机械2010工程材料3.ppt

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1、 第三章第三章 二元合金及其相图二元合金及其相图n1.合金合金 一种金属元素与另外一种一种金属元素与另外一种或几种金属或非金属元素相互溶合而形或几种金属或非金属元素相互溶合而形成的具有金属特性的物质。成的具有金属特性的物质。n2.组元组元：n 组成合金的最基本的、能够独立存组成合金的最基本的、能够独立存在的物质叫做组元。在的物质叫做组元。它是组成合金的元它是组成合金的元素或稳定的化合物；例如：碳钢的组元素或稳定的化合物；例如：碳钢的组元是铁和碳，也可以认为是铁和金属化合是铁和碳，也可以认为是铁和金属化合物（物（Fe3C）。）。由两个组元由两个组元组成的合金，称组成的合金，称为为二元合金。二元合

2、金。3.二元合金二元合金合金举例合金举例：合金合金除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性,如如高强度高强度、高硬度高硬度、高耐磨性高耐磨性、强磁性强磁性、耐蚀性耐蚀性等。等。n碳钢（碳钢（carbon steel）：）：是铁与碳所组成的合金。是铁与碳所组成的合金。n白铜：主要是铜与镍所组成的合金。白铜：主要是铜与镍所组成的合金。n黄铜黄铜(brass)：是铜与锌等元素组成的合金。是铜与锌等元素组成的合金。在金属或合金中，凡是在金属或合金中，凡是具有相同成分，相同晶体结具有相同成

3、分，相同晶体结构并与其他部分有界面分开构并与其他部分有界面分开的均匀组成部分，称为的均匀组成部分，称为相相。相相第一节固态合金相的种类及特点n在固态下，物质可以是单相的，也可以是在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。多相的。n纯金属在固态时为一个相（固相），在熔点以上纯金属在固态时为一个相（固相），在熔点以上为另一个相（液相）。为另一个相（液相）。n合金中有两类基本相：合金中有两类基本相：固溶体固溶体和和金属化合金属化合物物。1.1 固溶体的分类：固溶体的分类：按溶质原子在溶剂晶格中的所占的位置，可将固溶体按溶质原子在溶剂晶格中的所占的位置，可将固溶体分为两大类：分为两大类：置换固溶体置

4、换固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。溶剂溶剂能够保持其原有晶格类能够保持其原有晶格类型并与固溶体晶格相同型并与固溶体晶格相同的组元称为的组元称为溶剂溶剂。溶质溶质失去原有晶格类型的组失去原有晶格类型的组元称为元称为溶质溶质，一般在合，一般在合金中含量较少。金中含量较少。+1、固溶体固溶体：在固态下，溶质原子可以不同方式进入溶剂金属在固态下，溶质原子可以不同方式进入溶剂金属组元的晶格中去，这样所形成的新相，称之为固溶体。组元的晶格中去，这样所形成的新相，称之为固溶体。固溶体固溶体一种固相一种固相1.1.1置换固溶体置换固溶体:溶质原子置换溶剂晶格结点上的溶溶质原子置换溶剂晶格结点上的溶剂原子而形成

5、的固溶体。如书剂原子而形成的固溶体。如书P34图图3-1a）所示；所示；根据溶质原子在溶剂晶格中分布是否有规律可根据溶质原子在溶剂晶格中分布是否有规律可将固溶体分为：将固溶体分为：有序固溶体有序固溶体和和无序固溶体无序固溶体。溶质原子有规则地占据溶剂结构中的溶质原子有规则地占据溶剂结构中的固定位置，溶质与溶剂原子数之比为一定固定位置，溶质与溶剂原子数之比为一定值时，所形成的固溶体称为值时，所形成的固溶体称为有序固溶体有序固溶体。否则为否则为无序固溶体无序固溶体。铜和金形成的铜和金形成的置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体溶质原子与溶剂原子直径溶质原子与溶剂原子直径之比应小于之比应小于059

6、方可。方可。溶质原子不是占据溶剂晶格的结溶质原子不是占据溶剂晶格的结点位置而是进入溶剂晶格的间隙点位置而是进入溶剂晶格的间隙时，所形成的固溶体时，所形成的固溶体。过渡族元素过渡族元素(溶剂溶剂)与尺寸较小的元素与尺寸较小的元素C、N、H、B等易形成间隙固溶体。等易形成间隙固溶体。溶质原子在间隙固溶体中的溶解度一般很溶质原子在间隙固溶体中的溶解度一般很小小,所以间隙固溶体都是所以间隙固溶体都是有限固溶体有限固溶体。溶质原子将使间隙固溶体发生畸变，溶质原子将使间隙固溶体发生畸变，其浓度越大，畸变越大。其浓度越大，畸变越大。溶质原子在间隙固溶体中溶质原子在间隙固溶体中的分布是随机的，的分布是随机的，

