二元合金相圖及應(yīng)用

1、3.23.3二元相圖及應(yīng)用重點(diǎn)：應(yīng)用相圖說(shuō)明合金的組織和性能。難點(diǎn)：、合金的結(jié)晶過(guò)程。1 合金相圖（平衡相圖）： 是用圖解的方法表示不同成分、溫度下合金中相的平衡關(guān)系，即“成分-溫度-相”三者關(guān)系 2作用：1、根據(jù)相圖可以了解不同成分合金在溫度變化時(shí)的相變及組織形成規(guī)律。2、由相圖可知一定成分的合金，在一定溫度下的相和組織。33.2 二元相圖的建立 通常熱分析法獲得。主要步驟（以Cu-Ni合金為例）4wNi%CuNi20406080純Ni的冷卻曲線時(shí)間 t溫度 T5wNi%CuNi2040608080%Ni的冷卻曲線時(shí)間 t溫度 T6wNi%CuNi2040608060%Ni的冷卻曲線時(shí)間 t

2、溫度 T7wNi%CuNi2040608040%Ni的冷卻曲線時(shí)間 t溫度 T8wNi%CuNi2040608020%Ni的冷卻曲線時(shí)間 t溫度 T9wNi%CuNi20406080純Cu的冷卻曲線時(shí)間 t溫度 T10匯總wNi%CuNi20406080溫度 TL+L液相線固相線113.3 二元相圖的基本類型及應(yīng)用一、勻晶相圖二、共晶相圖三、包晶相圖四、共析相圖五、其它相圖12一、二元?jiǎng)蚓鄨D定義： 是指兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無(wú)限互溶時(shí)形成的相圖。例如、Cu-Ni。 13L+141、相圖分析（Cu-Ni相圖）1）組元：Cu、Ni；2）特征點(diǎn)： A純組元Cu的熔點(diǎn)（1083） B純組元Ni的熔點(diǎn)

3、（1452） Cu-Ni合金相圖153）特征線：AB上凹線液相線AB下凹線固相線4）特征區(qū)： L、 和（ L + ） Cu-Ni合金相圖162、合金的結(jié)晶過(guò)程171）勻晶轉(zhuǎn)變：從液相 L 中均勻析出單相固溶體 的過(guò)程。2）在兩相區(qū)：隨著溫度的下降，固溶體相不斷增多，液相不斷減少；18固溶體相的成分沿固相線變化；液相的成分沿液相線變化。3）室溫組織：?jiǎn)蜗喙倘荏w 。19液相線固相線LL溫度 TwNi%CuNiT1L11T2L22T3L33203、杠桿定律QLQ21在兩相區(qū)，兩相的質(zhì)量比可以用杠桿定律求得，即： QL / Q = bc/ab即QL / Q恰好與它們的杠桿臂成反比關(guān)系。杠桿定律只適用于

4、兩相區(qū)。22 4、非平衡結(jié)晶與枝晶偏析在實(shí)際生產(chǎn)中，由于冷卻速度較快，固溶體中原子擴(kuò)散不充分。先結(jié)晶部分含高熔點(diǎn)組元較多，后結(jié)晶部分含低熔點(diǎn)組元較多。一個(gè)晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象叫晶內(nèi)偏析，或 枝晶偏析。23晶內(nèi)偏析 塑性、韌性顯著下降可通過(guò)擴(kuò)散退火消除。24二、二元共晶相圖定義 當(dāng)二個(gè)組元在液態(tài)下無(wú)限互溶，而在固態(tài)時(shí)有限互溶，并有共晶反應(yīng)發(fā)生時(shí)形成的相圖。例如、Pb-Sn共晶相圖。25261、相圖分析 （Pb-Sn相圖） 1）組元：Sn、Pb； 是Sn溶于Pb中的置換固溶體；是Pb溶于Sn中的置換固溶體。272）特征點(diǎn)（7個(gè)點(diǎn)）28A、B點(diǎn)分別為組元Pb和Sn的熔點(diǎn)；M、N點(diǎn)分別是固溶體

