工程材料 3二元合金相圖

1、3 3 二元合金與相圖二元合金與相圖 合金：合金：由兩種或兩種以上的金屬元素（組元），或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬特性的物質。 相：相：合金中化學成分相同、結構相同，并以界面互相分開的均勻組成部分。有單相和多相合金。 顯微組織顯微組織實質上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數量、大小和分布的組合。 一一 合金的基本概念合金的基本概念 固態(tài)合金的相可分為固溶體和金屬化合物兩大類。二二 合金的相結構合金的相結構3.1 .1 固溶體固溶體3.1 固態(tài)合金相結構固態(tài)合金相結構一一 . 固溶體的分類固溶體的分類 合金組元通過溶解形成成分和性能均勻、結構與組成元素之一的晶體結構相同的

2、固相稱為固溶體固溶體。習慣以、表示。l按溶質原子所處位置分為：l間隙固溶體間隙固溶體(a) 和置換固溶體置換固溶體(b)l按溶解度可分為：l有限固溶體有限固溶體和無限固溶體無限固溶體。溶質原子呈無序分布的稱無序固溶體無序固溶體，有序分布的稱有序固溶體有序固溶體。1)間隙固溶體間隙固溶體: 溶質原子處于溶劑晶格各結點間的空隙中。溶質原子溶質原子溶劑原子溶劑原子2)置換固溶體置換固溶體: 溶質原子代替一部分溶劑原子，占據著溶劑晶格中的某些結點位置。1)固溶強化固溶強化: :隨溶質含量增加, 固溶體的強度、硬度增加, 塑性、韌性下降，這一現象稱為固溶強化固溶強化。2)產生固溶強化的原因是溶質原子使晶

3、格發(fā)生畸變及對位錯的釘扎作用。 與化合物相比，固溶體的硬度低，而塑性和韌性則要高得多。與純金屬相比，固溶體的強度、硬度高，塑性、韌性低。 固溶體是合金的重要組成相，實際合金多是固溶體是合金的重要組成相，實際合金多是單相固溶體合金單相固溶體合金或或以固溶體為基的多相合金以固溶體為基的多相合金。二二. 固溶體的性能固溶體的性能 合金組元間相互作用而形成的新相，其晶格類型及性能不同于任一組元，可用化學式大致表示其組成。 如圖示的Fe3C 。3.1.2 金屬化合物金屬化合物 正常價化合物符合原子價規(guī)律，一般由金屬元素與、族元素組成，例如鋼中夾雜物MnS、鋁中Mg2Si。 正常價化合物一般硬度較高，脆性

4、較大。 電子化合物不遵守原子價規(guī)律，但其晶體結構與電子濃度（即價電子數目與原子數目之比，用N價表示）有一定的對應關系： 當N價=21/14時，形成體心立方結構的相，例如CuZn， Cu3Al等等； 當N價=21/13時，形成復雜立方結構的相，例如Cu5Zn8， Cu31Sn8等等； 當N價=21/12時，形成密排六方結構的相，例如CuZn3， Cu3Sn等等。 電子化合物具有很高的熔點和硬度，脆性大。1）正常價化合物）正常價化合物2）電子化合物）電子化合物一、金屬化合物的分類一、金屬化合物的分類 由過渡族金屬元素與原子半徑較小的非金屬元素氫、氮、碳、硼等所形成。 間隙相是簡單晶格的間隙化合物，

5、如圖所示為釩與碳形成的間隙相結構。 A .間隙相中元素的比例是簡單的化學式：M4X、M2X、MX、 MX2，并與晶格類型有一定的對應關系。 B. 間隙相有明顯的金屬特性，極高熔點和硬度，例如TiC、VC、ZrC、TaC、NbC等。 間隙化合物具有復雜晶體結構，其熔點、硬度高（比間隙相低，也較易分解）。例如Fe3C、Cr23C6等。3）間隙化合物）間隙化合物 間隙相 間隙化合物二、金屬化合物的性能二、金屬化合物的性能 1)金屬化合物具有較高的熔點、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。 2)當合金中出現金屬化合物時，可提高其強度、硬度和耐磨性，但降低塑性。 金屬化合物也是合金的重要組成相。3.2

