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1、第二章第二章 二元合金相图及结晶二元合金相图及结晶主要内容：主要内容：合金、相图等相关概念，以及合金的类型；三种基本相图、及其平衡结晶过程分析，形成合金的显微组织及杠杆定律；合金的结晶过程思考思考第二章 二元合金的相结构与相图1.1.纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差，纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差，如何改善？如何改善？2.2.合金的结晶过程是否与纯金属的结晶过程合金的结晶过程是否与纯金属的结晶过程相同？相同？3.3.相同成分不同含量的合金的结晶过程是否相相同成分不同含量的合金的结晶过程是否相同？怎样表示？同？怎样表示？第二章 二元合金的相结构与相图第二章 二元合金的相结构与相图合金：
2、合金：由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元素，也可以是非金属元素）组成的有金属特征金属特征的金属材料。思考思考金属与非金属组成的是不是一定就是合金？金属与非金属组成的是不是一定就是合金？Fe+CFe(C)合金（钢）Fe3C(化合物）2.1 基本概念组元：组元：组成合金独立的最基本单元。组元可以是元素元素或是稳定化合物稳定化合物。Fe(C)合金Fe、C组元Fe、Fe3C组元类比鸡蛋鸡蛋水，蛋白质，脂肪，胆固醇水，蛋白质，脂肪，胆固醇2.1 基本概念相：相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相。类比类比鸡蛋鸡蛋蛋白、蛋黄
3、工业纯铁单相铁素体共析碳钢铁素体相、渗碳体相普通陶瓷晶相、玻璃相、气相2.1 基本概念组织：组织：用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像的统称（宏观组织、微观组织）。组织是影响材料性能的重要因素。相是组织的基本组成部分相同的相，但当组成相的数量、大小、形态和分布不同时，其组织也不同！不同的相构成不同的组织！2.1 基本概念固溶体固溶体：固溶体：溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相称为固溶体固溶体。“固体溶液”按固态溶解度分：按固态溶解度分：有限固溶体有限固溶体：间隙固溶体只能是有限固溶体无限固溶体无限固溶体：无限固溶体只能是置换固溶体形成无限固溶体的必备条件：形成无限固溶体的必备条件：置换固溶体
4、组元点阵相同原子尺寸相差不大负电性相同2.1 基本概念2.2.固溶体的性能固溶体的性能正常晶格正常晶格大原子置换引起的晶格畸变大原子置换引起的晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变2.1 基本概念金属间化合物：金属间化合物：两组元形成合金时，当超过固溶体的溶解极限时，形成的一种晶体结构不同于任一组元的新相，称为金属间化合物，金属间化合物，也称中间相中间相。晶体结构不同于任一组元金属性能不同于任一组元金属一般具有较高的熔点、硬度，较大的脆性1.1.特点特点正常价化合物电子化合物间隙相和间隙化合物2.2.分类分类2.1 基本概念返回返回
5、2.2 二元合金相图相图相图相图相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和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，也称为平衡图或相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。是合金体系中材料的状态与温度、成分间状态图。是合金体系中材料的状态与温度、成分间关系的简明图解。关系的简明图解。平衡平衡平衡平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过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质量分数不再变化所达到一种程的各相的成分和质量分数不再变化所达到一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。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的条件下的
6、结晶过程，一般合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。可以认为是平衡的结晶过程。2.2.1 相图的建立相图的建立 2.2.2 相图的使用相图的使用 2.2.3 典型相图分析典型相图分析 2.2.4 性能与相图的关系性能与相图的关系2.2 二元合金相图成分温度表象点2.2.1 相图的建立2.2.1 相图的建立时间温度温度成分热分析法建立热分析法建立Cu-Ni相图相图固相线固相线液相线液相线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+纯铜纯铜熔点熔点纯镍纯镍熔点熔点液相线液相线固相线固相线液相区液相区
