华南理工大学机械工程材料第四章

第一节合金的相结构第二节二元合金相图的建立第五节包晶相图第四节共晶相图第三节匀晶相图第七节合金的性能和相图的关系第六节相成稳定化合物的相图第四章合金的相结构与二元合金相图主要内容合金相结构相律和杠杆定律常见的二元合金相图——匀晶、共晶、包晶、共析根据相图分析平衡结晶过程非平衡结晶及组织1、合金两种或两种以上的金属，或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质,如铁碳合金等。2、组元组成合金最基本、独立的物质称为组元，是组成合金的元素，但也可以是化合物，有二元、三元等；实例：黄铜的组元是铜和锌；碳钢的组元铁和碳，或者是铁和金属化合物Fe3C。几个重要概念3、相合金组织中成分、结构和性质相同的部分，有相界面分开，是合金组织最基本的组成部分。说明：合金的组织可以由一种或多种相组成，相与相之间由界面（即相界）隔开，越过界面，结构与性质都会发生突变。实例：铁碳合金在固态下有铁素体、奥氏体和渗碳体等基本相。几个重要概念4、合金系由给定组元配制的一系列成分不同的合金，组成一个合金系统。几个重要概念5、组织金属内部的情景，包括晶粒大小、形状、种类以及各晶粒之间的相对数量和分布。低倍组织（宏观组织）：用放大几十倍的放大镜或用肉眼所观察到的组织；显微组织：用放大100~2000倍的光学显微镜所观察到的组织；电镜组织（精细组织）：用放大几千倍到几十万倍的电子显微镜观察到的组织。几个重要概念5、组织组成相性质组织性质合金性质结构：指原子集合体中各原子的具体组合方式。原子结构、晶体结构、相结构几个重要概念第一节合金的相结构为什么在固态合金中就可能出现不同的相结构？从金属的凝固过程考虑……均匀的液体（液相）↓凝固固态合金各组元的晶体结构、原子结构不同、各组元相互作用不同——不同的相结构第一节合金的相结构基本相结构固溶体置换固溶体间隙固溶体正常价化合物电子化合物间隙相间隙相化合物复杂结构间隙化合物金属化合物根据组元之间的相互作用，固态合金中的基本相结构可分为：第一节合金的相结构1.固溶体的分类：(1)按溶质原子在晶格中的位置置换固溶体、间隙固溶体特点：保持溶剂晶格类型一、固溶体——组元间相互溶解，溶质原子溶入固态溶剂。置换固溶体间隙固溶体(2)按固溶度有限固溶体、无限固溶体无序分布短程有序分布偏聚分布(3)按相对分布有序固溶体、无序固溶体第一节合金的相结构1.固溶体的分类：有序固溶体本质上就是无序固溶体与金属化合物的过渡相！溶入溶质原子形成固溶体而使金属强度、硬度升高的现象。溶质原子%↑，σb、HB↑,ψ、αk↓固溶强化效果：间隙固溶体＞置换固溶体。产生原因：1、晶格畸变，位错运动受阻2、位错钉扎三种强化方式：细晶强化、形变强化、固溶强化2.固溶体的性能——固溶强化第一节合金的相结构物理性能方面：随着溶质原子浓度的增加，固溶体的电阻率升高，因此工业上应用的精密电阻和电热材料等，都广泛应用固溶体合金。合金组元间按一定比例发生相互作用而形成的一种新相，又称中间相，如Fe3C、CuAl2等。●晶格类型与性能均不同于任一组元。●一般可用分子式表示，有些成分可在一定范围内变动。●具有一定的金属性质，又称金属化合物。金属化合物的性能特点：三高(高熔点、高硬度、高脆性)当合金中存在金属化合物时，将使合金的强度、硬度及耐磨性提高，但会使塑性降低。所以，金属化合物是结构材料及工具材料的重要组成相。二、金属化合物第一节合金的相结构影响金属化合物形成及结构的主要因素有电负性、电子浓度、原子尺寸等。每一种影响因素都对应着一类化合物。1、正常价化合物：具有严格的化合比，符合原子价规律，成分固定，可用化学式表示。受电负性因素控制正常价化合物通常是由金属元素与周期表中第ⅣA、ⅤA、ⅥA族元素组成。如Mg2Si、Mg2Sn、MnS，其中Mg2Si是铝合金中常见的强化相，MnS是钢材中常见的夹杂物。这类化合物一般具有较高的硬度，脆性较大。二、金属化合物第一节合金的相结构影响金属化合物形成及结构的主要因素有电负性、电子浓度、原子尺寸等。每一种影响因素都对应着一类化合物。