合金的相結(jié)構(gòu)與相圖

合金的相結(jié)構(gòu)與相圖第1頁/共42頁學(xué)習(xí)要求1.了解二元勻晶相圖、二元共晶相圖、二元包晶相圖各個區(qū)間的組織組成和特征；2.掌握共晶轉(zhuǎn)變和共析轉(zhuǎn)變的實質(zhì)和條件；3.掌握鐵碳合金基本組織的特征和性能，并能結(jié)合晶體結(jié)構(gòu)知識進行分析、對比；4.熟練分析鐵碳合金典型7種合金的結(jié)晶過程，并能夠做到舉一反三；5.了解鐵碳合金的化學(xué)成分、組織狀態(tài)和性能之間的定性關(guān)系；6.了解合金的性能與相圖的關(guān)系。第2頁/共42頁第一節(jié)基本概念合金:由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素熔合或燒結(jié)而成的具有金屬特性的物質(zhì)。一般前者為熔合合金，后者為燒結(jié)合金.組元:組成合金最基本的、獨立的物質(zhì)叫組元。一般來說，組元既可以是組成合金的元素，也可以是穩(wěn)定的化合物。合金系:由兩種或兩種以上的組元按不同的比例配制成一系列不同成分的所有合金稱為合金系。相:金屬中具有相同的化學(xué)成分、相同結(jié)構(gòu)和相同物理性能并與其它部分有界面分開的均勻組成部分，稱為相。組織:是指用金相觀察方法看到的由形態(tài)、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構(gòu)成的總體。第3頁/共42頁第二節(jié)合金的相結(jié)構(gòu)

一、固溶體合金中兩組元在液態(tài)和固態(tài)下都互相溶解，共同形成均勻的固相，這類相稱為固溶體。習(xí)慣以、、表示。與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶劑,其它元素稱溶質(zhì)。置換固溶體:溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點位置所形成的固溶體。溶質(zhì)原子呈無序分布的稱無序固溶體，呈有序分布的稱有序固溶體。置換固溶體

第4頁/共42頁間隙固溶體:溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般是過渡族元素。形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r質(zhì)/r劑<0.59。間隙固溶體都是無序固溶體。間隙固溶體第5頁/共42頁固溶體的性能隨溶質(zhì)含量增加,固溶體的強度、硬度增加,塑性、韌性下降——固溶強化。產(chǎn)生固溶強化的原因是溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸變及對位錯的釘扎作用。與純金屬相比，固溶體的強度、硬度高，塑性、韌性低。但與化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。置換固溶體的晶格畸變

