西華大學(xué)工程材料期末考試總復(fù)習(xí)合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶資料

西華大學(xué)工程材料期末考試總復(fù)習(xí)合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶資料第1頁/共62頁常用概念

合金系是指由兩個或兩個以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。合金：一種金屬元素與另一種或幾種其它元素（金屬或非金屬），通過熔煉或其它方法結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。實際應(yīng)用中多使用合金，主要因為：

組元是指組成合金的最簡單、最基本、能夠獨立存在的物質(zhì)。

二元合金：由兩個組元（組成元素）組成的合金。多數(shù)情況下組元是指組成合金的元素。但對于既不發(fā)生分解、又不發(fā)生任何反應(yīng)的化合物也可看作組元,如Fe-C合金中的Fe3C。純金屬機械性能差，種類有限。合金機械性能好（有固溶強化、彌散強化等），種類多，可滿足各方面要求。第2頁/共62頁4.1合金中的相

相：在金屬或合金中，凡化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)及性能相同并有界面與其它部分分開的均勻組成部分。組織由相構(gòu)成，有單相組織、兩相組織、多相組織等。

組織：用肉眼或用顯微鏡觀察到的材料微觀形貌圖像的統(tǒng)稱。同樣的幾種相，當(dāng)形態(tài)、數(shù)量、大小和分布方式不同時，構(gòu)成不同的組織。金屬材料性能由組織決定，而組織由化學(xué)成分和工藝過程決定。合金中有兩類基本相——固溶體和金屬化合物。亞共析鋼x400過共析鋼x400第3頁/共62頁固溶體的分類：a、置換固溶體：溶質(zhì)原子取代溶劑原子的位置，但整個結(jié)構(gòu)仍然是溶劑的晶體結(jié)構(gòu)。b、間隙固溶體：溶質(zhì)原子位于溶劑原子的間隙位置中。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。a、有限固溶體：在一定的條件下，溶質(zhì)在固溶體中存在一極限濃度，如超過此濃度則有其它相形成。b、無限固溶體：溶質(zhì)可以任意比例溶入到溶劑中，最高可達100%。（只能是置換固溶體）a、有序固溶體：溶質(zhì)原子在固溶體中有規(guī)律的分布。（只能是置換固溶體）b、無序固溶體：溶質(zhì)原子在固溶體中無規(guī)律的分布。固溶體合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相。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)。第4頁/共62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、韌性下降不多的現(xiàn)象—固溶強化。故固溶體的綜合力學(xué)性能較好，多為合金的基體相。第5頁/共62頁金屬化合物化合物類型

合金組元相互作用形成的晶格類型和性能與任一組元都不相同的新相。正常價化合物——

按化合價規(guī)律形成，如，Mg2Si。間隙化合物

——

過渡族金屬+小半徑非金屬元素電子化合物

——

按電子濃度規(guī)律形成，如，Cu3Al。間隙相：r非/r金0.59，如，WC、TiC、VC。間隙相具有金屬特征和極高的硬度及熔點，非常穩(wěn)定。部分碳化物和所有氮化物屬于間隙相。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物：r非/r金0.59如，F(xiàn)e3C、Cr23C6。

金屬化合物的性能：熔點高、硬度高，脆性大。第6頁/共62頁第7頁/共62頁

彌散強化：金屬化合物硬而脆，當(dāng)其以極小的粒子均勻分布在固溶體基體上時，使合金的強度、硬度增加，而塑性、韌性降低不多的現(xiàn)象。故金屬化合物多為合金的強化相（也稱第二相）。第8頁/共62頁4.2合金相圖的建立

相圖（/平衡圖/狀態(tài)圖）：平衡條件下，合金的相狀態(tài)與溫度、成份間關(guān)系的圖形。是制訂熔煉、鑄造、熱加工及熱處理工藝的重要依據(jù)。根據(jù)組元（組成元素）數(shù),分為二元相圖、三元相圖和多元相圖。第9頁/共62頁（補充）相率恒壓下：f=c-p+1f：自由度數(shù)，能改變系統(tǒng)狀態(tài)的、獨立可變的因素（包括溫度、成分等）的數(shù)目。fmin=0。c：組元數(shù)。p：相數(shù)。由公式可知：fmin=c-pmax+1故：pmax=c-fmin+1=c-0+1第10頁/共62頁相圖的表示

