第4章合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

第四章合金的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶

第四章合金的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶§1合金中的相結(jié)構(gòu)

§2二元合金狀態(tài)圖

§3相圖與合金性能的關(guān)系§1合金中的相結(jié)構(gòu)一、合金的基本概念二、合金中的相結(jié)構(gòu)1．固溶體置換固溶體

間隙固溶體

固溶體的性能

2．化合物

一、合金的基本概念合金

通過熔煉，燒結(jié)或其它方法，將一種金屬元素同一種或幾種其它元素結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的新物質(zhì)，稱為合金。組元組成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)稱為組元

一合金中的基本概念

相在金屬或合金中，凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開的均勻組成部分，均稱之為相.二、合金中的相結(jié)構(gòu)固溶體置換固溶體

間隙固溶體

固溶體的性能

化合物固溶體

置換固溶體

間隙固溶體

組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體。

置換固溶體溶質(zhì)原子代替溶劑晶格結(jié)點上的一部分原子而組成的固溶體稱置換固溶體。溶質(zhì)原子在溶劑晶格結(jié)點上呈無序分布的置換固溶體稱為無序固溶體；溶質(zhì)原子在溶劑晶格結(jié)點上按一定秩序排列的置換固溶體稱有序固溶體。顯然，只有當(dāng)溶質(zhì)原子和溶劑原子成一定比例時，才有可能形成有序固溶體。此外，按照溶解度的大小，置換固溶體，又可分為無限置換固溶體和有限置換固溶體。間隙固溶體溶質(zhì)原子填充在溶劑晶格的間隙中形成的固溶體，即間隙固溶體，間隙固溶體仍保持著溶劑金屬的晶格類型。已有研究表明，當(dāng)溶質(zhì)元素的原子直徑與溶劑元素的原子直徑之比小于0.59時，易于形成間隙固溶體，而在直徑大小差不多的元素之間易于形成置換固溶體。且溶質(zhì)原子在間隙固溶體中只能呈統(tǒng)計分布，形成無序固溶體，而且當(dāng)溶劑晶格間隙被溶質(zhì)原子填充到一定程度后就不能再繼續(xù)溶解，多余的溶質(zhì)原子將以新相出現(xiàn)，因此，間隙固溶體的溶解總是有限的，間隙固溶體總是有限固溶體。

固溶體的性能無論置換固溶體，還是間隙固溶體，由于溶質(zhì)原子的存在都會使晶格發(fā)生畸變，使其性能不同于原純金屬。當(dāng)溶質(zhì)元素的含量極少時，固溶體的性能與溶劑金屬基本相同。隨溶質(zhì)含量的升高，固溶體的性能將發(fā)生明顯改變，其一般情況下，強度、硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降，電阻率升高，導(dǎo)電性逐漸下降等。固溶體的性能

不管溶質(zhì)原子處于溶劑原子的間隙中或者代替了溶劑原子都會使固溶體的晶格發(fā)生畸變，使塑性變形抗力增大，結(jié)果使金屬材料的強度、硬度增高。這種通過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬材料的強度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為固溶強化。固溶強化是提高金屬材料力學(xué)性能的重要途徑之一。實踐表明，適當(dāng)控制固溶體中的溶質(zhì)含量，可以在顯著提高金屬材料的強度、硬度的同時，仍能保持良好的塑性和韌性。因此，對綜合力學(xué)性能要求較高的結(jié)構(gòu)材料，都是以固溶體為基體的合金?；衔锶粜孪嗟木Ц窠Y(jié)構(gòu)不同于任一組成元素，則新相是組成元素間相互作用而生成的一種新物質(zhì)，屬于化合物，如碳鋼中的Fe3C，黃銅中的β相（CuZn）以及各種鋼中都有的FeS、MnS等等，都是化合物。

金屬化合物的晶格類型與形成化合物各組元的晶格類型完全不同，一般可用化學(xué)分子式表示。鋼中滲碳體（Fe3C）是由鐵原子和碳原子所組成的金屬化合物，它具有復(fù)雜的晶格形式。在這些化合物中，F(xiàn)e3C和β相均具有相當(dāng)程度的金屬鍵及一定的金屬性質(zhì)，是一種金屬物質(zhì)，稱為金屬化合物，而FeS、MnS具有離子鍵，沒有金屬性質(zhì)，屬于一般的化合物，因而又稱為非金屬化合物。在合金中，金屬化合物可以成為合金材料的基本組成相，而非金屬化合物是合金原料或熔煉過程帶來的，數(shù)量少且對合金性能影響很壞，因而一般稱為非金屬夾雜?；衔锓诸悾海ǎ保┱r化合物：符合一般化合物的原子價規(guī)律，成分固定，可用化學(xué)式表示。（２）電子化合物：是由第一族元素，過渡族元素與第二至第五族元素結(jié)合而成。服從電子濃度規(guī)律，即當(dāng)合金的電子濃度達到某一數(shù)值，變形成具有某種晶格結(jié)構(gòu)的化合物相。例：Ｃu－Ｚnβ-γ-ε(３)間隙化合物（尺寸因素化合物）間隙相：d非／d金＜０.５９具有比較簡單的晶格結(jié)構(gòu)。例：ＷＣ、ＴIＣ間隙化合物：d非／d金＞０.５９具有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。例：Ｆe３