7、固相区固相区液固两相区液固两相区2.2.1 相图的建立返回返回由相图某成分合金在某温度时的相由相图某成分合金在某温度时的相由相图确定给定合金的相变温度由相图确定给定合金的相变温度由相图某成分合金在某温度时的两个平由相图某成分合金在某温度时的两个平衡相的成分和相对质量衡相的成分和相对质量杠杆定律杠杆定律2.2.2 相图的使用2.2.2 相图的使用2.2.2 相图的使用设合金的质量为Q合金,其中Ni质量分数为b%,在T1温度时,L相中的Ni质量分数为a%,相中的Ni质量分数为c%。2.2.2 相图的使用合金中含合金中含NiNi的总质量的总质量=L=L相中含相中含NiNi的质量的质量+相中含相中含N
8、iNi的质量的质量 因为因为所以化简后得 质量分数质量分数 2.2.2 相图的使用返回返回1 1匀晶相图匀晶相图2 2共晶相图共晶相图3 3包晶相图包晶相图 4.4.共析相图共析相图2.2.3 典型相图分析CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+匀晶相图abcdT,CtL L L匀晶转变 L 冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的
9、温区内进行结晶。而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。匀晶合金的结晶过程匀晶合金的结晶过程匀晶相图3.固溶体的不平衡结晶固溶体的不平衡结晶1)1)工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较快，在每一温度下不能保持足够的扩散时快，在每一温度下不能保持足够的扩散时间，使凝固过程偏离平衡条件，称为非平间，使凝固过程偏离平衡条件，称为非平衡凝固衡凝固(结晶结晶)。2)2)非平衡凝固非平衡凝固(结晶结晶)得到的组织称为不平衡得到的组织称为不平衡组织。组织。匀晶相图 固溶体结晶时成分是变化的（固相线和液相线），如冷却较快，固溶体结晶时成分是变化的（固相线和液相线），如冷却较快
10、，原子扩散不能充分进行，则会形成成分不均匀的固溶体。固溶体一般都原子扩散不能充分进行，则会形成成分不均匀的固溶体。固溶体一般都以枝晶状方式结晶，使得一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元以枝晶状方式结晶，使得一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒内较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶偏析枝晶偏析。枝晶偏析的合金对合金的力学性能影响较大。容易导致合金塑性韧性枝晶偏析的合金对合金的力学性能影响较大。容易导致合金塑性韧性下降；易引起晶间腐蚀，降
11、低合金的抗蚀性能。下降；易引起晶间腐蚀，降低合金的抗蚀性能。消除枝晶偏析的方法采用消除枝晶偏析的方法采用扩散退火扩散退火。匀晶相图匀晶相图偏析实例通过对非平衡凝固分析得到如下结论：(1)固相、液相的平均成分分别与固相线、液相线不同，固相、液相的平均成分分别与固相线、液相线不同，有一定的偏离（固相成分按平均成分线变化），其偏离有一定的偏离（固相成分按平均成分线变化），其偏离程度与冷却速度有关。冷却速度越大，其偏离程度越严程度与冷却速度有关。冷却速度越大，其偏离程度越严重；冷却速度越小，偏离程度越小，越接近于平衡条件。重；冷却速度越小，偏离程度越小，越接近于平衡条件。(2)先结晶部分含有较多的高熔
12、点组元先结晶部分含有较多的高熔点组元(Ni)，后结晶部分后结晶部分含有较多的低熔点组元含有较多的低熔点组元(Cu)。(3)非非平平衡衡结结晶晶条条件件下下，凝凝固固的的终终结结温温度度低低于于平平衡衡结结晶晶时时的的终止温度。终止温度。返回返回匀晶相图共晶相图共晶相图：共晶相图：液相组元无限互溶，固相组元有限溶解的合金系，当溶质超出固溶体溶解极限时，冷却过程中发生共晶转变，这类合金构成的相图称为共晶相图。共晶相图PbSnT,CL +L+L+共晶反应线共晶反应线表示从表示从M点到点到N点点范围的合金，在范围的合金，在该温度上都要发该温度上都要发生不同程度上的生不同程度上的共晶反应。共晶反应。ce
13、共晶点共晶点表示表示E点成分的合点成分的合金冷却到此温度金冷却到此温度上发生完全的共上发生完全的共晶转变。晶转变。dLE M+NABEMNFGPbSnT,CL +L+L+183ced1.共晶转变在恒温下进行。2.转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。3.存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。4.成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。共晶转变要点须知共晶相图共晶反应的产物，即两相的共晶反应的产物，即两相的机械混合物称机械混合物称共晶体共晶体或或共晶共晶组织组织。发生共晶反应的温度发生共晶反应的温度称称共晶温度。共晶温度。代表共晶温度代表共晶温度和共晶成分的点称和共晶成分的点称共晶点。
