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1、工程材料（第三版）3 合金的结构与结晶教学课件3 合金的合金的结构与构与结晶晶3.1 合金的合金的结构构3.2 合金的相合金的相图与与结晶晶3.3 合金的性能与相合金的性能与相图的关系的关系合金的结构与结晶组元元：组成合金成合金独立的、最基本的独立的、最基本的单元。元。例如：金属或非金属元素、例如：金属或非金属元素、稳定化合物。如，定化合物。如，Fe-C合金中，合金中，Fe、C均均为组元。元。合金合金：一种金属一种金属元素与元素与另一种另一种或或几种几种其它元素其它元素，通，通过熔熔炼或其它方法或其它方法结合在一起合在一起所形成的所形成的具有金属特性具有金属特性的物的物质。二元合金二元合金：由
2、两个：由两个组元元组成的合金。成的合金。3.1 合金的结构相相：在金属或合金中，：在金属或合金中，化学成分、晶体化学成分、晶体结构构相同相同、性能均一性能均一，且且有界面有界面与其它部分分开的均匀与其它部分分开的均匀组成部分。成部分。组织（显微微组织）:指在金相指在金相显微微镜下下观察到的材料内部的微察到的材料内部的微观形貌。形貌。组织由相构成由相构成:观察察时应分析相的形分析相的形态、数量、大小和分布方式。数量、大小和分布方式。金属材料性能由金属材料性能由组织决定，决定，而而组织由化学成分和工由化学成分和工艺过程决定。程决定。亚共析共析钢 x400过共析共析钢 x400合金中有两合金中有两类
3、基本相基本相 固溶体固溶体 和和 化合物化合物3.1 合金的结构固溶体固溶体：合金：合金组元通元通过溶解形成溶解形成成分和性能均匀成分和性能均匀的、的、结构构上与上与组元之一相同元之一相同的固相。的固相。如，如，Fe(C)固溶体。固溶体。Fe溶溶剂，C溶溶质3.1.1 固溶体固溶体的分固溶体的分类按溶按溶质原子原子在晶格中的位置在晶格中的位置：置置换固溶体：固溶体：间隙固溶体：隙固溶体：按溶按溶质原子原子在固溶体中的溶解度（固溶度）在固溶体中的溶解度（固溶度）：有限固溶体有限固溶体：溶：溶质含量超含量超过其其固溶度，固溶度，则有其它相形成。有其它相形成。无限固溶体无限固溶体：溶：溶质可以任意比
4、例溶入溶可以任意比例溶入溶剂中，即固溶度可达中，即固溶度可达100%。只能。只能是是置置换固溶体固溶体。按溶按溶质原子原子在固溶体中的分布状在固溶体中的分布状态：无序固溶体无序固溶体：溶：溶质在晶格中随机分布。在晶格中随机分布。有序固溶体有序固溶体：溶：溶质原子和溶原子和溶剂原子各占据晶体原子各占据晶体结构一定位置而构一定位置而规则排列。排列。3.1.1 固溶体固溶体固溶体类型型ZXY间隙原子隙原子间隙固溶体置换固溶体置置换原子原子YXZ形成无限固溶体形成无限固溶体时两两组元元连续置置换示意示意图固溶体中溶固溶体中溶质原子分布示意原子分布示意图（a)完全无序完全无序(b)偏聚偏聚(c）部分有序
5、）部分有序(d)完全有序完全有序固溶体的性能：固溶体的性能：形成固溶体后溶形成固溶体后溶剂晶体晶体结构的构的变化：化：造成局部造成局部晶格畸晶格畸变。形成固溶体后性能的形成固溶体后性能的变化：化：强度、硬度度、硬度随溶随溶质原子原子浓度升高而度升高而明明显增加增加，塑、塑、韧性性稍有稍有下降下降的的现象。象。正常晶格正常晶格大原子置大原子置换引起的晶格畸引起的晶格畸变固溶固溶强化化3.1.1 固溶体Cu-Ni固溶体的力学性能与成分的关系固溶体的力学性能与成分的关系化合物化合物类型：型：金属金属间化合物化合物：合金：合金组元形成的元形成的晶格晶格类型型与任一与任一组元元都不相同都不相同的的新相新
6、相。正常价化合物正常价化合物 按化合价按化合价规律形成，可用确定的分子式表示其成分。律形成，可用确定的分子式表示其成分。组元元电负性相差性相差较大具有离子大具有离子键，电负性相近具有金属性相近具有金属键。如：。如：Mg2Si。间隙化合物隙化合物 过渡金属渡金属+小半径非金属元素小半径非金属元素电子化合物子化合物 按按电子子浓度度规律形成，不遵守化合价律形成，不遵守化合价规律，律，虽可用可用化学式表示，但成分在一定范化学式表示，但成分在一定范围内内变化，金属化，金属键结合。合。如：如：Cu3Al。电子子浓度：化合物中价度：化合物中价电子数与原子数的比子数与原子数的比值。间隙相隙相 r非非/r金金
