二元合金相图与结晶

内容提要：介绍合金中的相、二元合金相图的建立方法重点阐明匀晶相图、共晶相图的特征、平衡结晶、组织与力学性能的影响第2章二元合金相图及结晶2.1合金的结构与组织合金一种金属元素同另一种或几种其它元素,通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质组元：组成合金的独立的、最基本的单元金属、非金属元素或稳定化合物黄铜碳钢硬铝武德合金（Cu-ZnFe-CAl-Cu-MgPb-Sn-Bi-Cd）一．基本概念二元合金、三元合金、多元合金固态合金中的相：合金中成分、结构及性能相同的均匀组成部分就叫做相水食盐相0克20克固相100克20克液相100克40克液相+固相假设100克水最多溶解36克食盐合金相结构分类一、固溶体（原子以固溶方式相熔合）二、金属化合物二、合金相结构分类(原子化合物的方式相熔合）（一）、固溶体固溶体合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相溶剂与固溶体晶格相同的组元溶质其他另一组元（含量较少）1.α、β、γ2.A、B组元构成的固溶体表示为A(B)，A、B—溶剂、溶质Eg.铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体的表示方法①一般用α表示②亦可表示为Cu(Zn)固溶体表示方法：1.固溶体的分类（1）溶质原子在溶剂晶格中的位置置换固溶体间隙固溶体（2）溶质原子在溶剂中的溶解度在一定温度和压力条件下，溶质在固溶体中的极限浓度即为溶质在固溶体中的溶解度●有限固溶体超过溶解度有其它相形成●无限固溶体溶质可以任意比例溶入，即溶质溶解度可达100%2.固溶体的性能通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低3.固溶体的特点晶格：与溶剂晶格保持一致性能：固溶强化原子熔合方式：物理方式（二）、金属化合物金属化合物(中间相):合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相特点：晶格金属化合物晶格复杂性能熔点较高、硬度高、脆性大Eg.Fe3C、Cr7C3、Cr23C6三、合金的组织类型1.固溶体晶粒组织固溶体晶胞表示、单相、用α、β、γ表示2.金属化合物晶粒组织金属化合物的晶胞、单相组织、用分子式表示3.机械混合物晶粒组织纯金属、固溶体晶胞或金属化合物各自的混合物，及它们之间的混合物；多相组织、（α+β）表示2.2二元合金相图的建立结晶在一个温度区间而不是一个温度进行如纯铁在1538℃结晶，而含碳0.6％的Fe-C合金在1500℃开始结晶，1430℃才结束。合金结晶及其特点结晶过程有成分的变化。如含0.6％碳的Fe-C合金，先结晶的固相含碳量低，后结晶固相含碳量高。●状态：指合金在一定条件下有哪几相组成一．基本概念●相图：平衡的条件下（无限缓慢冷却），合金的状态与温度、成分间的关系的图解●合金系：指研究的对象。如：Fe-C系，Pb-Sn系等二、热分析法建立相图(a)冷却曲线(b)相图三、相律由于相平衡条件的约束，处于平衡状态的合金中可能存的相数，将受到组元数及外界条件的限制，这种限制可从相平衡的热力学条件推处，这就是相律，相律：热力学平衡条件下，系统的组元数、相数和自由度数之间的关系f=C–P+2其中f——系统的自由度数，即指独立可变的因素，包括各组成相的成分、数量及温度、压力等。C——组元数，P——相数。•平衡：外界条件不变时，体系内各相的成分、结构和相对量等不发生变化相律表明：在只受外界温度和压力影响的平衡系统中，其自由度数等于组元数与相数之差再加上2在金属及合金的制造和应用过程中，一般都是在常压下进行的，因此常把压力看成一个常数，相律的表达式可写成压力一定时，f=c-p+1应用可确定系统中可能存在的最多平衡相数。如单元系2个，二元系3个。可以解释纯金属与二元合金的结晶差别。纯金属结晶恒温进行，二元合金变温进行。四、杠杆定律合金总质量为1，液相相对质量为QL，固相相对质量为QS1SLQQKxQxQSLxKxKQQSL注意杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点,支点为合金的成分点。