第二章__二元合金的相结构与相图终1_W

1、第三章二元合金相图及结晶主要内容： 合金、相图等相关概念，以及合金的类型； 三种基本相图、及其平衡结晶过程分析，形成合金的显微组织及杠杆定律； 合金的结晶过程 重点掌握：杠杆定律及运用杠杆定律进行计算固溶体和金属化合物的种类和性能特征1问题的提出：纯铁强度：250MPa 45钢强度：610MPa主要原因：纯铁是一个相F（纯金属）纯铁45钢是两个相F+Fe3C（合金）245号钢第二章二元合金的相结构与相图第三章合金的相结构与二元相图33.1 基本概念合金：由两种或两种以上金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元素，也可以是非金属元素）组成的有金属特征的金属材料。思考 金属与非金属组成的是不是一定

2、就是合金？ Fe + CFe(C)合金（钢） Fe3C(化合物） 成分合金中各种元素的含量，称为成分42.1 基本概念组元：组成合金基本、独立的最基本单元。组元可以是元素或是稳定化合物。 Fe(C)合金 类比 Fe、C组元 Fe、Fe3C组元 水，蛋白质，脂肪，胆固醇 鸡蛋 合金系由两个或两个以上组元按不同比例配制 5成的一系列不同成份的合金。 普通陶瓷 共析碳钢 工业纯铁 3.1 基本概念相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相。单相铁素体 铁素体相、渗碳体相 晶相、玻璃相、气相 类比鸡蛋蛋白、蛋黄 63.1 基本概念组

3、织：用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像的统称（宏观组织、微观组织）。组织是影响材料性能的重要因素。相是组织的基本组成部分不同的相构成不同的组织！ 相同的相，但当组成相的数量、大小、形态和分布不同时，其组织也不同！ 7液相：合金在熔点以上，各组元相互溶解成为均匀的溶液。当合金凝固后形成两种基本相：固溶体和金属化合物。固态合金的相结构固溶体：溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相称为固溶体。“固体溶液”1.晶体结构特点 均一的、保持熔剂金属的晶体结构 晶格常数发生一定变化82.固溶体的分类2.1 基本概念 按溶质原子所占据的位臵臵换固溶体：溶质原子替代溶剂部分原子占据溶剂 晶格的正常位臵 溶质原子

4、一般为半径相差不大的原子间隙固溶体：溶质原子存在于溶剂晶格间隙处 溶质原子半径小的非金属原子 （H、O、N、C、B） 9 按固态溶解度分：2.1 基本概念有限固溶体：间隙固溶体只能是有限固溶体无限固溶体：无限固溶体只能是臵换固溶体 形成无限固溶体的必备条件：臵换固溶体 组元点阵相同 原子尺寸相差不大 负电性相同：原子在形成化学键时对成键电子的 吸引力 按溶质原子在晶格中的分布状态分：有序固溶体、无序固溶体 10溶质在固溶体中的极限浓度称为溶解度（或固溶度） 2、溶解度影响因素 （1）晶体结构因素：组元间晶格类型相同，溶解度较大。 对于置换固溶体，组元间晶格类型相同是形成无限固溶体的必 要条件。

5、晶格类型不同，溶解度有限。 （2）原子大小因素：由于组元间原子大小不同，所以溶质溶 入将导致溶剂的晶格畸变。 对间隙固溶体 ：溶质原子直径越小，溶解度越大。 对置换固溶体 ：原子尺寸差别越小溶解度越大。当差别小到一定程度，就可能产生无限固溶体。 （3） 电负性因素：溶质、溶剂的电负性越接近溶解度越大。 112.1 基本概念3.固溶体的性能固溶强化：固溶体的强度、硬度随溶质原子浓度升高而明显增加，塑性、韧性稍有下降，这种现象称为 。 纯铜抗拉强度为220MPa，硬度为40HBW，断面收缩率为70%，而加入1%Ni后，为390MPa， 70HBW，50%。 金属材料重要的强化方式之一，固溶体具有良

