合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2023/3/141第一頁，共四十六頁，2022年，8月28日合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第一節(jié)基本概念緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章合金（alloy）組元（元）（element）相（phase）顯微組織（microscopicstructure）以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其它金屬元素或非金屬元素，經(jīng)過熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的元素，或獨立的基本單元。二元合金鋼鐵Fe-C黃銅Cu-Zn三元合金硬鋁Al-Cu-Mg多元合金保險絲Sn-Bi-Cd-Pb注意合金系某一合金合金中具有相同成分和相同結(jié)構(gòu)（聚集狀態(tài)）并以相界面分開的均勻部分。（不管形貌）在金相顯微鏡下所觀察到的具有某種形貌的部分。注意：合金的組織可由單相或多相所構(gòu)成2023/3/142第二頁，共四十六頁，2022年，8月28日二種或二種以上的組元在固態(tài)下互相溶解形成的單一均勻的新相

合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶固溶體(solidsolution)金屬化合物(metalliccompound)第二節(jié)合金在固態(tài)下的相結(jié)構(gòu)一、固溶體（solidsolution）組成及結(jié)構(gòu)溶劑+溶質(zhì)=固溶體fccbccbcc緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章特點：（鐵素體）體心六方

體心2023/3/143第三頁，共四十六頁，2022年，8月28日化學(xué)成分固溶體的化學(xué)成份（二組元的相對比例）隨溫度變化可在一定范圍內(nèi)變化合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶T↓→溶解度↓F（鐵素體）性能具有良好的綜合力學(xué)性能固溶強化727℃Fe-0.0218%C室溫下Fe-0.0008%C緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/144第四頁，共四十六頁，2022年，8月28日合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1）溶質(zhì)原子在固溶體中的位置劃分1固溶體的分類溶質(zhì)原子溶劑原子溶質(zhì)原子溶劑原子置換固溶體間隙固溶體緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/145第五頁，共四十六頁，2022年，8月28日無限固溶體

有限固溶體合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶間隙→有限固溶體置換→無限固溶體緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2）溶質(zhì)在固溶體中的溶解度劃分固溶體的表達：2023/3/146第六頁，共四十六頁，2022年，8月28日2固溶體的性能合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶溶質(zhì)原子對晶格畸變的影響緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/147第七頁，共四十六頁，2022年，8月28日由于溶質(zhì)原子的加入，將引起溶劑的晶格發(fā)生不同程度的畸變，導(dǎo)致固溶體的強度、硬度提高（仍保持良好塑韌性）的現(xiàn)象。合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶固溶強化(solutionstrength)固溶強化是一種極為優(yōu)異的強化方式，幾乎所有對綜合機械性能要求較高的結(jié)構(gòu)材料都以固溶體作為最基本的組成相。緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章溶質(zhì)%↑→晶格畸變↑→固溶強化效果↑2023/3/148第八頁，共四十六頁，2022年，8月28日合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶二、金屬化合物（intermetalliccompound）二種或二種以上的元素按一定的結(jié)合方式形成具有金屬特性的新相。1金屬化合物的結(jié)構(gòu)特點緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章1）可用一個化學(xué)分子式表示如Fe3C2）獨特的晶體結(jié)構(gòu)3）熔點高、硬度高、脆性大（作為合金的強化相）例：Fe3CHB800斜方CHB3六方FeHB80體心2023/3/149第九頁，共四十六頁，2022年，8月28日2金屬化合物的分類合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章（1）R非金屬/R金屬≤0.59簡單晶格的間隙化合物（間隙相）1）正常價化合物（normalcompounds）2）電子化合物（electroncompounds）

3）間隙化合物（interstitialcompounds）

由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物為間隙化合物。有極高的熔點和硬度,非常穩(wěn)定。（TiC）↑↑鋼的強度、熱強性、紅硬性和耐磨性。是高合金鋼中的重要組成相。（K）很高的熔點和硬度,但比間隙相稍低些。如Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3等。在鋼中也起強化相作用。

