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1、精选优质文档-倾情为你奉上第二章 二 元 合 金 相 图纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。合金相图正是研究这些规律的有效工具。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叫做合金。其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属、
2、非金属元素或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。二元以上的合金称多元合金。合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共
3、晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。2.1 合金中的相及相图的建立在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。液态物质为液相，固态物质为固相。相与相之间的转变称为相变。在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。由不同组织构成的材料具有不同的性能。如果合金仅由一个相组成，称为单相合金；如果合金由二个或二个以上的不同相所构成则称为多相合金。如含30的铜锌合金的组织由相单相
4、组成；含38的铜锌合金的组织由和相双相组成。这两种合金的机械性能大不相同。合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。 2.1.1 固溶体与复杂结构的间隙化合物2.1.1.1 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称为固溶体。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。固溶体用、等符号表示。、组元组成的固溶体也可表示为（），其中为溶剂，为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用表示，亦可表示为（）。 图2.1 置换与间隙固溶体示意图固溶体的分类按溶质原子在溶剂晶格中的位置（如图2.1）分为：按溶质原子在溶剂中的溶解度（固
5、溶度）（溶质在固溶体中的极限浓度）分为：按溶质原子的分布规律：有序化-在一定条件（如成分、温度等）下，一些合金的无序固溶体可变为有序固溶体。影响固溶体类型和溶解度的主要因素影响固溶体类型和溶解度的主要因素有组元的原子半径、电化学特性和晶格类型等。原子半径、电化学特性接近、晶格类型相同的组元，容易形成置换固溶体，并有可能形成无限固溶体。当组元原子半径相差较大时，容易形成间隙固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体，并且一定是无序的。无限固溶体和有序固溶体一定是置换固溶体。固溶体的性能固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。对于置换固溶体，溶质原子较大时造成正畸变，较小时引起负畸变（见图2.2）。形成间隙固
6、溶体时，晶格总是产生正畸变。晶格畸变随溶质原子浓度的增高而增大。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种随溶质原子浓度的升高而使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的一种重要 图2.2 晶格正、负畸变示意图形式。在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。例如，纯铜的为 220，硬度为 40，断面收缩率为70。当加入 1镍形成单相固溶体后，强度升高到 390，硬度升高到70，而断面收缩率仍有50。所以固溶体的综合机械性能很好，常常被用作为结构合金的基体相。固溶体与纯金属相比，物理性能有较大的变化，如电