間隙固溶體晶格畸變

第6頁/共42頁二、金屬化合物在合金中，當(dāng)溶質(zhì)含量超過固溶體的溶解度時，除了形成固溶體外，還將出現(xiàn)新相。若新相的晶體結(jié)構(gòu)與合金中某一組成元素相同，則新相是以該一組成元素為溶劑的固溶體。若新相的晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組成元素，則新相將是組成元素問相互作用而生成的一種新的物質(zhì)，即為金屬化合物或稱中間相。1.正常價化合物——符合正常原子價規(guī)律。如Mg2Si。2.電子化合物——符合電子濃度規(guī)律。如Cu3Sn。電子濃度為價電子數(shù)與原子數(shù)的比值。3.間隙化合物——由過渡族元素與C、N、B、H等小原子半徑的非金屬元素組成。第7頁/共42頁①間隙相r非/r金0.59時，形成具有簡單晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物。如M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)等。簡單晶格間隙化合物的共同特點，是具有極高硬度和熔點，是硬質(zhì)合金和高溫金屬陶瓷材料的重要組成部分。部分碳化物和所有氮化物屬于間隙相。VC的結(jié)構(gòu)第8頁/共42頁②具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物當(dāng)r非/r金>0.59時形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Fe3C稱滲碳體，是鋼中重要組成相，具有復(fù)雜斜方晶格。形成復(fù)雜晶格的間隙化合物，其熔點和硬度較間隙相低，穩(wěn)定性也較差。化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物為基的固溶體。間隙化合物Fe3C的晶體結(jié)構(gòu)第9頁/共42頁三、機械混合物純金屬、固溶體、金屬化合物是組成合金的基本相，由這些基本相按照固定比例構(gòu)成的組織稱為機械混合物。它可以是兩種或多種純金屬、固溶體、金屬化合物各自組成的機械混合物，也可以是它們之間的混合物。機械混合物中的各個組成相仍然保持各自的晶體結(jié)構(gòu)和性能，一般情況下在金相顯微鏡下可以加以區(qū)別。機械混合物的性能取決于各組成相的大小、數(shù)量、分布及形狀。工業(yè)生產(chǎn)中大多數(shù)合金是由機械混合物組成，如鋼、鑄鐵、銅合金、鋁合金等。第10頁/共42頁第三節(jié)二元合金相圖的建立相圖又稱狀態(tài)圖，它表明金屬的相結(jié)構(gòu)或狀態(tài)隨溫度、壓力及成分的改變而發(fā)生變化的情況。由于它只表示金屬在平衡狀態(tài)(那是極緩慢加熱或冷卻條件)下的相結(jié)構(gòu)，所以也稱平衡圖。第11頁/共42頁一、二元合金相圖的表示方法二、二元合金相圖的建立二元合金相圖的坐標(biāo)

Cu-Ni二元合金相圖的建立

第12頁/共42頁第四節(jié)二元勻晶相圖勻晶相圖：兩組元在固態(tài)時形成無限固溶體，且液態(tài)時又能完全互溶的合金相圖稱為勻晶相圖。一、相圖分析二、合金的結(jié)晶過程Cu-Ni合金相圖、冷卻曲線及結(jié)晶過程分析第13頁/共42頁三、杠桿定律1.兩平衡相及其成分的確定2.兩平衡相相對質(zhì)量的確定mLar=mαrb

mL=rb/ab×100%mα=ar/ab×100%杠桿定律杠桿定律的力學(xué)比喻

第14頁/共42頁例：Bi-Sb二元合金相圖，求Sb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的Bi-Sb合金，在400℃時組成相的成分及組成相的相對質(zhì)量。解：在成分軸上找出Sb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的合金點，并引Ⅰ-Ⅰ成分垂線，再在400℃作水平線與液相線和固相線分別相交于C點及E點，且與Ⅰ-Ⅰ成分垂線相交于D點，此時C點在成分軸上的投影即為液相的成分。故液相中Sb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%，同理α固溶體中Sb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%。根據(jù)杠桿定律，求得液、固兩相的相對質(zhì)量分別為：mL

=DE/CE=(72-40)/(70-18)=55%mα=1-55%=45%四、枝晶偏析Bi-Sb二元合金相圖在一個晶粒內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為枝晶偏析。枝晶偏析的存在，使塑性、韌性降低，使合金的壓力加工難以進行。另外，枝晶偏析也將導(dǎo)致合金的力學(xué)性能不均勻，使合金的耐蝕性下降。第15頁/共42頁第五節(jié)二元共晶相圖共晶相圖：兩組在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)相互有限溶解或不溶解且發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的相圖，稱為共晶相圖。一、相圖分析共晶轉(zhuǎn)變：從某種成分固定的合金溶液中同時結(jié)晶出兩種成分和結(jié)構(gòu)皆不相同的固相，稱為共晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變