6、二元合金相圖的建立二元合金相圖的建立3.2.1 相圖概述相圖概述 合金的結晶過程比純金屬復雜，常用相圖進行分析。 相圖是用來表示合金系中各合金在緩冷條件下結晶過程的簡明圖解。又稱狀態(tài)圖或平衡圖。 相圖的表示方法：相圖的表示方法：3.2.2 相圖的建立相圖的建立第一步第一步：配制不同比例（成分）的一系列合金；wCu=100； wCu (80)+wNi(20)； wCu(60)+wNi (40)； wCu (40)+ wNi (60)； wCu (20)+ wNi (80)； wNi =100第三步第三步：建立成分溫度坐標系；第二步：第二步：用實驗方法（常用熱分析法）測出冷卻曲線；第四步第四步：將

7、冷卻曲線中特征點標在坐標圖中；第五步第五步：把性質相同的特征點聯(lián)結起來。相圖的建立相圖的建立時間時間溫度15 305070AB溫度A溫度 在液態(tài)和固態(tài)兩組元都能無限互溶的相圖稱為勻晶相圖勻晶相圖。二元合金系Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Cr、Fe-Ni、W-Mo等具有這類相圖。3.2.3 二元合金基本相圖二元合金基本相圖一一. 勻晶相圖勻晶相圖1相圖分析相圖分析ab : 液相線液相線ab : 固相線固相線L : 液相區(qū)液相區(qū) : 固相區(qū)固相區(qū)L+:兩相區(qū)兩相區(qū) 液固共存液固共存baLAB溫度L+相圖的線和相區(qū)相圖的線和相區(qū)熔點熔點熔點熔點1相圖分析相圖分析2Cu-Ni合金的平衡結晶過程合金的平

8、衡結晶過程CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 12acba1b1c1T1T21. 1. 在兩相區(qū)內，對應每在兩相區(qū)內，對應每一確定的溫度，兩相的成一確定的溫度，兩相的成分是確定的。分是確定的。2. 2. 隨著溫度的降低，兩隨著溫度的降低，兩相的成分分別沿液相線和相的成分分別沿液相線和固相線變化。固相線變化。 勻晶合金與純金屬不同勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個恒定的熔點，而是，它沒有一個恒定的熔點，而是在液、固相線劃在液、固相線劃定的溫區(qū)內進行結晶定的溫區(qū)內進行結晶。 勻晶轉變：勻晶轉變： L 實際生產條件下為非平

9、衡結晶，因此，先后結晶的部分成分會不相同。3成分偏析成分偏析 區(qū)域偏析區(qū)域偏析：由于不平衡冷卻造成宏觀區(qū)域成分不一致。例如焊接接頭中的中心線偏析和層狀偏析。 枝晶偏析枝晶偏析（晶內偏析）：先結晶的枝軸與后結晶的枝軸間成分不同。密度偏析密度偏析：由于密度不同而引起的偏析，稱為密度偏析。1）確定兩平衡相的成分）確定兩平衡相的成分 如圖（a）所示，水平線與液相線L的交點，即為相的成分。 設液、固相含Ni濃度分別為、c，而x（b）為試驗合金中的平均含Ni量(%)， 則 QL +Q c = Q Me b4杠桿定理杠桿定理2）確定兩平衡相的相對量）確定兩平衡相的相對量 方法是： 設試驗合金總量Q Me為1

10、，液、固相的量分別為QL、Q ， 則 Q Me =QL+Q =1 不同條件下，相的成分及其相對量相的成分及其相對量可用杠桿定理求得。Q QL LQ Q可得:QL +Q c = Q Me b = （QL+Q ）b = QL b +Q bQc -Q b = QL b - QL Q（c -b ）= QL（ b ）Q b c（長度）（長度） = QL b（長度）（長度）b c（長度）（長度） b（長度）（長度）（杠桿定律）（杠桿定律）QQLQ / QL = b（長度）（長度） / b c（長度）（長度） 或acbcQL acabQa 用圖中線段來表示%100 acbcQL%100 acabQa所以：3

