx／mn)

100%

QL=(mx／mn)

100%

QS+QL=1mQS+mQL

=xABabLS温度QLQs2平衡相相对重量的确定

（杠杆定律）四、二元状态图的基本类型分析1.二元匀晶相图

2.二元共晶相图3.二元包晶相图4.形成稳定化合物的相图

5.具有共析转变的相图1.二元匀晶相图1．相图的组成及特征

2．合金平衡结晶过程及组织3．枝晶偏析及其消除两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶转变的合金系→匀晶相图

Cu-Ni二元均晶相图Cu-Ni合金枝晶偏析示意图

枝晶偏析及其消除由于实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。扩散过程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡的条件下进行的。这使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，合金的熔点较高，构成晶体的树枝状骨架，后结晶出的部分含高熔点组元较少，熔点较低，填充于枝间。这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析或称晶内偏析。出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能和加工工艺性能变坏。出现枝晶偏析后，可通过扩散退火予以消除。一般采用将铸件加热到低于固相线100～200℃的温度，进行长时间保温，使偏析元素进行充分扩散，成分均匀化。

2.二元共晶相图1．相图的组成分析2．典型合金平衡结晶过程分析概念：两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，并发共晶反应，形成共晶相图。二元共晶相图1．相图的组成分析共晶相图中有三个单相区：液相区L，固相α和β相区；三个两相区：L+α区，L+β区，α+β区；一个三相共存点：C点

共晶反应共晶转变：在一定成份和恒温下，由液相同时结晶出成份一定的两个固相的转变过程。（共晶反应）反应式：ＬＥ→αＭ＋βＮ共晶点：Ｅ点共晶液相成份点；共晶温度：ＴＥ；共晶线：ＭＥＮ线共晶组织：（αＭ＋βＮ）再相交错分布的机械混合物;过冷度越大，共晶组织愈细。共晶合金结晶过程示意图亚共晶合金结晶过程示意图合金Ⅳ的结晶过程示意图密度偏析及防止措施结晶的晶体密度与其剩余的液体密度相差较大，晶体上浮或下沉。凝固后合金的上下部分不同的现象，称之为“密度偏析”防止密度偏析措施：（１）提高Ｖ冷（２）搅拌（３）加入某种元素，使形成高熔点与液相比重相近的化合物骨架。3.二元包晶相图

1．相图的组成分析2．典型合金平衡结晶过程分析二元包晶相图1．相图的组成分析在二元包晶相同中，有三个单相区：液相区L、固相区α和β相区；三个两相区：L+α、L+β、α+β；一个三相共存点：e点（L、α、β共存）

合金I结晶过程示意图合金Ⅱ结晶过程示意图合金Ⅲ结晶过程示意图4.形成稳定化合物的相图合金系中两组元之间还可能形成稳定的金属化合物，其组成可用通式AmBn表示，它具有固定的成分和一定的熔点，可把它看成独立的组元。它的分析可作为两个简单相图进行。

5.具有共析转变的相图

共析转变共析转变属于固态相变的一种类型。和共晶反应一样是由一个相分解为两个相的三相平衡等温转变。共析转变的特点是：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具有一定晶体结构的固相。其反应式可表达为：反应产物和的相对重量有一固定的比例：由于共析反应是在固态下进行的，其原子扩散条件很差，晶核成长速度很小，所以共析转变物的组织是比较细密的两相相间的机械混合物。

第三节合金的性能与相图的关系（1）合金的使用性能与相图的关系由图可见，当合金形成单相固溶体时，随溶质溶入量的增加，合金的硬度、强度升高，而电导率降低，呈透镜形曲线变化，在合金性能与成分的关系曲线上有一极大值或极小值。当合金形成两相混合物时，其性能是两相性能值的算术平均值。随着成分的变化，合金的强度、硬度、导电率等性能在两组成相的性能间呈线性变化，对于共晶成分或共析成分的合金，其性能还与两组成相的致密程度有关，组织愈细，性能愈好。当合金形成稳定化合物时，在化合物处性能出现极大值或极小值。（2）合金工艺性能与相图的关系合金的工艺性能与相图也有密切的联系。如铸造性能（包括流动性、缩孔分布、偏析大小）与相图中液相线和固相线之间的距离密切相关。相图中液相线与固相线的距离愈宽