合金的結構與二元狀態(tài)圖

1、第三章 合金的結構與二元狀態(tài)圖,,合金的結構與二元狀態(tài)圖,§1 合金中的相結構 §2 二元合金狀態(tài)圖,§1 合金中的相結構,一、合金的基本概念及實用意義 二、合金中的相結構 1．固溶體 置換固溶體 間隙固溶體 固溶體的性能 2．化合物,一、合金的基本概念,合金 通過熔煉，燒結或其它方法，將一種金屬元素同一種或幾種其它元素結合在一起所形成的具有金屬特性的新物質，稱為合金。組元 組成合金的最

2、基本的、獨立的物質稱為組元,合金中的相結構相關概念,相在金屬或合金中，凡成分相同、結構相同并與其它部分有界面分開的均勻組成部分，均稱之為相組織 在金屬和合金中，在顯微鏡下能觀察到的微觀形貌、圖象稱為組織，它是由單相物質或多相物質組合成的，具有一定形態(tài)特征的聚合體,二、合金中的相結構,固溶體 置換固溶體 間隙固溶體 固溶體的性能 化合物,兩種類型的固溶體,置換固溶體 間隙固溶體,,置

3、換固溶體,溶質原子代替溶劑晶格結點上的一部分原子而組成的固溶體稱置換固溶體。溶質原子在溶劑晶格結點上呈無序分布的置換固溶體稱為無序固溶體；溶質原子在溶劑晶格結點上按一定秩序排列的置換固溶體稱有序固溶體。顯然，只有當溶質原子和溶劑原子成一定比例時，才有可能形成有序固溶體。此外，按照溶解度的大小，置換固溶體，又可分為無限置換固溶體和有限置換固溶體。,間隙固溶體,溶質原子填充在溶劑晶格的間隙中形成的固溶體，即間隙固溶體，間隙固溶體仍保持著

4、溶劑金屬的晶格類型。已有研究表明，當溶質元素的原子直徑與溶劑元素的原子直徑之比小于0.59時，易于形成間隙固溶體，而在直徑大小差不多的元素之間易于形成置換固溶體。且溶質原子在間隙固溶體中只能呈統計分布，形成無序固溶體，而且當溶劑晶格間隙被溶質原子填充到一定程度后就不能再繼續(xù)溶解，多余的溶質原子將以新相出現，因此，間隙固溶體的溶解總是有限的，間隙固溶體總是有限固溶體。,固溶體的性能,無論置換固溶體，還是間隙固溶體，由于溶質原子的存在都會

5、使晶格發(fā)生畸變，使其性能不同于原純金屬。當溶質元素的含量極少時，固溶體的性能與溶劑金屬基本相同。隨溶質含量的升高，固溶體的性能將發(fā)生明顯改變，其一般情況下，強度、硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降，電阻率升高，導電性逐漸下降等。,化合物,若新相的晶格結構不同于任一組成元素，則新相是組成無素間相互作用而生成的一種新物質，屬于化合物，如碳鋼中的Fe3C，黃銅中的β相（CuZn）以及各種鋼中都有的FeS、MnS等等，都是化合物。在這些化合

6、物中，Fe3C和β相均具有相當程度的金屬鍵及一定的金屬性質，是一種金屬物質，稱為金屬化合物，而FeS、MnS具有離子鍵，沒有金屬性質，屬于一般的化合物，因而又稱為非金屬化合物。在合金中，金屬化合物可以成為合金材料的基本組成相，而非金屬化合物是合金原料或熔煉過程帶來的，數量少且對合金性能影響很壞，因而一般稱為非金屬夾雜。金屬化合物一般具有復雜的晶格結構，熔點高，硬而脆。當合金中出現金屬間化合物時，通常能提高合金的強度、硬度和耐磨性。,&

7、#167;2 二元合金狀態(tài)圖,一、相圖的意義及相關概念二、二元合金狀態(tài)圖的建立 三、平衡相組成的分析 四、二元狀態(tài)圖的基本類型分析,一、相圖的意義及相關概念,相圖的意義相關概念組元 合金系 相圖,相圖的相關概念,1． 組元：通常把組成合金的最簡單、最基本，能夠獨立存在的物質稱為組元。但在所研究的范圍內既不分解也不發(fā)生任何化學反應的穩(wěn)定化合物也可稱為組元，如Fe3C看作一組元。2． 合金系由兩個或兩個以上組元按不同比例

8、配制成的一系列不同成分的合金，稱為合金系。3．相圖用來表示合金系中各個合金的結晶過程的簡明圖解稱為相圖，又稱狀態(tài)圖或平衡圖。相圖上所表示的組織都是十分緩慢冷卻的條件下獲得的，都是接近平衡狀態(tài)的組織。,二、二元合金狀態(tài)圖的建立,目前，合金狀態(tài)圖主要是通過實驗測定的，且測定合金狀態(tài)圖的方法很多，但應用最多的是熱分析法。以Cu—Ni合金相圖測定為例，說明熱分析法的應用及步驟：（1）配制不同成分的合金試樣，如Ⅰ純銅；Ⅱ75%Cu+25