（2）R非金屬/R金屬＞0.59復(fù)雜晶格的間隙化合物2023/3/1410第十頁，共四十六頁，2022年，8月28日3金屬化合物與固溶體的區(qū)別1）化學(xué)成份固溶體的成份可變隨T變化則在一定范圍內(nèi)變化金屬化合物成份不變是按一定的原子數(shù)化合2）晶體結(jié)構(gòu)固溶體——保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)化合物——具有獨特的晶體結(jié)構(gòu)3）性能固溶體的硬度＜金屬化合物固溶體的塑性＞金屬化合物合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1411第十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶三、合金中相結(jié)構(gòu)的組成方式1由單相固溶體構(gòu)成（F）2由多相構(gòu)成（機械混合物）2）固溶體+金屬化合物（F+Fe3C）機械混合物的特點：結(jié)構(gòu)有明顯的相界面成分介于組成相之間（不是平均值）性能取決于組成相的大小、數(shù)量及分布1）固溶體+固溶體緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1412第十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶①合金中的各組成相是如何形成的?②合金中各相的數(shù)量以及分布規(guī)律如何?③合金的成份—組織—性能之間的關(guān)系?緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1413第十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第三節(jié)二元合金相圖一、概念1相圖(phasediagram)

在極其緩慢地冷卻條件下，所測定的合金其成份、溫度和組織之間關(guān)系的圖形。1）純金屬的相圖可用一個溫度軸表達2）二元合金的組織狀態(tài)

2相圖表達法：緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章別稱：平衡圖、狀態(tài)圖等2023/3/1414第十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶二、相圖的建立（以Cu-Ni合金為例）組元CuNi晶格類型fccfcc熔點1083℃1455℃合金10%100%合金220%80%合金340%60%合金460%40%合金580%20%合金6100%0%1配制不同成分的Cu-Ni合金緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1415第十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2熱分析法建立相圖時間溫度溫度CuNiNi%60402080100%Ni40%Ni60%Ni80%Ni100%Cu20%Ni緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1416第十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日二組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶時所構(gòu)成的相圖。合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶三、二元相圖的基本類型1勻晶相圖溫度CuNiABCu-Ni二元合金相圖1）圖形分析兩個點兩條線三個相區(qū)液相線固相線液相區(qū)L固相區(qū)α兩相平衡共存區(qū)L+α緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1417第十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日2）結(jié)晶過程分析（b合金）CuNiNi%溫度b21時間b合金的成分垂線垂線與相線的交點做出冷卻速度曲線2023/3/1418第十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶（1）單相區(qū)中，不論溫度怎么變化單相的成份=合金的成份，單相的重量=合金的重量。（2）兩相區(qū)中的兩個相隨溫度變化會發(fā)生兩個變化：①兩個相的成分隨溫度變化分別沿各自的相界線變化（水平溫度線）②兩個相的相對重量隨溫度變化也要發(fā)生變化（杠桿定律）（3）相區(qū)的填寫用“差1”法、接觸法則緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1419第十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶Cu溫度K21兩相區(qū)中T溫度下的兩個相的成分確定Ni1’2’3’3K合金的成分垂線過垂線的水平溫度線與相線的交點交點在成分軸上的投影T1T2T3緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1420第二十頁，共四十六頁，2022年，8月28日TnbaK杠桿定理合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶求K合金在Tn溫度下兩個相的相對重量K溫度AB緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章兩相區(qū)中某溫度下的兩個相的相對重量確定2023/3/1421第二十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2共晶相圖二組元在液態(tài)下無限互溶，在固態(tài)下只能有限溶解并發(fā)生共晶反應(yīng)的相圖（Pb-Sb合金）700600500400300200100PbSbCEBFDGASb%緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1422第二十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日固相線液相線L+α溫度600500400300200100PbSbCEBDFGASb%1）圖形分析αβL三個單相三個單相區(qū)、三個兩相區(qū)、一個三相區(qū)相線與特性點相對量有多少？（杠桿定律）L+βα+βL+α+β共晶點（T、C）共晶線共晶合金亞共晶合金過共晶合金析出二次相（次生相）析出二次相（次生相）共晶反應(yīng)：共晶體（機械混合物）當?shù)诙嘁约毿〉念w粒彌散的分布在固溶體的基本上，使合金的強度和硬度升高的現(xiàn)象---彌散強化2023/3/1423第二十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日12）結(jié)晶過程分析L+αβL+βα+β300200600500400300200PbSbCEBDFGASb%αL100溫度（1）共晶合金Ⅰ11’室溫平衡組織Ⅰ時間（α+β）2023/3/1424第二十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日L+αβL+βα+β300200600500400300200PbSbCEBDFGASb%αL100溫度Ⅱ12（2）亞共晶合金Ⅱα+（α+β）+βⅡ時間122’α+（α+β）+βⅡ（α+β）β+（α+β）+αⅡα+βⅡβ+αⅡ2023/3/1425第二十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1相圖=組織圖2求相組成物和組織組成物的方法相區(qū)中的組成物相組成物