7、阻率上升，导电率下降，磁矫顽力增大等等。2.1.1.2 复杂结构的间隙化合物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即为金属化合物，或称中间相。金属化合物一般熔点较高，硬度高，脆性大。合金中含有金属化合物时，强度、硬度和耐磨性提高，而塑性和韧性降低。金属化合物是许多合金的重要强化相。金属化合物有许多种，其中较常用的是具有复杂结构的间隙化合物（当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时形成的）。如钢中的,其中原子可以部分地被、等金属原子所置换，形成以间隙化合物为基的固溶体，如、等。复杂结构的间隙化合物具有很高的熔点和硬度，在钢中起强化作用，是钢中的主要强化相。2.1.2
8、 相图概述 前面已经简述过，合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系，是了解合金中各种组织的形成与变化规律的有效工具。进而可以研究合金的组织与性能的关系。何为合金系呐？两组元按不同比例可配制成一系列成分的合金，这些合金的集合称为合金系，如铜镍合金系、铁碳合金系等。我们即将要研究的相图就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。所谓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相对重量不再变化所达到的一种状态。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条件下的结晶过程，一般可认为是平衡结晶过程。在常压下，
9、二元合金的相状态决定于温度和成分。因此二元合金相图可用温度-成分坐标系的平面图来表示。我们先来认识一下相图。图2.3为铜镍二元合金相图，它是一种最简单的基本相图。横坐标表示合金成分（一般为溶质的质量百分数），左右端点分别表示纯组元（纯金属）和，其余的为合金系的每一种合金成分，如点的合金成分为含20,含80。坐标平面上的任一点（称为表象点）表示一定成分的合金在一定温度时的稳定相状态。例如，点表示，含30的铜镍合金在1200时处于液相（）+固相的两相状态；点表示，含60的铜镍合金在1000时处于单一固相状态。2.1.3 相图的建立过程 合金发生相变时，必然伴随有物理、化学性能的变化，因此测定合金系
10、中各种成分合金的相变的温度，可以确定不同相存在的温度和成分界限，从而建立相图。 图2.3 Cu-Ni合金相图常用的方法有热分析法、膨胀法、射线分析法等。下面以铜镍合金系为例，简单介绍用热分析法建立相图的过程。配制系列成分的铜镍合金。例如：合金：100；合金：75+25；合金：50+50；合金：25+75；合金：100。合金熔化后缓慢冷却，测出每种合金的冷却曲线，找出各冷却曲线上的临界点（转折点或平台）的温度。如图2.4。画出温度成分坐标系，在各合金成分垂线上标出临界点温度。将具有相同意义的点连接成线，标明各区域内所存在的相， 即得到- 图2.4 Cu-Ni合金冷却曲线及相图建立合金相图。（图2
11、.4）。 铜镍合金相图比较简单，实际上多数合金的相图很复杂。但是，任何复杂的相图都是由一些简单的基本相图组成的。下面介绍几个基本的二元相图。2.1.4 二元合金的杠杆定律由相律可知，二元合金两相平衡时，两平衡相的成分与温度有关，温度一定则两平衡相的成分均为确定值。确定方法是：过该温度时的合金表象点作水平线，分别与相区两侧分界线相交，两个交点的成分坐标即为相应的两平衡相成分。例如图2.5中，过点的水平线与相区分界线交于、点，、点的成分坐标值即为含的合金时液、固相的平衡成分。含的合金在温度处于两相平衡共存状态时，两平衡相的相对质量也是确定的。见图2.5，表象点所示合金含 ，时液相（含 ）和固相（含
12、 ）两相平衡共存。设该合金质量为 ，液相、固相质量为、，显然，由质量平衡：合金中的质量等于液、固相中质量之和，即： 图2.5 杠杆定律的证明及力学比喻；合金总质量等于液、固相质量之和，即：；二式联立得：；化简整理后得： 或因该式与力学的杠杆定律（如图2.5）相同，所以我们把称为二元合金的杠杆定律。杠杆两端为两相成分点、，支点为该合金成分点b。利用该式，还可以推导出合金中液、固相的相对质量的计算公式，如下：设液、固相的相对质量分别为、，即、；将两端加1得，即。则=；用1减去该式两端得： 1-=即=必须指出，杠杆定律只适用于相图中的两相区，即只能在两相平衡状态下使用。2.2 匀晶相图两组元在液态无