9、%Ni；Ⅲ50%Cu+50%Ni；合金Ⅳ　25%Cu+75%Ni；Ⅴ：純Ni。（2）測定各組試樣合金的冷卻曲線并確定其相變臨界點；（3）將各臨界點繪在溫度—合金成分坐標圖上；（4）將圖中具有相同含義的臨界點連接起來，即得到Cu、Ni合金相圖。,,用熱分析法測定Cu、Ni相圖,a）冷卻曲線 b）相圖,三、平衡相組成的分析,1．平衡相成分的確定 2．平衡相相對重量的確定：（杠桿定律）,

10、平衡相成分分析示意圖,平衡相相對重量的確定（杠桿定律）,,,四、二元狀態(tài)圖的基本類型分析,1.二元勻晶相圖 2.二元共晶相圖3.二元包晶相圖4.形成穩(wěn)定化合物的相圖 5.具有共析轉變的相圖 6.合金的性能與相圖的關系,1.二元勻晶相圖,1．相圖的組成及特征 2．合金平衡結晶過程及組織3．枝晶偏析及其消除,Cu-Ni二元均晶相圖,,,Cu-Ni合金枝晶偏析示意圖,,,枝晶偏析及其消除,由于實際生產中，合金冷卻速度快，原子擴

11、散不充分。擴散過程總是落后于結晶過程，合金結晶是在非平衡的條件下進行的。這使得先結晶出來的固溶體合金含高熔點組元較多，合金的熔點較高，構成晶體的樹枝狀骨架，后結晶出的部分含高熔點組元較少，熔點較低，填充于枝間。這種在晶粒內化學成分不均勻的現象稱為枝晶偏析或稱晶內偏析。出現枝晶偏析后，使合金材料的機械性能、耐蝕性能和加工工藝性能變壞。出現枝晶偏析后，可通過擴散退火予以消除。一般采用將鑄件加熱到低于固相線100～200℃的溫度，進行長

12、時間保溫，使偏析元素進行充分擴散，成分均勻化。,2.二元共晶相圖,1．相圖的組成分析 2．典型合金平衡結晶過程分析,二元共晶相圖,,,1．相圖的組成分析,共晶相圖中有三個單相區(qū)：液相區(qū)L，固相α和β相區(qū)；三個兩相區(qū)：L+α區(qū)，L+β區(qū)，α+β區(qū)；一個三相共存點：C點,共晶合金結晶過程示意圖,,,亞共晶合金結晶過程示意圖,,,合金Ⅳ的結晶過程示意圖,,,3.二元包晶相圖,1．相圖的組成分析 2．典型合金平衡結晶過程分析,二元包晶相

13、圖,,,1．相圖的組成分析,在二元包晶相同中，有三個單相區(qū)：液相區(qū)L、固相區(qū)α和β相區(qū)； 三個兩相區(qū)：L+α、L+β、α+β；一個三相共存點：e點（L、α、β共存）,合金I結晶過程示意圖,,,合金Ⅱ結晶過程示意圖,,,合金Ⅲ結晶過程示意圖,,,4.形成穩(wěn)定化合物的相圖,合金系中兩組元之間還可能形成穩(wěn)定的金屬化合物，其組成可用通式AmBn表示，它具有固定的成分和一定的熔點，可把它看成獨立的組元。

14、它的分析可作為兩個簡單相圖進行。,5.具有共析轉變的相圖,,,共析轉變,共析轉變屬于固態(tài)相變的一種類型。和共晶反應一樣是由一個相分解為兩個相的三相平衡等溫轉變。共析轉變的特點是：由特定成分的單相固態(tài)合金，在恒定的溫度下，分解成兩個新的，具有一定晶體結構的固相。其反應式可表達為： 反應產物和的相對重量有一固定的比例：由于共析反應是在固態(tài)下進行的，其原子擴散條件很差，晶核成長速度很小，所以共析轉變物的組織是比較細密的兩相相間的機械混合物。

15、,5.合金的性能與相圖的關系,,,,（1）合金的使用性能與相圖的關系,由圖可見，當合金形成單相固溶體時，隨溶質溶入量的增加，合金的硬度、強度升高，而電導率降低，呈透鏡形曲線變化，在合金性能與成分的關系曲線上有一極大值或極小值。當合金形成兩相混合物時，其性能是兩相性能值的算術平均值。隨著成分的變化，合金的強度、硬度、導電率等性能在兩組成相的性能間呈線性變化，對于共晶成分或共析成分的合金，其性能還與兩組成相的致密程度有關，組織愈細，性能愈好

16、。當合金形成穩(wěn)定化合物時，在化合物處性能出現極大值或極小值。,（2）合金工藝性能與相圖的關系,合金的工藝性能與相圖也有密切的聯系。如鑄造性能（包括流動性、縮孔分布、偏析大?。┡c相圖中液相線和固相線之間的距離密切相關。相圖中液相線與固相線的距離愈寬，形成枝晶偏析的傾向越大，同時先結晶出的樹枝晶阻礙未結晶液體的流動，則流動性愈差，分散縮孔愈多。,合金的流動性、縮孔性質 與相圖之間的關系,,合金的性能與相圖的關系小結,固溶體中溶質含量