4第三章合金的结构与铁碳相图

第三章合金的结构与铁碳相图一、基本概念

1、合金：是以一种金属元素为基础，加入其它金属或非金属元素，经过熔合而组成的具有金属特性的物质，即合金是由两种或两种以上的元素所组成的金属材料。在工业上广泛应用的金属材料是合金。

2、组元：组成合金的最基本的能独立存在的物质，简称为元。合金按组元的数目，可分为二元合金、三元合金及多元合金。如黄铜是铜和锌两种元素组成的二元合金；硬铝是铝、铜和镁三种元素组成的三元合金；保险丝是锡、铋、镉和铅四种元素组成的四元合金等。

3、相：是指在金属或合金中具有相同化学成分、相同结构并以界面分开的各个均匀的组成部分。

4、组织：是指用肉眼或显微镜所观察到的不同相或相的形状、分布及各相之间的组合状态。是决定合金性能的基本因素。在工业生产中，可以通过控制和改变合金相的大小、形态、分布以及合金相的不同组合来改变组织，从而调整合金的性能。4第三章合金的结构与铁碳相图二、合金的相结构

1、固溶体

是指溶质原子溶人溶剂中形成的均一的结晶相。按照溶质原子在溶剂中分布情况的不同，固溶体可分为以下两种类型：1)间隙固溶体溶质原子处于溶剂晶格的空隙中的固溶体，图a。2)置换固溶体溶剂晶格中的某些结点位置被溶质原子取代的固溶体，图b。性能:由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，使金属材料的强度、硬度升高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体,使金属材料的变形抗力增大，强度、硬度升高的现象称为固溶强化，它是金属材料强化的重要途径之一。4第三章合金的结构与铁碳相图所谓相是指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。显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。单相合金两相合金4第三章合金的结构与铁碳相图⑴固溶体合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固

相称固溶体。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。固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体4第三章合金的结构与铁碳相图①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。黄铜置换固溶体组织4第三章合金的结构与铁碳相图②

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。4第三章合金的结构与铁碳相图③固溶体的溶解度溶质原子在固溶体中的极限浓度。溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体。Cu-Ni无限固溶体Cu-Zn有限固溶体固溶体化合物4第三章合金的结构与铁碳相图④

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。4第三章合金的结构与铁碳相图

2．金属化合物：合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的具有金属性质的物质。通常，金属化合物的熔点高、硬而脆，当合金中出现金属化合物时，能提高其强度、硬度和耐磨性，但会降低其塑性和韧性。金属化合物是各类合金钢、硬质合金及许多有色合金的重要组成部分。金属化合物一般具有复杂晶格结构，与构成化合物各组元的晶格皆不相同,种类很多，常见的有以下三种类型：正常价化合物,电子化合物,间隙化合物。

如果金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体的基体上，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称弥散强化。

4第三章合金的结构与铁碳相图⑵金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。例如，钢中的渗碳体(Fe3C)具有复杂的斜方晶格（如图3-3）。

铁碳合金中的Fe3C当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。4第三章合金的结构与铁碳相图3.合金的组织：合金的组织是是由合金的相组成的。多数工业合金均为固溶体和少量化合物所构成的混合物。通过调整固溶体的溶解度和其中的化合物的形态、数量、大小及分布，可使合金的力学性能在一个相当大的范围内变动，从而满足不同性能的要求。4第三章合金的结构与铁碳相图三、合金的结晶与二元合金相图

相图是表示合金在缓慢冷却的平衡状态下相或组织与温度、成分间关系的图形，又称为平衡相图或状态图。掌握合金相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求研究配制新的合金。是制订铸造、锻造、焊接和热处理等工艺的重要依据。1、二元合金相图的建立建立相图，先要通过实验测出合金系中一系列不同成分合金的相转变温度，即临界点。然后将这些临界点画在温度-成分坐标图中相应位置上，便可绘得二元相图。以铜镍合金为例，步骤如下：（1）配制几种不同成分的Cu-Ni合金；（2）将上述合金熔化后作出各成分合金的冷却曲线。并找出各冷却曲线上的临界点(即转折点和平台)的温度值。(3)画出温度一成分坐标系，在相应成分垂直线上标出临界点温度。(4)将物理意义相同的点连成曲线，并根据已知条件和实际分析结果写上数字、字母和各区域内的组织或相的名称，即得完整的Cu-Ni二元合金平衡相图(或状态图)，如图3-4。4第三章合金的结构与铁碳相图相图的建立名称A金属B金属晶格类型bccbcc熔点高低合金1100%0%合金290%10%合金380%20%……..……..…….合金920%80%合金1010%90%合金110%100%4第三章合金的结构与铁碳相图热分析法4第三章合金的结构与铁碳相图