7、间隙固间隙固溶体都是溶体都是无序固镕体无序固镕体。-19碳在碳在 Fe中的间隙固中的间隙固溶体溶体（三）（三）固溶体中的溶解度固溶体中的溶解度C及其影响因素及其影响因素：C=溶质元素的重量（原子数）溶质元素的重量（原子数）/固溶体的总固溶体的总重量（总原子数）重量（总原子数）100%。当当C有一定限度时，这种固溶体叫做有限固有一定限度时，这种固溶体叫做有限固溶体溶体。当当C没有一定限度时，没有一定限度时，（即溶质元素与溶剂（即溶质元素与溶剂元素之间可以形成任何比例的固溶体元素之间可以形成任何比例的固溶体,固溶度达固溶度达100），），这种固溶体叫做无限固溶体。只有这种固溶体叫做无限固溶体。只有

8、当溶质元素与溶剂元素之间形成置换固溶体时，当溶质元素与溶剂元素之间形成置换固溶体时，才有可能形成无限固溶体；而形成间隙固溶体才有可能形成无限固溶体；而形成间隙固溶体时，只能是有限固溶体。时，只能是有限固溶体。晶体结构晶体结构：溶质与溶剂晶体结构相同的元素之溶质与溶剂晶体结构相同的元素之间具有较大的溶解度，可形成无限固溶体间具有较大的溶解度，可形成无限固溶体或有限固溶体。晶体结构不同的元素之间或有限固溶体。晶体结构不同的元素之间的溶解度较小，形成有限固溶体。的溶解度较小，形成有限固溶体。（例如，具有（例如，具有fcc晶格的晶格的Mn、Cu、Ni等在等在fcc的的-Fe中的溶解度较大，而在具有中的

9、溶解度较大，而在具有bcc的的-Fe中的溶解度较小。）中的溶解度较小。）影响固溶体溶解度的因素影响固溶体溶解度的因素：原子大小因素原子大小因素：当溶质与溶剂的原子直：当溶质与溶剂的原子直径差别（径差别（d=d溶剂溶剂-d溶质溶质）小时，易形成置小时，易形成置置换固溶体，而且差别越小，置换固溶体，而且差别越小，C越大，当差越大，当差别小到一定程度时，别小到一定程度时，C。当当d14%-15%时，可形成无限固溶体。时，可形成无限固溶体。例如，以铁例如，以铁为基的固溶体此差别为基的固溶体此差别8%时，时，C。反之，当差别大时，易形成间隙固溶体。反之，当差别大时，易形成间隙固溶体。间隙原子造成的晶格畸

10、变比置换原子造成间隙原子造成的晶格畸变比置换原子造成的晶格畸变大得多，所以其溶解度一般不的晶格畸变大得多，所以其溶解度一般不会很大。会很大。电负性：得电子成为负离子的能力电负性：得电子成为负离子的能力 负电性相差越大，他们的化学亲和力就越大，就越容负电性相差越大，他们的化学亲和力就越大，就越容易形成化合物，而不易形成固溶体，即使形成固溶体，溶解易形成化合物，而不易形成固溶体，即使形成固溶体，溶解度也很小。二组元电负性差别小，易形成固溶体且溶解度大，度也很小。二组元电负性差别小，易形成固溶体且溶解度大，即两组元在周期表中位置接近。即两组元在周期表中位置接近。它是强化金属材料的它是强化金属材料的重

11、要途径之一。重要途径之一。固溶体的强度硬度逐渐升高，固溶体的强度硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，而塑性、韧性有所下降，所以，其综合性能较好，常作为结构合金的基体相所以，其综合性能较好，常作为结构合金的基体相 通过向溶剂中溶入溶质元素形成固溶通过向溶剂中溶入溶质元素形成固溶体，而使固溶体合金强度、硬度升高体，而使固溶体合金强度、硬度升高的现象的现象称为称为固溶强化固溶强化。固溶强化固溶强化：固溶体与纯金属相比电阻率矫顽力逐渐升高，导电固溶体与纯金属相比电阻率矫顽力逐渐升高，导电率下降等。率下降等。固溶强化的原因固溶强化的原因？由于溶质原子的溶入，使固溶由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸

12、变，晶格畸变增大体的晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属滑移变形位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，变形抗力增大，从变得更加困难，变形抗力增大，从而提高合金的强度和硬度。而提高合金的强度和硬度。第一章第一章第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能材料的结构与性能材料的结构与性能 第一节金属材料的结构与组织第一节金属材料的结构与组织第一节金属材料的结构与组织第一节金属材料的结构与组织单元单元2-252、金属化合物：、金属化合物：它是合金组元间发生相互作用而形成它是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，又称为中间相。新相的晶格结的一种新相，又称为中间相。新相的晶格结构与

