二元合金以及其相圖

1、關(guān)于二元合金及其相圖第一張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月純金屬導(dǎo)電體、導(dǎo)熱體(散熱器)裝飾品、工藝 美術(shù)品(化學(xué)穩(wěn)定性、美麗的光澤) 但：力學(xué)性能差（b）、品種有限 （約80種）、提純成本高合金材料HB、b，數(shù)量上萬(wàn)種，生產(chǎn)成本低， 廣為開(kāi)發(fā)利用。1、 合金金屬元素+幾種其它元素、具有金屬性幾個(gè)基本概念：2、 成分合金中各種元素的含量，稱(chēng)為成分3、 組元組成合金的最簡(jiǎn)單，最基本，能夠獨(dú)立存 在的物質(zhì)。 (比如純?cè)?4、 合金系由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按不同比例配制 成的一系列不同成份的合金。第二張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3-1 固態(tài)合金相的種類(lèi)及特點(diǎn)對(duì)于合金：L冷卻S晶

2、時(shí)，各區(qū)域間成份、結(jié)構(gòu) 相：在金屬或合金中凡是具有相同成分、相同結(jié)構(gòu)并與其他部分有界面分開(kāi)的，均勻的組成部分，稱(chēng)之為相。完全一致 相的概念不完全一致但注意：多晶體可以是單相相可分為兩大類(lèi)：即“固溶體”和“金屬化合物”組織：由相組成的，是由于組成相的種類(lèi)、相對(duì)數(shù)量、晶粒形狀、大小及分布形態(tài)等的不同，而分別具有不同形貌特征的相的組合物。第三張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月一、 固溶體 固溶體的晶格結(jié)構(gòu)類(lèi)型與溶劑金屬組元的晶格相同。定義： 在固態(tài)下，溶質(zhì)原子以不同方式進(jìn)入固態(tài)金屬溶 劑組元的晶格中，這樣所形成的新相稱(chēng)為固溶體。 （一）、固溶體晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（二）、固溶體分類(lèi)及特性 根據(jù)溶質(zhì)原

3、子在溶劑晶格中占據(jù)位置的不同， 固溶體可分為兩類(lèi)：即 和 。置換固溶體 間隙固溶體1 、置換式固溶體 是指溶質(zhì)原子置換溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上的溶劑原子而形成的固溶體。（原子直徑相近時(shí)形成）根據(jù)溶質(zhì)原子分布位置可分為： 無(wú)序固溶體和有序固溶體第四張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（1）、 無(wú)序固溶體：溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的呈 分布。（多數(shù)） （2）、 有序固溶體：溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的呈 分布。 （為數(shù)不多）有規(guī)律無(wú)規(guī)律2、間隙固溶體 是指溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶 格間隙而形成的固溶體。（原子直徑相差很大。）間隙固溶體只能形成無(wú)序固溶體第五張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 在一定溫度及壓力下

4、，溶質(zhì)元素在固溶體中的最大溶入量與固溶體總量之比。 （三）、固溶體的溶解度及其影響素1、 溶解度： 溶解度在0100%間可以任意改變的固溶體。（1）、無(wú)限固溶體： 只能是置換式固溶體在溶質(zhì)與溶劑原子尺寸差別較小且晶格類(lèi)型相同時(shí)產(chǎn)生。形成條件：溶解度有限的固溶體。（2）有限固溶體： 置換式固溶體，可以形成無(wú)限固溶體。 間隙式固溶體，只能形成有限固溶體而不能形成無(wú)限固溶體。 第六張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 由于組元間原子大小不同，所以溶質(zhì)溶入將導(dǎo)致溶劑的晶格畸變。 因?yàn)殚g隙固溶體中溶質(zhì)原子,都比溶劑晶格間隙尺寸大，所以隨著溶質(zhì)原子溶入量的增加，固溶體晶格將產(chǎn)生嚴(yán)重的正畸變，溶質(zhì)原子

5、溶入一定數(shù)量以后便不可能繼續(xù)溶入，所以造成有限的溶解度，并且溶解度也不可能很大 。主要原因：間隙固溶體中的晶格畸變 2、溶解度影響因素組元間晶格類(lèi)型相同，溶解度 較大。 （1）晶體結(jié)構(gòu)因素： 對(duì)于置換固溶體，組元間晶格類(lèi)型相同是形成無(wú)限固溶體的必要條件。晶格類(lèi)型不同，溶解度有限。（2）原子大小因素：第七張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月置換固溶體的晶格畸變 原子尺寸差別越小溶解度越大。當(dāng)差別小到一定程度，就可能產(chǎn)生無(wú)限固溶體。若差別較大，則只能形成有限固溶體。 對(duì)置換固溶體 ：溶質(zhì)原子直徑越小，溶解度越大。 對(duì)間隙固溶體 ： 是指元素的原子從其它原子奪取電子而轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)離子的能力。（3）

