第二章-合金相图及铁碳合金

合金的结构与相图第二章合金相图及铁碳合金纯金属具有优良的导电性、导热性、化学稳定性，美丽的金属光泽，但强度、硬度、耐磨性等机械性能较差，且成本高，数量有限，因此工程材料除极少数特殊要求的采用纯金属外，绝大多数采用合金。合金的结构与相图合金：由两种或两种以上的金属或金属与非金属元素熔合、烧结或其他方法结合在一起组成具有金属特性的物质。合金相图是研究合金系的温度、成份、相变规律关系的有用工具。对于材料工作者，相图十分重要，必须很好掌握。合金的结构与相图第一节固态合金中的相结构一、基本概念1、相在金属或合金中，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。在一个体系中，性质相同的均匀部分。相与相之间有明显的界面，但有界面分开的不一定是两相。合金的结构与相图2、固溶体固态时溶质原子（离子或分子）溶入溶剂的晶格中所形成的相，称为固溶体。固溶体的晶体结构即是溶剂的晶体结构。合金的结构与相图溶质原子溶入溶剂晶格中的方式有两种：a、溶质原子替换溶剂原子的位置形成的固溶体→置换固溶体b、溶质原子填入溶剂晶格间隙中形成的固溶体→间隙固溶体合金的结构与相图3、化合物合金组元之间发生化学反应，形成晶体结构不同于任一组元的新相，称为化合物。一般化合物—离子键金属间化合物—金属键合金的结构与相图二、固溶体的特性1、溶质元素在固溶体中的溶解度溶质元素的质量固溶体的浓度：C=×100%固溶体质量质量百分比溶质元素的原子数或C=×100%固溶体的总原子数原子百分比合金的结构与相图固溶体的溶解度：在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度称为溶质元素在固溶体中的溶解度。根据溶质元素在固溶体中的溶解度,可把固溶体分为：有限固溶体、无限固溶体很显然：只有在溶质与溶剂元素间形成置换固溶体时，才有可能形成无限固溶体；而对于间隙固溶体，则只能形成有限固溶体。合金的结构与相图在合金系统中，通常按顺序（固溶体的浓度或固溶体稳定存在的温度范围）由低到高，用α、β、γ、δ、ε、θ等表示不同类型的固溶体。合金的结构与相图2、影响固溶体结构形式和溶解度的因素①原子大小d溶剂-d溶质溶剂与溶质的原子直径差别：×100%d溶剂合金的结构与相图当二者差别较小时，即溶剂与溶质的原子直径相近，易形成置换固溶体，且二者的尺寸差别越小，所形成的固溶体的溶解度越大，当尺寸差别小于某一数值时，将形成无限固溶体。合金的结构与相图而当原子尺寸差别大于15%时，不大可能形成置换固溶体。因为原子尺寸差别较大时，形成固溶体所造成的晶格畸变（无论是正畸变还是负畸变）较大，晶格畸变能也较大，固溶体晶格结构的稳定性较差。合金的结构与相图同样，形成间隙固溶体时，只能引起固溶体晶格产生正畸变，显然，溶质原子的尺寸越小，溶剂晶格的间隙尺寸越大，形成间隙固溶体时所造成的晶格畸变和畸变能越小，间隙固溶体越容易形成，其溶解度也就越大。合金的结构与相图反之，不易形成间隙固溶体。当溶质原子尺寸较大时，完全不能形成间隙固溶体。②负电性负电性是指原子从其他原子夺取电子变为负离子的能力。合金的结构与相图当两种元素在周期表中的位置相距越远，其负电性相差越大，它们之间的化学亲和力越强，越倾向于形成化合物，而不利于形成固溶体。所形成的固溶体的溶解度也越小。合金的结构与相图⑶电子浓度(略)合金中，价电子数目e与原子数目a之比，称为电子浓度e/a。当溶质原子对固溶体贡献的价电子数与溶剂不同时，随着溶质原子的进入，将使固溶体晶格中的电子浓度以及电子云结构发生变化，显然溶质原子所占的比率越高，固溶体晶格的电子浓度改变越大，达到一定程度时，固溶体晶格就不稳定，易形成新的相。合金的结构与相图因此，固溶体只能稳定在一定的电子浓度范围内，如对于溶剂为1价金属的固溶体，若固溶体具有面心立方晶格，则极限电子浓度值为1.36；若固溶体具有体心立方晶格，则极限电子浓度值为1.48。合金的结构与相图④晶体结构一般情况下，晶格结构相同的元素之间具有较大的溶解度，而晶格结构不同的元素之间溶解度较小。