Pb-Sn二元共晶相圖

第16頁/共42頁二、典型合金的結(jié)晶過程1.共晶合金的結(jié)晶過程（合金Ⅰ）合金Ⅰ的冷卻曲線及結(jié)晶過程

Pb-Sn共晶合金組織

第17頁/共42頁2.亞共晶合金的結(jié)晶過程（合金Ⅱ）3.過共晶合金的結(jié)晶過程（合金Ⅲ）合金Ⅱ的冷卻曲線及結(jié)晶過程

合金Ⅲ的冷卻曲線及結(jié)晶過程

第18頁/共42頁4.含Sn量小于c點的合金結(jié)晶過程（合金Ⅳ）合金Ⅳ的冷卻曲線及結(jié)晶過程第19頁/共42頁第六節(jié)二元包晶相圖包晶相圖:兩個組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)形成有限固溶體并發(fā)生包晶反應(yīng)的相圖，稱為包晶相圖。一、相圖分析包晶轉(zhuǎn)變:成分為P點的α固溶體和在它周圍成分為C點的液相L，在PDC水平線所對應(yīng)的溫度下，相互作用轉(zhuǎn)變?yōu)槌煞质荄點的另一新相β固溶體，這一轉(zhuǎn)變稱為包晶轉(zhuǎn)變。Pt-Ag包晶相圖

包晶轉(zhuǎn)變

第20頁/共42頁二、典型合金的結(jié)晶過程1.合金Ⅰ的結(jié)晶過程2.合金Ⅱ的結(jié)晶過程3.合金Ⅲ的結(jié)晶過程第21頁/共42頁第七節(jié)具有共析反應(yīng)的二元合金相圖共析轉(zhuǎn)變：自某種均勻一致的固相中同時析出兩種化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的轉(zhuǎn)變稱為共析轉(zhuǎn)變。

共析轉(zhuǎn)變

第22頁/共42頁分析二元合金相圖的要點：⑴相圖中每一點都代表某一成分的合金在某一溫度下所處的狀態(tài)，此點稱為合金的表象點。⑵在單相區(qū)中，合金由單相組成，相的成分即等于合金的成分，它由合金的表象點來決定。⑶在兩個單相區(qū)之間必定存在著一個兩相區(qū)。在此兩相區(qū)中，合金處于兩相平衡狀態(tài)；兩個平衡相的成分可由通過合金表象點的水平線與兩相區(qū)邊界線的交點來決定，兩相的相對質(zhì)量可運用杠桿定律加以計算。⑷在二元合金相圖中，三相平衡共存表現(xiàn)為一條水平線。第23頁/共42頁三相平衡線的圖形特征及性質(zhì)

第24頁/共42頁第八節(jié)合金的性能與相圖的關(guān)系一、合金的使用性能與相圖的關(guān)系二、合金的工藝性能與相圖的關(guān)系第25頁/共42頁第九節(jié)鐵碳合金相圖一、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下隨溫度或壓力的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的變化，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鐵的冷卻曲線

