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1、第二章合金的结构和相图1第一页，本课件共有65页本章重点：本章重点：1 1、固溶体的分类及性能。、固溶体的分类及性能。2 2、金属间化合物的分类及性能。、金属间化合物的分类及性能。3 3、共晶合金的结晶过程。、共晶合金的结晶过程。4 4、亚（过）、亚（过）共晶合金的结晶过程。共晶合金的结晶过程。5 5、共析反应。、共析反应。第二页，本课件共有65页合合金金：由由两两种种或或两两种种以以上上金金属属、或或金金属属与与非非金金属属，通通过过熔熔炼炼、烧烧结结或或其其他他方方法法组组合合而而成成并具有金属特性的物质。并具有金属特性的物质。组组元元：组组成成合合金金最最基基本本的的、独独立立的的物物质
2、质叫叫做组元。做组元。通通常常，组组元元为为组组成成合合金金的的元元素素。稳稳定定化化合物也可以作为组元。合物也可以作为组元。第三页，本课件共有65页 合合金金的的一一个个主主要要组组元元必必须须是是金金属属元元素素，其其他他组组元元可可以以是是金金属属元元素素，也也可可以以是是非非金金属属元素。元素。合合金金具具有有比比纯纯金金属属更更优优越越的的性性能能，在在工程中得到广泛使用。工程中得到广泛使用。第四页，本课件共有65页2-1 2-1 固态合金中的相结构固态合金中的相结构相相：成成分分、结结构构相相同同并并与与其其他他部部分分有有界界面面分分开的均匀组成部分。开的均匀组成部分。同一结构不
3、同成分：铜、镍是不同的相。同一结构不同成分：铜、镍是不同的相。同同一一组组元元不不同同状状态态：水水、冰冰、水水蒸蒸汽汽是是不不同同的相。的相。第五页，本课件共有65页同同一一组组元元同同一一状状态态不不同同结结构构：铁铁、铁铁是不同的相。是不同的相。不不同同形形态态（形形状状、大大小小、分分布布）同同一一成成分分同同一结构是同一个相：一结构是同一个相：片片状状渗渗碳碳体体、球球状状渗渗碳碳体体、网网状状渗渗碳碳体体、带状渗碳体。带状渗碳体。第六页，本课件共有65页第七页，本课件共有65页第八页，本课件共有65页 单相合金单相合金第九页，本课件共有65页 多相合金多相合金 第十页，本课件共有6
4、5页合金相的分类：合金相的分类：1 1、固溶体：晶体结构和某一组元相同。、固溶体：晶体结构和某一组元相同。2 2、化合物：晶体结构和所有组元都不相同。、化合物：晶体结构和所有组元都不相同。第十一页，本课件共有65页一、固溶体一、固溶体定定义义：溶溶质质原原子子溶溶入入溶溶剂剂晶晶格格中中的的一一种种金金属晶体。属晶体。溶剂：和固溶体晶格类型相同的组元。溶剂：和固溶体晶格类型相同的组元。溶质：和固溶体晶格类型不相同的组元。溶质：和固溶体晶格类型不相同的组元。第十二页，本课件共有65页C C溶入溶入-Fe(bcc)-Fe(bcc)，FeFe是溶剂，是溶剂，C C是溶质。是溶质。Zn(hcp)Zn(
5、hcp)溶溶入入Cu(fcc)Cu(fcc)，CuCu是是溶溶剂剂，ZnZn是是溶溶质。质。Ni(fcc)Ni(fcc)溶入溶入Cu(fcc)Cu(fcc)，两者互为溶剂和溶质。，两者互为溶剂和溶质。第十三页，本课件共有65页(一一)固溶体的分类固溶体的分类 按按溶溶剂剂晶晶格格中中的的位位置置（正正常常结结点点或或晶晶格格间隙），可分为二类。间隙），可分为二类。第十四页，本课件共有65页第十五页，本课件共有65页1 1、置换固溶体、置换固溶体(1)(1)定定义义：溶溶质质原原子子替替代代一一部部分分溶溶剂剂原原子子而而占据溶剂晶格结点位置所形成的固溶体。占据溶剂晶格结点位置所形成的固溶体。(