⑤温度固溶体的溶解度受温度的影响较大，一般温度越高，固溶体的溶解度越大。如奥氏体在727℃能溶解0.77%的碳，而在1148℃则能溶解2.11%的碳。合金的结构与相图3、固溶体的性能当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随着溶质元素含量的升高，固溶体的性能发生明显变化，表现在强度、硬度升高，塑性、韧性有所下降，→固溶强化。合金的结构与相图固溶强化的机理：溶质原子溶入后，引起溶剂金属的晶格畸变，使位错运动受到阻碍。淬火，就是对金属加热后通过快速冷却，获得过饱和的固溶体，从而强化金属。合金的结构与相图三、金属间化合物合金组元之间发生化学反应，形成晶体结构不同于任一组元的新相，称为化合物。如：Fe3C,CuZn,Cu5Sn,FeS,MnS等金属间化合物一般化合物金属间化合物可以作为合金的组成相（强化相），而非金属化合物在合金中大多属于有害杂质。如FeS在钢中引起热脆。离子键金属键合金的结构与相图合金的结构与相图1、金属间化合物的组织与性能特点金属间化合物具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆，其在合金中的分布形态对合金的性能影响很大，当金属间化和物以大块状或成片状形态分布时，合金的强度、塑性均很差；当金属间化合物呈弥散状质点分布时，合金的强度高，塑性、韧性较好。合金的结构与相图2、金属间化合物的种类a、正常价化合物：服从原子价规律，负电性因素起主要作用，这类化合物成份固定，不能形成化合物基固溶体。如：Mg2Si,Mg2Sn,Mg2Pb等。合金的结构与相图b、电子化合物：不遵守原子价规律，而服从电子浓度规律，即当合金的电子浓度达到某一数值时，便形成具有某种结构的化合物。一般：电子浓度=3/2（21/14），形成体心立方晶格的β相电子浓度=21/13，形成复杂立方晶格的γ相电子浓度=7/4（21/12），形成密排六方晶格的ε相合金的结构与相图但电子浓度不是决定电子化合物结构的唯一因素，组成元素的原子大小及其电化学性质，对其结构也有影响。电子化合物的成分不是固定的，而在一定范围内变化，电子化合物可以溶解一定量的组元，形成以电子化合物为基的固溶体。合金的结构与相图C、间隙化合物由原子直径较大的过渡族元素与原子直径很小的C、N、B等元素组成，过渡族元素的原子占据晶格的正常位置，尺寸较小的非金属元素原子有规则地嵌入晶格空隙中，形成间隙化合物。合金的结构与相图①间隙相当非金属元素原子与过渡族金属元素原子直径的比值（d非/d过）0.59时，形成的间隙化合物具有比较简单的晶格结构，成为间隙相。如：W2C,VC,TiC,MoC,TiN,VN等。合金的结构与相图②间隙化合物当（d非/d过）0.59时，形成的间隙化合物一般具有复杂的晶格结构，称为间隙化合物。如：Fe3C,dC/dFe=0.61,正交晶格形成间隙化合物的过渡族元素的d层电子越少，与碳的亲和力越强，所形成的化合物越稳定，熔点、硬度越高。合金的结构与相图间隙化合物具有很高的硬度、熔点，是合金的强化相。如：在钢中加入V，形成的VC可提高钢的耐磨性——耐磨钢；加入Ti，形成的TiC可阻碍高温奥氏体晶粒长大——耐热钢；而W2C,VC是高速钢的主要强化成分，TiC，W2C是硬质合金的主要成分。合金的结构与相图第二节二元合金相图的建立一、基本概念1、组元：组成合金最基本的，能够独立存在的物质。组元一般是元素，也可以是稳定的化合物，如Fe3C。2、合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制而成的一系列不同成分的合金。如：Cu-Ni,Fe-Fe3C,Cu-Zn等。合金的结构与相图3、相图：合金系的温度-成分图，表示合金系中各个合金的结晶过程的平衡图（或状态图）。相图中的线条（相线）表示相转变温度和平衡相的成分。被相线所划分的区域称为相区。合金的结构与相图4、相变：一种相转变为其它相的过程。5、相平衡：系统中同时共存的各相在长时间内不互相转化——动态平衡。合金的结构与相图二、二元合金相图的建立方法临界点：合金从一种相态转变为另一种相态的起始温度。