純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

第26頁/共42頁二、鐵碳合金的基本組織鐵素體：碳溶于體心立方晶格的α-Fe中所形成的間隙固溶體，稱為鐵素體，用符號“F”或α表示。在727℃時，碳在α-Fe中的溶解度最大（0.0218%），室溫下幾乎為零（0.0008%）。由于鐵素體的溶碳量很小，可認(rèn)為是純鐵，其力學(xué)性能與純鐵極為相近，強度、硬度低，而塑性、韌性好。鐵素體在770℃以下具有鐵磁性，在770℃以上時鐵磁性消失。奧氏體：碳溶于面心立方晶格的γ-Fe中所形成的間隙固溶體，稱為奧素體，用符號“A”或γ表示。在1148℃時溶碳量最大，為2.11%，隨著溫度的下降，溶解度也逐漸下降，在727℃時，溶碳量為0.77%。奧氏體溶有較多的碳，故其具有一定的強度和硬度，良好的韌性，低的塑性變形抗力，易于鍛造成形。第27頁/共42頁滲碳體：碳與鐵以一定的比例形成的具有復(fù)雜晶格的間隙化合物，稱為滲碳體，用分子式Fe3C表示。滲碳體的含碳量為6.69%，是鋼中的主要強化相，它的數(shù)量、形狀、大小及分布對鋼的性能影響很大，其組織形態(tài)有片狀、球狀、網(wǎng)狀和長條狀。滲碳體的力學(xué)性能特點是硬度高、脆性大。塑性、韌性幾乎等于零。珠光體：鐵素體和滲碳體兩相組成的機械混合物，稱為珠光體，用符號“P”表示。珠光體的含碳量為0.77%,其性能介于鐵素體和滲碳體之間，具有較高的強度和足夠的韌性。萊氏體萊氏體：奧氏體和滲碳體兩相組成的機械混合物，叫萊氏體，用符號“Ld”表示。萊氏體的含碳量為4.3%，存在于1148～727℃溫度范圍的萊氏體，稱為高溫萊氏體。727℃以下時，萊氏體是由珠光體和滲碳體組成的機械混合物，稱為低溫萊氏體，用符號“Ld'”表示。因為萊氏體是以滲碳體為基體，其力學(xué)性能與滲碳體相近，硬度很高，塑性很差。第28頁/共42頁三、鐵碳合金相圖第29頁/共42頁㈠Fe-Fe3C相圖分析1.Fe-Fe3C相圖中的特性點第30頁/共42頁2.Fe-Fe3C相圖中的特性線1）三種恒溫轉(zhuǎn)變⑴包晶轉(zhuǎn)變在1495℃（HJB水平線）發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變：

⑵共晶轉(zhuǎn)變在1148℃（ECF水平線）發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：⑶共析轉(zhuǎn)變在727℃（PSK水平線）發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：2）三條特性曲線⑴ES線是碳在奧氏體中的溶解度曲線。⑵GS線是冷卻時奧氏體開始析出鐵素體的轉(zhuǎn)變線和加熱時鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了線，又叫A3線。⑶PQ線是碳在鐵素體中的溶解度曲線。第31頁/共42頁3）Fe-Fe3C相圖中的相區(qū)5個單相區(qū)：

ABCD線以上——液相區(qū)（L）

AHNA——高溫鐵素體區(qū)（δ）

NJESGN——奧氏體區(qū)（A或γ）

GPQG——鐵素體區(qū)（F或α）

DFK——滲碳體區(qū)（Fe3C）

7個兩相區(qū)：L+δ；L+A；L+Fe3C；δ+A；F+A；A+Fe3C及F+Fe3C，它們分別位于兩相鄰的單相區(qū)之間。三相共存水平線——HJB、ECF及PSK分別可以被看作是三相區(qū)。第32頁/共42頁3.鐵碳合金的分類⑴工業(yè)純鐵（C＜0.02%）；⑵鋼（0.02%～2.11%C）：包括亞共析鋼（＜0.77%C）、共析鋼（0.77%C）和過共析鋼（＞0.77%C）；⑶白口鑄鐵（2.11%～6.69%C）：包括亞共晶白口鑄鐵（＜4.3%C）、共晶白口鑄鐵（4.3%C）及過共晶白口鑄鐵（＞4.3%C）。㈡典型合金結(jié)晶過程分析

第33頁/共42頁7個典型合金在相圖上的位置7個典型合金在相圖上的位置

第34頁/共42頁⑴工業(yè)純鐵合金①工業(yè)純鐵在室溫下的平衡組織為F+Fe3CⅢ

⑵共析鋼合金②

共析鋼的顯微組織

工業(yè)純鐵的顯微組織

共析鋼結(jié)晶過程示意圖

第35頁/共42頁⑶亞共析鋼合金③⑷過共析鋼合金④

亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖

過共析鋼結(jié)晶過程示意圖0.45%C鋼的顯微組織1.2%C鋼的顯微組織第36頁/共42頁⑸共晶白口鑄鐵合金⑤⑥亞共晶白口鑄鐵合金⑥共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖

亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖

共晶白口鑄鐵的顯微組織

亞共晶白口鑄鐵的顯微組織

第37頁/