第4章合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

第四章合金的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶

第四章合金的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶§1合金中的相結(jié)構(gòu)

§2二元合金狀態(tài)圖

§3相圖與合金性能的關(guān)系§1合金中的相結(jié)構(gòu)一、合金的基本概念二、合金中的相結(jié)構(gòu)1．固溶體置換固溶體

間隙固溶體

固溶體的性能

2．化合物

一、合金的基本概念合金

通過(guò)熔煉，燒結(jié)或其它方法，將一種金屬元素同一種或幾種其它元素結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的新物質(zhì)，稱為合金。組元組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元

一合金中的基本概念

相在金屬或合金中，凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開的均勻組成部分，均稱之為相.二、合金中的相結(jié)構(gòu)固溶體置換固溶體

間隙固溶體

固溶體的性能

化合物固溶體

置換固溶體

間隙固溶體

組元通過(guò)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稱為固溶體。

置換固溶體溶質(zhì)原子代替溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上的一部分原子而組成的固溶體稱置換固溶體。溶質(zhì)原子在溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上呈無(wú)序分布的置換固溶體稱為無(wú)序固溶體；溶質(zhì)原子在溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上按一定秩序排列的置換固溶體稱有序固溶體。顯然，只有當(dāng)溶質(zhì)原子和溶劑原子成一定比例時(shí)，才有可能形成有序固溶體。此外，按照溶解度的大小，置換固溶體，又可分為無(wú)限置換固溶體和有限置換固溶體。間隙固溶體溶質(zhì)原子填充在溶劑晶格的間隙中形成的固溶體，即間隙固溶體，間隙固溶體仍保持著溶劑金屬的晶格類型。已有研究表明，當(dāng)溶質(zhì)元素的原子直徑與溶劑元素的原子直徑之比小于0.59時(shí)，易于形成間隙固溶體，而在直徑大小差不多的元素之間易于形成置換固溶體。且溶質(zhì)原子在間隙固溶體中只能呈統(tǒng)計(jì)分布，形成無(wú)序固溶體，而且當(dāng)溶劑晶格間隙被溶質(zhì)原子填充到一定程度后就不能再繼續(xù)溶解，多余的溶質(zhì)原子將以新相出現(xiàn)，因此，間隙固溶體的溶解總是有限的，間隙固溶體總是有限固溶體。

固溶體的性能無(wú)論置換固溶體，還是間隙固溶體，由于溶質(zhì)原子的存在都會(huì)使晶格發(fā)生畸變，使其性能不同于原純金屬。當(dāng)溶質(zhì)元素的含量極少時(shí)，固溶體的性能與溶劑金屬基本相同。隨溶質(zhì)含量的升高，固溶體的性能將發(fā)生明顯改變，其一般情況下，強(qiáng)度、硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降，電阻率升高，導(dǎo)電性逐漸下降等。固溶體的性能

不管溶質(zhì)原子處于溶劑原子的間隙中或者代替了溶劑原子都會(huì)使固溶體的晶格發(fā)生畸變，使塑性變形抗力增大，結(jié)果使金屬材料的強(qiáng)度、硬度增高。這種通過(guò)溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，使金屬材料的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是提高金屬材料力學(xué)性能的重要途徑之一。實(shí)踐表明，適當(dāng)控制固溶體中的溶質(zhì)含量，可以在顯著提高金屬材料的強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，仍能保持良好的塑性和韌性。因此，對(duì)綜合力學(xué)性能要求較高的結(jié)構(gòu)材料，都是以固溶體為基體的合金?；衔锶粜孪嗟木Ц窠Y(jié)構(gòu)不同于任一組成元素，則新相是組成元素間相互作用而生成的一種新物質(zhì)，屬于化合物，如碳鋼中的Fe3C，黃銅中的β相（CuZn）以及各種鋼中都有的FeS、MnS等等，都是化合物。

金屬化合物的晶格類型與形成化合物各組元的晶格類型完全不同，一般可用化學(xué)分子式表示。鋼中滲碳體（Fe3C）是由鐵原子和碳原子所組成的金屬化合物，它具有復(fù)雜的晶格形式。在這些化合物中，F(xiàn)e3C和β相均具有相當(dāng)程度的金屬鍵及一定的金屬性質(zhì)，是一種金屬物質(zhì)，稱為金屬化合物，而FeS、MnS具有離子鍵，沒(méi)有金屬性質(zhì)，屬于一般的化合物，因而又稱為非金屬化合物。在合金中，金屬化合物可以成為合金材料的基本組成相，而非金屬化合物是合金原料或熔煉過(guò)程帶來(lái)的，數(shù)量少且對(duì)合金性能影響很壞，因而一般稱為非金屬夾雜?；衔锓诸悾海ǎ保┱r(jià)化合物：符合一般化合物的原子價(jià)規(guī)律，成分固定，可用化學(xué)式表示。（２）電子化合物：是由第一族元素，過(guò)渡族元素與第二至第五族元素結(jié)合而成。服從電子濃度規(guī)律，即當(dāng)合金的電子濃度達(dá)到某一數(shù)值，變形成具有某種晶格結(jié)構(gòu)的化合物相。例：Ｃu－Ｚnβ-γ-ε(３)間隙化合物（尺寸因素化合物）間隙相：d非／d金＜０.５９具有比較簡(jiǎn)單的晶格結(jié)構(gòu)。例：ＷＣ、ＴIＣ間隙化合物：d非／d金＞０.５９具有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。例：Ｆe３