ＣＣr２３Ｃ6

金屬化合物金屬化合物的性能不同于任一組元，其溶點一般較高、硬而脆。當(dāng)它呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將使合金的強度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強化。金屬化合物在合金中常作為強化相存在，它是許多合金鋼、有色金屬和硬質(zhì)合金的重要組成相。

絕大多數(shù)合金的組織都是固溶體與少量金屬化合物組成的混合物，其性質(zhì)取決于固溶體與金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布狀況。

組織組織(是一種顯微尺度)在金屬和合金中，用肉眼、低倍放大鏡或普通金相顯微鏡，可觀察到的金屬或合金內(nèi)部晶體(微觀)形貌。它是由單相物質(zhì)或多相物質(zhì)組合成的，具有一定形態(tài)特征的聚合體.例：Ｆe與Ｆe３

Ｃ——Ｐ、Ｓ、Ｔ、Ｓ回、Ｔ回、組織

組織

鐵碳合金的結(jié)晶組織金相像片§2二元合金相(狀態(tài))圖

一、相圖的意義及相關(guān)概念二、二元合金狀態(tài)圖的建立

三、平衡相組成的分析

四、二元狀態(tài)圖的基本類型分析

一、相圖的意義及相關(guān)概念相圖的意義相關(guān)概念組元合金系相圖一相圖的相關(guān)概念1．組元：通常把組成合金的最簡單、最基本，能夠獨立存在的物質(zhì)稱為組元。但在所研究的范圍內(nèi)既不分解也不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定化合物也可稱為組元，如Fe3C看作一組元。2．合金系由兩個或兩個以上組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，稱為合金系。3．相圖用來表示合金系中各個合金的結(jié)晶過程的簡明圖解稱為相圖，又稱狀態(tài)圖或平衡圖。相圖上所表示的組織都是十分緩慢冷卻的條件下獲得的，都是接近平衡狀態(tài)的組織。

二、二元合金狀態(tài)圖的建立

目前，合金狀態(tài)圖主要是通過實驗測定的，且測定合金狀態(tài)圖的方法很多，但應(yīng)用最多的是熱分析法。以Cu—Ni合金相圖測定為例，說明熱分析法的應(yīng)用及步驟：（1）配制不同成分的合金試樣，如Ⅰ純銅；Ⅱ75%Cu+25%Ni；Ⅲ50%Cu+50%Ni；合金Ⅳ25%Cu+75%Ni；Ⅴ：純Ni。（2）測定各組試樣合金的冷卻曲線并確定其相變臨界點；（3）將各臨界點繪在溫度—合金成分坐標(biāo)圖上；（4）將圖中具有相同含義的臨界點連接起來，即得到Cu、Ni合金相圖。用熱分析法測定Cu、Ni相圖a）冷卻曲線b）相圖abab

:液相線ab

:固相線LL

+SSL:液相區(qū)S:固相區(qū)L+S:液固共存區(qū)AB溫度三、平衡相組成的分析1．平衡相成分的確定

2．平衡相相對重量的確定：（杠桿定律）三、合金的平衡結(jié)晶過程1．平衡相成分的確定選擇結(jié)晶：先結(jié)晶出來的晶體含有較多的高熔點的組元。在整個冷卻過程中，隨溫度的降低：液相成份隨液相線變化;固相成份隨液相線變化;平衡相成分分析示意圖TLTSTnnmx2杠桿定理QS=(nx／mn)

100%

QL=(mx／mn)

100%

QS+QL=1mQS+mQL

=xABabLS溫度QLQs2平衡相相對重量的確定

（杠桿定律）四、二元狀態(tài)圖的基本類型分析1.二元勻晶相圖

2.二元共晶相圖3.二元包晶相圖4.形成穩(wěn)定化合物的相圖

5.具有共析轉(zhuǎn)變的相圖1.二元勻晶相圖1．相圖的組成及特征

2．合金平衡結(jié)晶過程及組織3．枝晶偏析及其消除兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)也無限互溶，冷卻時發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變的合金系→勻晶相圖