單元系：單元系成分不變，恒壓下只有溫度可變，故相圖由一根溫度縱坐標(biāo)軸組成。

二元系：二元系恒壓下有一個獨立可變的成分變量和一個溫度變量，故相圖有一根成分橫坐標(biāo)軸和一根溫度縱坐標(biāo)軸組成平面圖。

三元系：三元系恒壓下有兩個獨立可變的成分變量和一個溫度變量，故相圖有兩根成分橫坐標(biāo)軸和一根溫度縱坐標(biāo)軸組成立體圖。在相圖中，任意一點都叫“表象點”。一個表象點的坐標(biāo)值反映一個給定合金的成分和溫度。在相圖中，由表象點所在的相區(qū)可以判定在該溫度下合金由哪些相組成。恒壓下純鐵的相圖第11頁/共62頁相圖的建立方法方法：實驗法和計算法。實驗法建立相圖是根據(jù)各種成分材料的臨界點繪制的，臨界點表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生本質(zhì)變化的相變點。測定材料臨界點有動態(tài)法和靜態(tài)法兩種方法，如前者有熱分析、膨脹法、電阻法等；后者有金相法、X射線結(jié)構(gòu)分析等。相圖的精確測定必須由多種方法配合使用。下面介紹用室溫的冷卻曲線，得到各臨界點。第12頁/共62頁

用熱分析法建立Cu-Ni相圖第13頁/共62頁4.3二元勻晶相圖

兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶時所構(gòu)成的相圖稱二元勻晶相圖。以Cu-Ni合金為例進行分析。第14頁/共62頁銅-鎳合金勻晶相圖CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+純銅熔點純鎳熔點液相線固相線液相區(qū)固相區(qū)液固兩相區(qū)第15頁/共62頁(1)勻晶合金的平衡結(jié)晶過程

除純組元外，其它成分合金結(jié)晶過程相似，以Ⅰ合金為例說明。

當(dāng)液態(tài)金屬自高溫冷卻到t1溫度時，開始結(jié)晶出成分為1的固溶體，其Ni含量高于合金平均成分。這種從液相中結(jié)晶出單一固相的轉(zhuǎn)變稱為勻晶轉(zhuǎn)變或勻晶反應(yīng)。隨溫度下降，固溶體重量增加，液相重量減少。同時，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化。第16頁/共62頁

成分變化是通過原子擴散完成的。當(dāng)合金冷卻到t3時，最后一滴L3成分的液體也轉(zhuǎn)變?yōu)楣倘荏w，此時固溶體的成分又變回到合金成分3上來。

液固相線不僅是相區(qū)分界線,也是結(jié)晶時兩相的成分變化線；勻晶轉(zhuǎn)變是變溫轉(zhuǎn)變。第17頁/共62頁第18頁/共62頁(2)杠桿定律

處于兩相區(qū)的合金，不僅由相圖可知道兩平衡相的成分，還可用杠桿定律求出兩平衡相的相對重量。現(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律：①確定兩平衡相的成分：設(shè)合金成分為x，過x做成分垂線。在成分垂線相當(dāng)于溫度t

的o點作水平線，其與液固相線交點a、b所對應(yīng)的成分x1、x2即分別為液相和固相的成分。12t第19頁/共62頁則QL

+Q=1

QL

x1+Q

x2=x

解方程組得式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的長度。②確定兩平衡相的相對重量設(shè)合金的重量為1，液相重量為QL，固相重量為Q。第20頁/共62頁

因此兩相的相對重量百分比為：兩相的重量比為：第21頁/共62頁

上式與力學(xué)中的杠桿定律完全相似，因此稱之為杠桿定律。即合金在某溫度下兩平衡相的重量比等于該溫度下與各自相區(qū)距離較遠的成分線段之比。在杠桿定律中，杠桿的支點是合金的成分，杠桿的端點是所求的兩平衡相（或兩組織組成物）的成分。杠桿定律只適用于兩相區(qū)（或兩種組織組成物）。例（如圖）第22頁/共62頁(3)