6、2)(2)溶溶质质为为金金属属元元素素时时，因因原原子子尺尺寸寸较较大大，不能存在晶格间隙中，只能形成置换固溶体。不能存在晶格间隙中，只能形成置换固溶体。第十六页，本课件共有65页第十七页，本课件共有65页2 2、间隙固溶体、间隙固溶体(1)(1)定定义义：溶溶质质原原子子分分布布在在溶溶剂剂晶晶格格的的间间隙隙中所形成的固溶体。中所形成的固溶体。(2)(2)溶溶质质为为非非金金属属元元素素时时，因因原原子子尺尺寸寸较较小小，只能存在晶格间隙中形成间隙固溶体。只能存在晶格间隙中形成间隙固溶体。第十八页，本课件共有65页(二二)固溶体中的晶格畸变固溶体中的晶格畸变1 1、定定义义：固固溶溶体体中
7、中溶溶质质原原子子附附近近的的溶溶剂剂原原子发生位移，点阵常数发生改变。子发生位移，点阵常数发生改变。2 2、置置换换固固溶溶体体中中，溶溶质质原原子子比比溶溶剂剂原原子子大大，则则溶溶质质原原子子周周围围点点阵阵发发生生膨膨胀胀；反反之之，则则溶质原子周围点阵发生收缩。溶质原子周围点阵发生收缩。3 3、间间隙隙固固溶溶体体中中，溶溶质质原原子子周周围围点点阵阵总总是是发生膨胀。发生膨胀。第十九页，本课件共有65页第二十页，本课件共有65页(三三)固溶体的溶解度固溶体的溶解度1 1、定定义义：在在一一定定条条件件下下溶溶质质元元素素在在固固溶溶体体中中的极限浓度。的极限浓度。2 2、溶溶解解度
8、度的的表表示示方方法法：重重量量百百分分比比；原原子子百百分比。分比。3 3、有有限限固固溶溶体体：溶溶解解度度小小于于100%100%，溶溶质质元元素素的含量有一定限度。的含量有一定限度。4 4、无无限限固固溶溶体体：溶溶解解度度等等于于100%100%，可可以以形形成任何成分比例的固溶体。成任何成分比例的固溶体。第二十一页，本课件共有65页(四四)影响溶解度的因素影响溶解度的因素1 1、间隙固溶体、间隙固溶体(1)(1)晶晶格格中中间间隙隙位位置置的的数数量量有有一一定定限限度度，所所以只能形成有限固溶体。以只能形成有限固溶体。(2)(2)间间隙隙固固溶溶体体中中的的晶晶格格畸畸变变大大，
9、因因而而和和置置换换固溶体相比溶解度小。固溶体相比溶解度小。(3)(3)FeFe间间隙隙尺尺寸寸较较大大，溶溶解解度度也也较较大大；FeFe间隙尺寸小，溶解度也很小。间隙尺寸小，溶解度也很小。第二十二页，本课件共有65页2 2、置换固溶体、置换固溶体 溶溶质质和和溶溶剂剂元元素素必必须须同同时时满满足足下下列列四四个个条条件件，才才可可能能形形成成无无限限固固溶溶体体，否否则则只只能形成有限固溶体。能形成有限固溶体。(1)(1)原子尺寸原子尺寸dd：810%810%。(2)(2)晶体结构类型相同。晶体结构类型相同。(3)(3)负电性差负电性差xx：0.40.40.50.5。(4)(4)电子浓度
10、在一定范围之内。电子浓度在一定范围之内。第二十三页，本课件共有65页3 3、硼硼：原原子子半半径径为为0.97A0.97A，既既不不利利于于作作为为间间隙隙原原子子，也也不不利利于于作作为为置置换换原原子子，故故在在FeFe和和FeFe中溶解度都非常小。中溶解度都非常小。第二十四页，本课件共有65页(五五)固溶体的性能固溶体的性能1 1、固固溶溶强强化化：溶溶质质元元素素产产生生晶晶格格畸畸变变，使使固溶体强度、硬度升高的现象。固溶体强度、硬度升高的现象。2 2、固固溶溶体体在在显显著著提提高高强强度度、硬硬度度的的同同时时，仍然保持相当好的塑性和韧性。仍然保持相当好的塑性和韧性。3 3、固固
11、溶溶体体是是金金属属材材料料最最主主要要最最基基本本的的相相组组成物，是金属材料的基体。成物，是金属材料的基体。第二十五页，本课件共有65页 二、金属间化合物二、金属间化合物 当当溶溶质质含含量量超超过过固固溶溶体体的的溶溶解解度度时时，将将出出现现晶晶体体结结构构和和任任一一组组元元都都不不相相同同的的新新相相，即金属间化合物。即金属间化合物。第二十六页，本课件共有65页(一一)正常价化合物正常价化合物1 1、符符合合一一般般化化合合物物的的原原子子价价规规律律，成成分分固固定并可用化学式表达。定并可用化学式表达。2 2、硬硬度度高高、脆脆性性大大，在在固固溶溶体体基基体体上上合合理理分分布
