第六章 合金相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖(新PPT)

第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖6.1合金的相結(jié)構(gòu)6.2二元合金相圖6.3二元相圖的應(yīng)用第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.1合金的相結(jié)構(gòu)一．概述純金屬：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好。但強(qiáng)度并不高，應(yīng)用受限制合金：工業(yè)上應(yīng)用最多的是合金材料合金：是兩種或兩種以上金屬元素或金屬與非金屬元素制成的金屬。組元：組成合金的最基本物質(zhì)。由兩個(gè)組元組成的合金稱為二元合金。由三個(gè)組元組成的合金稱為三元合金或多元合金。相：是金屬或合金中具有同一化學(xué)成份，同一原子聚集狀態(tài)和性質(zhì)的均勻連續(xù)組成體，不同“相”之間存在界面，稱為相界面。第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.1合金的相結(jié)構(gòu)二．合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)是指相的原子排列規(guī)律。它比金屬晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可歸為兩類，①固溶體②金屬化合物。1、固溶體：固溶體與溶液一樣，有溶劑與溶質(zhì)之分。含量少的叫溶質(zhì)，含量多的叫溶劑。特點(diǎn)：溶劑組元保持它的晶格類型不變，所以固溶體的晶格類型就是溶劑組元的晶格類型。分類：按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占位置的不同，可分為置換固溶體和間隙固溶體。第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.1合金的相結(jié)構(gòu)二．合金的相結(jié)構(gòu)1、固溶體（1）置換固溶體“Cu-Ni合金”:Cu的面心立方晶格結(jié)點(diǎn)上的原子，可以部分或全部被溶質(zhì)原子Ni置換掉。?按溶質(zhì)組元的固溶度可分為無限固溶體和有限固溶體；

有限固溶體（當(dāng)溶質(zhì)組元濃度＞固溶度后，可形成另一新相）；

無限固溶體（完全溶解100%溶質(zhì)組元，但不改變?nèi)軇┑木Ц耦愋停?。第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.1合金的相結(jié)構(gòu)置換固溶體和間隙固溶體圖1固溶體兩種類型示意圖第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.1合金的相結(jié)構(gòu)（2）間隙固溶體溶劑組元的晶格類型保持不變。溶質(zhì)原子溶入到溶劑晶格的間隙中，這種固溶體稱為間隙固溶體。形成間隙固溶體的條件：晶格間隙一般小于0.1nm，只有半徑較小的原子才可溶入間隙，如氫（0.046nm）、氧（0.060nm）、碳（0.077nm）和硼（0.097nm）等。

溶質(zhì)與溶劑原子半徑比小于0.59固溶體性能的變化：①當(dāng)形成置換固溶體時(shí)，溶劑原子半徑存在差別，故要產(chǎn)生晶格畸變；②當(dāng)形成間隙固溶體時(shí)，因溶質(zhì)原子半徑稍大于間隙半徑，也要產(chǎn)生畸變。晶格畸變使強(qiáng)度、硬度上升，塑性、韌性下降，這種由晶格畸變引起強(qiáng)、硬度上升的效應(yīng)稱為固溶強(qiáng)化。第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.1合金的相結(jié)構(gòu)固溶體性能的變化圖2固溶體中大、小溶質(zhì)原子所引起晶格畸變示意圖第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.1合金的相結(jié)構(gòu)2、金屬間化合物（中間相）定義：A、B兩組元組成合金時(shí)，由于溶解度的不同，除形成有限固溶體外，還有可能形成與A、B組元晶格類型不同的新相，這種新相就稱為金屬間化合物。分類：金屬間化合物根據(jù)形成條件，可分為下列三種類型，即正常價(jià)化合物、電子化合物、間隙化合物。（1）正常化合物這類化合物按正常的原子價(jià)規(guī)律組成，具有一定的化學(xué)成分，可用化學(xué)分子式來表示其組成，例如：Mg2Si、Mg2Sn等。其特點(diǎn)是硬度高，脆性大。第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.1合金的相結(jié)構(gòu)（2）電子化合物這類化合物的組成不遵守原子價(jià)規(guī)律，而是按一定的電子濃度組成。如電子濃度=2/3時(shí)，銅鋅可形成體心立方的CuZn中間相；當(dāng)電子濃度=21/13時(shí)，則形成復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)的Cu5Zn8中間相。（3）間隙化合物這類化合物是由過渡族金屬與原子半徑較小的非金屬元素，如C、N、O、B等形成的金屬化合物?？砂丛影霃奖戎捣诸?/p>

簡單間隙化合物

復(fù)雜間隙化合物第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖6.2二元合金相圖一．概述二．二元合金相圖的制作三．勻晶相圖四．共晶相圖五．包晶相圖六．其它二元相圖第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖一．概述定義：相圖是表示合金系中所有合金，在非常緩慢冷卻（或加熱）條件下，在各個(gè)溫度下存在的相或其組織的圖解。作用：通過相圖知道各種成分的合金在任一溫度下存在的相及相成分。加熱或冷卻過程中的相變及相變溫度、室溫下合金的平衡組織及性能，為制定熱處理規(guī)范提供依據(jù)。第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖二．二元合金相圖的制作