7、 0.59，简单结构构，如：，如：WC、TiC、VC复复杂结构的构的间隙化合物隙化合物 r非非/r金金 0.59，如：，如：Fe3C、Cr23C6间隙化合物的隙化合物的性能性能：熔点高熔点高、硬度高，脆性大。、硬度高，脆性大。3.1.2 金属化合物间隙化合物的晶体隙化合物的晶体结构构（a）VC的的结构构（b）Fe1C的的结构构 纯金属与碳化物的硬度及熔点金属与碳化物的硬度及熔点纯金属金属TiNbZrVMoWCr-Fe硬度硬度（HV）23030030014035040022080碳化物碳化物TiCNbCZrCVCMo2CWCCr23C6Fe3C硬度硬度（HV）320020552840209414
8、8017301650860熔点熔点（）314034803350283024102755158016503.2.1 二元合金相二元合金相图的建立的建立3.2.2 匀晶相匀晶相图3.2.3 共晶相共晶相图3.2.4 包晶相包晶相图3.2.5 共析相共析相图3.2.6 组元元间形成形成稳定化合物的相定化合物的相图3.2 合金的相图与结晶二元相二元相图表示方法表示方法合金相合金相图：表示合金系在：表示合金系在平衡条件下平衡条件下，不同，不同压力力、温度温度、成分成分时的各的各相相关系关系的的图解解。平衡平衡：合金系中各相：合金系中各相成分成分与相与相质量比量比不再随不再随时间变化化的一种状的一种状态。
9、相相图平衡平衡图状状态图。平衡条件平衡条件：极极缓慢冷却慢冷却条件。条件。常常压下下，横坐，横坐标成分，成分，纵坐坐标温度。温度。3.2.1 二元合金相图的建立相相图的的测定方法：定方法：热分析法、膨分析法、膨胀法、法、电阻法、磁性法等。阻法、磁性法等。热分析法分析法测Cu-Ni合金相合金相图：1、配制系列配制系列成分的成分的Cu-Ni合金合金。2、测出合金的出合金的冷却曲冷却曲线，找出各冷却曲，找出各冷却曲线上的上的临界点温度界点温度。3、画出、画出温度温度成分成分坐坐标系，在各合金成分垂系，在各合金成分垂线上上标出出临界点温度。界点温度。4、将、将具有相同意具有相同意义的的点点连接成接成线
10、，标明各区域内所存在的相。明各区域内所存在的相。3.2.1 二元合金相图的建立合金合金：纯Cu 合金合金：75%Cu+25%Ni 合金合金：50%Cu+50%Ni 合金合金：25%Cu+75%Ni 合金合金：纯Ni建立建立Cu-Nj相相图的示意的示意图二元合金相二元合金相图的使用的使用由相由相图确定确定某成分某成分合金合金某温度某温度时存在的存在的相相；由相由相图确定确定给定合金定合金的的相相变温度温度；由相由相图确定确定某成分某成分合金在合金在某一温度某一温度下下两平衡相的成分两平衡相的成分和和相相对质量量。成分确定方法：成分确定方法：过该温度温度作水平作水平线，与相区两，与相区两侧分界分界
11、线的的交点的横交点的横坐坐标。相相对质量确定方法：杠杆定律。量确定方法：杠杆定律。3.2.1 二元合金相图的建立杠杆定律杠杆定律CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+12acba1b1c1T1T21.在两相区内，在两相区内，对应每一每一确定的温度，两相的成分确定的温度，两相的成分是确定的。是确定的。2.随着温度的降低，两相随着温度的降低，两相的成分分的成分分别沿液相沿液相线和固和固相相线变化。化。杠杆定律杠杆定律：在两相区内，在两相区内，对应每每一确定的温度一确定的温度T1，两相两相质量的比量的比值是确定的。即是确定的
12、。即QL/Q =b1c1/a1b1杠杆定律推杠杆定律推论：在两相区内，在两相区内，对应温度温度T1时两相在合金两相在合金b中的相中的相对质量各量各为QL/QH=b1c1/a1c1Q /QH=a1b1/a1c1=1-QL/QH注意注意：杠杆定律适用于：杠杆定律适用于平衡平衡结晶晶时的的两相区两相区。杠杆定律的力学比杠杆定律的力学比喻QLa1b1=Q b1c1QL/Q =b1c1/a1b13.2.1 二元合金相图的建立QLQa1b1c1匀晶系：两匀晶系：两组元在液元在液态和固和固态都无限互溶的合金系。都无限互溶的合金系。匀晶相匀晶相图：匀晶系合金的相：匀晶系合金的相图。匀晶匀晶转变：从液相中：从液
13、相中结晶出晶出单相固溶体的相固溶体的转变。3.2.2匀晶相图匀晶相匀晶相图铜-镍合金匀晶相合金匀晶相图分析分析 CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+纯铜熔点熔点纯镍熔点熔点液相液相线固相固相线液相区液相区固相区固相区液固两相区液固两相区匀晶合金的平衡匀晶合金的平衡结晶晶过程程abcdT,CtL L L匀晶转变 L 冷却曲冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+匀晶合金与匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，金属不同，它没有一个恒定的