12、布时时可可提提高高强强度度，起起强强化化相相作作用用。如如Al-Al-Mg-SiMg-Si合金中的合金中的MgMg2 2SiSi。第二十七页，本课件共有65页(二二)电子化合物电子化合物1 1、化合物的晶格类型和电子浓度有关。、化合物的晶格类型和电子浓度有关。2 2、硬硬度度高高、韧韧性性低低，在在有有色色合合金金中中可可起起强强化化相作用。相作用。第二十八页，本课件共有65页(三三)间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物 由由原原子子尺尺寸寸较较大大的的过过渡渡族族金金属属元元素素和和原原子子尺尺寸寸较较小小的的非非金金属属元元素素组组成成，金金属属原原子子组组成成一一种种新新的的晶晶格格，非
13、非金金属属原原子子处处于于晶晶格格的的间间隙之中。隙之中。两两种种原原子子的的尺尺寸寸比比决决定定了了化化合合物物的的晶晶格格特点。特点。第二十九页，本课件共有65页1 1、间隙相、间隙相(1)(1)定定义义：当当r r非非/r/r金金0.590.59时时，化化合合物物具具有有简简单的晶体结构。单的晶体结构。(2)(2)简简单单的的晶晶体体结结构构：一一个个金金属属原原子子占占据据晶晶格的一个结点。格的一个结点。VCVC：V V原原子子组组成成fccfcc点点阵阵，C C原原子子处处在在点点阵阵的的间隙之中。间隙之中。(3)(3)种种类类：V V、TiTi、NbNb的的碳碳化化物物，W W、M
14、oMo的的部部分碳化物，过渡族金属的氮化物。分碳化物，过渡族金属的氮化物。第三十页，本课件共有65页2 2、间隙化合物、间隙化合物(1)(1)定定义义：当当r r非非/r/r金金0.590.59时时,化化合合物物具具有有复复杂的晶体结构。杂的晶体结构。(2)(2)复复杂杂的的晶晶体体结结构构：一一个个金金属属团团占占据据点点阵阵的一个结点。的一个结点。如如CrCr7 7C C3 3是是复复杂杂六六方方点点阵阵，一一个个晶晶胞胞由由5656个金属原子，个金属原子，2424个碳原子组成。个碳原子组成。第三十一页，本课件共有65页(3)(3)种种类类：W W、MoMo的的部部分分碳碳化化物物；CrC
15、r、FeFe的的碳碳化物；硼化物。化物；硼化物。(4)(4)渗渗碳碳体体：是是FeFe的的碳碳化化物物，以以FeFe3 3C C表表示示，每每个个晶晶胞胞由由1212个个FeFe原原子子和和4 4个个C C原原子子组组成成，是是钢中最常见的化合物。钢中最常见的化合物。(5)(5)合合金金渗渗碳碳体体：渗渗碳碳体体中中的的铁铁原原子子被被其其它金属原子置换。它金属原子置换。如（如（FeFe，CrCr，MoMo）3 3C C。第三十二页，本课件共有65页(6)(6)间间隙隙化化合合物物中中的的金金属属原原子子也也可可被被其其它它金金属原子置换。属原子置换。如（如（CrCr，W W，MoMo，FeF
16、e）2323C C6 6。(7)(7)碳碳化化物物中中的的碳碳原原子子也也可可被被氮氮、硼硼原原子子置置换。换。如碳氮化物如碳氮化物Ti(CTi(C，N)N)，碳硼化物碳硼化物(Cr,Fe,W,Mo)(Cr,Fe,W,Mo)2323（C C，B B）6 6。3 3、间间隙隙相相和和间间隙隙化化合合物物熔熔点点高高、硬硬度度高高，是钢中的强化相。是钢中的强化相。第三十三页，本课件共有65页 钢中常见碳化物的硬度和熔点钢中常见碳化物的硬度和熔点类型类型 间间 隙隙 相相 间隙化合物间隙化合物NbCTiCVCW2CMo2CCr23C6Fe3C熔点熔点3770 3410 3023 3130 29601
17、6771227硬度硬度HVHV2050 2850 2010 1720 16801450800第三十四页，本课件共有65页特特点点：两两组组元元在在液液态态时时无无限限互互溶溶，在在固固态态时时有有限互溶，且发生共晶反应。限互溶，且发生共晶反应。共共晶晶反反应应：在在恒恒温温下下，由由一一个个液液相相同同时时结晶出两种成分不同的固相的转变。结晶出两种成分不同的固相的转变。L Le e c c+d d 液液相相和和生生成成的的两两种种固固相相成成分分固固定定，分分别别为为e e、c c、d d。2-2 2-2 二元共晶相图二元共晶相图第三十五页，本课件共有65页 一、相图分析一、相图分析1 1、液
