02-第二章二元合金的相结构与相图.

第二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1思考第二章二元合金的相结构与相图1.纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差，如何改善？2.合金的结晶过程是否与纯金属的结晶过程相同？3.相同成分不同含量的合金的结晶过程是否相同？怎样表示？2第二章二元合金的相结构与相图第二章二元合金的相结构与相图2.1合金中的相2.2二元合金相图的建立2.3匀晶相图2.4共晶相图2.5包晶相图2.6组元间形成稳定化合物的相图2.7由二元相图判断合金的性能3合金：由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就是合金？Fe+CFe(C)合金（钢）Fe3C(化合物）2.1合金中的项4组元：组成合金独立的最基本单元。组元可以是元素或是稳定化合物。Fe(C)合金Fe、C组元Fe、Fe3C组元2.1合金中的相5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。类比鸡蛋蛋白、蛋黄工业纯铁单相铁素体共析碳钢铁素体相、渗碳体相2.1合金中的相6组织：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！不同的相构成不同的组织！2.1合金中的相7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”均一的、保持熔剂金属的晶体结构晶格常数发生一定变化1.晶体结构特点2.1合金中的相82.固溶体的分类按溶质原子所占据的位置置换固溶体：溶质原子一般为半径相差不大的原子间隙固溶体：溶质原子半径小的非金属原子（H、O、N、C、B）2.1合金中的相9按固态溶解度分：有限固溶体：间隙固溶体只能是有限固溶体无限固溶体：无限固溶体只能是置换固溶体形成无限固溶体的必备条件：置换固溶体组元点阵相同原子尺寸相差不大负电性相同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2.1合金中的相103.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～～。金属材料重要的强化方式之一，固溶体具有良好的综合机械性能（强硬度、塑韧性的综合），一般作为合金的基体相。2.1合金中的相11正常晶格大原子置换引起的晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变2.1合金中的相12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。晶体结构不同于任一组元金属性能不同于任一组元金属一般具有较高的熔点、硬度，较大的脆性1.特点正常价化合物电子化合物间隙相和间隙化合物2.分类返回2.1合金中的相132.2二元合金相图的建立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。14成分温度表象点2.2二元合金相图的建立15时间温度温度成分热分析法建立Cu-Ni相图固相线液相线2.2二元合金相图的建立16由相图确定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由相图确定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2.2二元合金相图的建立172.2二元合金相图的建立18•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%,α相中的Ni质量分数为c%。2.2二元合金相图的建立192.2二元合金相图的建立合金中含Ni的总质量=L相中含Ni的质量+α相中含Ni的质量因为所以化简后得20质量分数2.2二元合金相图的建立返回212.3.1相图分析2.3.2合金的结晶过程2.3.3合金凝固时的成分过冷现象2.3匀晶相图22匀晶相图：两组元在液态和固态下均无限溶解的合金系，冷却过程中发生匀晶转变，这类合金构成的相图称为匀晶相图。匀晶系：Cu-Ni、Au-Ag、Cr-Mo等合金L→232.3匀晶相图LSS+LNiCuABNi的熔点Cu的熔点固相线液相线24abcT,CtLLL冷却曲线匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。2.3匀晶相图LSS+LNiCuAB251)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)得到的组织称为非平衡组织。2.3匀晶相图26固溶体结晶时成分是变化的（固相线和液相线），如冷却较快，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。