13、合金的各组元的晶格结构都不相同。一构与合金的各组元的晶格结构都不相同。一般可用分子式来大致表示其组成。般可用分子式来大致表示其组成。在化合物中具有相当程度的金属键及一在化合物中具有相当程度的金属键及一定的金属性质，所以又称为金属化合物。如：定的金属性质，所以又称为金属化合物。如：碳钢中碳钢中 的的Fe3C；n金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆。金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆。n合金中出现金属化合物时，常能提高合金的强度、硬度和耐合金中出现金属化合物时，常能提高合金的强度、硬度和耐 磨性，但会降低塑性和韧性。磨性，但会降低塑性和韧性。2.1、分类：分类：2.1.1

14、、正常价化合物正常价化合物：符合一般化合物：符合一般化合物的原子价规律，有严格的化合比，成分固的原子价规律，有严格的化合比，成分固定不变，并可用化学式来表示。例如：定不变，并可用化学式来表示。例如：Mg2Si、MnS等，正常价化合物具有较高等，正常价化合物具有较高的硬度和脆性。的硬度和脆性。CaF2型的晶格形式和型的晶格形式和ZnS型晶格形式型晶格形式-282.1.2、电子化合物电子化合物：不遵守原子价规律但符合电子浓度（组元贡不遵守原子价规律但符合电子浓度（组元贡献的价电子数与合金相原子数目之比值）规律的献的价电子数与合金相原子数目之比值）规律的化合物。化合物。n电子浓度电子浓度(即电子数原

15、于数即电子数原于数)为为32的电子化合物，皆具有体的电子化合物，皆具有体心立方晶格称之为心立方晶格称之为相。如相。如CuZn、Cu5Sn、FeAl、NiAl等。等。n电子浓度为电子浓度为2113的电子化合物皆具有复杂立方晶格，称的电子化合物皆具有复杂立方晶格，称为为相如相如Cu5Zn8、Cu31Sn8等。等。n电子浓度为电子浓度为74的电子化合物，皆具有密排六方晶格，称的电子化合物，皆具有密排六方晶格，称作作相。如相。如CuZn3、Cu8Sn等等电子化合物主要以金属键结合，有明显的金属特性电子化合物主要以金属键结合，有明显的金属特性它的熔点、它的熔点、硬度很高，但塑性较低硬度很高，但塑性较低，

16、在许多有色金属中为重要的强化相。，在许多有色金属中为重要的强化相。2.1.3、间隙化合物间隙化合物(interstitial compounds)是由过渡族金属是由过渡族金属(Fe、Cr、Mn、Mo、W、V等等)同原子同原子直径较小的非金属元素直径较小的非金属元素(C、N、H、B等等)形成的化合物。形成的化合物。在不同于组成元素的新晶格中，尺寸较大的过渡族元素占在不同于组成元素的新晶格中，尺寸较大的过渡族元素占据晶格的正常位置，尺寸较小的非金属原子则有规则的嵌据晶格的正常位置，尺寸较小的非金属原子则有规则的嵌入晶格的间隙中。入晶格的间隙中。间隙化合物种类间隙化合物种类间隙相间隙相具有复杂结构的

17、间隙化合物具有复杂结构的间隙化合物-30 间隙相间隙相：当当r非非/r金属金属0.59时时，形成的间隙化合物，形成的间隙化合物具有具有比较简单的晶格结构比较简单的晶格结构，称为间隙相。例如：，称为间隙相。例如：VC具有具有fcc结构。结构。间隙相具有十分突出的间隙相具有十分突出的金属特性，有金属光泽和良好的导电性，熔点金属特性，有金属光泽和良好的导电性，熔点和硬度极高，和硬度极高，间隙化合物的合理存在，可有效间隙化合物的合理存在，可有效地提高钢的地提高钢的强度强度、热强性热强性、红硬性红硬性及及耐磨性耐磨性。是高速钢和硬质合金中的重要组成相，是高速钢和硬质合金中的重要组成相，也是合也是合金工具

18、钢和高温金属陶瓷中的重要组成相。金工具钢和高温金属陶瓷中的重要组成相。如如TiC、WC、TiN、VC、NbC、Mo2N、Fe4N等等 间隙化合物间隙化合物：当当r非非/r金属金属0.59时时，所形成的化合所形成的化合物具有较复杂的晶体结构，物具有较复杂的晶体结构，称为间隙化称为间隙化合物。例如：合物。例如：Fe3C，具有正交晶格。具有正交晶格。间隙化合物也具有很高的熔点和硬间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，但与间隙相相比，它们的熔点和硬度，但与间隙相相比，它们的熔点和硬度要低一些，而且在加热时，容易分解。度要低一些，而且在加热时，容易分解。VC晶体结构晶体结构Fe3C晶体结构晶体结构 第二节第