1、以Cu-Ni二元合金系為例，用熱分析法來繪制相圖。

LL+αα第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖2、二元合金相圖特征點(diǎn)、線的意義

tA—銅的熔點(diǎn)tB—鎳的熔點(diǎn)tAatB—液相線tAbtB—固相線tAatB線上為一液相區(qū)LtAbtB線下為一固相區(qū)S兩線之間為液固相區(qū)L+S第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖三．勻晶相圖1．合金的平衡結(jié)晶過程示意圖L→α第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖三．勻晶相圖2．合金的平衡結(jié)晶過程平衡結(jié)晶是合金在極緩慢的冷卻過程中，原子能夠充分?jǐn)U散，隨時(shí)達(dá)到相平衡的結(jié)晶過程。當(dāng)合金從高溫緩慢地冷卻到與液相線相交的t1溫度并稍過冷時(shí)，開始從液相L1中結(jié)晶出成分為的α1

固溶體。固相成分沿著固相線變化，液相成分沿著液相線變化。當(dāng)然隨著結(jié)晶的進(jìn)行，液相量逐漸減少，固相量逐漸增加。在t2到t3溫度間，結(jié)晶繼續(xù)進(jìn)行，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化，并在溫度

t3

時(shí)結(jié)晶完畢，得到成分為3（含60%Ni）的單相固溶體，由一顆顆的晶粒組成。第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖三．勻晶相圖3．杠桿定律極其應(yīng)用當(dāng)合金在某一溫度處于相圖中的兩相區(qū)時(shí)，從相圖中不僅可知兩平衡相的成分，還可應(yīng)用“杠桿定律”求出兩個(gè)平衡相的重量比。現(xiàn)以圖6銅鎳合金中含x%Ni的合金為例，來說明杠桿定律極其應(yīng)用。第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖三．勻晶相圖3．杠桿定律極其應(yīng)用在平衡溫度時(shí)，合金的兩個(gè)平衡相為：液相的成分以a點(diǎn)表示，即含y%Ni,固溶體的成分以c點(diǎn)表示，即含z%Ni。設(shè)液、固兩相的重量分別為WL

和Wa，合金的總重量為W。則

WL+Wa=W

（2-1）由于液、固兩相中含鎳量的和等于合金總的含鎳量，即

WL×y%+Wa×z%=W×x%（2-2）將（2-1）式代入（2-2）式并移項(xiàng)，則

Wa(z%-x%)=WL(x%-y%)（2-3）所以（2-3）式可寫為WL×（ab）=Wa×（bc）或

WL/Wa=bc/ab

（2-4）如果把a(bǔ)bc看作一根杠桿，（2-4）式中WL/W恰好與它們的杠桿臂成反比關(guān)系。這個(gè)關(guān)系符合力學(xué)中的杠桿定律，所以把式（2-4）的關(guān)系也稱為杠桿定律。（2-4）式也可換寫成下列形式：l

液相的重量百分?jǐn)?shù)l

固溶體的重量百分?jǐn)?shù)l

必須指出，杠桿定律只能在兩相區(qū)應(yīng)用。在三相共存區(qū)，不能應(yīng)用。第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖三．勻晶相圖4、合金的不平衡結(jié)晶與樹狀偏析在實(shí)際生產(chǎn)中，由于冷卻速度較快，合金在結(jié)晶過程中，固相中的原子都來不及進(jìn)行充分?jǐn)U散而結(jié)晶；這種結(jié)晶過程稱為不平衡結(jié)晶。第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖三．勻晶相圖4、合金的不平衡結(jié)晶與樹狀偏析如圖7所示，在不平衡結(jié)晶過程中，開始結(jié)晶出來的樹枝狀固溶體晶體，其成分為α1（含高溶點(diǎn)組元鎳較多），隨著溫度的下降，在它的外面又形成一層層成分為α2、α′2、α3……的固溶體（高溶點(diǎn)組元鎳的含量逐層減少）。由于各層之間的原子來不及充分?jǐn)U散，這種成分不均勻現(xiàn)象可保持到結(jié)晶完畢，直至室溫。這種在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象叫枝晶偏析或樹狀偏析。由于一個(gè)枝晶形成一顆晶粒，故枝晶偏析也叫晶內(nèi)偏析。第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖三．勻晶相圖4、合金的不平衡結(jié)晶與樹狀偏析由于樹枝狀晶體各次晶軸的成分不同，其金相試樣經(jīng)磨平拋光及浸蝕后，可顯現(xiàn)出樹枝狀晶體（見圖8）。具有枝晶偏析的合金，其塑性、韌性顯著下降，給合金的壓力加工帶來困難。為此，生產(chǎn)上通常在高溫下（低于固相線溫度）長時(shí)間加熱，使原子充分?jǐn)U散，以消除枝晶偏析。這種熱處理工藝稱為擴(kuò)散退火或均勻化退火。第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖三．勻晶相圖4、合金的不平衡結(jié)晶與樹狀偏析圖9Cu-Ni合金鑄態(tài)組織第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖四．共晶相圖