6、電負(fù)性因素：電負(fù)性因素： 溶質(zhì)、溶劑的電負(fù)性越接近溶解度越大。越有利于形成無(wú)限固溶體。當(dāng)元素間的電負(fù)性的差別大到一定程度后，就難于形成固溶體，而傾向于形成化合物。第八張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 通過(guò)向溶劑金屬中溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，而使固溶體合金強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象， （四）、 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化。溶質(zhì)溶入晶格畸變位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加金屬塑性變形困難（抗力）高強(qiáng)度、硬度（能量其他性能）。 1、產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因：間隙式固溶體的晶格畸變大固溶強(qiáng)化效果明顯。 2、固溶強(qiáng)化效果：化合物合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種新相。當(dāng)溶質(zhì)含量溶解度時(shí)，將出現(xiàn)新相化合物分類(lèi)金屬化合物具有一定程度金

7、屬鍵， 有金屬特性非金屬化合物具有離子鍵，無(wú)金屬特性第九張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、 金屬化合物具有相當(dāng)程度的金屬鍵并具有一定程度的金屬性質(zhì)的化合物。 金屬化合物： 晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大。一般只用作強(qiáng)化相 金屬化合物的晶格結(jié)構(gòu)類(lèi)型不同于任一組元（可用分子式大致表示）（一）、金屬化合物晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（二）、金屬化合物的特性（三）、金屬化合物的種類(lèi)及其特征常見(jiàn)三種類(lèi)型：正常價(jià)化合物、電子化合物、間隙化合物）第十張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 1、正常價(jià)化合物：符合一般原子價(jià)規(guī)律、成分固定可用化學(xué)分子式表達(dá)。 通常由強(qiáng)金屬性的元素與非金屬或類(lèi)金屬元素（如

8、IV、V、VI族）形成。 如：Mg2Si、Mg2SnMg2Pb 原子結(jié)合力：以離子鍵、共價(jià)鍵為主 性能：具有很高的硬度和脆性。 2、電子化合物 ：服從電子濃度規(guī)律(不遵守原子價(jià)規(guī)律）電子濃度達(dá)到某一數(shù)值，便形成具有某種晶格結(jié)構(gòu)的化合物。 電子濃度（Ce):在合金相中，組元所貢獻(xiàn)的價(jià)電子數(shù)目之和與合金相的原子數(shù)目之比值。 例：CuZn 電子濃度：統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明： Ce=21/14 為相，體心立方晶格。 Ce=21/13 為 相，復(fù)雜立方晶格。 Ce=21/12 為 相，密排六方晶格。第十一張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（三）間隙化合物 （主導(dǎo)因素為原子尺寸） 由過(guò)渡族金屬元素與原子半徑

9、較小的碳、氮、硼等非金屬元素所形成。 間隙相 ：d非/d金0.59 根據(jù)原子直徑比和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為兩類(lèi)：三、 固溶體同化合物晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)別固溶體的晶格結(jié)構(gòu)類(lèi)型與溶劑組元的晶格相同?；衔锏木Ц窠Y(jié)構(gòu)類(lèi)型與任一組元的晶格不同。第十二張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3-2 二元合金相圖 是表示合金系中合金在平衡條件下各相的存在狀態(tài)與溫度、成分間關(guān)系的圖解。又稱(chēng)狀態(tài)圖或平衡圖。相圖： 在合金系中，參與結(jié)晶或相轉(zhuǎn)變過(guò)程中的各相之間相對(duì)重量和相的濃度不再改變時(shí)所達(dá)到的一種平衡。相平衡：L合金 S合金 單相，雙相，多相一、 二元合金的結(jié)晶分析及相圖的建立 最常采用的熱分析法， 以Cu-Ni 合金為

10、例說(shuō)明測(cè)定二元相圖的步驟如下： 所以，相圖上相及組織，都是在十分緩慢冷卻條件下獲得的。第十三張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1、配制合金系，熔化；2、測(cè)冷卻曲線確定臨界點(diǎn)3.畫(huà)溫度-成分坐標(biāo)標(biāo)定臨界點(diǎn)4.具有相同意義的點(diǎn)連線 0 20 50 80 100 Cu% 100 80 50 20 0 Ni %時(shí)間時(shí)間100%Cu20%Ni50%Ni80%Ni100%Ni溫度 1500 1400130012001100溫度 溫度 1083118011301245132513701410LL+ABCu 10 30 50 70 90 Ni Ni (%)1453第十四張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于20