19、二节 二元合金相图二元合金相图n合金在结晶之后，既可获得单相的固合金在结晶之后，既可获得单相的固溶体组织，又有可得到单相的化合物溶体组织，又有可得到单相的化合物组织，还可得到由固溶体和化合物或组织，还可得到由固溶体和化合物或几种固溶体组成的多相组织。并且组几种固溶体组成的多相组织。并且组元成分、温度还影响到结晶后所获得元成分、温度还影响到结晶后所获得的相的性质、数目和相对含量。为了的相的性质、数目和相对含量。为了研究清楚这些问题，我们需要利用相研究清楚这些问题，我们需要利用相图这一工具。图这一工具。几个名词：几个名词：1.合金系：由两个或两个以上组元按不同合金系：由两个或两个以上组元按不同的比

20、例配制成的一系列不同成分的合金，的比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系，例如，称为合金系，例如，Pb-Sn系、系、Fe-Fe3C系；系；2.相图：用来表示合金系中各个合金的结相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解，称为相图。相图上表晶过程的简明图解，称为相图。相图上表示的组织都是在极其缓慢冷却的条件下所示的组织都是在极其缓慢冷却的条件下所获得的，都是接近平衡状态的组织，又叫获得的，都是接近平衡状态的组织，又叫做平衡图。做平衡图。3.组织：在金相显微镜下观察到的具有某组织：在金相显微镜下观察到的具有某种形貌或形态特征的组成部分。种形貌或形态特征的组成部分。一、二元合金相图的建

21、立：比较常见的是一、二元合金相图的建立：比较常见的是利用热分析法建立；利用热分析法建立；CuNi相图的建立过程：相图的建立过程：l配置合金配置合金l测定冷却曲线测定冷却曲线l标定临界点标定临界点l绘制合金相图绘制合金相图二、二元合金相图的基本类型二、二元合金相图的基本类型（一）匀晶相图：（一）匀晶相图：两组元在液态和固态均无限互溶的二两组元在液态和固态均无限互溶的二元合金系所形成的相图。例如：元合金系所形成的相图。例如：CuNi、CuAu、AuAg、FeNi等。等。1、相图分析：相图分析：1.1点：点：A：Cu的熔点；的熔点；B：Ni的熔点；的熔点；1.2线：线：AB线（上面）：线（上面）：液

22、相线；液相线；AB线（下面）：线（下面）：固相线；固相线；1.3面：面：液相区；液相区；固相区；固相区；液固两相共存区；液固两相共存区；铜铜-镍合金匀晶相图镍合金匀晶相图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固相区固相区液固两相区液固两相区AB匀晶合金的结晶过程匀晶合金的结晶过程匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是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。在液、固相线划定的温区内进行结晶。l1bcdT

23、,CtL L L匀晶转变 L 冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+12 23 34 4 4 3 2 1l2l3l4液态合金冷至液态合金冷至t t1 1温度，开始从液态合金中析出温度，开始从液态合金中析出相，此时结晶出的相，此时结晶出的成分为成分为1 1，液相的成分为液相的成分为L L1 1（即为合金的成分即为合金的成分）；）；随着温度的降低，随着温度的降低，L L，到达到达t t2 2温度，液相的成分沿着液相线变温度，液相的成分沿着液相线变为为L L2 2，固相沿着固相线变为固相沿着固相线变为2 2；同时，液

24、相的数量逐渐的降低，同时，液相的数量逐渐的降低，相的数量逐渐的增加；相的数量逐渐的增加；温度冷至温度冷至t3时，液相成分沿着液相线变化为时，液相成分沿着液相线变化为l3，固溶体成分沿着，固溶体成分沿着固相线变化为固相线变化为3，并与，并与l3相平衡。温度冷至相平衡。温度冷至t4时，液相全部结晶为时，液相全部结晶为相，相，成分沿固相线变为成分沿固相线变为4（即合金的成分即合金的成分）。）。温度继续下降，就为固溶体温度继续下降，就为固溶体的简单冷却。的简单冷却。2、平衡结晶过程：以如、平衡结晶过程：以如图图所示合金所示合金1为例来分析为例来分析平衡结晶过程：平衡结晶过程：n液态合金冷至液态合金冷至

25、t t1 1温度，开始从液态合金中析出温度，开始从液态合金中析出相，此相，此时结晶出的时结晶出的成分为成分为1 1，液相的成分为液相的成分为L L1 1（即为合金的即为合金的成分成分）；）；n随着温度的降低，随着温度的降低，L L，到达到达t t2 2温度，液相的成分沿温度，液相的成分沿着液相线变为着液相线变为L L2 2，固相沿着固相线变为固相沿着固相线变为2 2；同时，液相同时，液相的数量逐渐的降低，的数量逐渐的降低，相的数量逐渐的增加；相的数量逐渐的增加；n温度冷至温度冷至t t3 3时，液相成分沿着液相线变化为时，液相成分沿着液相线变化为l l3 3 ，固溶体，固溶体成分沿着固相线变化

