工程材料与成形技术基础 第2版 教学课件 作者 庞国星 第二章金属与合金的晶体结构和二元合金相图 2第三节

第三节合金的相结构、结晶与二元相图一、概述1.合金合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。2.组元组元是指组成合金的最基本、独立的物质。稳定化合物也可作为组元。如Fe-C合金中的Fe3C。合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。二元合金、三元合金、多元合金。Al-Cu两相合金3.相组成合金的元素相互作用可形成不同的相。所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。4.组织习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称低倍组织或宏观组织。放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织或电镜组织。显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。钢的宏观组织、显微组织、电镜组织钢锭的宏观组织显微组织电镜组织二、合金的相结构1、固溶体合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。习惯上用、、示。一般把与合金晶体结构相同的元素称作溶剂。其它元素称作溶质。固溶体是合金的重要组成相，实际使用的金属材料多数是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。⑴置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。黄铜置换固溶体组织⑵间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂<0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。固溶体的溶解度溶质原子在固溶体中的极限浓度。溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体。固溶体的性能随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度增加，塑性、韧性下降—固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用，阻碍了位错的运动。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。2、金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。铁碳合金中的Fe3C⑴正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si。⑵电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。电子浓度为价电子数与原子数的比值。⑶间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。①间隙相：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。如M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)等。VC的结构Fe3C的晶格②具有复杂结构的间隙化合物当r非/r金>0.59时形成复杂结构间隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其中Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。如果金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体的机体相上，则将使合金的强度、硬度、耐磨性明显提高，这一现象称弥散强化。3.合金的组织合金的组织是由合金相组成的。既可以是固溶体，也可以是金属化合物，但绝大多数合金的组织是由固溶体与金属化合物组成的复合组织。通过调整固溶体中溶质含量和金属化合物的数量、大小、形态及分布以及调整固溶体与金属化合物的比例，就可以改变其组织，从而改变合金的性能来满足工业生产的实际需要。三、合金的结晶与二元相图相图是用来表示合金系中各合金结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理的重要依据。根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。Fe-C二元相图三元相图1.二元相图的建立几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例]1）配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。2）在温度-成分坐标中做成分垂线，将临界点标在成分垂线上。3）将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。2.二元匀晶相图两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。（1）相图分析以Cu-Ni合金为例进行分析。Cu-Ni合金相图相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。LL+（2）固溶体合金的结晶过程除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合金为例说明。当液态金属自高温冷却到t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。LL+随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分3上来。可见，液固相线不仅是相区分界线，也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。（3）杠杆定律当合金在某一温度下处于两相区时，由相图不仅可以知道两平衡相的成分，而且还可以用杠杆定律求出两平衡相的相对重量百分比。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：1）确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。在成分垂线相当于温度t的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。2）确定两平衡相的相对重量设合金(x)的总重量为1，液相(x1)重量为QL，固相(x2)重量为Q。则QL+Q=1QLx1+Qx2=x解方程组得式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。因此两相的相对重量百分比为：两相的重量比为：或oobbxx1x2QLQ上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。单相区无必要使用，三相区不能使用。合金的结晶只有在缓慢冷却的条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，在结晶过程中固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素(如Cu-Ni合金中的Ni)，后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。（4）枝晶偏析在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温以消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。通过扩散退火可使原子充分扩散，使成分均匀。3.二元共晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。以Pb-Sn相图为例进行分析。Pb-Sn合金相图（1）相图分析1）相：相图中有L、、三种相，是溶质Sn在Pb中的固溶体，是溶质Pb在Sn中的固溶体。2）相区：相图中有三个单相区：L、、；三个两相区：L+、L+、+；一个三相区：即水平线CED。ABDG线分别为Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶线。固溶体的溶解度随温度降低而下降。3）液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点。4）固溶线：溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF、AB在一定温度下,由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的固相的转变过程称共晶转变或共晶反应。5）共晶线：水平线CED叫做共晶线。在共晶线对应的温度下（183℃），E点成分的合金同时结晶出C点成分的固溶体和D点成分的固溶体，形成这两个相的机械混合物：LE⇄(C+D)。AB共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。Pb-Sn共晶组织具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共晶点以右的合金称过共晶合金。凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。L+CD（2）合金的结晶过程1）含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程在3点以前为匀晶转变，结晶出单相固溶体，这种从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。.2温度降到3点以下，固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相—相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。形成二次相的过程称二次析出，是固态相变的一种。H由于二次相析出温度较低，一般十分细小。Ⅰ合金室温组织为+Ⅱ。成分大于D点合金的结晶过程与Ⅰ合金相似,室温组织为+Ⅱ。室温下Ⅱ的相对重量百分比为：由析出的二次用Ⅱ表示。随温度下降，和相的成分分别沿CF线和DG线变化，Ⅱ的重量增加。2）共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程液态合金冷却到E点时同时被Pb和Sn饱和,发生共晶反应：LE⇄(C+D)。析出过程中两相相间形核、互相促进,因而共晶组织较细,呈片、针、点球等形状。Pb-Sn共晶合金组织19.2共晶组织形态层片状（Al-CuAl2，定向凝固）棒状或条状（Sb-MnSb，横截面）球状或短棒状（Cu-CuO）针状（Al-Si）螺旋状（Zn-Mg）Fe-C(石墨)的共晶组织在共晶转变过程中，L、、三相共存，三个相的量在不断变化，但它们各自的成分是固定的。共晶组织中的相称共晶相。共晶转变结束时，和相的相对重量百分比为：C(19.2)E(61.9)D(97.5)共晶结束后，随温度下降，和的成分分别沿CF线和DG线变化，并从共晶中析出Ⅱ，从共晶中析出Ⅱ，由于共晶组织细，Ⅱ与共晶结合，Ⅱ与共晶结合，共晶合金的室温组织仍为（+）共晶体。2GF3）亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分沿AC线变化到C点，液相成分沿AE线变化到E点，此时两相的相对重量百分比为：在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：L⇄(+)，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等，即QE=QL。反应结束后，在共晶温度下、两相的相对重量百分比为：温度继续下降，将从一次和共晶中析出Ⅱ，从共晶中析出Ⅱ。其室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。4）过共晶合金结晶过程过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为，二次相为Ⅱ。其室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。（3）组织组成物在相图上的标注组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。Ⅰ和Ⅰ，Ⅱ和Ⅱ，共晶体(+)都是组织组成物。相与相之间的差别主要在结构和成分上。组织组成物之间的差别主要在形态上。如Ⅰ、Ⅱ和共晶的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。Pb-Sn亚共晶组织4.二元包晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。以Pt-Ag相图为例简要分析。（1）相图分析单相区：L,,β二相区：L+,L+,+三相区：L++（水平线PDC）L+L+L+水平线PDC称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LC+αP⇄βD。该反应是液相L包着固相α，新相β在L与α的界面上形核，并向L和α两个方向长大的过程。在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。（2）合金的结晶过程1）Ⅰ合金（包晶成分合金）：匀晶包晶二次析出。室温组织为β+αII。2）Ⅱ合金：匀晶包晶二次析出。室温组织为α+βII+β+αII。3）Ⅲ合金：匀晶包晶匀晶二次析出。室温组织为β+αII。ⅠⅢⅡL+L++111222L35.形成稳定化合物的二元相图稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(如Mg-Si系的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C)。其成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单相区)。垂足是其成分，顶点是其熔点，结晶过程同纯金属。分析这类相图时，可把稳定化合物当作纯组元看待，将相图分成几个部分进行分析。Mg2Si所谓共析反应（转变）是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。共析转变也是固态相变。最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:S⇄P+Fe3C。6.具有共析反应的二元相图共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK线)、共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合金(共析成分合金)、亚共析合金(共析线上共析点以左的合金)、过共析合金(共析线上共析点以右的合金)。铁碳合金相图共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体），也是两相的机械混合物。与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是液相。另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。珠光体7.二元相图的分析步骤实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。（1)分清相图中包括哪些基本类型相图（2）确定相区1）相区接触法则相邻两个相区的相数差为1。2）单相区的确定液相线以上为液相区；Fe-Fe3C相图靠纯组元的封闭区是以该组元为基的单相固溶体区；相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相区分界线；相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区；相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。Cu-Zn相图+3）两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相区，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。4）三相区的确定：二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成。恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同的固相。⇄+β共析反应恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新的固相。L+α⇄β包晶反应恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不同的固相。L⇄+共晶反应说明反应式图形特征反应名称常见三相等温水平线上的反应（3）分析典型合金的结晶过程1）作出典型合金冷却曲线示意图,二元合金冷却曲线的特征是：在单相区和两相区冷却曲线为一斜线。由一个相区进入另一相区时,冷却曲线出现拐点：①由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐；②由相数多的相区进入相数少的相区曲线向左拐。发生三等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶。2）分析合金结晶过程画出组织转变示意图。计算各相、各组织组成物相对重量百分比：①在单相区，合金由单相组成，相的成分、重量即合金的成分、重量。②在两相区，两相的成分随温度沿各自的相线变化，各相和各组织组成物的相对重量可由杠杆定律求出。合金成分为杠杆的支点，相或组织组成物的成分为杠杆的端点。③在三相区，三个相成分固定，重量不断变化，杠杆定律不适用。合金成分相1成分相2成分相1重量相2重量合金成分组织1成分组织2成分组织1重量组织2重量8.相图与合金性能之间的关系（1）相图与合金力学性能、物理性能的关系1）两相机械混合物的合金：性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如：混=∙Q+β∙Qβ，HB混=HB∙Q+HBβ∙Qβ。(Q、Qβ为两相相对重量)。2）单相固溶体的合金：性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，σ、HB、增加，塑性下降。3）形成稳定化合物的合金：性能-成分曲线出现拐点。（2）相图与铸造性能的关系1）共晶合金结晶温度低，流动性好，缩孔集中，偏析小，铸造性能好。2）固溶体合金液固相线间距越大、偏析倾向大，树枝晶发达，流动性降低，补缩能力下降，分散缩孔增加。