物理意义相同的临界点连接起来就构成相线，所以相图的建立就是测定不同成分合金的临界点。临界点的测定是通过实验进行的，常用的方法有热分析法，X射线分析法，金相组织法，硬度法，电阻法，热膨胀法，磁性法等。合金的结构与相图精确测定一个相图常需要选用几种方法相互配合，取长补短。热分析法是常用的方法，它是通过测定合金的冷却曲线来测定临界点，具体步骤如下：1、配制不同成分的合金（选择合金系中有代表性的成分）2、分别测出每种合金的冷却曲线，得到相变临界点3、将临界点对应地绘在成分-温度图上4、将同类临界点连接起来，即可绘出该合金系的相图。注意：利用热分析法测定相图时，冷却速度应非常缓慢（平衡结晶）合金的结构与相图合金的结构与相图第三节二元匀晶相图一、相图分析当两组元在液相和固相均无限互溶时，构成的合金系相图为二元匀晶相图。属于此类的合金系有：Cu-Ni,Cu-Au,Au-Ag,Fe-Ni,W-Mo,Ti-Zr,Bi-Sb等。•①液相线—曲线Ae1B•②固相线—曲线Aa4B•③液相区—液相线以上的液相L区域•④固相区—固相线以下的固a相区域•⑤液相线与固相线之间为液、固两相区（L+a）•⑥A为Cu的熔点（1083℃），B为Ni的熔点（1452℃）。合金的结构与相图CuNiABLαL+αktx1‘’1‘2‘2‘’3‘3’’4‘4’’Cu-Ni合金相图1083t1t4合金的结构与相图二、杠杆定理不同条件下相的成分及其相对量可用杠杆定理求得。1）确定两平衡相的成分如图（a）所示，水平线与液相线L的交点即为液相的成分。水平线与固相线的交点即为固相的成分。1x2）确定两平衡相的相对量方法是：①设试验合金重量为1，液、固相重量分别为QL、Qa，则QL+Qa=1；2x合金的结构与相图②设液、固相含Ni浓度分别为x1、x2，x为试验合金中的平均含Ni量(%)，则xxQxQaL21可得:%100212xxxxQL；%100211xxxxQa用图中线段来表示，即为:122xxxxQL121xxxxQa；所以：或xxxxQQaL1221xQxQaL3）注意：杠杆定律只能用于两相平衡共存时计算。合金的结构与相图三、固溶体合金中的偏析合金相图中，合金的凝固过程是在无限缓慢的冷却条件下进行的，但实际上合金不可能无限缓慢冷却，一般冷却速度较快，由于原子来不及充分扩散，会出现先结晶出来的合金含Ni量高的现象，对于一个晶粒，心部含Ni量高，表层含Ni量低。合金的结构与相图晶体内化学成分不均匀的现象称为晶内偏析或枝晶偏析。偏析的存在，会使金属强度下降，塑性较差，耐腐蚀性降低，应采用均匀化退火（扩散退火）予以消除。杠杆定律不能用于三相平衡区！合金的结构与相图第四节二元共晶相图当合金的二组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，且发生共晶反应，此合金系的相图为二元共晶相图。属于此类相图的合金系有：Pb-Sn,Al-Si,Al-Sn,Au-Pt等。合金的结构与相图PbSnabcdefgLαβL+αL+βα+β亚共晶合金共晶合金过共晶合金IIIIIIPb-Sn合金相图合金的结构与相图一、相图分析合金系有两种有限固溶体：以Pb为溶剂，以Sn为溶质的α固溶体；以Sn为溶剂，以Pb为溶质的β固溶体。ced水平线---共晶反应线：发生恒温反应Le←→αc+βd合金的结构与相图注意：在共晶线ced上属于三相平衡区该合金系有两类合金：固溶体合金共晶型合金c点以左，d点以右的合金属于固溶体型合金；cd之间的合金为共晶型合金，其中，e点以左为亚共晶合金，e点以右为过共晶合金，e点合金为共晶合金。二、典型合金的结晶过程分析合金的结构与相图合金Ⅰ、合金Ⅱ、合金Ⅲ、合金Ⅳ的结晶过程及其组织如图所示。①相组成凡成分相同、结构相同,与其它部分有界面分开的均匀组成部分。②组织组成物在金相显微镜下观察到的具有某种形貌或形态特征的组成部分合金的结构与相图第五节二元包晶合金相图当合金的二组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，形成有限固溶体