組織組成物緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1426第二十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日例題：求Pb-5%Sb的合金在共晶反應(yīng)剛剛結(jié)束時的組織組成物的相對量？300200100PbSbCEFASb%3.511.1杠桿定律僅適用于兩相區(qū)?。〗猓河蓷l件可知組織組成物為1確定杠桿所處的位置（T、C、端點）52計算或：問題：相組成物的相對量？2023/3/1427第二十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日3共析相圖合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶溫度B%→ABCDE緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1428第二十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日四.二元相圖與性能之間的關(guān)系合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶ABBABABABABABAABABAB溫度溫度溫度溫度流動性硬度強度硬度強度集中集中分散緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1429第二十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日普通的碳鋼和鑄鐵均屬于鐵碳合金，合金鋼和合金鑄鐵也是在鐵碳合金的基礎(chǔ)上，有意的加進某些合金元素而得到的，因此鐵和碳是組成鋼鐵材料的最基本的二個組元。由鐵和碳二個組元構(gòu)成的相圖—鐵碳合金相圖。合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶Fe3CFe2CFeC溫度FeCC%→6.69第四節(jié)鐵碳合金相圖(Iron–CarbonPhaseDiagram)緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1430第三十頁，共四十六頁，2022年，8月28日合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶研究Fe-Fe3C相圖的意義1了解并掌握鐵碳合金在平衡狀態(tài)下隨溫度變化，組織轉(zhuǎn)變的一般規(guī)律。2了解鐵碳合金的成份—組織—性能之間的關(guān)系。緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1431第三十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日一、相圖分析ACDGS1148℃727℃LAL+AL+Fe3CFA+FA+Fe3CKEPFQC%→Fe3CFeF+Fe3C4.30.772.116.69℃二條水平線構(gòu)成合金中的所有組織四個基本相共晶相圖共析相圖2023/3/1432第三十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1鐵碳合金的基本相結(jié)構(gòu)與性能1）鐵素體FC原子R=0.077nm間隙R=0.0182nm（3）性能和純鐵性能相近（軟相）C在a-Fe中的有限固溶體（bcc）（1）結(jié)構(gòu)（2）成份MaxC%→727℃的P點0.0218%CMinC%→室溫的Q點0.0008%CT↓→C%↓（有溶解度變化）緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1433第三十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2）奧氏體AC原子R=0.077nm間隙R=0.0535nm（2）成份maxC%→1148℃的E點2.11%C727℃為0.77%CS點T↓→C%↓（有溶解度變化）C在γ-Fe中的有限固溶體（fcc）（1）結(jié)構(gòu)（3）性能在Fe-C合金中屬于高溫相δ↑、HB↓→鍛造性↑緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1434第三十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶3）滲碳體Fe3C（金屬化合物）（1）結(jié)構(gòu)金相形態(tài)：根據(jù)形成條件不同有五種一次滲碳體Fe3CⅠ

條狀

二次滲碳體Fe3CⅡ

網(wǎng)狀三次滲碳體Fe3CⅢ網(wǎng)狀共晶滲碳體Fe3C基體共析滲碳體Fe3C片狀

（2）成分化學(xué)成份一定6.69%C（3）性能高熔點、高硬度、高脆性（三高）其形態(tài)、大小及分布對合金的性能產(chǎn)生重大影響復(fù)雜的鈄方晶格緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1435第三十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日2相圖中重要的點和線ACDGS1148℃727℃LAL+AL+Fe3CFA+FA+Fe3CKEPFQC%→Fe3CFeF+Fe3C4.30.772.116.69℃1）二條水平線2）三條斜線T↓→AC%↓A→Fe3CⅡT1148℃→727℃C0.77C%→6.69C%