杠杆定律只适用于相图中的两相区；杠杆定律只能在平衡状态下使用。2.3二元合金的结晶一、发生匀晶反应的合金的结晶1.基本概念匀晶反应：L→α固溶体（1）匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体的转变（2）匀晶相图：具有匀晶转变特征的相图。Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag合金具有匀晶相图。Cu-Ni相图aa1c线为液相线,该线以上合金处于液相;ac1c线为固相线,该线以下合金处于固相。●单相区L相：液相,Cu和Ni形成的液溶体;α相：Cu和Ni组成的无限固溶体。●双相区:L+α相区。以Cu-Ni相图为例进行分析2.匀晶结晶过程3.匀晶结晶特点(1)形核与长大与纯金属一样,固溶体结晶也包括形核、长大两个过程。固溶体更趋向树枝状长大。(2)变温结晶固溶体结晶在一个温度区间内进行,变温结晶。(3)两相的成分确定在两相区内,温度一定时,两相的成分(即L相中Ni的质量分数和α相中Ni的质量分数)确定。(4)两相的质量比一定在两相区，温度一定时,两相的质量符合杠杆定律。在T1温度时：QL:L相的质量;Qα:α相的质量;a1b1、b1c1为线段长度。液相的质量分数:α相的质量分数:Cu-Ni合金枝晶偏析示意图枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分分布不均匀(5)固溶体结晶时成分变化慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀晶内偏析危害：对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利，降低力学性能、工艺性能。晶内偏析的消除：(扩散退火)将铸件加热到低于固相线以下100-200℃左右，进行长时间的保温，使偏析原子互相充分扩散均匀，获得成分均匀的固溶体二、发生共晶反应的合金的结晶Pb-Sn合金相图d点为共晶点,表示d点成分(共晶成分)的液相合金冷却到d点温度(共晶温度)时,共同结晶出c点成分的α相和e点成分的β相Ld→(αc+βe)共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应，生成的两相混合物叫共晶体发生共晶反应时三相共存,三相各自成分确定,恒温进行Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu合金具有共晶相图。Pb-Sn合金相图中有三个单相区:L：Pb与Sn形成的液溶体α：Sn溶于Pb中的有限固溶体β：Pb溶于Sn中的有限固溶体三个双相区：L+α、L+β、α+β一条L+α+β三相共存线(水平线cde)。这种相图称共晶相图Pb-Sn合金相图Pb-Sn合金相图水平线cde为共晶反应线,成分在ce之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应cf线为Sn在Pb中的溶解度线(α相的固溶线)。Sn含量大于f点的合金从高温冷却到室温时,从α相中析出β相，叫二次β：α→βIIeg线为Pb在Sn中溶解度线。Sn含量小g点的合金,冷却过程中同样发生二次结晶,析出二次α1.合金I的平衡结晶过程合金室温组织为α+βII。其组成相是：f点成分的α相g点成分的β相。运用杠杆定律,两相的质量分数为：组织组成物可以是单相,或是两相混合物组织组成物合金组织中那些具有确定本质,一定形成机制的特殊形态的组成部分合金I的室温组织为α+βII组织由α和βII二部分组成α和βII为组织组成物组织组成物α和βII都为单相组成,所以组织组成物α、βII的质量分数与组成相α、β的质量分数相等2.合金II(共晶合金)的结晶过程合金的室温组织：共晶体(α+β)组织组成物：(α+β)组成相：α和β相共晶合金组织的形态3.合金Ⅲ(亚共晶合金)的结晶过程位于共晶点左边,成分在cd之间的合金合金室温组织：初生α+二次β+(α+β)组织组成物：α、二次β、(α+β)组成相：α、β组成相的质量分数为：合金室温组织：初生α+二次β+(α+β)组织组成物：α、二次β、(α+β)组织组成物的质量分数为：%1002)(cddfgcgaw%1002)(cddfgcfw%1002)(cdcw4.