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1、1.合金：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。2.组元：组成合金的独立的、最基本单元。组元可以是金属、非金属或稳定化合物。组元可以是金属、非金属或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金。由两个组元组成的合金称为二元合金。3.合金系：由若干给定组元按不同比例配出的一系列成份不同的合金，这一系列合金构成一个合金系统，简称合金系。例如，黄铜是铜和锌组成的二元合金系，铁和碳组成的一系列不同成份的合例如，黄铜是铜和锌组成的二元合金系，铁和碳组成的一系列不同成份的合金，称为铁碳合金系。金，称为铁碳合金系。3.1 合金的晶体结构(基本概念)第1页
2、/共52页4.相：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。5.组织：指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。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。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。第2页/共52页各种显微组织第3页/共52页1.固溶体 合金在固态下的相结构 2.金属化合物 合金组元通过溶解形成的一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般含量较多；另一组元为溶质，含量较少。分类 置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格的某些结点间隙固溶体溶质原子处于溶剂晶格的间隙中有限固溶体溶解度
3、有一定限度-有限互溶无限固溶体溶解度无一定限度-无限互溶有序固溶体 无序固溶体 3.1.2 合金的相结构第4页/共52页置换固溶体间隙固溶体1.固溶体第5页/共52页固溶体强化：固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。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，使金属的滑移变形更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。第6页/共52页位错引起的应力场变化在溶质含量适当时，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。固溶体综合机械性能好。固溶体相的用途：作为合金结构的基体相使用第7页/共52页2.金属化合物相合金组元
4、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。基本特征有金属性质；晶体结构不同于任何组元；成分固定或小有变化，有一定成分比例，可用分子式表示。分类正常价化合物；电子化合物；间隙化合物等。vHere we see the Carbon atom(in red)fitting in between the larger iron atoms thus forming a lattice structure which will form the intermetallic compound Cementite.Fe3C第8页/共52页金属化合物相的性能：金属化合物一般熔点高、硬度高、脆性大
5、。弥散强化（第二相强化）：当金属化合物以细小颗粒均布于固溶体上，可使合金的强度，硬度，耐磨性。而塑性和韧性降低。金属化合物相的用途：作为合金的强化相使用第9页/共52页3.机械混合物合金各组元按照一定的重量比例以混合方式构成机械混合物。机械混合物可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。工业用合金的组织：固溶体相基体+少量金属化合物（一种或几种）=机械混合物有异质原子溶入，导致晶格畸变固溶强化弥散强化可能出现多相组织-如果金属化合物有合理分布、大小、数量、形态结论：合金的力学性能一般优于纯金属调整合金性能的途径：改善固溶体溶解度和改变化合物形状、数量、大小、分布第10
6、页/共52页 3.2.1 3.2.1 合金结晶的过程及形成物合金结晶的过程及形成物合金结晶时可以形成固溶体、化合物或机械混合物。它的结晶过程也是形成晶核和晶核长大的过程，也存在过冷现象，需要一定的过冷度，最后形成由许多晶粒组成的晶体。3.2 合金的结晶第11页/共52页3.2.2 合金结晶的冷却曲线纯金属的冷却曲线纯金属的结晶特征：“平台”结晶合金的冷却曲线合金的结晶特征：变温结晶第12页/共52页如何更好的表达合金的冷却过程及其组织变化？相图 合金系不同成分合金的冷却曲线，表达了：成分组织温度之间的关系。第13页/共52页相图：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图示。
7、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的条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡结晶过程。在常压下，二元合金的相状态决定于温度和成分。二元合金相图可以用温度成分坐标系的平面图来表示。3.3 二元合金相图第14页/共52页相图的作用合金结晶之后既可获得单相的固溶体组织，也可得到单相的化合物组织，也可能是由二者组成的多相组织。某一定成分的合金在某一温度下会形成什么样的组织呢？成分（温度）决定组织，组织决定性能相图的作用第15页/共52页（1）热分析法测冷却曲线3.3.1 相图的建立第16页/共
8、52页纯金属的结晶过程，可以用热分析法通过测定它的冷却曲线来研究。纯金属结晶过程只需用一个坐标轴就能反映。第17页/共52页二元合金的结晶过程，也可以用热分析法，通过测定它的冷却曲线来研究。但二元合金由两个组元组成，必须用两个坐标轴表示。第18页/共52页（2）由冷却曲线建立相图（以Cu-Ni合金为例）时间 温度 10 305585NiCu温度Ni%第19页/共52页二元合金相图的建立 铜-镍合金相图第20页/共52页3.3.2 基本相图两组元在固态时形成无限固溶体，且液态时又能完全互溶的合金相图称为二元匀晶相图。如Cu-Ni；W-Mo；Fe-Ni；Fe-Cr等合金的相图均是二元匀晶相图。3.