固溶體的非平衡結(jié)晶與微觀偏析合金的結(jié)晶只有在緩慢冷卻條件下才能得到成分均勻的固溶體。但實際冷速較快，結(jié)晶時固相中的原子來不及擴散，使先結(jié)晶出的枝晶軸含有較多的高熔點元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后結(jié)晶的枝晶間含有較多的低熔點元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。如果將各溫度下固溶體和液相的平均成分點分別連接成線，則該線分別稱為固相平均成分線和液相平均成分線。固溶體在不平衡凝固時液、固兩相的成分變化及組織變化示意圖第23頁/共62頁結(jié)論：固相平均成分線和液相平均成分線與固相線和液相線不同，冷卻速度越快，它們偏離固、液相線越嚴(yán)重；非平衡凝固總是導(dǎo)致凝固終結(jié)溫度低于平衡凝固時的終結(jié)溫度。在一個枝晶范圍內(nèi)或一個晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱作枝晶偏析（/微觀偏析）。冷速越大、元素的擴散能力越弱、液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴(yán)重。枝晶偏析會影響合金的力學(xué)、耐蝕、加工等性能。生產(chǎn)上常將鑄件加熱到固相線以下100-200℃長時間保溫，以使原子充分擴散、成分均勻，消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作擴散退火（不能消除宏觀偏析）。第24頁/共62頁Cu-Ni合金的平衡組織與枝晶偏析組織第25頁/共62頁4.4二元共晶相圖

當(dāng)兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶,并發(fā)生共晶反應(yīng)時所構(gòu)成的相圖稱作共晶相圖。以Pb-Sn相圖為例進行分析。Pb-Sn合金相圖成分（wt%Sn）溫度（℃）PbSn第26頁/共62頁⑴相圖分析①相：相圖中有L、、三種相,是溶質(zhì)Sn在Pb中的有限固溶體，是溶質(zhì)Pb在Sn中的有限固溶體。②相區(qū)：相圖中有三個單相區(qū)：L、、；三個兩相區(qū)：L+、L+、+；一個三相區(qū)：即水平線CED。③點：A、B分別為Pb、Sn的熔點。④相線：液相線AEB，固相線ACEDB。

固溶線:溶解度點的連線稱固溶線。相圖中的CF、DG線分別為Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶線。固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。AB第27頁/共62頁

在一定溫度下，由一定成分的液相同時結(jié)晶出兩個成分和結(jié)構(gòu)都不相同的新固相的轉(zhuǎn)變稱作共晶轉(zhuǎn)變或共晶反應(yīng)。共晶線：水平線CED叫做共晶線。在共晶線對應(yīng)的溫度下（183℃），E點成分的合金同時結(jié)晶出C點成分的固溶體和D點成分的固溶體，形成這兩個相的機械混合物：

LE

?(C+D)AB第28頁/共62頁

共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，即兩相的機械混合物稱共晶體或共晶組織。發(fā)生共晶反應(yīng)的溫度稱共晶溫度。代表共晶溫度和共晶成分的點稱共晶點。Pb-Sn共晶組織共晶體長大示意圖Sn原子擴散Pb原子擴散第29頁/共62頁

析出過程中兩相相間形核、互相促進、共同長大，因而共晶組織較細，呈片、棒、點球等形狀。第30頁/共62頁共晶組織形態(tài)

層片狀(Al-CuAl2定向凝固)條棒狀(Sb-MnSb橫截面)螺旋狀（Zn-Mg）Pb-Sn共晶組織第31頁/共62頁

⑵合金的結(jié)晶過程成分坐標(biāo)軸上合金的分類：

具有共晶成分的合金稱共晶合金。在共晶線上，凡成分位于共晶點以左的合金稱亞共晶合金，位于共晶點以右的合金稱過共晶合金。（凡具有共晶線成分的合金液體冷卻到共晶溫度時都將發(fā)生共晶反應(yīng)，室問溫組織中都有兩相共晶組織。）位于C點以左和D點以右的合金室溫組織都是單相固溶體組成，故稱單相固溶體合金。L+CDAB第32頁/共62頁Pb-Sn合金的結(jié)晶過程第33頁/共62頁①含Sn量小于C點合金(Ⅰ合金)的結(jié)晶過程

