金属材料任务三 之活动1

2024/9/241金属材料与热处理任务(rènwu)三铁碳合金

合金(héjīn)及其组织建议：4课时学习活动1共四十四页学习(xuéxí)目的要求

熟悉并掌握金属材料的分类(fēnlèi)。熟悉并掌握合金的基本概念（合金、组元、相、组织）熟悉并掌握合金的组织种类及其结构和特点了解并熟悉有色金属的强化手段学习重点

金属材料的分类、合金的基本概念（合金、组元、相、组织）学习难点

合金的组织种类及其结构和特点、有色金属的强化手段共四十四页1、金属材料如何分类？什么是黑色金属？2、什么是合金？什么是合金中的元、相？3、什么是合金组织(zǔzhī)？合金组织(zǔzhī)有哪几类？4、什么是固溶体？固溶强化是怎么回事？5、为什么说合金的组织决定他的性能？引导(yǐndǎo)问题共四十四页一、基础知识

纯金属的强度和硬度一般都很低，冶炼困难，价格高，使用受到限制。人们通过金属内部结构，加入一定的其它金属（非金属）来改变其化学成分或组织结构来提高金属材料的力学性能，并获得某些(mǒuxiē)特殊的物理性能和化学性能（耐蚀、耐热、耐磨、电磁性等），以满足机械零件和工程结构对材料的要求。

黑色金属(hēisèjīngshǔ)：铁及铁碳为主的合金（钢铁）称为黑色金属有色金属：除黑色金属外的其它金属及其合金，称为有色金属共四十四页金属材料分类(fēnlèi)及其之间的关系碳素结构钢优质(yōuzhì)碳素钢碳素工具钢铸造碳钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁碳素钢合金钢白口铁灰口铁麻口铁钢铸铁黑色金属有色金属铜及其合金铝及其合金钛及其合金轴承合金硬质合金金属材料共四十四页二、合金(héjīn)的基本概念1、合金：是指由两种或两种以上的金属(jīnshǔ)、或金属(jīnshǔ)与非金属(jīnshǔ)经熔炼或用其他方法制成的具有金属(jīnshǔ)特性的物质。例如:应用最为广泛的铁和碳组成的合金、铜和锌组成的铜合金等。由于合金的强度高以及其他的性能特点，所以在工业上得到广泛地应用。由两个组元组成的合金，称为二元合金。三个组元组成的合金称为三元合金，依此类推。

2、组元：组成材料最基本的、独立的物质，简称元

组元可以是纯元素，如金属元素Cu、Ni、Al、Ti、Fe等，以及非金属元素C、N、B、O等；也可以是化合物如A1203、SiO2、Zr02、TiC、BN、Ti02等。材料可由单一组元组成，如纯金属、A1203晶体等，也可以由多种组元组成，如Al-Cu-Mg金属材料、MgO-A1203-SiO2系陶瓷材料。共四十四页3、相：合金(héjīn)中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。

金属和水一样，在一定条件(tiáojiàn)下课存在气相、液相、固相；固态金属中的同素异构体积它们不同的固溶体间也是不同的相。如固态的α-Fe、γ-Fe就是两种不同的相，它们晶格不同，而且以界面分开。

材料的性能与各组成相的性质、形态、数量直接相关。不同的相具有不同的晶体结构，虽然相的种类极为繁多，但根据相的结构特点可以归纳为两大类：固溶体与中间相。

单相固态合金金相照片（硅钢）多相固态合金金相照片共四十四页4、组织(zǔzhī)

合金的组织指合金中不同相之间相互组合配置的状态。数量、大小和分布方式不同的相构成了合金不同的组织。有单一相构成的组织为单相组织，由不同相构成的组织称为多相组织。由于(yóuyú)不同相之间的性能差异很大，加上数量、大小、分布方式不同，所以合金的相组织不同，其性能也不同。共四十四页三、合金(héjīn)的组织----金属相结构（相的分类）合金(héjīn)的组织分为固溶体、金属化合物、混合物三类（一）固溶体

合金的组元之间以不同的比例相互混合，量多的称作溶剂，量少的称作溶质。溶质组元加入到溶剂组元的晶格中，而不改变溶剂的晶体结构类型而形成的合金相称之为固溶体。1、固溶体

工业上的金属材料，绝大部分是以固溶体为基体的。

1）固溶体的分类按溶质原子在晶格中所占的位置分类：什么是溶剂与溶质共四十四页（1）置换固溶体—溶质(róngzhì)原子占据溶剂晶格结点所形成的固溶体。（2）间隙(jiànxì)固溶体—溶质原子填入溶剂晶格的空隙位置所形成的固溶体。