18、相线：、液相线：aebaeb，表示结晶开始。，表示结晶开始。固相线：固相线：acedbacedb，表示结晶结束。，表示结晶结束。溶解度曲线：溶解度曲线：cfcf，dgdg。表示。表示、固溶体固溶体在不同温度时的溶解度。在不同温度时的溶解度。2 2、单相区：、单相区：、L L，、。两相区：两相区：+L+L，+L+L，+。第三十六页，本课件共有65页3 3、三相共存水平线：、三相共存水平线：cedced。(1)(1)也叫共晶线，表示共晶反应的温度和反应也叫共晶线，表示共晶反应的温度和反应物、生成物的成分。（反应物在共晶线的中物、生成物的成分。（反应物在共晶线的中间，生成物在共晶线的两端）间，生成物
19、在共晶线的两端）(2)(2)成分垂直线和共晶线相交的合金，在冷成分垂直线和共晶线相交的合金，在冷却过程中均会发生共晶反应。却过程中均会发生共晶反应。4 4、共晶点：发生共晶反应的液相温度和成、共晶点：发生共晶反应的液相温度和成分。分。第三十七页，本课件共有65页二、合金的结晶过程二、合金的结晶过程(一一)共晶合金的结晶过程共晶合金的结晶过程1 1、共晶合金：具有共晶点成分的合金。、共晶合金：具有共晶点成分的合金。2 2、结晶过程、结晶过程第三十八页，本课件共有65页1 1点以上：液相。点以上：液相。1-11-1：恒温，发生共晶反应，得到共晶体。：恒温，发生共晶反应，得到共晶体。L Le e(c
20、 c+d d)1 1：液相完全消失，固相全部为共晶体。：液相完全消失，固相全部为共晶体。1 1以下：组织无变化。以下：组织无变化。室温组织：共晶体室温组织：共晶体(+)(+)。室温相组成：室温相组成：和和。第三十九页，本课件共有65页第四十页，本课件共有65页第四十一页，本课件共有65页3 3、共晶体、共晶体(1)(1)定义：共晶反应得到的非常致密的两相机定义：共晶反应得到的非常致密的两相机械混合物。械混合物。(2)(2)形形成成过过程程：合合金金溶溶液液中中存存在在成成分分偏偏析析，在在含含PbPb多多的的地地方方优优先先生生成成相相晶晶核核，因因为为相相含含有有较较多多的的PbPb，此此时
21、时相相晶晶核核周周围围的的液液体体含含PbPb量量降降低低，有有利利于于形形成成相相晶晶核核，而而相相晶晶核核周周围围含含PbPb量量增增加加，又又有有利利于于形形成成晶晶核核。因因此此，会会迅迅速速形形成成一一个个相相和和相相彼彼此此相相间间排列的组织。排列的组织。第四十二页，本课件共有65页(二二)亚共晶合金的结晶过程亚共晶合金的结晶过程1 1、亚共晶合金：发生共晶反应，且浓度低于、亚共晶合金：发生共晶反应，且浓度低于共晶点的合金。共晶点的合金。2 2、结晶过程、结晶过程 第第4747页图页图3-173-17，要注意每一个相的数量，要注意每一个相的数量和成分的变化。和成分的变化。第四十三页
22、，本课件共有65页1 1点以上：液相。点以上：液相。1-21-2：液相中析出先共晶：液相中析出先共晶固溶体。固溶体。液相数量减少，成分沿液相数量减少，成分沿aeae线变化；线变化；固溶体数量增加，成分沿固溶体数量增加，成分沿acac线变化。线变化。其相对数量符合杠杆定律。其相对数量符合杠杆定律。2 2：由成分为：由成分为c c的先共晶的先共晶固溶体和成分为固溶体和成分为e e的液相组成。的液相组成。第四十四页，本课件共有65页第四十五页，本课件共有65页 2-22-2：液相发生共晶反应，得到共晶体；先：液相发生共晶反应，得到共晶体；先共晶共晶固溶体的数量和成分不发生变化。固溶体的数量和成分不发