ＣＣr２３Ｃ6

金屬化合物金屬化合物的性能不同于任一組元，其溶點(diǎn)一般較高、硬而脆。當(dāng)它呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時(shí)，將使合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強(qiáng)化。金屬化合物在合金中常作為強(qiáng)化相存在，它是許多合金鋼、有色金屬和硬質(zhì)合金的重要組成相。

絕大多數(shù)合金的組織都是固溶體與少量金屬化合物組成的混合物，其性質(zhì)取決于固溶體與金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布狀況。

組織組織(是一種顯微尺度)在金屬和合金中，用肉眼、低倍放大鏡或普通金相顯微鏡，可觀察到的金屬或合金內(nèi)部晶體(微觀)形貌。它是由單相物質(zhì)或多相物質(zhì)組合成的，具有一定形態(tài)特征的聚合體.例：Ｆe與Ｆe３

Ｃ——Ｐ、Ｓ、Ｔ、Ｓ回、Ｔ回、組織

組織

鐵碳合金的結(jié)晶組織金相像片§2二元合金相(狀態(tài))圖

一、相圖的意義及相關(guān)概念二、二元合金狀態(tài)圖的建立

三、平衡相組成的分析

四、二元狀態(tài)圖的基本類型分析

一、相圖的意義及相關(guān)概念相圖的意義相關(guān)概念組元合金系相圖一相圖的相關(guān)概念1．組元：通常把組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本，能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)稱為組元。但在所研究的范圍內(nèi)既不分解也不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定化合物也可稱為組元，如Fe3C看作一組元。2．合金系由兩個(gè)或兩個(gè)以上組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，稱為合金系。3．相圖用來(lái)表示合金系中各個(gè)合金的結(jié)晶過(guò)程的簡(jiǎn)明圖解稱為相圖，又稱狀態(tài)圖或平衡圖。相圖上所表示的組織都是十分緩慢冷卻的條件下獲得的，都是接近平衡狀態(tài)的組織。

二、二元合金狀態(tài)圖的建立

目前，合金狀態(tài)圖主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的，且測(cè)定合金狀態(tài)圖的方法很多，但應(yīng)用最多的是熱分析法。以Cu—Ni合金相圖測(cè)定為例，說(shuō)明熱分析法的應(yīng)用及步驟：（1）配制不同成分的合金試樣，如Ⅰ純銅；Ⅱ75%Cu+25%Ni；Ⅲ50%Cu+50%Ni；合金Ⅳ25%Cu+75%Ni；Ⅴ：純Ni。（2）測(cè)定各組試樣合金的冷卻曲線并確定其相變臨界點(diǎn)；（3）將各臨界點(diǎn)繪在溫度—合金成分坐標(biāo)圖上；（4）將圖中具有相同含義的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，即得到Cu、Ni合金相圖。用熱分析法測(cè)定Cu、Ni相圖a）冷卻曲線b）相圖abab

:液相線ab

:固相線LL

+SSL:液相區(qū)S:固相區(qū)L+S:液固共存區(qū)AB溫度三、平衡相組成的分析1．平衡相成分的確定

2．平衡相相對(duì)重量的確定：（杠桿定律）三、合金的平衡結(jié)晶過(guò)程1．平衡相成分的確定選擇結(jié)晶：先結(jié)晶出來(lái)的晶體含有較多的高熔點(diǎn)的組元。在整個(gè)冷卻過(guò)程中，隨溫度的降低：液相成份隨液相線變化;固相成份隨液相線變化;平衡相成分分析示意圖TLTSTnnmx2杠桿定理QS=(nx／mn)

100%

QL=(mx／mn)

100%

QS+QL=1mQS+mQL

=xABabLS溫度QLQs2平衡相相對(duì)重量的確定

（杠桿定律）四、二元狀態(tài)圖的基本類型分析1.二元?jiǎng)蚓鄨D

2.二元共晶相圖3.二元包晶相圖4.形成穩(wěn)定化合物的相圖

5.具有共析轉(zhuǎn)變的相圖1.二元?jiǎng)蚓鄨D1．相圖的組成及特征

2．合金平衡結(jié)晶過(guò)程及組織3．枝晶偏析及其消除兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)也無(wú)限互溶，冷卻時(shí)發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變的合金系→勻晶相圖