T↓→FC%↓F→Fe3CⅢT727℃→室溫CQ點→6.69C%忽略不計T↓A→F另：DC線L→Fe3CⅠ萊氏體珠光體2023/3/1436第三十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日A+FL+Fe3C合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶ACDG1148℃727℃LAL+AFA+Fe3CKEPFQC%→FeF+Fe3C4.30.772.116.69℃3填相區(qū)及合金分類鋼白口鑄鐵S亞共析鋼過共析鋼共析鋼亞共晶白口鐵過共晶白口鐵共晶白口鐵0.0218Fe3C差“1”法相區(qū)接觸法合金的分類緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1437第三十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日13’2二、結(jié)晶過程分析ACDGS1148℃727℃LAL+AL+Fe3CFA+FA+Fe3CKEPFQC%→FeF+Fe3C4.30.772.116.69℃Fe3C1共析鋼(eutectoidsteel)

ⅠⅠ3123AAAAPP時間P2023/3/1438第三十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日142亞共析鋼(hypoeutectoidsteel

)

ⅡACDGS1148℃727℃LAL+AL+Fe3CFA+FA+Fe3CKEPFQC%→FeF+Fe3C4.30.772.116.69℃Fe3C123Ⅱ時間2344’AAAPPFAFFAAFF+PPF+P2023/3/1439第三十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日ACDGS1148℃727℃LAL+AL+Fe3CFA+FA+Fe3CKEPFQC%→FeF+Fe3C4.30.772.116.69℃Fe3CF+P143過共析鋼(hypereutectoidsteel

)

Ⅲ123Ⅲ時間2344’AAAFe3CⅡPAAPAFe3CⅡP+Fe3CⅡPFe3CⅡFe3CⅡ2023/3/1440第四十頁，共四十六頁，2022年，8月28日P+Fe3CⅡACDGS1148℃727℃LAL+AL+Fe3CFA+FA+Fe3CKEPFQC%→FeF+Fe3C4.30.772.116.69℃Fe3CP例題：求1.2%C鋼在共析反應(yīng)剛剛結(jié)束時的組織組成物和相組成物的相對量？解：1組織組成物∵P+Fe3CⅡ←A+Fe3CⅡ∴A和Fe3CⅡ為所求1.22相組成物∵727℃以下，所有合金的組織均由F+Fe3C構(gòu)成的。∴F和Fe3C為所求問題：室溫下如何求？F+P2023/3/1441第四十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日（P+Fe3CⅡ+Fe3C）Ld’Ld’LAFe3CLd1L℃A+Fe3CACDGS1148℃727℃AL+AL+Fe3CFA+FKEPFQC%→FeF+Fe3C4.30.772.116.69F+PPP+Fe3CⅡFe3C14共晶白口鐵(eutectoidwhiteiron

)

Ⅳ時間21’2’L→（A+Fe3C）2ⅣLLdLdFe3CAAFe3CⅡ網(wǎng)AFe3CFe3CⅡA→（F+Fe3C)PAPFe3CFe3CⅡP+Fe3CⅡ+Ld’Ld’+Fe3CⅠ組織組成物填相區(qū)？A+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLd+Fe3CⅠLdⅠ2023/3/1442第四十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日Fe3CⅡPFFe3C合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶三、含碳量對組織組成物、相組成物的相對量的影響FLd’Fe3CⅠ相組成物組織組成物0.0218A+FG727℃AFA+Fe3CKPQC%→FeF+Fe3C4.30.772.116.69SFe3C緒論第二章第三章第四章第五章第六章第一章2023/3/1443第四十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日四、含碳量對鋼的力學(xué)性能的影響合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶Fe3CⅡPFFe3CFLd’Fe3CⅠ相組成物組織組成物C%→1.4性能0成分-組織-性能的關(guān)系1.41）δ↑、↑（F%↑）