在3點以前為勻晶轉(zhuǎn)變，結(jié)晶出單相固溶體，這種直接從液相中結(jié)晶出的固相稱一次相或初生相。溫度降到3點以下，固溶體被Sn過飽和，由于晶格不穩(wěn)，開始析出（相變過程也稱析出）新相—相。由已有固相析出的新固相稱二次相或次生相。由析出的二次用Ⅱ表示。形成二次相的過程稱脫溶轉(zhuǎn)變,是固態(tài)相變的一種。.2第34頁/共62頁由于二次相析出溫度較低，一般十分細小。Ⅰ合金室溫組織為

+Ⅱ

。室溫下Ⅱ的相對重量百分比為：

隨溫度下降，和相的成分分別沿CF線和DG線變化，Ⅱ的重量增加。成分大于D點合金結(jié)晶過程與Ⅰ合金相似，室溫組織為

+

Ⅱ

。第35頁/共62頁②共晶合金(Ⅱ合金)的結(jié)晶過程

液態(tài)合金冷卻到E點時同時被Pb和Sn飽和,發(fā)生共晶反應(yīng)：LE?(C+D)。在共晶轉(zhuǎn)變過程中，L、、三相共存,三個相的量在不斷變化，但它們各自成分是固定的。19.2wt%Sn溫度,℃1’第36頁/共62頁

共晶結(jié)束后，隨溫度下降，和的成分分別沿CF線和DG線變化，并從共晶中析出Ⅱ

，從共晶中析出Ⅱ

，由于共晶組織細，Ⅱ與共晶結(jié)合，Ⅱ與共晶

結(jié)合，共晶合金的室溫組織仍為(+)共晶體。19.2wt%Sn溫度,℃1’第37頁/共62頁③亞共晶合金(Ⅲ合金)的結(jié)晶過程

合金液體在2點以前為勻晶轉(zhuǎn)變。冷卻到2點，固相成分變化到C點，液相成分變化到E點,此時兩相的相對重量為：第38頁/共62頁

在2點，具有E點成分的剩余液體發(fā)生共晶反應(yīng)：L?(+)

，轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿ЫM織，共晶體的重量與轉(zhuǎn)變前的液相重量相等,即QE=QL第39頁/共62頁