共四十四页

按固溶度(rónɡdù)分类（1）有限(yǒuxiàn)固溶体（2）无限固溶体按溶质原子与溶剂原子的相对分布分类（1）无序固溶体（2）有序固溶体2）置换固溶体及影响因素置换固溶体中溶质与溶剂可以有限固溶，也可以无限互溶，如铜与镍可无限互溶，锌在铜中最大溶解度为39%，铅几乎不溶解于铜。其溶解度与以下几个因素有关：共四十四页（1）原子(yuánzǐ)尺寸因素原因：当溶质原子进入溶剂晶格后，原子半径的不同引起溶剂晶格的点阵畸变(jībiàn)，固溶体能量升高，升高的能量叫畸变能。Δr=rA-rB/rA.Δr越大，一个溶质原子引起的点阵畸变能也就越大，溶质原子能溶入溶剂中的数量便越少，固溶体的溶解度就愈小；相反，当Δr较小时，可获得较大固溶度的固溶体，如果其他条件有利甚至还可以形成无限固溶体。

固溶体中、大

固溶体小

共四十四页(2)晶体结构因素(yīnsù)

组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且(érqiě)有可能形成无限固溶体。若组元间晶体结构不同，便只能形成有限固溶体。（3）电子浓度因素电子浓度指合金晶体中的价电子数与原子数之比

C电子=[VA（100-w）+VBw]/100VA、VB分别为溶剂和溶质的原子价

w为固溶体中溶质B的原子百分数。根据能带理论，在一定的金属晶体结构的单位体积中，能容纳的价电子数（自由电子数）是有一定限度的，超过这个限度，会引起能量升高，结构不稳定。面心立方固溶体的极限电子浓度为≈1.36；体心立方固溶体极限电子浓度为≈1.48。如二价锌在铜中的最大溶解度为38%，三价的镓为20%，四价的锗为12%，五价的砷为7%。共四十四页共四十四页（4）电负性差因素(yīnsù)

两元素间电负性差越小，则越易形成固溶体，而且所形成的固溶体的溶解度也就越大；随两元素间电负性差增大，固溶度减小，当溶质(róngzhì)与溶剂的电负性差很大时，往往形成比较稳定的金属化合物。

综上所述，尺寸因素，电负性差、电子浓度及晶体结构是影响固溶体溶解度的四个主要因素，当此四个因素均有利时，有可能形成无限固溶体。这四个因素并非相互独立，其统一理论是金属及合金的电子理论。共四十四页3）间隙(jiànxì)固溶体

只有原子半径接近于溶剂晶格某些间隙半径的溶质原子，才有可能进入溶剂晶格的间隙中而形成间隙固溶体。这些溶质原子通常都是一些原子半径小于0.1nm的非金属元素，如氢（0.046nm）、氧（0.061nm）、氮（0.071nm）、碳（0.077nm），硼（0.097nm）。而溶剂元素则都是过渡(guòdù)族元素。尽管溶质原子的半径很小，但仍较溶剂的晶格间隙大，当它们溶入溶剂晶格的间隙时，都会使溶剂晶格产生畸变，点阵常数增大，畸变能升高。间隙固溶体只能是有限固溶体，它们的溶解度都很小。共四十四页间隙固溶体的晶格(jīnɡɡé)畸变间隙原子在体心(tǐxīn)立方体晶格的位置

共四十四页4）固溶体的特点(tèdiǎn)

虽然固溶体仍保持着溶剂的晶格类型，但由于第二组元的加入，与纯组元相比，结构还是发生了变化,无论是置换固溶体还是间隙固溶体，均能引起固溶体的硬度、强度升高、溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，溶质原子的浓度越高，其强化效果(xiàoguǒ)就越大。这种由于溶质原子的固溶而引起的强化效应，称为固溶强化。（二）金属化合物

溶质组元加入到溶剂组元中，改变了溶剂的晶体结构类型，而形成一种新结构的合金相。

不同元素之间所形成的中间相往往在晶体结构、结合键等方面都不相同，由于中间相具有一定的金属性，所以亦称为金属化合物。

共四十四页1、正常(zhèngcháng)价化合物

成分固定不变，可用化学式表示。如Mg2Si、Mg2Sn、MgS、MnS等。具有较高的硬度(yìngdù)，脆性较大。常作为有色金属的强化相。2、电子化合物

不遵守原子价规律，而是按一定的电子浓度的比值形成的化合物。电子浓度不同，化合物的晶格类型也不同。共四十四页3、尺寸(chǐcun)因素化合物

过渡(guòdù)族元素和原子半径较小的氢、氮、碳、硼组成。

r非/r金<0.59时，形成简单结构的化合物：间隙相。

r非/r金>0.59时，复杂晶体结构的化合物，间隙化合物。(1)间隙相性能特点：极高的熔点和硬度。用途：硬质合金和高硬度工模具的重要组织组成。

(2)