2、电子化合物：按照电子浓度的比值形成化合物，不遵守原子价规律，而是按照一定电子浓度的比值形成的化合物，电子浓度不同，所形成的化合物的晶格类型也不同。受电子浓度因素控制电子化合物由第ⅠB族或过渡元素与第ⅡB、ⅢA、ⅣA族金属元素形成的金属化合物。电子化合物虽然可用化学分子式表示，但其成分可以在一定范围内变化，因此把它看作是以化合物为基的固溶体。电子化合物具有很高的熔点和硬度，但脆性很大。二、金属化合物第一节合金的相结构3、间隙化合物：受组元的原子尺寸因素控制，通常是由过渡族金属与原子半径很小的非金属元素(如H、N、C、B等)组成。●原子半径比rx/rm0.59：间隙相简单结构的间隙化合物，金属原子位于晶格的正常结点上，非金属原子则位于晶格的间隙位置。化学成分满足简单化学式(M4X,M2X,MX,MX2)，但成分可在一定范围内变化。熔点、硬度↑，是高合金工具钢和硬质合金的重要强化相(WC,TiN）。●原子半径比rx/rm0.59：复杂结构的间隙化合物（Fe3C)间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，但比间隙相要低些，而且加热时也较易分解，是合金钢中的重要组成相。二、金属化合物第一节合金的相结构组元间既不溶解，也不反应——机械混合物如，珠光体：F＋Fe3C第一节合金的相结构珠光体为基体的灰口铸铁G呈片状珠光体组元间既不溶解，也不反应——机械混合物如，珠光体：F＋Fe3C第一节合金的相结构点状和小球状结构珠光体组元之间相互溶解——固溶体间隙固溶体与间隙相的区别：后者为化合物，具有与组元完全不同的晶体结构，而前者保持溶剂组元的晶格类型。组元之间相互反应——金属化合物第一节合金的相结构第二节二元相图的建立相图：合金系中相组成－合金成分－温度之间关系的图解α＋βLβαL＋αL＋β温度合金成分图中的E点表示在500℃下，A%=40%，B%=60%表象点305020107060408090900800700600500400300200100AB第二节相图的建立热分析法测定相图（用室温的冷却曲线，得到各临界点）1、配制合金2、测出结晶开始和终了温度——相变点3、标出临界点，分别连接凝固开始点和终了点4、标出相区液相区(L)两相区(L＋α)固相区(α)相图分析工具相律：在平衡条件下，系统自由度f、组元数c和相数p之间的数学表达式：f=c–p+2或f=c–p+1(常压)自由度：保持合金系的相的数目不变的条件下，合金系中可以独立改变的影响合金状态的内部及外部因素（合金的成分、温度和压力等）的数目。当压力不变时，合金系的最大自由度数：纯金属：fmax=1（成分固定不变0，温度可以独立改变1）二元合金：fmax=2（成分独立变量1、温度1）三元合金：fmax=3（成分独立变量2、温度1）——相律1、确定系统最多有几相共存：f=0，pmax=c+1纯金属：pmax=2；二元合金：pmax=32、说明纯金属与合金结晶时的某些差别纯金属结晶时，f=1-2+1=0，恒温进行二元合金结晶时，f=2-2+1=1（温度），在一定温度范围进行。——相律的实际应用相图分析工具确定两个平衡相的相对重量——仅适用于两相区1.确定两平衡相的成分：CL、Cα；2.确定两平衡相的相对重量以成分为支点，远离该相的线段代表该相。整个线段为总重量。如ab代表总重量，ra和rb分别代表α相和L相的重量。%100abrbwL%100abarwrbwrawrarbwwLL——杠杆定律相图分析工具杠杆定律的证明杠杆定律的力学比喻CαIarbBACLBNiCutarbWLWα动画第三节匀晶相图匀晶转变：结晶时从液相结晶出固溶体，固态下呈单相固溶体的结晶过程。几乎所有的二元相图都包含有匀晶转变部分。具有这类相图的二元合金系，主要有Cu-Ni，Ag-Au，Cr-Mo，Cd-Mg，Fe-Ni，Mo-W等。两组元液态、固态都无限互溶的二元合金系所形成的相图第三节匀晶相图线：液相线、固相线液相区(L)固相区(α)固液相两区(L＋α)液相线固相线区：液相(L)区、固相(α)区、液固两相共存(L+α)区一、相图分析第三节匀晶相图二、合金的平衡结晶过程平衡结晶是指在极其缓慢冷却条件下进行结晶的过程。