1.共晶相圖的特征：

L→α＋β

1)圖中有一條水平線MEN稱為共晶線;2)線的兩端各與一個(gè)固相單相區(qū)相連;3)線上有一點(diǎn)E點(diǎn)稱為共晶點(diǎn)，與液相區(qū)相連。

L+αL+βα＋β第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖四．共晶相圖

2．典型合金的平衡結(jié)晶過程（1）端部固溶體合金的結(jié)晶過程

凡含錫量≤19%或≥97.5%的合金統(tǒng)稱為端部固溶體合金?，F(xiàn)以圖9中含10%Sn的合金為例來說明端部固溶體合金的結(jié)晶過程。第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖合金在t1溫度以上為液相，當(dāng)冷到t1溫度時(shí)，開始從液相中結(jié)晶出a固溶體。在t1～t2溫度的冷卻過程中，從液相中不斷結(jié)晶出固溶體，液相成分沿液相線變化，a固溶體成分沿固相線變化。在t2溫度結(jié)晶完畢，得到單相a固溶體。在t2～t3溫度之間為單相a的冷卻。這個(gè)結(jié)晶過程與勻晶相圖的固溶體合金平衡結(jié)晶過程相同。當(dāng)冷到t3溫度以下直到室溫時(shí)，由于溶解度的限制，將從a固溶體中不斷析出β固溶體。這種析出的過程稱為脫溶。由a固溶體中析出的β相稱為次生相，以βII表示，以與從液相中結(jié)晶出來的初生相β相區(qū)別。次生相可沿母相晶界或晶內(nèi)原子面析出。室溫組織：a＋βII

反應(yīng)過程：勻晶反應(yīng)＋二次結(jié)晶第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖

四．共晶相圖2．典型合金的平衡結(jié)晶過程（2）共晶合金的結(jié)晶過程?圖9中成分通過E點(diǎn)（含61.9%Sn）的合金叫共晶合金。?當(dāng)合金從液態(tài)緩冷到E點(diǎn)溫度（tE=183℃）時(shí)，液相LE將同時(shí)結(jié)晶出M點(diǎn)成分的α固溶體（αM）和N點(diǎn)成分的β固溶體（βN）。發(fā)生共晶反應(yīng)：產(chǎn)物為（αM

＋βN）的兩相交互分布的混合物，稱共晶體或共晶組織。?共晶體中αM相和βN相的相對(duì)量可應(yīng)用杠桿定律計(jì)算如下：第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖四．共晶相圖2．典型合金的平衡結(jié)晶過程（2）共晶合金的結(jié)晶過程

?合金繼續(xù)冷卻到室溫時(shí)，共晶體中的α相和β相將分別沿及固溶度線析出次生的βⅡ相及αII相。但它們與共晶體中的同類相混在一起，在顯微組織中很難區(qū)分清楚，故通常認(rèn)為其顯微組織特征不變。

室溫組織：α＋β

反應(yīng)過程：共晶反應(yīng)＋二次結(jié)晶第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖四．共晶相圖2．典型合金的平衡結(jié)晶過程（3）亞共晶合金的結(jié)晶過程凡成分位于M～E點(diǎn)之間的合金統(tǒng)稱為亞共晶合金?，F(xiàn)以30%Sn的Pb-Sn合金為例，分析其平衡結(jié)晶過程。第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖四．共晶相圖Pb-Sn共晶合金的組織含50%Sn的Pb-Sn合金組織亞共晶合金的結(jié)晶過程示意圖第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖四．共晶相圖2．典型合金的平衡結(jié)晶過程（3）亞共晶合金的結(jié)晶過程這里有兩個(gè)十分重要的概念必須區(qū)分清楚。第一，“相組成物”：是指合金由哪幾種相組成。第二，“組織組成物”：是指合金試樣在顯微鏡下有哪幾種可以清楚區(qū)分的相分布形態(tài)。例如，上述共晶合金和亞共晶合金的相組成物是一樣的，即均以a相和β相兩種相組成。但是，共晶合金和亞共晶合金的組織組成物則不一樣。共晶合金的組織組成物只有一種，即由a與β相交替分布呈層片狀的共晶體。亞共晶合金在顯微鏡下可區(qū)分出樹枝狀的初生a相，少量次生βII相分布于初生a相中，還有a相與β相呈交替分布的共晶體，故其組織組成物為a初、βII與共晶體等三種。第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖四．共晶相圖2．典型合金的平衡結(jié)晶過程（4）過共晶合金的結(jié)晶過程圖9中凡成分介于E點(diǎn)到N點(diǎn)之間的合金統(tǒng)稱為過共晶合金。過共晶合金的冷卻曲線及結(jié)晶過程與亞共晶合金的相似。所不同的，只是初生相為β固溶體，在共晶溫度的共晶轉(zhuǎn)變后的繼續(xù)冷卻過程中，從初生β相中析出次生aII相。過共晶合金的室溫組織由初生β相、次生aII相及共晶體組成。第六章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

6.2二元合金相圖五．包晶相圖Pt-Ag相圖是一種典型的包晶相圖。如圖13