间隙化合物

如钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe3W3C等。

性能特点：很高的熔点和硬度，但不如间隙相用途：钢中的重要强化相。共四十四页共四十四页（三）混合物

两种或两种以上(yǐshàng)的相按一定的质量百分比数组成的物质，称为混合物。

混合物中的组成部分可以是纯金属、固溶体、或化合物各自的混合(hùnhé)，也可以是它们之间的混合(hùnhé)，混合(hùnhé)物中的各相仍然保持自己原来的晶格。共四十四页

形变强化、固溶强化、热处理都是强化金属的手段，对于有色金属来说，固溶强化是一种(yīzhǒnɡ)重要的强化手段。

混合物的性能取决于各组成相的性能以及它们分布的形态(xíngtài)、数量及大小。共四十四页四、二元相图(xiānɡtú)的建立

相图:是描述(miáoshù)系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解。

相律是描述材料在不同条件下相平衡状态所遵循的法规，是理解、分析相图十分重要的理论依据。f=c-p+2[1]

相变：相与相之间的转变；固态相变：固态下相与相之间的转变；

相平衡与平衡相：如果系统中，在一定的外界条件下（温度、压力），各相经历很长时间都不互相转化，则各相处于平衡状态，称之为相平衡；这时的相就叫在这种条件下的平衡相。共四十四页（一）二元相图(xiānɡtú)的表示方法

在常压下，用直角坐标系，横座标表示合金(héjīn)成分，纵座标表示温度。图中任意一点标为表象点。Pb--Sn相图

共四十四页成分(chéngfèn)的表示方法

材料的成分是指材料各组元在材料中所占的数量。此数量可以用质量分数或摩尔分数表示。如果没有特别说明，通常是指质量分数。

两者间可按下式进行换算（以二元系为例）：详细分析、说明(shuōmíng)共四十四页（二）相图(xiānɡtú)的建立时间温度温度成分固相线液相线热分析法建立(jiànlì)Cu-Ni相图共四十四页（三）杠杆(gànggǎn)定律*

在二元相图的两相区，可以用杠杆定律确定(quèdìng)各相的相对含量。証明:设合金的总质量为1，液相的质量为WL

，固相的质量为Wα

则:WL+Wα=1

另:WL×CL+Wα×Cα=1×C

由以上两式都可以得出共四十四页

（四）匀晶相图(xiānɡtú)

1、定义(dìngyì)：两组元在液态和固态均无限互溶的二元合金相图。

如Cu―Ni、Ag―Au、Cr―Mo、Mo―W等合金系2、相图分析

α

液相线固相线

图3--14

Cu―Ni二元相图冷却曲线

点：

A：纯Cu理论熔点B：纯Ni理论熔点线：AB:液相线;AB:固相线；区间：两个单相区：L相、α相

一个两相区：L+α相区

匀晶转变式：Lα共四十四页（五）二元共晶(ɡònɡjīnɡ)相图1、定义：两组元在液态无限互溶，在固态时相互有限(yǒuxiàn)互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图称为二元共晶相图

例如：Pb─Sn、Pb─Sb、Ag─Cu、Pb─Bi等合金系相图都是二元共晶相图。共晶转变式：LEαM+βN共四十四页2、共晶(ɡònɡjīnɡ)相图简介

共晶(ɡònɡjīnɡ)相图

共四十四页共晶(ɡònɡjīnɡ)相图PbSnT,CL

+

L

+

L+

共晶反应(fǎnyìng)线表示从M点到N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E点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。LE

M

+

NABEMNFG共四十四页共晶转变(zhuǎnbiàn)要点须知PbSnT,

CL

+

L+

L+

183MNE1、共晶转变在恒温下进行。2、转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。3、存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。4、成分在共晶线范围的合金(héjīn)都要经历共晶转变。共四十四页3、合金(héjīn)结晶过程Pb--Sn合金相图(xiānɡtú)及成分

结晶过程共四十四页

共晶组织示意图Pb--Sn合金共晶显微(xiǎnwēi)组织共晶白口铁室温显微(xiǎnwēi)组织共四十四页4、包晶相图(xiānɡtú)：两组元在液态无限溶解，在固态相互有限溶解，并发生包晶转变的二元合金系相图。Pt－Ag、Sn－Sb、Cu－Sn、Cu－Zn系等。包晶转变式：L+α→β

包晶相图(xiānɡtú)

共四十四页合金结晶(jiéjīng)过程共四十四页共四十四页包晶相图(xiānɡtú)分析

液相线ACB；固相线APDB

；溶解度曲线PE、DF

单相(dānxiānɡ)区L、α、β；两相区L＋α、L＋β、α＋β

三相区P