華科復(fù)試課件04二元合金

1第四章二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶§3–2合金的相結(jié)構(gòu)一、基本概念1.合金：一種金屬元素與若干種其它種元素結(jié)合成的具有金屬特性的物質(zhì)。2.組元：組成合金的基本物質(zhì)，可以是元素，也可以是化合物。3.相：合金中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)相同，且以界面相互分開的組成部分。二、合金的相結(jié)構(gòu)1.固溶體（solidsolution）⑴合金中各組元在固態(tài)互相溶解形成的晶格與某組元相同的新相。該組元稱溶劑，其它稱溶質(zhì)?！窆倘荏w的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑相同?！駶舛龋喝苜|(zhì)原子溶入固溶體中的量。●溶解度：一定溫度下的最大濃度，也稱固溶度。2⑵固溶體的分類：●置換固溶體：溶質(zhì)原子處于晶格結(jié)點(diǎn)上。●間隙固溶體：溶質(zhì)原子處于晶格間隙中。⑶固溶體的性能：因溶質(zhì)原子的溶入，溶劑晶格產(chǎn)生畸變，使固溶體的強(qiáng)度、硬度升高，而塑性、韌性下降。

固溶強(qiáng)化：因形成固溶體使材料的強(qiáng)度、硬度上升的現(xiàn)象。32.金屬化合物⑴合金組元相互作用而形成的晶格不同于任一組元的新相。⑵分類：①正常價化合物：由元素周期表中相距較遠(yuǎn)的元素組成，電負(fù)性相差較大,符合化合價規(guī)律，如：Mg2Si,ZnS,……②電子化合物：由元素周期表中相距較近,且原子尺寸相差較小的的元素組成，一般不符合化合價規(guī)律，其晶體結(jié)構(gòu)由電子濃度（價電子總數(shù)與原子總數(shù)之比）決定，如下表所例：4③間隙化合物：由過渡族金屬元素（原子半徑較大）與非金屬元素（原子半徑較?。┙M成，非金屬原子（C、N、B等）處于晶格間隙中。間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元，如：

VC(fcc結(jié)構(gòu))Fe3C(復(fù)雜晶格)5

⑶性能：金屬化合物都具有高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)的特點(diǎn)，如下表所例：6三、二元合金相圖

1。相圖：表明合金系中不同成分合金在極緩慢加熱(冷卻)過程中的不同溫度時，由哪些相構(gòu)成以及這些相之間的平衡關(guān)系的圖形?！駱O緩慢加熱（冷卻）過程：即是在每一溫度都停留足夠長時間，使合金中的原子充分?jǐn)U散，組織中各相的化學(xué)成分和相對量最終達(dá)到動平衡的狀態(tài)。這樣的過程稱平衡過程。生產(chǎn)實(shí)踐中的緩慢加熱（冷卻）過程近似看成是平衡過程?！裣嘀g的平衡關(guān)系：各相的化學(xué)成分和相對量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。72。相圖的建立：用實(shí)驗(yàn)方法測繪，如Cu–Ni合金系：⑴配置不同成分的Cu–Ni合金；⑵將各液態(tài)合金自高溫緩慢冷卻，作冷卻曲線。冷卻曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)表示相變開始、終了的溫度。記下這些臨界點(diǎn)；⑶連點(diǎn)成線。8四、二元相圖及合金的平衡結(jié)晶分析㈠勻晶相圖：兩組元在液態(tài)、固態(tài)均無限互溶則形成勻晶相圖，如Cu–Ni相圖：1.相圖簡介：線：液相線、固相線，液相線與固相線的交點(diǎn)

A,B分別為兩組元Cu,Ni的熔點(diǎn)。相區(qū)：液相區(qū):單相液態(tài)合金L

固相區(qū):單相固溶體α

兩相區(qū):L與α共存92.兩相區(qū)內(nèi)的相平衡關(guān)系

⑴兩相的成分

過T1作水平線交液相線、固相線于a、c，則a、c的成分就分別是液相和固相的成分。

⑵兩相的相對量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）滿足杠桿定律：

mL˙ax＝mα˙xc

設(shè)mL＋

mα＝100%

則

mL＝xc/ac˙100%，

mα＝ax/ac˙100%

103.