26、为成分沿着固相线变化为3 3，并与，并与l l3 3相平衡。温度冷至相平衡。温度冷至t t4 4时，液相全部结晶为时，液相全部结晶为相，相，成分沿固相线变为成分沿固相线变为4 4（即合金的成分即合金的成分）。）。n温度继续下降，就为固溶体温度继续下降，就为固溶体的简单冷却。的简单冷却。n注意：注意：n合金在平衡结晶时，结晶出的固相成分沿固相线变合金在平衡结晶时，结晶出的固相成分沿固相线变化，液相的成分沿液相线变化；化，液相的成分沿液相线变化；n液（固）相线表示在无限缓慢冷却的条件下，液、液（固）相线表示在无限缓慢冷却的条件下，液、固两相平衡共存时，液（固）相的化学成分随温度的固两相平衡共存时，

27、液（固）相的化学成分随温度的变化情况。变化情况。3、杠杆定律：解决二元合金在冷却结晶过程中，杠杆定律：解决二元合金在冷却结晶过程中，液固两相平衡共存时的相对含量；如图液固两相平衡共存时的相对含量；如图从图中可知：合金从图中可知：合金1在在t1温度时是温度时是L、两相平衡共存，两相平衡共存，液相的成分为液相的成分为x1，固相的成分为固相的成分为x2，合金的成分为合金的成分为x。求：求：L、两相的相对含量？两相的相对含量？设：合金的总重量为设：合金的总重量为1；在温度在温度t1时，液相的质量为时，液相的质量为QL，固相的质量为固相的质量为Q；则有：则有：Q=aC/ab；QL=Cb/ab；QL/Q=

28、aC/Cb杠杆定律杠杆定律CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+12ABxacbT1T21.1.在两相区内，对应在两相区内，对应每一确定的温度，两相每一确定的温度，两相的成分是确定的。的成分是确定的。2.2.随着温度的降低，随着温度的降低，两相的成分分别沿液相两相的成分分别沿液相线和固相线变化。线和固相线变化。杠杆定律杠杆定律：在两相区内，对在两相区内，对应每一确定的温度应每一确定的温度T1T1，两相两相质量的比值是确定的。即质量的比值是确定的。即Q QL L/Q/Q=cb/ac杠杆定律推论：杠杆定律推论：在两在两相区

29、内，对应温度相区内，对应温度T T1 1时时两相在合金两相在合金b b中的相对中的相对质量各为质量各为QL=(x2-x)/(x2-x1)Q=(x-x1)/(x2-x1)=1-=1-Q QL Lx1x1x2例：求例：求30%30%NiNi合金在合金在1280 1280 时时 相的相对量相的相对量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ac30a1b1c11280 C解：作成分线和温度线如图。6618根据杠杆定律推论，Q Q /Q QH H =a a1 1b b1 1/a/a1 1c c1 1=12/48=1/4=12/48

30、=1/4答：所求合金在1280 时相的相对质量为1/4。4、枝晶偏析：在晶粒内部化学成分不均匀的现象枝晶偏析：在晶粒内部化学成分不均匀的现象叫做晶内偏析，也叫枝晶偏析；叫做晶内偏析，也叫枝晶偏析；n产生原因：在实际生产中，冷却速度较快，使合金内产生原因：在实际生产中，冷却速度较快，使合金内部，尤其是固相内部的原子来不及充分扩散；部，尤其是固相内部的原子来不及充分扩散；n危害：严重影响机械危害：严重影响机械性能，特别是使塑性、性能，特别是使塑性、韧性下降，抗蚀能力韧性下降，抗蚀能力下降；下降；n消除方法：采用扩散消除方法：采用扩散退火（均匀化退火）：退火（均匀化退火）：即将铸件加热到低于即将铸件

31、加热到低于固相线固相线100200的的温度进行长时间的保温度进行长时间的保温，使偏析元素充分温，使偏析元素充分的扩散，从而使合金的扩散，从而使合金的成分均匀化。的成分均匀化。第四节第四节 二元共晶相图二元共晶相图n二元共晶相图：当两组元在液态时二元共晶相图：当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，并无限互溶，在固态时有限互溶，并能发生共晶转变的二元相图叫做二能发生共晶转变的二元相图叫做二元共晶相图。例如：元共晶相图。例如：PbSn、CuAg、ZnSn相图等；相图等；1、相图分析：如图所示：、相图分析：如图所示：1.1 点：点：a点：点：Pb的熔点；的熔点；b点：点：Sn的熔点；的熔点；c点