溫度繼續(xù)下降，將從一次

和共晶

中析出Ⅱ，從共晶

中析出Ⅱ。其室溫組織為Ⅰ+(+)+Ⅱ。如何求室溫下三種組織組成物的相對重量？亞共晶合金的結(jié)晶過程第40頁/共62頁④過共晶合金結(jié)晶過程

與亞共晶合金相似，不同的是一次相為

,二次相為Ⅱ,室溫組織為Ⅰ+(+)+Ⅱ。第41頁/共62頁⑶組織組成物在相圖上的標(biāo)注組織組成物是指組成合金顯微組織的獨立部分。

Ⅰ和Ⅰ,Ⅱ和Ⅱ,共晶體(+)都是組織組成物。相與相之間的差別主要在結(jié)構(gòu)和成分上。組織組成物之間的差別主要在形態(tài)上。如Ⅰ

、Ⅱ和共晶的結(jié)構(gòu)成分相同，屬同一個相，但它們的形態(tài)不同，分屬不同的組織組成物。將組織組成物標(biāo)注在相圖中，可使所標(biāo)注的組織與顯微鏡下觀察到的組織一致。第42頁/共62頁組織組成物在相圖上的標(biāo)注第43頁/共62頁二元相圖的一些幾何規(guī)律（補充）1)相界線是相平衡的體現(xiàn)，平衡相成分必須沿著相界線隨溫度而變化。2)相區(qū)接觸法則：二元相圖中（線）相鄰相區(qū)的相數(shù)差為1。兩個單相區(qū)之間必定有一個由該兩相組成的兩相區(qū)相隔，而不能以一條線接界。兩個兩相區(qū)必須以單相區(qū)或三相水平線相隔。第44頁/共62頁3)二元相圖中的三相平衡必為一條水平線（三相平衡恒溫反應(yīng)）。在這條水平線上存在3個表示平衡相的成分點，其中兩點應(yīng)在水平線的兩端，另一點在端點之間。這三個點是單相區(qū)與水平線的接觸點，也是發(fā)生三相平衡恒溫轉(zhuǎn)變時三個平衡相的成分點。水平線的上下方分別與3個兩相區(qū)相接。第45頁/共62頁4.5二元包晶相圖

兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下有限互溶，并發(fā)生包晶反應(yīng)時所構(gòu)成的相圖稱作包晶相圖。以Pt-Ag相圖為例簡要分析L+L+L+⑴相圖分析①相：相圖中有L、、三種相,是溶質(zhì)Ag在Pt中的固溶體，是溶質(zhì)Pt在Ag中的固溶體。②相區(qū)：相圖中有三個單相區(qū)：L、、；三個兩相區(qū)：L+、L+、+；一個三相區(qū)：即水平線PDC。③點：A、B分別為Pt、Ag的熔點。④相線：液相線ACB，固相線APDB。第46頁/共62頁

固溶線:相圖中的PE、DF線分別為Ag在Pt中和Pt在Ag中的固溶線。固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。水平線PDC稱包晶線，與該線成分對應(yīng)的合金在該溫度下發(fā)生包晶反應(yīng)：LC+P?βD。該反應(yīng)是液相L包著固相,新相β在L與α的界面上形核，并向L和兩個方向長大。在一定溫度下，由一個液相包著一個固相生成另一新固相的反應(yīng)稱包晶轉(zhuǎn)變或包晶反應(yīng)。第47頁/共62頁⑵合金的結(jié)晶過程①包晶成分合金：勻晶包晶二次析出。室溫組織為β+II第48頁/共62頁第49頁/共62頁②PD成分合金：勻晶包晶二次析出。室溫組織為+βII+β+II時間溫度第50頁/共62頁第51頁/共62頁③DC成分合金：勻晶包晶勻晶二次析出室溫組織為β+II時間溫度第52頁/共62頁第53頁/共62頁4.6其他相圖

形成穩(wěn)定化合物的二元相圖

穩(wěn)定化合物是指在熔化前不發(fā)生分解的化合物(如Mg-Si系的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C)。其成分固定，在相圖中是一條垂線(代表一個單相區(qū))。垂足是其成分,頂點是其熔點,結(jié)晶過程同純金屬。分析這類相圖時，可把穩(wěn)定化合物當(dāng)作純組元看待，將相圖分成幾個部分進行分析。Mg2SiMg2Si+SiMg+Mg2SiSiL+Mg2SiL+SiL+Mg2SiL+Mg第54頁/共62頁具有共析反應(yīng)的二元相圖

共析反應(yīng)(共析轉(zhuǎn)變)是指在一定溫度下，由一定成分的固相同時析出兩個成分和結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過程。共析轉(zhuǎn)變也是固態(tài)相變。

PS(—奧氏體，—鐵素體，F(xiàn)e3C—滲碳體)

最常見的共析轉(zhuǎn)變是鐵碳合金中的珠光體轉(zhuǎn)變:S?P+Fe3C。第55頁/共62頁

共析相圖與共晶相圖相似，對應(yīng)的有共析線(PSK線)、共析點(S點)、共析溫度、共析成分、共析合金(共析成分合金)、亞共析合金(共析線上共析點以左的合金)、過共析合金(共析線上共析點以右的合金)。鐵碳合金相圖第56頁/共62頁

共析反應(yīng)的產(chǎn)物是共析體（鐵碳合金中的共析體稱珠光體），也是兩相的機械混合物（鐵素體+滲碳體)。