6、好的综合机械性能（强硬度、塑韧性的综合），一般作为合金的基体相。 122.1 基本概念正常晶格大原子臵换引起的晶格畸变小原子臵换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变133.1 基本概念金属间化合物：两组元形成合金时，当超过固溶体 的溶解极限时，形成的一种晶体结构不同于任一组元的新相，称为金属间化合物，也称中间相。 1.特点 晶体结构不同于任一组元金属 性能不同于任一组元金属 2.分类 一般具有较高的熔点、硬度，较大的脆性 正常价化合物 电子化合物 返回 间隙相和间隙化合物143.2 二元合金相图相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和 相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或 状态图。是合

7、金体系中材料的状态与温度、成分间关系的简明图解。 平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过 程的各相的成分和质量分数不再变化所达到一种 状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。152.2 二元合金相图2.2.1 相图的建立2.2.2 相图的使用2.2.3 典型相图分析2.2.4 性能与相图的关系162.2.1 相图的建立温表象点 度 成分 172.2.1 相图的建立热分析法建立Cu-Ni相图 CuCu 70%Cu 30%Ni100% 100%Ni 30% Ni 70%温 温度 度 液相线 固相线 时间Cu30 成分70Ni/

8、%CuNi合金的冷却曲线CuNi合金相图18液相线T,C 15001400130012001100纯铜熔点10001083LL+ aa2.2.1 相图的建立纯镍熔点液相区1455固相线CuNi固相区20406080100液固两相区Ni%19返回2.2.2 相图的使用202.2.2 相图的使用 由相图某成分合金在某温度时的相 由相图确定给定合金的相变温度 由相图某成分合金在某温度时的两个平 衡相的成分和相对质量杠杆定律212.2.2 相图的使用v 设合金的质量为Q合金 , 其中 Ni质量分数为b%, 在 T1温度时,L相中的 Ni质量分数为a%,相中的Ni质量分数为c%。 222.2.2 相图的

9、使用合金中含Ni的总质量 = L相中含Ni的质量 + 相中含Ni的质量因为所以化简后得23质量分数2.2.2 相图的使用24返回杠杆定律总结 v 过程：1）过成分点做合金线，过温度点做温度线； 2） 找出支点和端点。支点为合金的成分点，端点为给定温度下两相的成分点； 3） 利用杠杆定律列出公式； 4） 带入数值计算。 v 注意：杠杆定律只适用于两相区； 必须是两相处于平衡状态。 252.2.3 典型相图分析1. 匀晶相图2. 共晶相图3. 包晶相图4. 共析相图26T,C 15001400130012001100匀晶相图:两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图L1455L+ a100010

10、83aCuNi20406080100Ni%27匀晶相图匀晶合金的结晶过程L T,C1500140013001200110010001083LL+ aaTa1455L匀晶转变 L aLaCu20406080100Nita冷却曲线 匀晶合金与纯金属不同，N它i%没有一个恒定的熔点， 28而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。 匀晶相图3. 固溶体的不平衡结晶 1) 工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较快，在每一温度下不能保持足够的扩散时间， 使凝固过程偏离平衡条件，称为非平衡凝固(结晶)。2) 非平衡凝固(结晶)得到的组织称为不平衡组织。29匀晶相图固溶体结晶时成分是变化的 （固相线和液相线），如

11、冷却较快， 原子扩散不能充分进行，则会形成成分不均匀的固溶体。固溶体一般都以枝晶状方式结晶，使得一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶偏析。 枝晶偏析的合金对合金的力学性能影响较大。容易导致合金塑性韧性下降；易引起晶间腐蚀，降低合金的抗蚀性能。消除枝晶偏析的方法采用扩散退火。 3031偏析实例 匀晶相图匀晶相图通过对非平衡凝固分析得到如下结论： 的平均成分分别与固相线、液相线不同，有 相成分按平均成分线变化），其偏离程度与。冷却速度越大，其偏离程度越严重；冷却离程度越小，越接近于平衡条件。 含有

12、较多的高熔点组元(Ni)，后结晶部分含有组元(Cu)。 条件下，凝固的终结温度低于平衡结晶时的 (1) 固相、液相一 定的偏离（固冷却速度有关速度越小，偏 (2) 先结晶部分 较多的低熔点 (3) 非平衡结晶终 止温度。 32返回共晶相图共晶相图：液相组元无限互溶，固相组元有限溶解的合金系，当溶质超出固溶体溶解极限时，冷却过程中发生共晶转变，这类合金构成的相图称为共晶相图。从一个液相中同时析出两个固相L a + b33共晶相图简介T,CAL共晶相图液相线 固相线 Ba固溶线 L+ aEL + bb固溶线 aMNba + bPbFGSnSn%34T,CAL + a共晶相图LBEL + b共晶反应