11、22年6月二、二元合金相圖的基本類(lèi)型（一）勻晶相圖：兩組元在液態(tài)、固態(tài)均無(wú)限互溶的 二元合金系所形成的相圖。（如 Cu-Ni Cu-Au Au-Ag Fe-Ni等）a、b：純組元A、B的熔點(diǎn)液相線：acb固相線：adb 兩個(gè)單相區(qū)：L、一個(gè)兩相區(qū)：L +1、相圖分析第十五張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、平衡結(jié)晶過(guò)程分析第十六張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 計(jì)算某一成分的合金處于兩相平衡時(shí)在某溫度下，合金中兩個(gè)相的相對(duì)含量。3、二元相圖的杠桿定律、杠桿定律的推導(dǎo)：設(shè)合金總重為1；液相與合金總重之比為QL;固相與合金總重之比為Q。則可得方程組：QL+Q=1 (1)QLX1

12、+QX2= X (2)解方程組得：化簡(jiǎn)為線段比： XX1Q = X2 X1 X2XQL =1 Q = X2 X1第十七張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月、應(yīng)用條件（在二元相圖中）A、只能在兩相區(qū)對(duì)“相”的相對(duì)含量計(jì)算B、必須是兩相處于平衡狀態(tài)4、枝晶偏析 可以采用擴(kuò)散退火或均勻化退火工藝予以消除。 即加熱到固相線100200，長(zhǎng)時(shí)間保溫，使偏析充分?jǐn)U散，達(dá)到成份均勻。 先后結(jié)晶的樹(shù)枝狀晶體內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象。第十八張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 （二） 二元共晶相圖： 二組元在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)僅有限互溶并能發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的二元相圖。（如：Pb-Sn Pb-Sb Al-Si

13、 Ag-Cu等）1、相圖分析a、b ：純組元A、B的熔點(diǎn)。液相線：acb固相線：adceb固溶線：df、eg兩種固溶體：、三個(gè)單相區(qū)： L、三個(gè)兩相區(qū)：（L+ ) 、 （L+ )、(+）一個(gè)三相區(qū)：L+ +三相線平衡水平線：dce第十九張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 溫度固定、三相成分 固定，在相圖中表現(xiàn)為水平線。共晶反應(yīng)：在一定溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出成分一定且不相同的兩個(gè)固相的轉(zhuǎn)變，稱(chēng)為共晶轉(zhuǎn)變（或共晶反應(yīng)）。反應(yīng)式為：Lctcd+e反應(yīng)特征：共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物稱(chēng)為共晶組織(體)。C點(diǎn)為共晶點(diǎn) （共晶成分、共晶溫度）c 成分的合金稱(chēng)為dc間成分的合金成為ce間成分的合金稱(chēng)為

14、共晶合金亞共晶合金，過(guò)共晶合金。第二十張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程 1）、共晶合金 成分為 c ，見(jiàn)圖中的 I 合金。次生相（二次相）：因溶解度減少，由已有的固相中析出的新相小晶體。室溫下的相：、； 室溫下的組織：()共晶體第二十一張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月室溫下的相 ： 相、相；室溫下的組織：（）共晶體、初、II , or 初、 II 2）、亞共晶和過(guò)共晶合金亞共晶： d、c點(diǎn)之間的合金。（圖中II ）過(guò)共晶： e、c點(diǎn)之間的合金。（圖中III） 初II初初初第二十二張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 3）、邊際固溶體合金 e的

15、合金室溫下的相 ： 相、相；室溫下的組織： 初、 II特別注意：雖然只有在共晶點(diǎn)（共晶溫度、共晶成分）才發(fā)生共晶反應(yīng)，但是在de水平線所包含成分范圍內(nèi)的所有成分合金在從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中在共晶溫度，都要發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。這時(shí)其液態(tài)合金的成分已沿著液相線轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿С煞至?。第二十三張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3、具有共晶相圖的Pb-Sn二元合金的典型平衡組織 共晶合金 亞共晶合金 過(guò)共晶合金第二十四張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4、關(guān)于相和組織的概念相：在金屬或合金中凡是具有相同成分、相同結(jié)構(gòu)并與其他部分有界面分開(kāi)的，均勻的組成部分，稱(chēng)之為相。 組織：金屬和合金的組織是由相