5、 、的最大溶解度點(diǎn)；29F、G點(diǎn) 分別是固溶體 、在室溫下的溶解度點(diǎn)。 E點(diǎn) 為共晶點(diǎn)，E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度稱為共晶溫度；30亞共晶合金共晶合金過(guò)共晶合金31共晶反應(yīng)： 具有一定成分的液體（Le）在一定溫度（共晶溫度）下同時(shí)結(jié)晶兩種成分的固溶體（m +n）稱為共晶反應(yīng)，即 Le （m +n）結(jié)晶產(chǎn)物為共晶體。32共晶體的顯微組織特征： 是兩相交替分布，其形態(tài)與合金的特性及冷卻速度有關(guān)，通常呈片層狀。 33共晶組織形態(tài)層片狀(Al-CuAl2定向凝固)條棒狀(Sb-MnSb橫截面)螺旋狀（Zn-Mg）Pb-Sn共晶組織343）特征線（5條）35 AEB 為液相線； AMENB 為固相線； MF、NG

6、代表兩固溶體 和溶解度曲線； MEN 一段水平線又稱共晶反應(yīng)線，成分在該范圍內(nèi)的合金都將發(fā)生共晶反應(yīng)。364）特征區(qū)（7個(gè)區(qū)）L L+ L+ +L+ +373個(gè)單相區(qū)： L、 和；3個(gè)雙相區(qū)：（L+ ）、（L+）和（ +）；1個(gè)三相區(qū)：（L+ +）2、合金平衡結(jié)晶過(guò)程及組織3839 含Sn量小于m點(diǎn)的合金勻晶轉(zhuǎn)變二次析出（析出二次固溶體）40室溫顯微組織： +41 共晶合金（e點(diǎn)合金） 發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變： Le （m +n）42室溫組織： （ +），即100%的共晶體。43(3)亞共晶合金 （m-e之間的合金）勻晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變二次析出44室溫顯微組織： +（ +）+ 45其中 、（ +）、均稱為合

7、金的組織組成物，是合金顯微組織的獨(dú)立部分。46Pb-Sn合金的結(jié)晶過(guò)程4748三、共析相圖1、特點(diǎn)上部分為勻晶相圖；下部分類似共晶相圖。49men勻晶相圖類似共晶相圖亞共析合金共析合金過(guò)共析合金502、e點(diǎn)共析點(diǎn)e點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度稱為共析溫度；共析合金：成分對(duì)應(yīng)于e點(diǎn)的合金；亞共析合金：成分位于e-m點(diǎn)之間合金；過(guò)共析合金：成分位于e-n點(diǎn)之間合金。51共析反應(yīng)： 具有一定成分的固溶體（e）在一定溫度（共析溫度）下同時(shí)析出兩種成分的固溶體（m +n），稱為共析反應(yīng)，即 e （m +n）52結(jié)晶產(chǎn)物為共析體： 呈片層狀的特征，但比共晶體要細(xì)密。3、men為共析反應(yīng)線： 成分在該范圍內(nèi)的合金都將發(fā)生共

8、析反應(yīng)。533.3.5 相圖與合金性能之間的關(guān)系一、合金成分與力學(xué)性能之間關(guān)系二、合金成分與合金鑄造性能之間關(guān)系54一、合金成分與力學(xué)性能和物理性能 固溶體合金55共晶合金56固溶體的合金（勻晶相圖）:57由于固溶強(qiáng)化，隨著溶質(zhì)組元含量的增加，其強(qiáng)度和硬度提高，呈曲線關(guān)系變化。而固溶體合金的電阻率與成分之間的關(guān)系也呈曲線關(guān)系變化。58共晶合金（共晶相圖）：59（1）相圖兩端均為固溶體，其性能與合金成分之間呈曲線關(guān)系。（2）相圖中間部分為兩相機(jī)械混合物，合金的強(qiáng)度、硬度、電阻率與成分呈直線關(guān)系。（3）但兩相十分細(xì)密時(shí)，合金的強(qiáng)度、硬度將偏離直線關(guān)系而出現(xiàn)峰值。60二、合金成分與合金鑄造性能之間關(guān)