Cu-Ni二元均晶相圖Cu-Ni合金枝晶偏析示意圖

枝晶偏析及其消除由于實際生產(chǎn)中，合金冷卻速度快，原子擴散不充分。擴散過程總是落后于結(jié)晶過程，合金結(jié)晶是在非平衡的條件下進行的。這使得先結(jié)晶出來的固溶體合金含高熔點組元較多，合金的熔點較高，構(gòu)成晶體的樹枝狀骨架，后結(jié)晶出的部分含高熔點組元較少，熔點較低，填充于枝間。這種在晶粒內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為枝晶偏析或稱晶內(nèi)偏析。出現(xiàn)枝晶偏析后，使合金材料的機械性能、耐蝕性能和加工工藝性能變壞。出現(xiàn)枝晶偏析后，可通過擴散退火予以消除。一般采用將鑄件加熱到低于固相線100～200℃的溫度，進行長時間保溫，使偏析元素進行充分?jǐn)U散，成分均勻化。

2.二元共晶相圖1．相圖的組成分析2．典型合金平衡結(jié)晶過程分析概念：兩組元在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)時有限互溶，并發(fā)共晶反應(yīng)，形成共晶相圖。二元共晶相圖1．相圖的組成分析共晶相圖中有三個單相區(qū)：液相區(qū)L，固相α和β相區(qū)；三個兩相區(qū)：L+α區(qū)，L+β區(qū)，α+β區(qū)；一個三相共存點：C點

共晶反應(yīng)共晶轉(zhuǎn)變：在一定成份和恒溫下，由液相同時結(jié)晶出成份一定的兩個固相的轉(zhuǎn)變過程。（共晶反應(yīng)）反應(yīng)式：ＬＥ→αＭ＋βＮ共晶點：Ｅ點共晶液相成份點；共晶溫度：ＴＥ；共晶線：ＭＥＮ線共晶組織：（αＭ＋βＮ）再相交錯分布的機械混合物;過冷度越大，共晶組織愈細(xì)。共晶合金結(jié)晶過程示意圖亞共晶合金結(jié)晶過程示意圖合金Ⅳ的結(jié)晶過程示意圖密度偏析及防止措施結(jié)晶的晶體密度與其剩余的液體密度相差較大，晶體上浮或下沉。凝固后合金的上下部分不同的現(xiàn)象，稱之為“密度偏析”防止密度偏析措施：（１）提高Ｖ冷（２）攪拌（３）加入某種元素，使形成高熔點與液相比重相近的化合物骨架。3.二元包晶相圖

1．相圖的組成分析2．典型合金平衡結(jié)晶過程分析二元包晶相圖1．相圖的組成分析在二元包晶相同中，有三個單相區(qū)：液相區(qū)L、固相區(qū)α和β相區(qū)；三個兩相區(qū)：L+α、L+β、α+β；一個三相共存點：e點（L、α、β共存）

合金I結(jié)晶過程示意圖合金Ⅱ結(jié)晶過程示意圖合金Ⅲ結(jié)晶過程示意圖4.形成穩(wěn)定化合物的相圖合金系中兩組元之間還可能形成穩(wěn)定的金屬化合物，其組成可用通式AmBn表示，它具有固定的成分和一定的熔點，可把它看成獨立的組元。它的分析可作為兩個簡單相圖進行。

5.具有共析轉(zhuǎn)變的相圖

共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變屬于固態(tài)相變的一種類型。和共晶反應(yīng)一樣是由一個相分解為兩個相的三相平衡等溫轉(zhuǎn)變。共析轉(zhuǎn)變的特點是：由特定成分的單相固態(tài)合金，在恒定的溫度下，分解成兩個新的，具有一定晶體結(jié)構(gòu)的固相。其反應(yīng)式可表達為：反應(yīng)產(chǎn)物和的相對重量有一固定的比例：由于共析反應(yīng)是在固態(tài)下進行的，其原子擴散條件很差，晶核成長速度很小，所以共析轉(zhuǎn)變物的組織是比較細(xì)密的兩相相間的機械混合物。

第三節(jié)合金的性能與相圖的關(guān)系（1）合金的使用性能與相圖的關(guān)系由圖可見，當(dāng)合金形成單相固溶體時，隨溶質(zhì)溶入量的增加，合金的硬度、強度升高，而電導(dǎo)率降低，呈透鏡形曲線變化，在合金性能與成分的關(guān)系曲線上有一極大值或極小值。當(dāng)合金形成兩相混合物時，其性能是兩相性能值的算術(shù)平均值。隨著成分的變化，合金的強度、硬度、導(dǎo)電率等性能在兩組成相的性能間呈線性變化，對于共晶成分或共析成分的合金，其性能還與兩組成相的致密程度有關(guān)，組織愈細(xì)，性能愈好。當(dāng)合金形成穩(wěn)定化合物時，在化合物處性能出現(xiàn)極大值或極小值。（2）合金工藝性能與相圖的關(guān)系合金的工藝性能與相圖也有密切的聯(lián)系。如鑄造性能（包括流動性、縮孔分布、偏析大?。┡c相圖中液相線和固相線之間的距離密切相關(guān)。相圖中液相線與固相線的距離愈寬