兩相區(qū)內(nèi)合金的平衡結(jié)晶

隨溫度緩慢下降，液相、固相的成分分別沿著液相線、固相線變化，兩相的相對量也不斷變化。溫度降至固相線的時候，液相消失，結(jié)晶完成，組織為均勻的固溶體。114.

固溶體合金的不平衡結(jié)晶實(shí)際結(jié)晶一般都是不平衡結(jié)晶。如右圖，在溫度t2，在晶體表面結(jié)晶出成分為α2的固相，但晶體內(nèi)部的成分還是α1，由于冷速較快，原子來不及充分?jǐn)U散，α1還未變成α2，溫度就下降了，又有新固相結(jié)晶出來。這樣直至結(jié)晶完成，最終形成成分不均勻的固溶體，這種成分不均勻的現(xiàn)象稱成分偏析。

在成分偏析的固溶體中，先結(jié)晶出來的部分含有較多的高熔點(diǎn)組元。

12５．成分過冷及其對晶體長大的影響

●成分過冷的產(chǎn)生如右圖，固溶體合金結(jié)晶到達(dá)T2溫度。其液固界面前沿液相具有正溫度梯度⑴，界面前沿液相中溶質(zhì)B的濃度分布不均勻⑵，該處液相的理論結(jié)晶溫度發(fā)生如⑶的變化，使實(shí)際溫度低于理論結(jié)晶溫度，產(chǎn)生了一個過冷區(qū)域，這種因溶質(zhì)濃度改變而在界面液相產(chǎn)生的過冷現(xiàn)象稱為成分過冷。成分過冷區(qū)的大小取決于液相實(shí)際溫度的分布情況和成分不均勻的程度。L1LL2αT1T2C0溫度溶質(zhì)B%溫度溫度溫度距離距離距離T2L1L2T1T2B%13●成分過冷對晶體長大方式的影響⑴溫度梯度為G1時界面前沿液相出現(xiàn)較大成分過冷，過冷度隨距離增大明顯加大，晶體以樹枝狀長大，即枝晶成長。⑵溫度梯度為G2時界面前沿液相中的成分過冷較小，過冷度隨距離增大不明顯加大，晶體以胞狀長大，形成胞狀結(jié)構(gòu)。⑶溫度梯度為G3時界面前沿液相中無成分過冷，晶體平面長大。在實(shí)際生產(chǎn)條件下，金屬結(jié)晶時界面前沿液相中的溫度梯度不大，所以固溶體合金的結(jié)晶一般都成長為樹枝狀晶體。G2G1G3溫度界面距離熔點(diǎn)曲線實(shí)際溫度成分過冷對晶體長大影響示意圖146.枝晶偏析⑴產(chǎn)生原因：在固溶體合金實(shí)際結(jié)晶過程中，因不平衡結(jié)晶和枝晶生長，先結(jié)晶出來的枝晶晶軸與后結(jié)晶出來的分支及枝間部分成分不一，形成成分不均勻的樹枝狀晶體。⑵枝晶偏析對金屬的力學(xué)性能有不良影響，尤其使塑性韌性下降明顯。枝晶偏析可用擴(kuò)散退火消除。⑶影響枝晶偏析的因素●合金在相圖中液、固相線距離越大，則枝晶偏析越嚴(yán)重?！窈辖鸬睦鋮s速度越大，則枝晶偏析越嚴(yán)重?！窈辖鹬性訑U(kuò)散能力越小，則枝晶偏析越嚴(yán)重。15