9、3.2.1 二元匀晶相图 相图分析基本方法：1.掌握相图中各点、线、区的意义。2.典型结晶过程分析（冷却曲线表达、显微组织表达等）第21页/共52页相图中的点线区第22页/共52页How to find the point of full solidification for 40%Copper and 60%Nickel.第23页/共52页i 过指定温度T1作水平线，分别交液相线和固相线于L1(q)点和a1(m)点，则L1点和a1点在成分轴上投影点即相应为L相和相的成分。第24页/共52页两相区L+单相区 L单相区 液相线固相线L L+t1:L1 1t2:L2 2t3:L3 3已结晶的固相成
10、分不断沿固相线变化，剩余液相不断沿液相线变化。1.结晶过程：第25页/共52页2.枝晶偏析随着温度下降，液相成分沿着液相线变化，固相成分沿着固相线变化。到温度T2时，L相和相成分分别为L2和a2点在成分轴上投影。结晶过程容易形成枝晶偏析。第26页/共52页第27页/共52页第28页/共52页枝晶偏析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内化学成分的分布不均匀现象。可采取高温扩散退火进行消除，使固溶体成分均匀。Micro-segregation structure of Co-Cr alloy filmultra-high resolution
11、SEM 第29页/共52页低合金结构钢带状偏析低合金结构钢带状偏析镍基铸造合金化合物相析出造成的基镍基铸造合金化合物相析出造成的基体成分偏析体成分偏析第30页/共52页3.二元相图中的杠杆定理在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的。通过杠杆定理可以计算在某一温度下，两相的重量比。第31页/共52页第32页/共52页第33页/共52页合金的两组元在液态下无限互溶，在固态下有限溶解并发生共晶转变的相图。共晶反应：恒温下，液相中同时结晶出二个成分、结构不同的固相。共晶反应式：Ld (c+e)恒温转变产物：共晶体（共晶组织）两固相的机械混合物，一般具有较独特的形貌。3.3.2.2 二元共晶相图第3
12、4页/共52页共晶反应的冷却曲线同纯金属相同也出现结晶平台第35页/共52页相图绘制第36页/共52页第37页/共52页第38页/共52页hypereutectic hypoeutectic 第39页/共52页Pb-Sn相图的点、线、区第40页/共52页第41页/共52页第42页/共52页第43页/共52页第44页/共52页第45页/共52页第46页/共52页3.3.2.3 其他合金相图第47页/共52页3.4.1 相图与合金强度和硬度（力学性能）关系示意图3.4 合金的性能与相图之间的关系 第48页/共52页3.4.2 合金铸造性能与相图的关系第49页/共52页小资料三峡工程水轮机是目前世界
13、上装机容量最大的发电机组，包括左岸、右岸及地下共26台700MW级发电机组。由于我国在大型水轮机组铸件的制造方面与国外还存在差距，目前已经安装的三峡工程水轮机主要过流部件上冠、下环及叶片几乎全部依靠进口，国内只成功生产过一件上冠、两片叶片。这次由鞍钢重机公司制造的三峡右岸机组转轮下环最大直径10520毫米，高度1927.9毫米，主体厚度110毫米，净重58.7吨，毛重102吨，一次性需要浇注钢水量185吨。该产品属于薄壁环形铸件，铸造困难，热处理极易出现变形。第50页/共52页本章小结本章小结2.在掌握纯金属冷却曲线的基础上，掌握合金的冷却特点，相图建立和分析：匀晶相图、共晶相图；枝晶偏析、杠杆定理、共晶反应。1.在掌握纯金属结构的基础上掌握合金的相结构及其组织：固溶体相、化合物相、机械混合物。第51页/共52页感谢您的观看！第52页/共52页