相图的建立时间温度90705030AB温度A温度温度4第三章合金的结构与铁碳相图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4第三章合金的结构与铁碳相图图3-5Cu-Ni二元合金状态图的示意图

相图分析：相图上的每个点、线、区均有一定的物理意义。例如A、B点分别为Cu和Ni的熔点（纯铜纯镍冷却曲线上各有一个“平台”，表明它们是在恒温下结晶的，其他合金是在一个温度范围内结晶的）。图中有两条曲线，上面的曲线为液相线，代表各种成分的铜一镍合金在冷却过程中开始结晶的温度；下面的曲线为固相线，代表各种成分的铜一镍合金在冷却过程中结晶终了的温度。液相线和固相线将整个相图分为三个区域，液相线以上为液相区(L)，固相线以下为固相区(α)；在液相线与固相线之间为液相与固相共存的两相区(L+α)。4第三章合金的结构与铁碳相图2、二元匀晶相图现以wNi=40％的Cu-Ni合金为例，说明匀晶合金的结晶过程(图3-5)。当合金由液态缓冷至与液相线相交t1时，开始从液相中结晶出固溶体α相。在继续冷却过程中α相的量不断增多，液相的量不断减少，最后冷至固相线t4时，液相消失，全部成为单相α固溶体。在整个结晶过程中，液相和固相的成分也通过原子的扩散不断改变，液相的成分沿液相线变化，固相的成分沿固相线变化。但是只有在极其缓慢地冷却的条件下，使原子有足够的时间扩散，才能得到成分均匀的固溶体。否则，将会产生化学成分的偏析现象。

二元合金系中两组元在液态和固态下均能无限互溶，并由液相结晶出单相固溶体的相图称为二元匀晶相图，图3-5。图3-5Cu-Ni合金的相图与冷却曲线固溶体合金的结晶与纯金属的结晶不同点：1）固溶体合金的结晶不是在恒温下进行；2）结晶过程中，温度降低，液相不断减少，固相不断增多，最后结晶任何比例互溶的无限固溶体合金。3）结晶过程中平衡的两个相的成分沿液（固）相线不断变化。4第三章合金的结构与铁碳相图⑵杠杆定律处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：①确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。在成分垂线相当于温度t的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。12

t4第三章合金的结构与铁碳相图则QL

+Q

=1

QL

x1+Q

x2=x

解方程组得式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。②确定两平衡相的相对重量设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q

。4第三章合金的结构与铁碳相图因此两相的相对重量百分比为：两相的重量比为：4第三章合金的结构与铁碳相图上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。例（如图）4第三章合金的结构与铁碳相图合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。⑶枝晶偏析4第三章合金的结构与铁碳相图在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。4第三章合金的结构与铁碳相图Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织枝晶偏析组织4第三章合金的结构与铁碳相图3．二元共晶相图

合金系的两组元在液态下无限互溶，在固态下有限互溶，形成两种不同固相并发生共晶转变的相图称为二元共晶相图。共晶转变：指在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出不同成分、结构的两个固相的过程称为共晶转变。图3-7所示的Pb-Sn合金相图为典型的二元合金共晶相图。图3-7Pb-Sn合金二元合金共晶相图4第三章合金的结构与铁碳相图4.二元包晶相图通常把在一定温度下，已结晶的一定成分的固相与剩余的一定成分的液相发生转变生成另一固相的过程称为包晶转变。合金系的两组元在液态下无限互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶转变的相图称为二元包晶相图，如图3-8所示。现以Pt-Ag合金相图(见图3-8)为例进行分析。在图3-8中，ACB为液相线，PE和DF线分别为Ag在Pt中的α固溶体和Pt在Ag中的β固溶体的溶解度曲线。水平线PDC就是包晶转变线，D点是包晶点，所有的成分在PC范围内的合金在此温度都会发生三相平衡的包晶转变：LC+αP→βDPt-Ag和Ag-Sn等合金有包晶相图，常见的Fe-C，Cu-Zn,Cu-Sn等合金相图中也包含这类