14、共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶体长大示意图共晶体长大示意图 Sn原子原子扩散扩散Pb原子原子扩散扩散具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共晶点以右的合金称晶点以右的合金称过共晶合金。过共晶合金。凡具有共晶线成分的合凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。时都将发生共晶反应。L+CDABcefgX1T,CtL L LL+冷却曲线冷却曲线 +1234PbSnT,CL +L+L+183ced共晶相图结晶过程分析（）共
15、晶相图T,CtL L LL+冷却曲线冷却曲线 +1.没有共晶反应过程，没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成而是经过匀晶反应形成单相单相 固相。固相。2.要经过二次析出反要经过二次析出反应，室温应，室温 组织组成组织组成物物为为 +组织组成物组织组成物 组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的组成部分。共晶相图X2T,CtL(+)L(+)LL(+)共晶体共晶体冷却曲线冷却曲线(+)PbSnT,CL +L+L+183ced共晶相图结晶过程分析（）共晶相图析出过程中两相相间形核、析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、而共晶组织较细，呈片、棒、
16、点球等形状。棒、点球等形状。共晶组织形态共晶组织形态层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶相图X3T,CtLL+(+)+12(+)+PbSnT,CL +L+L+183cedL+(+)+共晶相图结晶过程分析（）共晶相图共晶相图Pb-Sn合金的结晶过程合金的结晶过程组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。和和,和和,共晶体共晶体(+)都是组织都是组织组成物。组成物。相与相之间的相与相之间的差别主要在
17、结差别主要在结构和成分上。构和成分上。Pb-Sn亚共晶组织亚共晶组织组织组成物之间的差别主要在形态上。如组织组成物之间的差别主要在形态上。如 、和共晶和共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。组成物。将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。察到的组织一致。组织组成物组织组成物在相图上的在相图上的标注标注包晶相图包晶相图：包晶相图：液相组元无限互溶，固相组元有限溶解的合金系，当溶质超出固溶体溶解极限时，冷却过程中发生包晶
18、转变，这类合金构成的相图称为包晶相图。一种液相与一种固相反应生成另一种固相的转变过程称为包晶转变L+合金的结晶过程合金的结晶过程 包晶成分合金包晶成分合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出二次析出。室温组织为室温组织为+II包晶转变包晶转变：LC+P DPtAgAg%T,CL +L+L+cefgT,CtLL+L+ABCPDEF包晶相图 PD成分成分合金合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出二次析出。室温组织为室温组织为 +II+II时间温度 DC成分成分合金合金：匀晶匀晶包晶包晶匀晶匀晶二次析出二次析出室温组织为室温组织为+II。时间温度返回返回包晶相图形成稳定化合物的二元相图形成稳定化合物的二元相图稳定化合
19、物是指在熔化前不发生分解的化合物稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(如如Mg-SiMg-Si系的系的MgMg2 2SiSi和和Fe-CFe-C系的系的FeFe3 3C)C)。其成分固定，在相图中是一条垂线。其成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单相区代表一个单相区)。垂足是其。垂足是其 成分成分,顶点是其熔点顶点是其熔点,结结晶过程同纯金属晶过程同纯金属.分析这类相图时，可把稳分析这类相图时，可把稳定化合物当作纯组元看待，定化合物当作纯组元看待，将相图分成几个部分进行将相图分成几个部分进行分析分析.Mg2SiMg2Si+SiMg+Mg2SiSiL+Mg2SiL+SiL+Mg2SiL+M
20、g共共析析转转变变也也是是固固态相变。态相变。最最常常见见的的共共析析转转变变是是铁铁碳碳合合金金中中的的珠珠光光体体转转变变:S P+Fe3C。具有共析反应的二元相图具有共析反应的二元相图l共共析析反反应应(共共析析转转变变)是是指指在在一一定定温温度度下下，由由一一定定成成分分的的固固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。PS(奥氏体，奥氏体，铁素体，铁素体，FeFe3 3CC渗碳体渗碳体)共共共共析析析析相相相相图图图图与与与与共共共共晶晶晶晶相相相相图图图图相相相相似似似似，对对对对应应应应的的的的有有有有共共共共析析析析线线线