9、系61固溶體合金: 當(dāng)相線與液相線距離越大，越容易產(chǎn)生偏析和分散縮孔。 共晶合金: 具有最好的流動(dòng)性，并在結(jié)晶時(shí)易形成集中縮孔。62結(jié) 束633.1 金屬的結(jié)晶及其控制 重點(diǎn)：如何控制晶粒的大小，即 細(xì)化晶粒的途徑。難點(diǎn)：結(jié)晶的必要和充分條件；643.1.1 結(jié)晶的概念1、近程有序（不穩(wěn)定、隨機(jī)、瞬變）和遠(yuǎn)程有序。2、結(jié)晶定義1）從狀態(tài)看：指金屬自液態(tài)向固態(tài)過(guò)渡時(shí)晶體形成的過(guò)程，稱為 “一次結(jié)晶”。652）從金屬學(xué)觀點(diǎn)： 結(jié)晶則是指物質(zhì)的原子從近程有序結(jié)構(gòu)向遠(yuǎn)程有序結(jié)構(gòu)過(guò)度的過(guò)程。663、結(jié)晶的條件 1）必要條件：過(guò)冷 67定義：金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度（T1）低于理論結(jié)晶溫度(T0)的現(xiàn)象。即在T

10、0以下金屬仍處于液態(tài)。作用： 過(guò)冷 自由能下降（G ） 產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。68 T1 T0 T（）692、充分條件： 過(guò)冷度T = T0 T1 一般為10-30； 冷卻速度愈大、過(guò)冷度愈大。703.1.2 結(jié)晶的過(guò)程形核與長(zhǎng)大。711、形核1）定義液體中最初形成分的一些作為結(jié)晶中心的穩(wěn)定的微小晶體（晶核）的過(guò)程。722）形核的方式 （1）自發(fā)形核從過(guò)冷液體中直接產(chǎn)生晶核， 但需要很大的過(guò)冷度。 Fe 需要T = 295； Ni 需要T = 319。73均勻形核74（2）非自發(fā) 形核依附于雜質(zhì)微粒的表面或容器壁表面產(chǎn)生的核；過(guò)冷度小10 30；為主導(dǎo)形核方式。75非均勻形核示意圖762、晶粒長(zhǎng)大1)

11、以枝晶狀長(zhǎng)大；2）有選擇性：散熱條件好的方向利于長(zhǎng)大。77結(jié)晶前沿銻錠樹枝狀晶783.1.3 晶粒的大小及控制1、對(duì)金屬性能的影響在一般情況下，晶粒愈細(xì)小，則金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性愈好。79晶粒大小對(duì)純鐵的機(jī)械性能的影響 晶粒直徑（mm） 強(qiáng)度b（MPa） 伸長(zhǎng)率（%） 9.716528.67.018030.62.521039.580 2、晶粒大小的控制1）決定晶粒度的因素 形核率（N）：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)形成晶核的數(shù)目。長(zhǎng)大速度（G）：晶核在單位時(shí)間內(nèi)生長(zhǎng)的長(zhǎng)度。81N/G 晶粒愈細(xì)小822）控制晶粒度的方法 （1）增加過(guò)冷度 冷卻速度T N/G 晶粒愈細(xì)小。 降低鑄造溫度； 用金屬型鑄造代替砂型。83氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子的宏觀組織(縱截面)細(xì)晶的熔模鑄件(上)普通鑄件(下)84冷卻速度對(duì)金屬晶粒度的影響冷速大冷速小85當(dāng)冷卻速度 1024/s 微晶合金、納晶合金。微晶合金的特點(diǎn)： 具有高強(qiáng)度、高硬度、良好的韌性；86 較高的耐磨性、耐蝕性及抗氧化、抗輻射性、穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能。 還具有良好的物理性能：高電阻率，較高的超導(dǎo)，高的矯頑力。87當(dāng)冷卻速度 1068/s 非晶態(tài)材料。非晶態(tài)合金的特點(diǎn)： 很高的強(qiáng)度、硬度、剛度； 具有良好的韌性和塑性；88 無(wú)晶體缺陷，因此具有很高的耐