在此条件下得到的组织称为平衡组织。1、tt1：L2、t=t1：L→α(结晶需要过冷)3、t1tt3：L、α共存4、t=t3：结晶完毕5、tt3：α固溶体(合金成分)LαLα30502010706040809013501300125012001150110010501000950NiCuL1L2L3t3a1a2a3t1t2第三节匀晶相图二、合金的平衡结晶过程固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相的成分不同（液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化），这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶，或称为选择结晶。而纯金属结晶时，所结晶出的晶体与母相的化学成分完全一样，称之为同分结晶。30502010706040809013501300125012001150110010501000950NiCuL1L2L3t3a1a2a3t1t2第三节匀晶相图二、合金的平衡结晶过程●形核和长大的过程。●两相区中两相成分分别沿两边界改变。固溶体形核的条件：结构起伏：近程有序原子集团在液相中不断变化。能量起伏：指体系中每个微小体积所实际具有的能量，会偏离体系平均能量水平而瞬时涨落的现象。成分起伏：由于原子热运动和扩散，每一瞬间液体中某些微小体积的成分高于或低于平均成分的现象。第三节匀晶相图匀晶转变动画第三节匀晶相图∵V冷却↑，原子扩散速度小于结晶速度，合金成分不能完全均匀化，固相成分偏离相图固相线，此时发生不平衡结晶，得到不平衡组织。固溶体不平衡结晶示意图——不平衡结晶及组织第三节匀晶相图消除办法：扩散退火（均匀化退火）固相线以下100～200℃——不平衡结晶及组织晶内偏析（或称枝晶偏析）：一个晶粒内部成分不均匀现象。偏析程度：与相图形状、原子扩散能力、冷却速度有关1、液相线和固相线间的水平距离和垂直距离↑，偏析程度↑2、偏析原子扩散能力↓偏析程度↑3、V冷却↑，偏析程度↑第四节共晶相图共晶组织：共晶转变后形成的两个固相的混合物。共晶转变：恒温下，一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的转变，又称共晶反应。)(NMtEEL（共晶体）共晶反应两组元液态无限互溶，固态有限溶解，并发生共晶转变的相图称为共晶相图。一、相图分析第四节共晶相图L单相区α单相区α+β双相区L+α双相区L+β双相区L+α+β三相共存区(MEN水平线)β单相区一个三相区(L+α+β,水平线MEN)三个双相区(L+α、α+β、L+β)区：三个单相区(L、α、β)共晶线MEN溶解度曲线MF、NG固相线AMENB线：液相线AEB点：E--共晶点共晶相图分析第四节共晶相图二、典型合金的平衡结晶过程1、WSn19%的合金所有成分位于M~F之间的合金的平衡结晶过程类似，它们的最终显微组织都是+βⅡ。和βⅡ的相对量可通过杠杆定律求出。1以上1～22～33以下第四节共晶相图二、典型合金的平衡结晶过程2、共晶合金(WSn=61.9%)E以上E以下结晶开始结晶终了E点发生共晶转变以后，继续冷却时，共晶组织中的和β相都要发生溶解度的变化，相成分沿MF线变化，β相的成分沿NG线变化，分别析出次生相βⅡ和Ⅱ。这些次生相常与共晶组织中的同类相混在一起，难以在显微镜下分辨。第四节共晶相图二、典型合金的平衡结晶过程3、亚共晶合金（19%WSn61.9%）共晶转变前形成的固溶体叫做初晶或先共晶相。亚共晶合金在共晶转变刚刚结束之后的组织是由先共晶相和共晶组织(α+β)所组成，其中共晶组织的量即为温度tE时液相的量。第四节共晶相图二、典型合金的平衡结晶过程3、亚共晶合金（19%WSn61.9%）在2点以下继续冷却时，将从相（包括先共晶相和共晶组织中的相）和β相分别析出次生相βⅡ和Ⅱ。在显微镜下