21、线(PSK(PSK(PSK(PSK线线线线)、共共共共析析析析点点点点(S(S(S(S点点点点)、共共共共析析析析温温温温度、共析成分、共析合度、共析成分、共析合度、共析成分、共析合度、共析成分、共析合金金金金(共共共共析析析析成成成成分分分分合合合合金金金金)、亚亚亚亚共共共共析析析析合合合合金金金金(共共共共析析析析线线线线上上上上共共共共析析析析点点点点以以以以左左左左的的的的合合合合金金金金)、过过过过共共共共析析析析合合合合金金金金(共共共共析析析析线线线线上上上上共共共共析析析析点点点点以以以以右右右右的的的的合合合合金金金金)。铁碳合金相图铁碳合金相图共析反应的产物是共析体（铁碳
22、合金中的共析体称珠共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体光体），），也是两相的机械混合物（铁素体也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体渗碳体)。l与共晶反应不同的是，与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，共析反应的母相是固相，而不是液相。而不是液相。l另外，由于固态转变过另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织冷度大，因而共析组织比共晶组织细。比共晶组织细。珠光体珠光体恒温下由一个固相同时恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同析出两个成分结构不同的新固相。的新固相。+共析反应共析反应恒温下由一个液相包着恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新一个固相生成另一个新的固相。的固相。
23、L+包晶反应包晶反应恒温下由一个液相同时恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不结晶出两个成分结构不同的新固相。同的新固相。L L +共晶反应共晶反应说明说明反应式反应式图形特征图形特征反应名称反应名称常见三相等温水平线上的反应常见三相等温水平线上的反应相图与合金性能之间的关系相图与合金性能之间的关系 相图与合金力学性能、物理相图与合金力学性能、物理性能的关系性能的关系 两相机械混合物的合金两相机械混合物的合金:性能性能与合金成分呈直线关系，是两与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如：相性能的算术平均值，如：混混=Q Q +Q Q HBHB混混=HB=HB Q Q +HB+HB Q
24、Q(Q Q 、Q Q为两相相对重量为两相相对重量)单相固溶体的合金：单相固溶体的合金：性能随成分呈曲线变化，随溶质性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，含量增加，、HBHB、增加，塑增加，塑性下降。性下降。形成稳定化合物的合金：形成稳定化合物的合金：性能性能-成分曲线出现拐点。成分曲线出现拐点。相图与铸造性能的相图与铸造性能的关系关系 l固溶体合金固溶体合金液固相线液固相线间距越大、偏析倾向大间距越大、偏析倾向大,树枝晶发达树枝晶发达,流动性降流动性降低低,补缩能力下降补缩能力下降,分分散缩孔增加散缩孔增加.l共晶合金共晶合金结晶温度低，结晶温度低，流动性好，缩孔集中，流动性好，缩孔集中，偏析
25、小，偏析小，铸造性能好。铸造性能好。1.合金的使用性能与相图的关系合金的使用性能与相图的关系 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关。溶质的溶入量越多，晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高，电阻越大。两相组织合金的力学性能和物理性能与成分呈直线关系变化。2.2.4 性能与相图的关系2.2.合金的工艺性能与相图的关系合金的工艺性能与相图的关系 铸造性能液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。共晶合金熔点低，且恒温转变，熔液流动性好，凝固后容易形成集中缩孔，合金致密。固溶体合金的流动性差，且液固相线
26、间隔越大，结晶温度范围大，树枝晶易粗大，妨碍流动性，导致分散缩孔多，合金不致密，且偏析严重，易形成成分的偏析。锻造、轧制性能单相固溶体合金，变形抗力小，变形均匀，不易开裂。2.2.4 性能与相图的关系The End本章思考题本章思考题1 1 简述合金相的分类，固溶体与纯金属相比，有何结构、性简述合金相的分类，固溶体与纯金属相比，有何结构、性能特点？能特点？2 2 固溶体与纯金属的结晶有何异同？固溶体与纯金属的结晶有何异同？3 3 试述晶系不平衡结晶的过程（平均成分线的形成、两种偏试述晶系不平衡结晶的过程（平均成分线的形成、两种偏析）析）4 4 分析匀晶系合金典型的不平衡结晶组织及其形成原因。分析匀晶系合金典型的不平衡结晶组织及其形成原因。5 5 分析两种合金平衡冷却过程，指出其室温组织。分析两种合金平衡冷却过程，指出其室温组织。固溶体类型固溶体类型ZXY间隙原子间隙原子间间隙隙固固溶溶体体置置换换固固溶溶体体置换原子置换原子YXZ