13、限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶反应的合金系，称为匀晶系并构成匀晶相图。例如、合金相图等。现以合金相图为例，对匀晶相图及其合金的结晶过程进行分析。2.2.1 相图分析相图（见图2.3）为典型的匀晶相图。图中线为液相线，该线以上合金处于液相；线为固相线，该线以下合金处于固相。液相线和固相线表示合金系在平衡状态下冷却时结晶的始点和终点以及加热时熔化的终点和始点。为液相，是和形成的液溶体；为固相，是和组成的无限固溶体。图中有两个单相区：液相线以上的相区和固相线以下的相区。图中还有一个两相区：液相线和固相线之间的+相区。2.2.2 合全的结晶过程 以点成分的合金(含量为)为例分析结晶过程。该合
14、金的冷却曲线和结晶过程如图2.6所示。首先利用相图画出该成分合金的冷却曲线，在1点温度以上，合金为液相。缓慢冷却至l-2温度之间时，合金发生匀晶反应，从液相中逐渐结晶出固溶体。2点温度以下，合金全部结晶为固溶体。其它成 图2.6 匀晶合金的结晶过程分合金的结晶过程也完全类似。2.2.3 匀晶结晶的特点与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有生核与长大两个过程，且固溶体更趋于呈树枝状长大。固溶体结晶在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。在两相区内，温度一定时，两相的成分（即含量）是确定的。确定相成分的方法见2.1.4。两相区内，温度一定时，两相的相对质量是一定的，且符合杠杆定
15、律。固溶体结晶时成分是变化的（相沿变化，相沿变化），缓慢冷却时由于原子的扩散充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶轴含高熔点组元（）较多，后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元（）较多。结果造成在一个晶粒之内化学成分的分布不均。这种现象称为枝晶偏析（见图2.7）。枝晶偏析对材料的机械性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利。生产上为了消除其影响，常把合金加热到高温（低于固相线100左右），并进行长时间保温，使原子充分扩散，获得成分均匀的固溶体。这种处理称为扩散退火。 图2.7 枝晶偏析示意图 2.3 共晶相图两组元在液态无限互溶，在固态
16、有限互溶，冷却时发生共晶反应的合金系，称为共晶系并构成共晶相图。例如、合金相图等。现以合金相图为例，对共晶相图及其合金的结晶过程进行分析。2.3.1 相图分析合金相图（图2.8）中，为液相线，为固相线。合金系有三种相:与形成的液溶体相，溶于中的有限固溶体相，溶于中的有限固溶体相。相图中有三个单相区（、相区）；三个两相区（+、+、+相区）；一条+的三相并存线（水平线）。 图2.8 Pb-Sn合金相图及成分线点为共晶点，表示此点成分（共晶成分）的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度）时，共同结晶出点成分的相和点成分的相：。这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。所生成的两相混合
17、物（层片相间）叫共晶体。发生共晶反应时有三相共存，它们各自的成分是确定的，反应在恒温下平衡地进行着。水平线为共晶反应钱，成分在之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。线为在中的溶解度线（或相的固溶线）。温度降低，固溶体的溶解度下降。含量大于点的合金从高温冷却到室温时，从相中析出相以降低其 含量。从固态相中析出的相称为二次，常写作。这种二次结晶可表达为：。线为在中的溶解度线（或相的固溶线）。含量小于点的合金，冷却过程中同样发生二次结晶，析出二次：。2.3.2 典型合金的结晶过程2.3.2.1 合金合金的平衡结晶过程（如图2.9所示）。液态合金冷却到1点温度以后，发生匀晶结晶过程，至2点温度合金完全
