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1、第四章第四章 合金的结构合金的结构与与二元状态图二元状态图1合金中的相结构合金中的相结构一、合金的基本概念一、合金的基本概念合金合金:通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。物质，称为合金。组元组元:组成合金的最基本的、独立的物质称为组元组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。相相：在金属或合金中，凡：在金属或合金中，凡成分相同成分相同、结构相同结构相同并与其它部并与其它部分分有界面分开有界面分开的的均匀组成部分均匀组成部分，均称之
2、为相，均称之为相组织组织：在金属和合金中，在显微镜下能观察到的：在金属和合金中，在显微镜下能观察到的微观形貌微观形貌、图象图象称为组织，它是由单相物质或多相物质组合成的，具称为组织，它是由单相物质或多相物质组合成的，具有一定形态特征的有一定形态特征的聚合体聚合体。二、合金中的相结构二、合金中的相结构1.固溶体固溶体：在合金结晶时所形成的固相的晶格结构与合金：在合金结晶时所形成的固相的晶格结构与合金的某一种组元的晶格结构相同。的某一种组元的晶格结构相同。2.化合物化合物：形成合金的组元相互作用并且所形成合金的晶：形成合金的组元相互作用并且所形成合金的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新物质。格类
3、型和特性完全不同于任一组元的新物质。1.固溶体固溶体固溶体分类：固溶体分类：按溶质原子在溶剂点阵中的位置分按溶质原子在溶剂点阵中的位置分:置换固溶体置换固溶体、间隙固溶体间隙固溶体按溶解度分按溶解度分:无限固溶体、有限固溶体无限固溶体、有限固溶体按原子在点阵中排列的秩序性分按原子在点阵中排列的秩序性分:无序固溶体无序固溶体、有序固溶体有序固溶体1)1)置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。影响固溶度的因素影响固溶度的因素1.1.原子尺寸因素：原子尺寸因素：原子半径差越小，固溶度越大。原子半径差越小，固溶度越大。2.2.晶体结构因素：晶体结构
4、因素：结构相同，溶解度大；结构相同，溶解度大；3.3.负电性因素负电性因素(化学亲和力化学亲和力)：负电性差越大，溶解度小。负电性差越大，溶解度小。（负电性差很大时，形成化合物）（负电性差很大时，形成化合物）4.4.电子浓度因素：电子浓度因素：电子浓度电子浓度e/ae/a越大，溶解度越小。越大，溶解度越小。5.5.c=e/a=c=e/a=xuxu+(1-x)v+(1-x)v（电子浓度：电子浓度：合金中两个组元的价合金中两个组元的价电子总数和原子总数之比电子总数和原子总数之比。）。）2)2)间隙固溶体：原子半径小于间隙固溶体：原子半径小于0.1nm0.1nm的的非金属元素非金属元素溶入到溶入到溶
5、溶剂金属晶体点阵剂金属晶体点阵的间隙中形成的固溶体。的间隙中形成的固溶体。非金属元素：非金属元素：H,N,C,B,OH,N,C,B,O溶解度一般都很小，只能形成溶解度一般都很小，只能形成有限固溶体有限固溶体。固溶体的性能固溶体的性能当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，一般情况下，强度、硬度强度、硬度逐渐逐渐升高升高，而，而塑性、韧性塑性、韧性有所有所下降下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等，即电阻率升高，导电性逐渐
6、下降等，即固溶强化固溶强化。置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体固溶体成份与性能的关系2.金属间化合物金属间化合物金属间化合物金属间化合物：在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解：在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将析出新相，若新相的晶格结构不同于任一组成元度时，将析出新相，若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质，素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质，称为化合物称为化合物力学性能：力学性能：高硬度高硬度、高熔点高熔点、低塑性低塑性类型：类型：正常价化合物：符合原子价规则的化合物，AmBn电子化合物（电子相）：按照一定电子浓度值形成
7、。间隙化合物：受原子尺寸因素控制。2二元合金状态图二元合金状态图一一.相图的相关概念相图的相关概念组元组元：通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在：通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的物质称为组元。在所研究的范围内既不分解也不发生任的物质称为组元。在所研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可称为组元，如何化学反应的稳定化合物也可称为组元，如Fe3C。合金系合金系:由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系。列不同成分的合金，称为合金系。相相图图:用用来来表表示示合合金金系系中中各各个个合合金金
8、的的结结晶晶过过程程的的简简明明图图解解，又又称称状状态态图图或或平平衡衡图图。相相图图上上所所表表示示的的组组织织都都是是十十分分缓缓慢慢冷却冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。二、二元合金状态图的建立二、二元合金状态图的建立测定方法测定方法：最基本、最常用的方法是：最基本、最常用的方法是热分析法热分析法1.首先配制一系列不同成分的首先配制一系列不同成分的CuNi合金；合金；2.用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线；用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线；3.找出各冷却曲线上的相变点；找出各冷却曲线上的相变点；4.将各个合金的相变点分别标注在
9、温度将各个合金的相变点分别标注在温度成分坐标图中成分坐标图中相应的合金垂线上。相应的合金垂线上。5.连接各相同意义的相变点，所得的线称为相界线，这样连接各相同意义的相变点，所得的线称为相界线，这样就得到就得到CuNi合金相图合金相图三、二元状态图的基本类型分析三、二元状态图的基本类型分析1.1.二元匀晶相图二元匀晶相图2.2.二元共晶相图二元共晶相图3.3.二元包晶相图二元包晶相图4.4.具有共析转变的相图具有共析转变的相图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
