第四章二元合金.

第四章二元合金合金：是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以全部是金属，也可是金属与非金属，例如：碳钢和铸铁由C和Fe组成，黄铜由Cu和Zn组成。组元：构成合金的基本的独立的物质组元可以是元素，也可以使稳定的化合物，例如碳素钢是二元合金、铅黄铜是三元合金。单相合金两相合金相：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。组元相组织性能形态、尺寸、分布第一节合金的晶体结构合金相结构分为固溶体和金属间化合物两类。1、固溶体：金属在固态下，组元相互溶解，形成在某一组元晶格中包含有其他组元的新相。晶格与固溶体相同的组元称为溶剂，其他为溶质。按溶质原子所处位置分为：置换固溶体间隙固溶体第一节合金的晶体结构①置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格某些结点形成的固溶体。a、溶质原子的分布b、溶解度的大小无限固溶体Cu-Ni,任何比例有限固溶体Cu-Zn,Zn＞39%第一节合金的晶体结构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。间隙固溶体都是有限固溶体。第一节合金的晶体结构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：溶质原子使晶格发生畸变，变形抗力增大，以及对位错的钉扎作用（阻碍位错运动）。第一节合金的晶体结构2、金属间化合物：合金中溶质含量超过溶解度后，合金组元之间相互作用，形成一种结构与不同于组元的新相，称为金属间化合物。Fe3C的晶格金属间化合物具有复杂的晶体结构、较高的熔点、硬度和脆性。例：Fe+C→Fe3C第二节二元合金相图合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。相图：用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解，又称状态图或平衡图。第二节二元合金相图Cu-Ni合金相图L成分（wt%Ni）温度（℃）CuNiL+α相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。第二节二元合金相图根据组元数，分为二元相图、三元相图和多元相图Fe-C二元相图三元相图第二节二元合金相图一、二元合金相图的建立几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。以Cu-Ni合金为例。第二节二元合金相图Cu20406080Ni第二节二元合金相图二元相图的建立步骤：1.配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。2.将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。3.将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。第二节二元合金相图二、二元合金的基本相图1、匀晶相图：两组元在液固两态下均能无限互溶时所构成的相图。匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的过程。Cu-Ni合金相图L成分（wt%Ni）温度（℃）CuNiL+α线：液相线、固相线相区：液相区、固相区，固液共存的两相区第二节二元合金相图⑴结晶过程第二节二元合金相图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。12tx1xx2①确定两平衡相的成分：设合金成分为x，在成分垂线上温度为t时o点作水平线，与两液固相线交于a、b点，分别对应的成分x1、x2即为两平衡相成分。第二节二元合金相图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。则QL+Q=1QLx1+Qx2=x解方程组得abaoxxxxQabobxxxxQαL121122第二节二元合金相图•杠杆定律只适用于两相区2112)(xxQxxQaoobxxxxQQLL或两相的重量比：例：（如图）%5.61%10045.058.045.053.0Q%5.38%10045.058.053.058.0LQ第二节二元合金相图⑶枝晶偏析（晶内偏析）：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）。合金在不平衡结晶条件下，以树枝状生长，枝干与枝间化学成分不均匀的现象。第二节二元合金相图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第二节二元合金相图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（或均匀化退火）。枝晶偏析对合金性能的影响：•成分不均匀，在晶界与枝晶界面处组织差异很大，塑性、韧性大大下降•化学成分不均匀，耐蚀性差•枝晶存在，流动性差，铸、锻性能较差第二节二元合金相图2、共晶相图：当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生共晶反应时所构成的相图Pb-Sn合金相图成分（wt%Sn）PbSn共晶转变：在一定温度下，一个一定成分的液相同时转变为两个各具有一定成分固相的反应。第二节二元合金相图⑴相图分析AB①点：A—Pb熔点(327.5℃)B—Sn熔点(231.9℃)C—Sn在固溶体中的最大溶解度点(183℃)D—Pb在固溶体中的最大溶解度点(183℃)E—共晶成分点F、G—室温第二节二元合金相图②相、相区：•三个相：L、、（其中是Sn在Pb中的固溶体，是Pb在Sn中的固溶体）•三个单相区：L、、；三个两相区：L+、L+、+；一个三相区(水平线CED)：L++。AB第二节二元合金相图③线：•液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB•固溶线:溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF、DG线分别为Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶线。AB第二节二元合金相图•共晶线：水平线CED叫做共晶线AB在共晶线对应的温度下（183℃），E点成分的合金同时结晶出C点成分的固溶体和D点成分的固溶体，形成这两个相的机械混合物：LE⇄(C+D)在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。