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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基本概
2、念基本概念二元合金二元合金相图相图合金：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
3、两个不同的相。类比类比鸡蛋鸡蛋蛋白、蛋黄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：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。“固体溶液固体溶液”均一的、保持熔剂金属的晶体结构晶格常数发生一定变化1.1.晶体结构特点晶体结构特点2.1 基本概念2.2.固溶体的分类固溶体的分类 按溶质原子所占据
4、的位置按溶质原子所占据的位置置换固溶体置换固溶体：溶质原子一般为半径相差不大的原子间隙固溶体间隙固溶体：溶质原子半径小的非金属原子（H、O、N、C、B）2.1 基本概念 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：置换固溶体组元点阵相同原子尺寸相差不大负电性相同 按溶质原子在晶格中的分布状态分：按溶质原子在晶格中的分布状态分：有序固溶体、无序固溶体2.1 基本概念3.3.固溶体的性能固溶体的性能固溶强化：固溶强化：固溶体的强度、硬度随溶质原子浓度升高而明显增加
5、，塑性、韧性稍有下降，这种现象称为。金属材料重要的强化强化方式之一，固溶体具有良好的综合机械性能（强硬度、塑韧性的综合），一般作为合金的基体相基体相。2.1 基本概念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
6、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
7、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,C20406080100100011001200130014001500108314
8、55L 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
9、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NiNi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
10、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
11、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，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
12、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。
13、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。从一个液相中同时析出两个固相L +PbSnSn%T,C液相线液相线L固相线固相线 +L+L+固溶线固溶线 固溶线
14、固溶线共晶相图ABEMNFG共晶相图简介共晶相图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
15、图cefgX1T,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（）共晶相图共晶相图X
16、3T,CtLL+(+)+12(+)+PbSnT,CL +L+L+183cedL+(+)+共晶相图结晶过程分析（）共晶相图共晶相图返回返回标注了组织组成物的相图标注了组织组成物的相图共晶相图包晶相图包晶相图：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+PtAg%T,CL +L+L+cedfg包晶相图简介ABCP三个单相区：三个单相区：L、三个两相区：三个两相区：L+、L+、+一个三相区：一个三相区：PDCDEF包晶相图包晶转变包晶转变：LC+
17、P DPtAgAg%T,CL +L+L+cefgT,CtLL+L+ABCPDEF包晶相图返回返回包晶相图共析转变共析转变：(+)共析共析体体ABT,C +cedL+L返回返回共析相图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.合金的工艺性能与合金的工艺性能与相图相图的关系的关系 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
18、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 EndThe 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