10、相区液相区固相区固相区液固两相区液固两相区1.二元匀晶相图二元匀晶相图相相图图分分析析平衡结晶平衡结晶结晶过程分析结晶过程分析杠杆定律杠杆定律不平衡结晶过程示意图不平衡结晶过程示意图实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。扩散过实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。扩散过程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡的条件下进程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡的条件下进行的。这使得行的。这使得先结晶先结晶出来的固溶体合金富含出来的固溶体合金富含高熔点组元高熔点组元，构成晶体的树枝状骨架，构成晶体的树枝状骨架，后结晶后结晶出的部分富含出的部分富含低熔点组元低熔点组元较少，填充于枝间。这
11、种在晶粒内化学成分不均匀的现象较少，填充于枝间。这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为称为枝晶偏析枝晶偏析或称或称晶内偏析晶内偏析。出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能和加出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能和加工工艺性能变坏。工工艺性能变坏。出现枝晶偏析后，可通过出现枝晶偏析后，可通过扩散退火扩散退火予以消除。一般采用将予以消除。一般采用将铸件加热到低于固相线铸件加热到低于固相线100200的温度，进行长时间的温度，进行长时间保温，使偏析元素进行充分扩散，成分均匀化。保温，使偏析元素进行充分扩散，成分均匀化。2.二元共晶相图二元共晶相图 共晶转变：共晶转变：由一定成分的液相
12、同时结晶出两个一定成分固相由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。的转变。点点：共晶点：共晶点E，纯组元熔点，纯组元熔点，线线：液相线、固相线，共晶线，固溶线：液相线、固相线，共晶线，固溶线区区：3个单相区，个单相区，3个两相区，个两相区，1个三相区（线）个三相区（线）合金类型：固溶体合金，共晶型合金合金类型：固溶体合金，共晶型合金(亚共晶，共晶，过共晶亚共晶，共晶，过共晶)结晶过程分析结晶过程分析共晶合金共晶合金共晶组织金相图片间距示意图结晶过程分析结晶过程分析亚共晶合金亚共晶合金189762结晶过程分析结晶过程分析相图的相组成物相图的组织组成物L+200Co,wt%Sn20400
13、300100L 60 +080100L+共晶过共晶160mm175mm亚共晶共晶组织3.二元包晶相图二元包晶相图包晶转变包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变。成分固相的转变。点：包晶点线：包晶线区：有3个单相区;3个两相区;一个三相共存点4.二元共析相图二元共析相图3相图与性能的关系相图与性能的关系1.根据相图判断材料的根据相图判断材料的力学力学和物理性能和物理性能溶质元素溶质元素晶格畸变晶格畸变强度强度、硬度硬度（浓度浓度50%时最大时最大）硬度硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平随成分的变化呈直线关系，大致
14、是两相性能的算术平均值。均值。HB=HB%+HB%强度强度与组成相或组织组成物的与组成相或组织组成物的形态形态有很大关系。组成相或有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织细小、组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织细小、均匀细密，强度达最高值。）均匀细密，强度达最高值。）2.根据相图判断材料的根据相图判断材料的工艺工艺性能性能铸造铸造性能：根据液固相线之间的距离性能：根据液固相线之间的距离X X越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差别大）；X越大，流动性越差（因为枝晶发达）；X越大，热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大）。塑性加工塑性加工性能：选择具有单相固
15、溶体区的合金。性能：选择具有单相固溶体区的合金。热处理热处理性能：选择具有固态相变或固溶度变化的合金性能：选择具有固态相变或固溶度变化的合金1,组织与相的关系与区别组织与相的关系与区别相是系统中结构相同相是系统中结构相同,成分及性能均一的组成部分成分及性能均一的组成部分,相与相之间的有界面分开相与相之间的有界面分开.从结构上讲从结构上讲,相是合金中的一种原子聚集状态相是合金中的一种原子聚集状态,固相具有一定的晶格类型和性固相具有一定的晶格类型和性质质.组织一般是指用肉眼或显微镜观察到的具有某种形态特征的合金组成物组织一般是指用肉眼或显微镜观察到的具有某种形态特征的合金组成物,实质实质上它是一种
16、或多种相按一定方式相互结合所构成的整体的总称上它是一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体的总称.97因此因此,相构成了组织相构成了组织.合金的组织可以由单相固熔体或金属间化合物组成合金的组织可以由单相固熔体或金属间化合物组成,也可也可由一个固熔体和一个金属间化合物或两个固熔体和两个金属间化合物等组成由一个固熔体和一个金属间化合物或两个固熔体和两个金属间化合物等组成.就是由于这些相的相对数量就是由于这些相的相对数量,形状形状,尺寸和分布的不同尺寸和分布的不同,才形成了各种各样的组才形成了各种各样的组织织.如如Pb-Sn共晶系合金共晶系合金,常温下只有常温下只有和和,而组织组成物却有五种而组织组成物却有五种:初生相初生相和和,共晶共晶(+),次生相次生相和和.其中其中,和和较粗大较粗大,和和较细小较细小,虽然同是一相虽然同是一相,却是两种组成物却是两种组成物,因为它们形态特征不同因为它们形态特征不同.98相构成了组织相构成了组织,但组织直接决定了合金的性能但组织直接决定了合金的性能,故我们重视组织这个概念故我们重视组织这个概念.工业上常用的合金的组织工业上常用的合金的组织,大多是以固熔体为基体大多是以固熔体为基体,以金属间化合物为强化相以金属间化合物为强化相.