11、）注意：杠桿定律只能用于兩相平衡共存時計算。）注意：杠桿定律只能用于兩相平衡共存時計算。QL+Q =1Q b c（長度）（長度） = QL b（長度）（長度）QL=1 Q代入上式：代入上式：Q b c = （ 1 Q ） b = b Q bQ b c +Q b = bQ （b c + b ）= b c （長度）（長度） 或或同理：QQL例：求例：求30%Ni30%Ni合金在合金在1280 1280 時時 相的相對量相的相對量1083L L+ 30a1b1c1CuT,C100011001200130014001500aNiNi% 20 4060801001455c1280 C解：解：作成分線和溫

12、度線如圖。6618根據杠桿定律 Q b1 c1 = QL a1b1 Q = a1b1 /a1c1 Q =12/48 =1/4答答: :所求合金在1280 時相的相對質量為1/4 (25%)。Q Q Q QL L設設 相的相對量Q L相的相對量QL BCEL C183。 二組元在液態(tài)無限互溶，而在固態(tài)僅有限互溶且發(fā)生共晶反應。以Pb-Sn合金為例。1相圖分析相圖分析二二. . 共晶相圖共晶相圖共晶反應 ：一定成分的合金液相，冷卻至共晶反應線溫度時，發(fā)生同時結晶出兩個不同固相的混合物的反應；其產物稱為共晶組織。PbSnSn%T, C鉛-錫合金共晶相圖液相線液相線L固相線固相線 + L + L +

13、固溶線固溶線 固溶線固溶線1相圖分析相圖分析相、相區(qū)：相、相區(qū)：、L相；相； 三個單相區(qū)、三個單相區(qū)、三個兩相區(qū)。三個兩相區(qū)。二二. . 共晶相圖共晶相圖共晶反應分析共晶反應分析PbSnT, CL + L + L + 共晶反應線共晶反應線表示從表示從c點到點到e點點范圍的合金，在范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)該溫度上都要發(fā)生不同程度上的生不同程度上的共晶反應。共晶反應。ce共晶點共晶點表示表示d點成分的合點成分的合金冷卻到此溫度金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共上發(fā)生完全的共晶轉變。晶轉變。dLd c + e（共晶組織）共晶組織）共晶反應共晶反應 ：一定成分的合金液相，冷卻至共晶反應線溫度時，發(fā)生一定

14、成分的合金液相，冷卻至共晶反應線溫度時，發(fā)生同時結晶出兩個不同固相的混合物的反應；其產物稱為共晶組織。同時結晶出兩個不同固相的混合物的反應；其產物稱為共晶組織。共晶反應要點共晶反應要點PbSnT, CL + L + L + 183ced 共晶轉變在共晶轉變在恒溫恒溫下進行。下進行。 轉變是從轉變是從一種液相一種液相中結晶出中結晶出兩個不同的固相兩個不同的固相。 存在一個確定的存在一個確定的共晶點共晶點。在該點凝固溫度最低。在該點凝固溫度最低。 成分在成分在共晶線范圍的合金共晶線范圍的合金都要經歷共晶轉變。都要經歷共晶轉變。 合金、合金、合金、合金的結晶過程及其組織如圖所示。分析： 相組成: 組