32、：共晶点；点：共晶点；1.2 线：线：acb：液相线；液相线；adceb线：固相线；线：固相线；df线：线：固溶体的溶固溶体的溶解度曲线（解度曲线（固溶体是以固溶体是以Pb为溶剂，以为溶剂，以Sn为溶质的有限固溶体）；为溶质的有限固溶体）；eg线：线：固溶体的溶解度曲线（固溶体的溶解度曲线（固溶体是以固溶体是以Sn为溶剂，以为溶剂，以Pb为溶质的有限固溶体）；为溶质的有限固溶体）；1.3面：单相区：液相区、面：单相区：液相区、固溶体区、固溶体区、固溶体区；固溶体区；两相区：两相区：L+、L+、+；ced线是线是L+三相共存区，三相共存区，dce线也叫共晶线；线也叫共晶线；1.4共晶转变：在一定

33、温度下，由一定成分共晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定且不相同的两的液相同时结晶出成分一定且不相同的两个固相的转变，称为共晶转变或共晶反应个固相的转变，称为共晶转变或共晶反应。n如图如图3-15所示，在所示，在dce线所对应的温度线所对应的温度下，成分为下，成分为c 的液相（的液相（Lc）会同时结晶会同时结晶出成分为出成分为d的的d和成分为和成分为e 的的e两个固两个固相，所以发生了共晶反应。表达式为：相，所以发生了共晶反应。表达式为：几个概念几个概念：ndce线叫做共晶线；线叫做共晶线；c点叫做共晶点；点叫做共晶点；c点所对应的温度叫做共晶温度点所对应的温度叫做共晶温度

34、tc；n成分为成分为c点的合金叫做共晶合金；成分在点的合金叫做共晶合金；成分在dc之间的合金叫做亚共晶合金；成分之间的合金叫做亚共晶合金；成分ce在之间的合金叫做过共晶合金。在之间的合金叫做过共晶合金。n所生成的产物所生成的产物d+e叫做共晶产物。叫做共晶产物。2 2共晶相图共晶相图PbSnSn%T,C铅-锡合金共晶相图液相线液相线L固相线固相线 +L+L+固溶线固溶线 固溶线固溶线共晶转变分析共晶转变分析PbSnT,CL +L+L+共晶反应线共晶反应线表示从表示从d点到点到e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

35、共晶点表示表示c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。dLd c+e2、合金的平衡结晶过程：、合金的平衡结晶过程：2.1共晶合金的结晶过程：如图所示：合金共晶合金的结晶过程：如图所示：合金为为WSn=61.9%的共晶合金，它的冷却过程如图所示：的共晶合金，它的冷却过程如图所示：n冷却到冷却到c点，合金的温度冷到了点，合金的温度冷到了tc（183），），合金的成合金的成分为共晶成分，所以发生共晶反应：分为共晶成分，所以发生共晶反应：Lc d+e，得得到共晶组织，计算一下它们的相对含量：到共晶组织，计算一下它们的相对含量：Q=1-W=1-45.

36、4%=54.6%温度冷到温度冷到c（1点）点点）点以下时，以下时，相和相和相均相均冷却，其中，冷却，其中，相的相的溶解度沿着溶解度沿着df线变化，线变化，相的溶解度沿着相的溶解度沿着eg线线变化，各自分别生出变化，各自分别生出次生相，次生相，、，可忽可忽略。略。所以，所以，共晶合金的室温组织共晶合金的室温组织为为+；如图所示。如图所示。结晶过程分析结晶过程分析（共晶合金共晶合金）T,CtL(+)L(+)LL(+)共晶体共晶体冷却曲线冷却曲线(+)PbSnT,CL +L+L+183dec12如图所示，如图所示，和和相呈层片状交替分相呈层片状交替分布，其中白色组织布，其中白色组织为为相，黑色组织相

37、，黑色组织为为相。相。n1点以上是液相的简单冷却；点以上是液相的简单冷却；n12点是点是L；n2点：发生共晶反应：点：发生共晶反应：Lc d+e；此反应一直进行到液相用完此反应一直进行到液相用完为止，所以此时的组织：为止，所以此时的组织：（初晶）初晶）+（d+e）n2点以下是次生相的析出，同理，点以下是次生相的析出，同理，n d+e的次生相可以忽略，但初晶的次生相可以忽略，但初晶的的次生相次生相 不能忽略。不能忽略。n所以，亚共晶合金的室温组织为：所以，亚共晶合金的室温组织为：n 先先+（d+e）+2.2亚共晶合金的结晶过程：如图所亚共晶合金的结晶过程：如图所示，合金示，合金为为WSn=50%

38、的亚共晶合的亚共晶合金，它的冷却结晶过程如图所示：金，它的冷却结晶过程如图所示：合金结晶过程分析合金结晶过程分析（亚共晶合金亚共晶合金）X1T,CtLL+(+)+12(+)+PbSnT,CL +L+L+183decL+(+)+图中黑色的树枝图中黑色的树枝状晶为初晶状晶为初晶，其中的白色组织其中的白色组织为为，黑白相，黑白相间分布的是共晶间分布的是共晶组织（组织（+）。）。cefgX1T,CtL L LL+冷却曲线冷却曲线 +1234PbSnT,CL +L+L+183ced2.3边际固溶体合金边际固溶体合金含含Sn量小于量小于d点（点（19%）的合金的结晶过程：如图所）的合金的结晶过程：如图所示