14、熔点，而是在液、固相而是在液、固相线划定的温度区划定的温度区间内内进行行结晶。晶。3.2.3 共晶相共晶相图PbSnSn%T,C铅-锡合金共晶相合金共晶相图分析分析液相液相线L固相固相线+L+L+固溶固溶线 固溶固溶线共晶共晶转变分析分析PbSnT,CL+L+L+共晶反共晶反应线表示从表示从M点到点到N点范点范围的的合金，在合金，在该温度上都要温度上都要发生不同程度的共晶反生不同程度的共晶反应。MN共晶点共晶点表示表示E点成分的合金冷点成分的合金冷却到此温度上却到此温度上发生完全生完全的共晶的共晶转变。ELE M+N共晶反共晶反应要点要点PbSnT,CL+L+L+183MNE共晶转变在恒温下进
15、行。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。X1合金合金结晶晶过程分析程分析ceFGX1T,CtL L LL+冷却曲冷却曲线 +1234PbSnT,CL+L+L+183MNE含含锡量量为10的的Pb-Sn合金平衡合金平衡结晶晶过程程X1合金合金结晶特点晶特点T,CtL L LL+冷却曲冷却曲线 +1.没有共晶反没有共晶反应过程，程，而是而是经过匀晶反匀晶反应形成形成单相相 固相。固相。2.要要经过脱溶反脱溶反应，室温室温 组织组成物成物为 +组织组成物成物组织中，由一定的相构成的，中，由一定的相构成的，具有一
16、定形具有一定形态特征的特征的组成部分。成部分。X2合金合金结晶晶过程分析程分析（共晶合金共晶合金）X2T,CtL(+)L(+)LL(+)共晶体冷却曲冷却曲线(+)PbSnT,CL+L+L+183MNE铅锡共晶合金的共晶合金的显微微组织 共晶组织中两相的相对含量为：Pb-Sn合金相合金相图3.2.3 共晶相图X3合金合金结晶晶过程分析程分析（亚共晶合金共晶合金）X3T,CtLL+(+)+12(+)+PbSnT,CL +L L+L+183MNEL+(+)+亚共晶合金的平衡共晶合金的平衡结晶晶过程程(+)+IIWSn50%的的Pb-Sn合金的合金的显微微组织 500(+)+过共晶共晶合金（合金（VI
17、合金）合金）组织+II+(+)II(+)WSn70%的的Pb-Sn合金的合金的显微微组织 500标注了注了组织组成物的成物的Pb-Sn相相图MENAGFB40相相图分析分析Pt-Ag合金相合金相图单相区相区：L，两相区两相区：L+，L+，+三相区三相区：PDC包晶转变：LC+P D液相液相线：ACB 固相固相线：APDB 固溶固溶线：PE、DF 包晶包晶线：PDC3.2.4 包晶相图典型合金的平衡典型合金的平衡结晶晶过程程I合金合金 组织 +II 1186 时，液相与液相与相的相相的相对质量：量：合金合金I的平的平衡衡结晶晶过程程42II合金合金 组织：+II+IIIII合金合金 组织：+II
18、合金合金的平的平衡衡结晶晶过程程合金合金的平的平衡衡结晶晶过程程3.2.5 共析相共析相图共析转变共析转变：(+)共析共析体体ABT,C+cedL+L稳定定化化合合物物：指指具具有有一一定定的的熔熔点点，在在熔熔点点以以下下，保保持持自自己己固固有有的的结构构而而不不发生生分分解解，当当温温度度达达到到熔熔点点时，化化合合物物发生生熔熔解解，熔熔解解时所所生生成成的的熔熔体体与与化化合合物物成成分分完完全全一致一致。Mg-Si相相图Mg-Mg2Si和和Mg2Si-Si两个共晶相两个共晶相图并列而成。并列而成。3.2.6 形成化合物的二元相图稳定化合物可以溶解其他组元，构成以化合物为基的固溶体，
19、相图中部的垂线将变为一个相区。Cd-Sb相相图 单相固溶体相固溶体：性能与成分呈性能与成分呈曲曲线关系。溶关系。溶质浓度度 强度、硬度度、硬度 两相混合物两相混合物：性能与成分呈性能与成分呈直直线关系。关系。组织越越细密，密，强度越高，十分度越高，十分细密密时偏离直偏离直线，出，出现峰峰值化合物化合物：对应化合物的曲化合物的曲线上出上出现奇异奇异点点 3.3 合金性能与相图的关系铸造性能：造性能：液固相液固相线距离愈小距离愈小，结晶温度范晶温度范围愈小愈小，则流流动性好，不易形成性好，不易形成分散分散缩孔，孔，铸造性能好造性能好。共晶成分共晶成分的合金的合金铸造性能最好。造性能最好。锻造、造、轧制性能：制性能：单相固溶体相固溶体合金，合金，变形抗力小，形抗力小，变形均匀，不易形均匀，不易开裂，开裂，锻造、造、轧制性能最好。制性能最好。3.3 合金的工艺性能与相图的关系