23、生变化。2 2：液相消失，组织为先共晶：液相消失，组织为先共晶固溶体和固溶体和(c c+d d)共晶体。共晶体。2 2以下：以下：、相的溶解度随温度下降而减相的溶解度随温度下降而减小，析出新相。小，析出新相。第四十六页，本课件共有65页 先共晶先共晶固溶体中析出次生相固溶体中析出次生相。共晶体共晶体(+)(+)中析出的次生相可以不中析出的次生相可以不考虑。考虑。室温组织：室温组织：+(+)+(+)+。室温相组成：室温相组成：和和。第四十七页，本课件共有65页第四十八页，本课件共有65页第四十九页，本课件共有65页第五十页，本课件共有65页第五十一页，本课件共有65页3 3、同一种相的三种不同组
24、织（形态）、同一种相的三种不同组织（形态）(1)(1)初生相初生相(一次相一次相)：从液体中析出，可以自由：从液体中析出，可以自由生长，常为树枝状、块状或片状，尺寸较大。生长，常为树枝状、块状或片状，尺寸较大。(2)(2)共晶相：两个相从液体中同时析出，交叉共晶相：两个相从液体中同时析出，交叉排列，比较致密。排列，比较致密。(3)(3)次生相次生相(二次相二次相)：从固相中析出，难以长：从固相中析出，难以长大，以小颗粒状分布在母相晶内或晶界。大，以小颗粒状分布在母相晶内或晶界。(4)(4)表示方法：初生相不用专门注明，共晶相表示方法：初生相不用专门注明，共晶相用括号表示，次生相用下标用括号表示
25、，次生相用下标表示。表示。第五十二页，本课件共有65页4 4、晶内偏析、晶内偏析(1)(1)定义：晶粒内出现的成分不均匀现象。定义：晶粒内出现的成分不均匀现象。(2)(2)产生原因：先、后结晶固溶体的成分不同，产生原因：先、后结晶固溶体的成分不同，又来不及扩散均匀。又来不及扩散均匀。(3)(3)枝晶偏析枝晶偏析:固溶体常以树枝状生长方式结固溶体常以树枝状生长方式结晶，使枝干和分枝的成分不一致。晶，使枝干和分枝的成分不一致。第五十三页，本课件共有65页第五十四页，本课件共有65页第五十五页，本课件共有65页第五十六页，本课件共有65页(三三)过共晶合金的结晶过程过共晶合金的结晶过程1 1、过共晶
26、合金：发生共晶反应，且浓度高、过共晶合金：发生共晶反应，且浓度高于共晶点的合金。于共晶点的合金。2 2、结晶过程、结晶过程 和亚共晶合金类似，不同点是先析出和亚共晶合金类似，不同点是先析出相，随后发生共晶反应，继续冷却时从相，随后发生共晶反应，继续冷却时从相中析出相中析出。3 3、室温组织：、室温组织：+(+)+(+)+。室温相组成：室温相组成：和和。第五十七页，本课件共有65页第五十八页，本课件共有65页(四四)含含SnSn量小于量小于c c点的合金点的合金1 1、特点：不发生共晶反应。、特点：不发生共晶反应。2 2、结晶过程、结晶过程 1 1点以上：液相。点以上：液相。1-2 1-2：液相
27、中析出：液相中析出固溶体。固溶体。第五十九页，本课件共有65页 2 2：单相：单相固溶体。固溶体。2-3 2-3：无变化。：无变化。3 3以下：以下：固溶体中析出次生相固溶体中析出次生相。室温组织：室温组织：+。室温相组成：室温相组成：和和。第六十页，本课件共有65页第六十一页，本课件共有65页第六十二页，本课件共有65页三、按组织组成物填写相图三、按组织组成物填写相图+双相区按组织组成物可分为五个不双相区按组织组成物可分为五个不同组织区域，即：同组织区域，即：+，+(+)+(+)+，(+)(+)，+(+)+(+)+，+。第六十三页，本课件共有65页第六十四页，本课件共有65页四、具有共析反应的二元合金相图四、具有共析反应的二元合金相图1 1、共共析析反反应应：在在一一种种均均匀匀的的固固相相中中，同同时时析析出出两两种种化化学学成成分分和和晶晶体体结结构构完完全全不不同同的的新新的的固相的转变。固相的转变。2 2、共共析析体体：共共析析反反应应得得到到的的两两个个固固相相片片状状或或粒状的细密混合物。粒状的细密混合物。3 3、因因转转变变温温度度较较低低，固固相相中中原原子子难难以以扩扩散散，共析体的组织更加细密、均匀。共析体的组织更加细密、均匀。第六十五页，本课件共有65页