39、：合金示：合金为为WSn=10%，它的结晶过程如图它的结晶过程如图3-9所示所示n1以上是以上是L的冷却；的冷却；n12点点L；n23点点相的冷却；相的冷却；n34点点；n所以，室温组织为：所以，室温组织为：+。n计算它们的相对含量：计算它们的相对含量：Q=1-Q=1-90%=10%第五节第五节 二元包晶相图二元包晶相图n二元包晶相图：当两组元在液态时无限二元包晶相图：当两组元在液态时无限互溶，在固态时只能有限互溶，并且发互溶，在固态时只能有限互溶，并且发生包晶反应时所构成的相图叫做二元包生包晶反应时所构成的相图叫做二元包晶相图。例如：晶相图。例如：PtAg、CuZn相图相图等。等。1、相图分

40、析：、相图分析：PtAg二元包晶相图；二元包晶相图；1.1点：点：a点：点：Pt的熔点；的熔点；b点：点：Ag的熔点；的熔点；d点包晶点；点包晶点；1.2线线：aeb线：液相线；线：液相线；acdb线：固相线；线：固相线；cf线：线：Ag在在Pt中的溶中的溶解度曲线；解度曲线；dg线：线：Pt在在Ag中的溶解度曲线；中的溶解度曲线；1.3面：三个单相区：面：三个单相区：L、；三个两相区：三个两相区：L+、L+、+；cde线是线是L、的三相共存线。的三相共存线。1.4包晶反应包晶反应:在一定的温度下，由一定成分的固相和在一定的温度下，由一定成分的固相和一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相

41、的一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的过程过程.其中，其中，d点为包晶点；点为包晶点；d点所对应的温度点所对应的温度td叫做包晶温度；叫做包晶温度；cde线叫做包晶线。线叫做包晶线。包晶反应的表达式为：包晶反应的表达式为：Le+cd（td）2、平衡结晶过程：平衡结晶过程：以以合金合金为例，分析其结晶过程：为例，分析其结晶过程：n温度在温度在1点以上为液相的简单冷却；点以上为液相的简单冷却；n12点为点为L；随温度降低，随温度降低，的成分沿的成分沿ac线变化，液相的成分沿液相线线变化，液相的成分沿液相线ae变化变化n冷至冷至2点，温度冷至包晶温度点，温度冷至包晶温度td，液相的成分达到

42、，液相的成分达到e点，点，的成分达到的成分达到c点，点，其含量可用杠杆定律求得：其含量可用杠杆定律求得：ntd温度，液相温度，液相L和固相和固相发生包晶反应：发生包晶反应：Le+cd，包晶反应的示意图包晶反应的示意图如图。反应结束后，液相和如图。反应结束后，液相和恰好全部转变为恰好全部转变为相。相。n23点，点，Pt在在相中的溶解度沿相中的溶解度沿dg线变化，生成次生相线变化，生成次生相。n所以，合金的室温组织为所以，合金的室温组织为+；3 3包晶相图包晶相图包晶转变包晶转变：Le+c dPtAgAg%T,C铂-银合金包晶相图L +L+L+cdefgT,CtLL+L+b ba a以以合金合金1

43、0.5%42.4%为例，分为例，分析其结晶过程：析其结晶过程：n温度在温度在1点以上为液相的简单点以上为液相的简单冷却；冷却；n12点为点为L；n冷至冷至2点，液相的成分变到点，液相的成分变到e点，点，的成分沿的成分沿ac线变到线变到c点，温点，温度冷至包晶温度度冷至包晶温度.用杠杆定理用杠杆定理可算出二者的含量：可算出二者的含量：至此将发生包晶反应：至此将发生包晶反应：Le+cd，反应结反应结束后，除形成新相束后，除形成新相外，外，相有剩余。相有剩余。在在td以下温度，随着固溶体溶解度变化，从以下温度，随着固溶体溶解度变化，从固溶体和固溶体和固溶体中将不断析出二次相固溶体中将不断析出二次相和

44、和。合金的室温组织为合金的室温组织为+；反应结束后，除形成反应结束后，除形成相外，相外，L相有剩余。相有剩余。当温度从当温度从2点降低时，剩余的液相将继续结晶出点降低时，剩余的液相将继续结晶出固溶体，此时固溶体，此时相相成分沿着成分沿着db线变化，当温度达到线变化，当温度达到3点后，液相全部结晶为与合金点后，液相全部结晶为与合金成分相同的成分相同的固溶体。固溶体。34点之间，合金为单相固溶体合金，不发生变化。点之间，合金为单相固溶体合金，不发生变化。在在4点以下，将从点以下，将从固溶体中析出二次相固溶体中析出二次相。合金合金的室温组织为的室温组织为+；用杠杆定律可算出，在包晶转变用杠杆定律可算