18、结晶成固溶体，随后的冷却（2-3点间的温度），相不变。从3点温度开始，由于在中的溶解度沿线降低，从中析出，到室温时中含量逐渐变为点。最后合金得到的组织为+。其组成相是点成分的相和点成分的相。运用杠杆定律，两相的相对质量为： 合金的室温组织由和组成，和即为组织组成物。组织组成物是指合金组织中那些具有确定本质，一定形 图2.9 合金结晶过程示意图成机制和特殊形态的组成部分。组织组成物可以是单相，或是两相混合物。 合金的室温组织组成物和皆为单相，所以它的组织组成物的相对质量与组成相的相对质量相等。2.3.2.2 合金 合金为共晶合金，其结晶过程如图2.10所示。合金从液态冷却到1点温度后，发生共晶反
19、应：，经一定时间到时反应结束，全部转变为共晶体（）。从共晶温度冷却至室温时，共晶体中的和均发生二次结晶，从中析出，从中析出。的成分由点变为点，的成分由点变为点；两种相的相对质量依杠杆定律变化。由于析出的和都相应地同和相连在一起，共晶体的形态和成分不发生变化，不用单独考虑。合金的室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组成物（即共晶体）；而其组成相仍为和相。 图2.10共晶合金结晶过程示意图 图2.11 亚共晶合金结晶过程示意图2.3.2.3 合金合金是亚共晶合金，其结晶过程如图2.11所示。合金冷却到1点温度后，由匀晶反应生成固溶体，此乃初生固溶体。从1点到2点温度的冷却过程中，按照杠杆定律，初生
20、的成分沿线变化，液相成分沿线变化；初生逐渐增多，液相逐渐减少。当刚冷却到2点温度时，合金由点成分的初生相和点成分的液相组成。然后剩余液相进行共晶反应，但初生相不变化。经一定时间到点共晶反应结束时，合金转变为。从共晶温度继续往下冷却，初生中不断析出，成分由点降至点；此时共晶体如前所述，形态、成分和总量保持不变。合金的室温组织为初生+。合金的组成相为和，它们的相对质量为：。合金的组织组成物为：初生、和共晶体。它们的相对质量须两次应用杠杆定律求得。根据结晶过程分析，合金在刚冷到2点温度而尚未发生共晶反应时，由和两相组成，它们的相对质量为：。其中，液相在共晶反应后全部转变为共晶体，因此这部分液相的质量
21、就是室温组织中共晶体质量，即： 。初生冷却时不断析出，到室温后转变为和。按照杠杆定律，占+质量百分数为（注意，杠杆支点在点）；占的为。由于+的质量等于的重量，即+在整个合金中的重量百分数为，所以在合金室温组织中，和分别所占的相对质量为：。这样，合金在室温下的三种组织组成物的相对质量为：。成分在之间的所有亚共晶合金的结晶过程均与合全相同，仅组织组成物和组成相的相对质量不同。成分越靠近共晶点，合金中共晶体的含量越多。位于共晶点右边，成分在之间的合金为过共晶合金（如图2.8中的合金）。它们的结晶过程与亚共晶合金相似，也包括匀晶反应、共晶反应和二次结晶等三个转变阶段；不同之处是初生相为固溶体，二次结晶
22、过程为。所以室温组织为。2.3.3 标注组织的共晶相图我们研究相图的目的是要了解不同成分的合金室温下的组织构成。因此，根据以上分析，将组织标注在相图上。以便很方便地分析和比较合金的性能，并使相图更具有实际意义。如图2.12所示。从图中可以看出，在室温下点及其左边成分的合金的组织为单相，点及其右边成分的合金的组织为单相，之间成分的合金的组织由和两相组成。即合金系的室温组织自左至右相继为：、+、+、。 图2.12 标注组织的共晶相图由于各种成分的合金冷却时所经历的结晶过程不同，组织中所得到的组织组成物及其数量是不相同的。这是决定合金性能最本质的方面。2.4 包晶相图两组元在液态无限互溶，在固态有限
23、互溶，冷却时发生包晶反应的合金系，称为包晶系并构成包晶相图。例如、合金相图等。现以合金相图为例，对包晶相图及其合金的结晶过程进行分析。2.4.1 相图分析合金相图（图2.13）中存在三种相：与形成的液溶体相；溶于中的有限固溶体相；溶于中的有限固溶体相。点为包晶点。点成分的合金冷却到点所对应的温度（包晶温度）时发生以下反应： 这种由一种液相与一种固相在恒温下相互作用而转变为另一种固相的反应叫做包晶反应。发生包晶反应时三相共存，它们的成分确定，反应在恒温下平衡地进行。水平线为包晶反应线。 图2.13 Pt-Ag 合金相图为在中的溶解度线，为在中的溶解度线。2.4.2 典型合金的结晶过程2.4.2.