15、織組成物: 屬這類相圖的合金還有Pb-Sn、Al-Si、Al-Sn、Al-Cu、Pb-Sb、Ag-Cu等。2合金的結晶過程及組織合金的結晶過程及組織合金合金 結晶過程分析結晶過程分析cefgX1T, CtL L LL+ 冷卻曲線冷卻曲線 + 1234PbSnT, CL + L + L + 183ced室溫組織室溫組織: + 合金合金 結晶特點結晶特點2.要經過脫溶反應，室溫要經過脫溶反應，室溫 組織組成物組織組成物為為 + 1.沒有共晶反應過程，而是經過勻晶反應形成單相沒有共晶反應過程，而是經過勻晶反應形成單相 固相。固相。組織組成物：組織組成物：組織中，由一定的相構成的，具有一定形態(tài)特征的組

16、成部分。合金合金合金合金合金合金 二組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限固溶且發(fā)生包晶反應。包晶相圖組成如圖。Fe-Fe3C合金結晶過程如圖。(一一) 包晶相圖包晶相圖1相圖分析相圖分析2合金結晶過程合金結晶過程JBHAL 四四. 其它相圖其它相圖1固態(tài)轉變主要有：固態(tài)轉變主要有： 固溶體的脫溶轉變； 共析轉變； 包析轉變； 固溶體的同素異晶轉變； 有序無序轉變等。ABT C + + + cedL + L(二二) 共析相圖共析相圖固態(tài)轉變相圖固態(tài)轉變相圖具有共析反應的相圖。具有共析反應的相圖。3共析轉變共析轉變 從某一固相中同時析出兩種不同新固相的反應。 共析反應的產物為共析物。 由于共析反應在固態(tài)

17、進行，所以共析組織比共晶組織要細得多。2固溶體的脫溶轉變固溶體的脫溶轉變 固溶體因溶解度變化而發(fā)生的脫溶轉變。共析轉變共析轉變( (反應反應) )： d ( c+ e) 共析體共析體ABT C + + + cedL + L分析： 穩(wěn)定化合物指熔化前不分解的化合物。 可將穩(wěn)定化合物看作一個組元，從而把整個相圖看成由若 干個簡單相圖所組成。(三三) 形成穩(wěn)定化合物的二元合金相圖形成穩(wěn)定化合物的二元合金相圖3.2.4 二元合金相圖讀圖法二元合金相圖讀圖法 一一.相區(qū)分析的規(guī)律相區(qū)分析的規(guī)律 1.單相區(qū)的確定：單相區(qū)的確定： 液相線以上的區(qū)域為液相區(qū)。 靠著純組元的封閉區(qū)域是以該組元為基的單相固溶體區(qū)

18、。 相圖中除代表兩組元的垂直線以外，若出現另一條垂直線，該線即代表形成一定成分的化合物。如果該化合物具有固定熔點，就是穩(wěn)定化合物。分析相圖時，可將其視為純組元。以它把相圖分為幾個單獨部分來分析。 當圖中出現水平線時，一條水平線必然連著3個單相區(qū)，這3個單相區(qū)分別處于水平線的兩端或中間。2.兩相區(qū)的確定：兩相區(qū)的確定： 兩個單相區(qū)之間，必夾有一個兩相區(qū)，根據杠桿定律，該兩相區(qū)必定由相鄰相區(qū)的兩個相組成。應用杠桿定律求出各相的相對量。 兩相區(qū)中如遇到固溶線傾斜的情況，會發(fā)生二次相的析出。 相鄰相區(qū)中的相數只相差一個（點接觸的情況除外）。3.2.4 二元合金相圖讀圖法二元合金相圖讀圖法 一一.相區(qū)分析的規(guī)律相區(qū)分析的規(guī)律二二.相區(qū)接觸法則：相區(qū)接觸法則：3.三相水平線：三相水平線： 三相共存水平線，點接觸的三個單相區(qū)。 根據單相區(qū)在水平線段的上、下、左、右各方的分布狀況與相的性質便可確定該反應的類型。三三.結晶過程的分析方法結晶過程的分析方法 合金垂直線由高溫到低溫，分析垂線穿越的區(qū)和相交的線。3.3 合金的性能與相圖的關系合金的性能與相圖的關系1 1、單相固溶體的合金：、單相固溶體的合金： 性能隨成分呈曲線變化， 隨溶質含