2.3匀晶相图27偏析实例2.3匀晶相图28通过对非平衡凝固分析得到如下结论：(1)固相、液相的平均成分分别与固相线、液相线不同，有一定的偏离（固相成分按平均成分线变化），其偏离程度与冷却速度有关。冷却速度越大，其偏离程度越严重；冷却速度越小，偏离程度越小，越接近于平衡条件。(2)先结晶部分含有较多的高熔点组元(Ni)，后结晶部分含有较多的低熔点组元(Cu)。(3)非平衡结晶条件下，凝固的终结温度低于平衡结晶时的终止温度。2.3匀晶相图返回29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。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。共晶系：Pb-Sn，Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi合金L→(+)一、共晶相图分析二、典型合金的平衡结晶及其组织本节内容：2.4共晶相图30Sn%PbSnT,CAEMNFGB二元共晶相图分析L+L+L+液相线固相线饱和固溶度线“两个单相区之间夹着一个两相区”2.4.1相图分析327.5231.91997.561.931PbSnT,CAEMNFGL+L+L+BSn%“两个单相区之间夹着一个两相区”，那两个两相区之间呢？难道是一个三相区？共晶反应线凡是在共晶线范围的合金，在该温度上都要发生共晶反应。共晶点代表共晶温度和共晶成分的点，发生共晶反应时液相的成分点。2.4.1相图分析32LEM+Nt在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分的固相的反应称为共晶反应；共晶反应产物，即两相的机械混合物称为共晶体或共晶组织。PbSnT,CAEMNFGL+L+L+B2.4.1相图分析33典型合金的平衡结晶PbSnT,CAEMNFGL+L+L+BSn%L→L的冷却相的冷却相析出Ⅱ{(1)FM间成分的合金2.4.2典型合金的平衡结晶34PbSnT,CAEMNFGL+L+L+B一个匀晶转变+二次析出，室温组织为+Ⅱ；二次相优先从晶界析出，也可从晶粒内部的缺陷部位析出，由于低温下原子的扩散能力弱，次生相一般比较细小；FM间合金室温组织中和Ⅱ两相的相对质量可通过杠杆定律进行计算？？？？杠杆定律？XωαωβⅡωα×FX=ωβⅡ×XGωα=XG/FG×100%ωβⅡ=FX/FG×100%{2.4.2典型合金的平衡结晶35(2)共晶合金PbSnT,CAEMNFGL+L+L+BSn%L的冷却共晶组织的冷却LE↔M+βNtE2.4.2典型合金的平衡结晶36PbSnT,CAEMNFGL+L+L+B共晶转变+二次析出（不可分辨），室温组织为(+)共晶组织；共晶组织是和的两相机械混合物，共晶温度以及室温下两相的相对质量可通过杠杆定律计算；2.4.2典型合金的平衡结晶37(3)亚共晶合金PbSnT,CAEMNFGL+L+L+BSn%L的冷却二次析出LE↔M+βNtEL→2.4.2典型合金的平衡结晶38匀晶转变（先共晶）+共晶转变+二次析出，室温组织为+Ⅱ+（+）；初晶与（+）共晶体的相对质量可由杠杆定律进行计算！如何求出室温下三种组织组成物的相对质量？如何计算室温下相组成物（相和相）的相对质量？PbSnT,CAEMNFGL+L+L+B？ωαω(α+β)2.4.2典型合金的平衡结晶39PbSnT,CAEMNFGL(+)L+L+BSn%+Ⅱ+(+)+Ⅱ+(+)+Ⅱ+Ⅱ标注室温组织组成物的共晶相图：2.4.2典型合金的平衡结晶返回402.5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+→41PtAg%T,CL+L+L+cedfg包晶相图简介ABCP三个单相区：L、、三个两相区：L+、L+、+一个三相区：PDCDEF2.5包晶相图42包晶转变：LC+PDPtAgAg%T,CL+L+L+cfgT,CtLL+L++ⅡABCPDEF2.5包晶相图43包晶相图44共析转变：(+)共析体ABT,C+++cedL+L附加：共析相图返回452.7.1.相图与合金的力学性能和物理性能固溶体的强、硬度随溶质组元含量的增加而提高，塑性随之下降，电导率随溶质组元含量增加逐渐降低；例：白铜（Cu-Ni合金）、高强高导铜合金共晶组织的性能大致是两相性能的算术平均值。2.7由二元合金相图判断合金性能462.7.2相图与合金的铸造性能相图上的成分间隔与温度间隔越大，合金的流动性越差，易形成分散缩孔，并具有较大的热裂倾向；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；选材原则：铸造性能、导电性能、强度等性能2.7由二元合金相图判断合金性能4748本章思考题1简述合金相的分类，固溶体与纯金属相比，有何结构、性能特点？2固溶体与纯金属的结晶有何异同？3试述晶系不平衡结晶的过程（平均成分线的形成、两种偏析）4分析匀晶系合金典型的不平衡结晶组织及其形成原因。5分析两种合金平衡冷却过程，指出其室温组织。49