16、組成的，是由于組成相的種類(lèi)、相對(duì)數(shù)量、晶粒形狀、大小及分布形態(tài)等的不同，而分別具有不同形貌特征的相的組合物。顯微組織：借助于各種不同放大倍數(shù)的金相顯微鏡所觀察到的金屬和合金中的晶粒形狀、大小及各組成相的分布形態(tài)等形貌，稱(chēng)為顯微組織或金相組織（簡(jiǎn)稱(chēng)金相）。第二十五張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖3-22 由相所構(gòu)成的不同組織的示意圖 固溶體：、； 金屬化合物：、第二十六張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5、杠桿定律的應(yīng)用1) 計(jì)算（f、g）成分范圍內(nèi)，任意成分二元合金室溫下相組成物的相對(duì)量（重量百分?jǐn)?shù)） 。 圖中 I 合金室溫下為、兩相應(yīng)用杠桿定律可得： 第二十七張，PPT共

17、四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月5、杠桿定律的應(yīng)用 2）計(jì)算亞共晶合金（或過(guò)共晶合金）室溫下組織組成物的相對(duì)量（重量百分?jǐn)?shù)）。 該合金室溫時(shí)的組織組成物為：初+ II +(+)dLc初IId共晶溫度第二十八張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 （三）二元包晶相圖：二組元在液態(tài)下無(wú)限互溶，在固態(tài)下生成有限固溶體，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的相圖稱(chēng)為包晶相圖。1、相圖分析液相線：aeb 固相線：acdbcf、dg線：分別是B組元在固溶體和A組元在固溶體中的溶解度曲線。包晶線：水平線cde； d為包晶點(diǎn)。包晶轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，成分一定的固相與包圍它的液相相互作用而轉(zhuǎn)變?yōu)槌煞忠欢ǖ男碌墓滔嗟霓D(zhuǎn)變稱(chēng)為包晶轉(zhuǎn)變

18、（或包晶反應(yīng)）。反應(yīng)式：Le+ c dtd相圖中還有三個(gè)單相區(qū)：、L 三個(gè)兩相區(qū)： L +、 L +、 +第二十九張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、典型合金的平衡結(jié)晶及組織1）I合金（d點(diǎn)成分）室溫相組成物為： 、 室溫組織組成物為： + IILLLLLII時(shí)間溫度1ddL+ II第三十張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2 ） II合金 （c、d之間） 室溫相組成物為： 、 室溫組織組成物為： + II + IILLLLLIIII1mm時(shí)間溫度L+ /II /II第三十一張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3 ） III 合金 室溫相組成物為： 室溫組織組成物為： L

19、LLLL時(shí)間溫度1nnL+ L第三十二張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 （四） 其它類(lèi)型的二元相圖1、形成穩(wěn)定化合物的二元 相圖穩(wěn)定化合物：在熔化前既不分解，也不產(chǎn)生任何化學(xué)反應(yīng)的化合物稱(chēng)為穩(wěn)定化合物。 穩(wěn)定化合物可視為該合金中的一個(gè)組元。通常它們具有嚴(yán)格的成分，固定熔點(diǎn)，在相圖中可用一根垂線表示。 。第三十三張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2、二元共析相圖 高溫形成的固溶體，在冷卻至某一溫度時(shí)，固溶體又將發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成兩種成分一定且不相同的新的固相。這種相圖稱(chēng)為二元共析相圖。共析轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，由成分一定的固相同時(shí)析出兩種成分一定且不相同的新固相的轉(zhuǎn)變，稱(chēng)為共析轉(zhuǎn)變（或共析反應(yīng)）。c d+ e恒溫第三十四張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月LL + 時(shí)間溫度LL( + )1231233共析轉(zhuǎn)變示意圖第三十五張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 (五)二元合金相圖小節(jié)1、兩個(gè)單相區(qū)只能相鄰于一點(diǎn)，而不能相鄰于一條線3、三相平衡共存時(shí)，必定是一條水平線，每條水平線必定和三個(gè)兩相區(qū)相遇。2、兩個(gè)單相區(qū)之間必定有一個(gè)由這兩個(gè)單相組成的 兩相區(qū)。第三十六張，PPT共四十三頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 合金的性能與相圖的關(guān)系一、合金的機(jī)械性能、物理性能與相圖的關(guān)系單相固體時(shí)，其性能取決于溶劑