第二节二元合金相图•共晶体（共晶组织）：共晶反应的产物，即两相的机械混合物。•析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。Pb-Sn共晶组织第二节二元合金相图•共晶温度：发生共晶反应的温度。共晶合金：具有共晶成分的合金。亚共晶合金：凡成分位于共晶点以左的合金过共晶合金：位于共晶点以右的合金。•共晶点：代表共晶温度和共晶成分的点。第二节二元合金相图⑵典型合金的结晶过程①共晶合金（合金Ⅱ）：液态合金冷却到E点时同时被Pb和Sn饱和,发生共晶反应：LE⇄(C+D)19.2wt%Sn1’第二节二元合金相图②亚共晶合金（合金Ⅲ）：结晶后的室温组织为+(+)+Ⅱ由已有固相中析出的新相称为二次相或次生相第二节二元合金相图③过共晶合金：结晶后的室温组织为+(+)+Ⅱ第二节二元合金相图Pb-Sn合金的结晶过程组织组成物在相图上的标注第二节二元合金相图3、包晶相图：当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图。L+L+L+⑴相图分析单相区：L、、β二相区：L+、L+、+三相区：L++（水平线PDC）第二节二元合金相图水平线PDC称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LC+P⇄βD。该反应是液相L包着固相,新相β在L与α的界面上形核，并向L和两个方向长大。L+L+L+在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。第二节二元合金相图⑵包晶成分合金的结晶过程:第二节二元合金相图4、共析相图：WB/%共析相图共析反应(共析转变):是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。e⇄d+βe共析转变也是固态相变。第二节二元合金相图恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同的新固相。⇄+共析反应恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新的固相。L+⇄包晶反应恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不同的新固相。L⇄+共晶反应说明反应式图形特征反应名称常见三相等温水平线上的反应第二节二元合金相图三、相图与合金性能的关系1、相图与合金使用性能的关系①单相固溶体的合金：性能随成分呈曲线变化，与纯金属相比，σ、HB增加，电导率下降。②两相机械混合物的合金：在平衡状态下，性能约等于两相按百分含量的算术平均值第二节二元合金相图2、相图与合金工艺性能的关系①固溶体合金液固相线间距越大、偏析倾向大，树枝晶发达，流动性降低，补缩能力下降，分散缩孔增加。②共晶合金结晶温度低，流动性好，缩孔集中，偏析小，铸造性能好。第二节二元合金相图锻造性能单相固溶体塑性好→锻造性能好双相合金由于两相塑性不同，压力加工时产生阻碍→锻造性能↓切屑加工性单相固溶体韧性好，切屑不易断→表面精度↓→切屑加工性能↓双相合金若组织中的硬脆相不多，切削加工性能好于单相固溶体第三节铁碳合金铁碳合金——碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。含碳量为0.0218%~2.11%的称钢含碳量为2.11%~6.69%的称铸铁实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图第三节铁碳合金第三节铁碳合金一、铁碳合金的基本相⑴铁素体：•碳在-Fe中的固溶体称铁素体，用F或表示，碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示，都是体心立方间隙固溶体。•铁素体的溶碳能力很低，在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。•铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体第三节铁碳合金⑵奥氏体:•碳在-Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示，是面心立方晶格的间隙固溶体。•溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。•组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行。•碳钢室温平衡组织中无奥氏体。奥氏体第三节铁碳合金⑶渗碳体（Fe3C）：•含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。•Fe3C硬度高、强度低(b35MPa)，脆性大，塑性几乎为零•Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨)，该反应对铸铁有重要意义。•由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。第三节铁碳合金铸铁中的石墨钢中的渗碳体第三节铁碳合金1.相区⑴五个单相区：L、、、、Fe3C⑵七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C二、相图分析第三节铁碳合金2.特征线⑴液相线—ABCD，固相线—AHJECFD⑵三条水平线：包晶线：HJB：1495℃LB+δH⇄J第三节铁碳合金共晶线ECF：1148℃，LC⇄E+Fe3C共晶产物是与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体,用Le表示，为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体第三节铁碳合金共析线PSK（A1线）：727℃，S⇄FP+Fe3C共析转变的产物是F与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。珠光体第三节铁碳合金⑶其它特性曲线GS(A3)、GP——⇄固溶体转变线ES(Acm)——碳在-Fe中的固溶线从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CⅡ)PQ—碳在-Fe中的固溶线。(Fe3CⅢ)⇄⇄⇄⇄⇄LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++第三节铁碳合金3.特征点第三节铁碳合金三、典型铁碳合金的结晶过程分析铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：⑴工业纯铁(0.0218%C