13、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。aMNba + bPbFG共晶点表示E点成分的合Sn金冷却到此温度LE aM+ bN上发生完全的共晶转变。35共晶相图1. 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都要经历共晶转变。 共晶转变要点须知 T,C183aLL + aL + b ba + bPbSn36共晶相图La共晶相图结晶过程分析（）T,CT,CL1LL + aL + b183abaa + ba + b 2L+ aLFa4aPbX1室温组织：a 、

14、b 室温相： a 、 b37SnbLaT,C2.要经过二次析出反应，室温 组织组成物为a + b L共晶相图1.没有共晶反应过程， 而是经过匀晶反应形成单相a固相。LaLaaa + b b 冷却曲线a 组织组成物组织中，由一定的相构成 的，具有一定形态特征的组成部分。 38共晶相图共晶相图结晶过程分析（）T,CT,CL1L(a+ b)LL + aL + bL(a+ b) 共83aba + b(a+ b)(a+ b)L晶体PbSnX2冷却曲线t室温组织： (a+ b)共晶体室温相： a 、 b39共晶相图40共晶相图共晶相图结晶过程分析（）T,CT,CL183aMLa + b(a+ b)a +

15、b SnPbL + b+ aENbL1L+ a2L+(a+ b)+a(a+ b)+ a室温组织： (a+ b)共晶体、a + b 室温相： a 、 b41共晶相图共晶相图结晶过程分析（）T,CT,C183LaL + aL + bda + bce bL1L+ b2L+(a+ b)+ b(a+ b)+ bPbX3(a+ b)+ bSn+a t室温组织： (a+ b)共晶体、 b +a 室温相： a 、 b42共晶相图43共晶相图标注了组织组成物的相图44返回包晶相图包晶相图：液相组元无限互溶，固相组元有限溶解的合金系，当溶质超出固溶体溶解极限时，冷却过程中发生包晶转变，这类合金构成的相图称为包晶相

16、图。一种液相与一种固相反应生成另一种固相的转变过程称为包晶转变 L + a b45包晶相图包晶相图简介AL + aLaCDPL + ba + bEbFT,C三个单相区：L、 a、b三个两相区：L+ a 、 L + b 、a+b一个三相区：CDPBPtAg%46包晶相图T,C包晶转变： LP + aC bDAT,CLaL + aLL + bc CDPL + aL + a beBbF gba +b+ aEfPtAgtAg%室温组织： b +a 47室温相： a 、 b2 ） II合金（c、d之间） 室温相组成物为： 、室温组织组成L 物为： + II + IIL温 度LaL1LT,CAL + aD

17、LPac C EfabF gBL + be+ bbaaL+ ammbb/aaIIbaaII/bII时间bIIPtAg%483 ） III 合金室温相组成物为：、 室温组织组成物为： +IILaT,CL1anLL+anbbbLLbL温度AL + aLCDPacbfPt E时间ea + bAg%L + bBbgF49包晶相图50返回2、二元共析相图高温形成的固溶体，在冷却至某一温度时，固溶体又将发生转变，形成两种成分一定且不相同的新的固相。这种相图称为二元共析相图。 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，称为共析转变（或共析反应）。a恒温51cbd+ ge共析相图共析转变： a (g + b) 共析体LT,CL +aab + ag + abcdegg+ bAB52L共析转变示意图温度LLa11Laa2a2ab ga33(b + g)b + g3时间53(五)二元合金相图小节1、两个单相区只能相邻于一点，而不能相邻于一条线2、两个单相区之间必定有一个由这两个单相组成的两相区。3、三相平衡共存时，必定是一条水平线，每条水平线必定和三个两相区相遇。542.2.4 性能与相图的关系固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关。溶质的溶入量越多，晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高，电阻越大。两相组织合金的力学性能和物理性能与成