过共晶合金(合金Ⅳ)：位于共晶点右边,成分在de之间的合金过共晶合金室温组织为:初生β+二次α+(α+β)组织组成物：β、二次α、(α+β)组成相：α、β组成相的质量分数为：%1003)(fgfw%1003)(fggw过共晶合金室温组织为:初生β+二次α+(α+β)组织组成物：β、二次α、(α+β)%1002)(eddfgefw%1002)(eddfgegw%1002)(edew组织组成物的质量分数为：亚共晶合金组织过共晶合金组织亚共晶合金和过共晶合金组织初生α+二次β+(α+β)初生β+二次α+(α+β)Cu-Ni相图匀晶相图KX’XX’X12KTx(1)形核与长大(2)变温结晶(3)两相的成分确定(4)两相的质量比一定(5)固溶体结晶时成分变化共晶相图组织组成图过共晶合金：位于共晶点右边,成分在de之间的合金过共晶合金室温组织为:初生β+二次α+(α+β)组织组成物：β、二次α、(α+β)组成相：α、β%10024)(eddfgfw%10024)(eddfggw%1002)(edew组织组成物的质量分数为：组成相的质量分数为：%1003)(fgfw%1003)(fggw4比重偏析合金在结晶时，如果结晶出来的晶体的比重与液体的比重相差较大，那么这些晶体就后上浮或者下沉，最终就会导致铸件上、下部分的化学成分不一样。这种因比重不同而造成的化学成分不均匀的现象，称为比重偏析比重偏析的危害使铸件各部分的成分、组织和性能不同，影响铸件使用比重偏析的消除不能通过热处理消除，只能通过控制合金的成分、浇注时进行搅拌、增加冷却速度来消除三、发生包晶反应的合金的结晶Pt-Ag合金相图e点为包晶点e点成分的合金冷却到e点温度(包晶温度)时发生包晶反应：L+α→β反应时三相共存,它们的成分确定,恒温进行水平线ced为包晶反应线cf为Ag在α中的溶解度线,eg为Pt在β中的溶解度线Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合金具有包晶相图Pt-Ag合金相图Pt-Ag合金相图中存在三种相:L相:Pt与Ag形成的液溶体α相:Ag溶于Pt中的有限固溶体β相:Pt溶于Ag中的有限固溶体四、发生共析反应的合金的结晶共析相图形状、各成分合金的结晶过程与共晶相图类似d点成分(共析成分)合金从液相经过匀晶反应生成γ相,冷却到d点温度(共析温度)时,恒温发生共析反应:γ→(α+β)一种固相转变成完全不同的两种固相。共析反应产物两相混合物称为共析体共析反应在固态下进行,转变温度低，原子扩散慢，因而过冷度较大，共析产物比共晶产物要细密且均匀12五、含有稳定化合物的合金的结晶稳定化合物:具有一定的化学成分、固定的熔点,熔化前不分解,也不发生其它化学反应如:Mg-Si合金能形成稳定化合物Mg2SiMg-Si合金相图属于含有稳定化合物的相图把稳定化合物看成独立的组元,相图分成几个简单相图Mg-Si相图可分为Mg-Mg2Si和Mg2Si-Si两个相图分析含有稳定化合物的相图二元相图的分析一、二元相图中的几何规律①相邻相区的相数差1（点接触除外）－相区接触法则；②三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相的成分点③单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区。二、相图分析步骤①以稳定的化合物分割相图；②确定各点、线、区的意义；③分析具体合金的结晶过程及其组织变化。注：虚线、点划线的意义－尚未准确确定的数据、磁学转变线、有序－无序转变线。合金的性能取决于它的成分、结构和组织相图则可反映不同成分的合金在室温时的平衡组织因此,具有平衡组织的合金的性能与相图之间存在着一定的对应关系2.4合金的性能与相图的关系●固溶体性能在相图中部，随着溶质的溶入量越多，晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高，电阻越大当溶质原子含量大约为50%时，晶格畸变最大，性能达到极大值相图左右两部分，溶质的溶入量较小，晶格畸变也较小，则合金的强度、硬度降低，电阻减小合金的使用性能与相图的关系示意图一、合金的使用性能与相图的关系●两相组织合金的性能性能与成分呈直线关系变化组成相或组织组成物越细密，强度越高(图中虚