45、出，在包晶转变时系统中液相的数量比包晶转变时系统中液相的数量比包晶转变时所需的量多，即时所需的量多，即以以合金合金为例，分析其结晶过程：为例，分析其结晶过程：温度在温度在1点以上为液相的简单冷却；点以上为液相的简单冷却；12点为点为L；冷至冷至2点，液相的成分变到点，液相的成分变到e点，点，的成的成分沿分沿ac线变到线变到c点，温度冷至包晶温度，点，温度冷至包晶温度，所以可以发生包晶反应：所以可以发生包晶反应：Le+cd，（四）其他类型的相（四）其他类型的相 1、形成稳定化合物的二元相图形成稳定化合物的二元相图 2、二元共析相图二元共析相图共析转变：共析转变：在一定温度下，由成分一定的固相同时

46、析出两种成分一定在一定温度下，由成分一定的固相同时析出两种成分一定且不相同的新固相的转变。且不相同的新固相的转变。dce线为共析线，线为共析线，c点为点为共析点，共析点，共析反应：共析反应：cd+e；d+e叫做共析组织；叫做共析组织；共析线所对应的温度叫共析线所对应的温度叫做共析温度。做共析温度。4.4.共析相图共析相图共析转变共析转变：(+)共析共析体体ABT,C +cedL+L（五）二元合金相图小结：（五）二元合金相图小结：两个单相区只能交于一点。根据相两个单相区只能交于一点。根据相区接触法则，即在二元合金相图中相邻相区接触法则，即在二元合金相图中相邻相区的相数相差一个（点接触除外），得出

47、：区的相数相差一个（点接触除外），得出：两个单相区之间必定有由这两个相所组成两个单相区之间必定有由这两个相所组成的两相区，两个两相区之间必定以单相区的两相区，两个两相区之间必定以单相区或三相共存水平线隔开。或三相共存水平线隔开。三相共存线和与三相共存线和与之接触的三个单相区是点接触之接触的三个单相区是点接触,1.3分析转变类型：分析转变类型：找出三相共存线和与之点接触的三个单相区找出三相共存线和与之点接触的三个单相区,根据它们的位置配置来确定转变类型：如表所示；根据它们的位置配置来确定转变类型：如表所示；注意：注意：1.利用相图分析合金的平衡结晶时，应注意：利用相图分析合金的平衡结晶时，应注意

48、：在单相区内，该相的成分即为合金的成分；在单相区内，该相的成分即为合金的成分；在两相区内，不同温度下两相的成分沿着其在两相区内，不同温度下两相的成分沿着其相界线变化，两相的相对含量可以用杠杆定相界线变化，两相的相对含量可以用杠杆定律计算；在三相平衡时，三个相的成分是固律计算；在三相平衡时，三个相的成分是固定的。在反应前和反应后，各组成相的相对定的。在反应前和反应后，各组成相的相对含量也可利用杠杆定律进行计算。含量也可利用杠杆定律进行计算。2.相图反映的是平衡结晶过程，在生产实践相图反映的是平衡结晶过程，在生产实践中冷却速度较快，所以相的相对含量及组织中冷却速度较快，所以相的相对含量及组织可能会

49、产生较大的变化，如：偏析等情况。可能会产生较大的变化，如：偏析等情况。如图，如图，固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关，固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关，溶质浓溶质浓度度 强度、硬度强度、硬度塑性有所降低（固溶强化）。电阻塑性有所降低（固溶强化）。电阻率增大，电阻温度系数减小。率增大，电阻温度系数减小。合金固溶体随温度下降，合金固溶体随温度下降，会有二次相析出。会有二次相析出。弥散强化：二次相以细小粒子，均匀、弥散地在固弥散强化：二次相以细小粒子，均匀、弥散地在固溶体晶粒中析出时，会使合金的强度硬度增加，塑性、溶体晶粒中析出时，会使合金的强度硬度增加，塑性、韧性稍有下降，这种现象称为合金的韧性

50、稍有下降，这种现象称为合金的弥散硬化弥散硬化。弥散硬。弥散硬化的效果与二次相粒子的细密程度，即与弥散度有关，化的效果与二次相粒子的细密程度，即与弥散度有关，弥散度越高，强度效果越大。弥散度越高，强度效果越大。单相固溶体合金所能达到的强度和硬度是有限的。单相固溶体合金所能达到的强度和硬度是有限的。因而总体说来，单相固溶体的强度低，塑性、韧性好，因而总体说来，单相固溶体的强度低，塑性、韧性好，适于压力加工，不适宜做结构材料。因它的电阻率大而适于压力加工，不适宜做结构材料。因它的电阻率大而电阻温度系数又小，所以适宜做电阻合金材料，例如：电阻温度系数又小，所以适宜做电阻合金材料，例如：Cr20Ni80