24、1 合金 合金的结晶过程如图2.14所示。液态合金冷却到1点温度以下时结晶出固溶体，相成分沿线变化，相成分沿线变化。合金刚冷到2点温度而尚未发生包晶反应前，由点成分的相与点成分的相组成此两相在点温度时发生包晶反应，相包围相而形成。反应结束后，相与相正好全部反应耗尽，形成点成分的固溶体。温度继续下降时，从中析出。最后室温组织为。其组成相和组织组成物的成分和相对重量可根据杠杆定律来确定。在合金结晶过程中，如果冷速较快，包晶反应时原子扩散不能充分进行，则生成的固溶体中会发生较大的偏析。原处含量较高，而原区含量较低。这种现象称为包晶偏析。包晶偏析可通过扩散退火来消除。图2.14 合金结晶过程示意图 图
25、2.15 合金结晶过程示意图2.4.2.2 合金 合金的结晶过程如图2.15所示。液态合金冷却到1点温度以下时结晶出相，刚至2点温度时合金由点成分的液相和点成分的相组成，两相在2点温度发生包晶反应，生成固溶体。与合金不同，合金在包晶反应结束之后，仍剩余有部分固溶体。在随后的冷却过程中，和中将分别析出和，所以最终室温组织为。2.5 共析相图与含有稳定化合物的相图除了上述三个基本相图以外，还经常用到一些特殊相图。如共析相图、含有稳定化合物的相图等。2.5.1 共析相图如图2.16所示，其下半部分为共析相图，形状与共晶相图相似。点成分（共析成分）的合金（共析合金）从液相经匀晶反应生成相后，继续冷却到
26、点温度（共析温度）时，发生共析反应，共析反应的形式类似于共晶反应，而区别在于它是由一个固相（相）在恒温下同时析出两个固相（点成分的相和点成分的相）。反应式为；，此两相的混合物称为共析体(层片相间)。各种成分的合金的结晶过程的分析同于共晶相图。图2.16 共析相图 图2.17 Mg-Si合金相图但因共析反应是在固态下进行的，所以共析产物比共晶产物要细密的多。2.5.2 含有稳定化合物的相图在有些二元合金系中组元间可能形成稳定化合物。稳定化合物具有一定的化学成分、固定的熔点，且熔化前不分解，也不发生其它化学反应。如图2.17为相图，稳定化合物在相图中是一条垂线，可以把它看作成一个独立组元而把相图分
27、为两个独立部分。 2.6 合金的性能与相图的关系2.6.1 合金的力学性能和物理性能相图反映出不同成分合金室温时的组成相和平衡组织，而组成相的本质及其相对含量、分布状况又将影响合金的性能。图2.18示意表明了相图与合金力学性能及物理性能的关系。图形表明，合金组织为两相混合物时，如两相的大小与分布都比较均匀，合金的性能大致是两相性能的算术平均值，即合金的性能与成分呈直线关系。此外，当共晶组织十分细密时，强度、硬度会偏离直线关系而出现峰值（如图中虚线所示）。单相固溶体的性能与合金成分呈曲线关系，反映出固溶强化的规律。在对应化合物的曲线上则出现奇异点。2.6.2 合金的铸造性能图2.19表示了合金铸
28、造性能与相图的关系。液相线与固相线间隔越大，流动性越差，越易形成分散的孔洞（称分散缩孔，也称缩松）。共晶合金熔点低，流动性最好，易形成集中缩孔，不易形成分散缩孔。因此铸造合金宜选择共晶或近共晶成分，有利于获得健全铸件。图2.18 合金的使用性能与相图关系示意图 图2.19 合金的铸造性能与相图关系示意图2.6.3 相图的局限性 最后应当指出应用相图时的局限性。首先，相图只给出平衡状态的情况，而平衡状态只有很缓慢冷却和加热，或者在给定温度长时间保温才能满足，而实际生产条件下合金很少能达到平衡状态。因此用相图分析合金的相和组织时，必须注意该合金非平衡结晶条件下可能出现的相和组织以及与相图反映的相和组织状况的差异。其次，相图只能给出合金在平衡条件下存在的相、相的成分和其相对量，并不能反映相的形状、大小和分布，即不能给出合金组织的形貌状态。此外要说明的是，二元相图只反映二元系合金的相平衡关系，实际使用的金属材料往往不只限于两个组元，必须注意其他元素加入对相图的影响，尤其是其他元素含量较高时，二元相图中的相平衡关系可能完全不同。专心-专注-专业