㈡共晶相圖

1.相圖簡介：

線：●液相線：aEb，固相線：aCEDb

●溶解度線（固溶線）：

CG:Sn在α中的溶解度線，

DH:Pb在β中的溶解度線。

●共晶線：一條水平線CED。相區(qū)：●單相區(qū)：L,α,β●雙相區(qū)：L+α，

L+β，

α+β●三相區(qū)：L+α+β

二元相圖中的三相區(qū)都是水平線。

162.共晶轉(zhuǎn)變

恒溫下，由一定成分的液相同時結(jié)晶出兩種成分一定的固相的轉(zhuǎn)變。

LE

αC+βD

產(chǎn)物稱為共晶體，為兩相細(xì)密交替分布的機(jī)械混合物，如下右圖所示。

共晶體總是寫在括號內(nèi),如(αC+βD)。

tE共晶體結(jié)構(gòu)示意圖173.典型合金平衡結(jié)晶分析

●合金Ⅰ

室溫時為均勻的單相α。

●合金Ⅱ

冷卻至CG線上的3點(diǎn)時，α

相達(dá)到飽和，繼續(xù)冷卻，則從α

相中析出βⅡ相。

從固溶體里析出的另一固相稱為次生相或二次相。

合金Ⅱ的室溫平衡組織是α+βⅡ

。

●合金Ⅳ(共晶合金)

在183℃發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，產(chǎn)物是（αC+βD），室溫時的組織是:

（α+β）。18●合金Ⅲ

為亞共晶合金,

冷至aE線時結(jié)晶出固溶體α(稱為初晶或先共晶相），在183℃時剩余液相的成分到達(dá)E點(diǎn)，這些液相便發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，變成共晶體。共晶轉(zhuǎn)變完成后溫度繼續(xù)下降，初晶α的溶解度發(fā)生變化，其內(nèi)析出二次相βⅡ。

至室溫，合金Ⅲ的平衡組織是（α+β）+α+βⅡ

結(jié)晶過程及組織示意圖如下右圖所示。194.共晶相圖小結(jié)

●在共晶線上都有共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生。

●要區(qū)分共晶體、先共晶相（初晶）、二次相的概念。

●相組成物：組織中的組成相。上圖中填寫的就是相組成物。

組織組成物：組織中有一定形貌的組成部分。

●可用杠桿定律計算相組成物、組織組成物的相對量。思考：在上圖中填寫組織組成物，計算在共晶溫度時共晶體內(nèi)相組成物的相對量。20㈢包晶相圖

1.包晶轉(zhuǎn)變：

αd+Lcβp

恒溫下，由一定成分的固相與一定成分的液相作用形成另一個一定成分的固相的轉(zhuǎn)變。水平線dPc為包晶線。

新固相是包在舊固相的外層逐漸長大而成，故名包晶轉(zhuǎn)變。

包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束形成單相β，在隨后冷卻過程中從其中析出二次α相。

tp212.

典型合金的平衡結(jié)晶⑴合金Ⅰ

在tp

溫度發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，由αd、

Lc兩相互相作用，生成βp相，轉(zhuǎn)變終了，α

、

L兩相同時消耗完。最終室溫組織：β+αⅡ⑵合金

Ⅱ包晶轉(zhuǎn)變終了，有α相剩余。最終室溫組織：α+βⅡ+β+αⅡ⑶合金

Ⅲ包晶轉(zhuǎn)變終了，有L相剩余。最終室溫組織：β+αⅡⅠⅡⅢ22

㈣共析相圖

共析轉(zhuǎn)變：恒溫下，由一定成分的固相同時析出另外兩種成分一定的固相的轉(zhuǎn)變。

γα+β

產(chǎn)物（α+β）稱共析體，也是兩相細(xì)密交替分布。

㈤形成穩(wěn)定化合物的相圖穩(wěn)定化合物在相圖中表現(xiàn)為一垂線，可將其視為獨(dú)立組元，并以其為界將相圖分開進(jìn)行分析。如Mg-Si相圖，以Mg2Si為界分為兩個簡單的共晶相圖進(jìn)行分析。23