Cu-Ni二元均晶相圖Cu-Ni合金枝晶偏析示意圖

枝晶偏析及其消除由于實(shí)際生產(chǎn)中，合金冷卻速度快，原子擴(kuò)散不充分。擴(kuò)散過(guò)程總是落后于結(jié)晶過(guò)程，合金結(jié)晶是在非平衡的條件下進(jìn)行的。這使得先結(jié)晶出來(lái)的固溶體合金含高熔點(diǎn)組元較多，合金的熔點(diǎn)較高，構(gòu)成晶體的樹枝狀骨架，后結(jié)晶出的部分含高熔點(diǎn)組元較少，熔點(diǎn)較低，填充于枝間。這種在晶粒內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為枝晶偏析或稱晶內(nèi)偏析。出現(xiàn)枝晶偏析后，使合金材料的機(jī)械性能、耐蝕性能和加工工藝性能變壞。出現(xiàn)枝晶偏析后，可通過(guò)擴(kuò)散退火予以消除。一般采用將鑄件加熱到低于固相線100～200℃的溫度，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間保溫，使偏析元素進(jìn)行充分?jǐn)U散，成分均勻化。

2.二元共晶相圖1．相圖的組成分析2．典型合金平衡結(jié)晶過(guò)程分析概念：兩組元在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，在固態(tài)時(shí)有限互溶，并發(fā)共晶反應(yīng)，形成共晶相圖。二元共晶相圖1．相圖的組成分析共晶相圖中有三個(gè)單相區(qū)：液相區(qū)L，固相α和β相區(qū)；三個(gè)兩相區(qū)：L+α區(qū)，L+β區(qū)，α+β區(qū)；一個(gè)三相共存點(diǎn)：C點(diǎn)

共晶反應(yīng)共晶轉(zhuǎn)變：在一定成份和恒溫下，由液相同時(shí)結(jié)晶出成份一定的兩個(gè)固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程。（共晶反應(yīng)）反應(yīng)式：ＬＥ→αＭ＋βＮ共晶點(diǎn)：Ｅ點(diǎn)共晶液相成份點(diǎn)；共晶溫度：ＴＥ；共晶線：ＭＥＮ線共晶組織：（αＭ＋βＮ）再相交錯(cuò)分布的機(jī)械混合物;過(guò)冷度越大，共晶組織愈細(xì)。共晶合金結(jié)晶過(guò)程示意圖亞共晶合金結(jié)晶過(guò)程示意圖合金Ⅳ的結(jié)晶過(guò)程示意圖密度偏析及防止措施結(jié)晶的晶體密度與其剩余的液體密度相差較大，晶體上浮或下沉。凝固后合金的上下部分不同的現(xiàn)象，稱之為“密度偏析”防止密度偏析措施：（１）提高Ｖ冷（２）攪拌（３）加入某種元素，使形成高熔點(diǎn)與液相比重相近的化合物骨架。3.二元包晶相圖

1．相圖的組成分析2．典型合金平衡結(jié)晶過(guò)程分析二元包晶相圖1．相圖的組成分析在二元包晶相同中，有三個(gè)單相區(qū)：液相區(qū)L、固相區(qū)α和β相區(qū)；三個(gè)兩相區(qū)：L+α、L+β、α+β；一個(gè)三相共存點(diǎn)：e點(diǎn)（L、α、β共存）

合金I結(jié)晶過(guò)程示意圖合金Ⅱ結(jié)晶過(guò)程示意圖合金Ⅲ結(jié)晶過(guò)程示意圖4.形成穩(wěn)定化合物的相圖合金系中兩組元之間還可能形成穩(wěn)定的金屬化合物，其組成可用通式AmBn表示，它具有固定的成分和一定的熔點(diǎn)，可把它看成獨(dú)立的組元。它的分析可作為兩個(gè)簡(jiǎn)單相圖進(jìn)行。

5.具有共析轉(zhuǎn)變的相圖

共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變屬于固態(tài)相變的一種類型。和共晶反應(yīng)一樣是由一個(gè)相分解為兩個(gè)相的三相平衡等溫轉(zhuǎn)變。共析轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)是：由特定成分的單相固態(tài)合金，在恒定的溫度下，分解成兩個(gè)新的，具有一定晶體結(jié)構(gòu)的固相。其反應(yīng)式可表達(dá)為：反應(yīng)產(chǎn)物和的相對(duì)重量有一固定的比例：由于共析反應(yīng)是在固態(tài)下進(jìn)行的，其原子擴(kuò)散條件很差，晶核成長(zhǎng)速度很小，所以共析轉(zhuǎn)變物的組織是比較細(xì)密的兩相相間的機(jī)械混合物。

第三節(jié)合金的性能與相圖的關(guān)系（1）合金的使用性能與相圖的關(guān)系由圖可見，當(dāng)合金形成單相固溶體時(shí)，隨溶質(zhì)溶入量的增加，合金的硬度、強(qiáng)度升高，而電導(dǎo)率降低，呈透鏡形曲線變化，在合金性能與成分的關(guān)系曲線上有一極大值或極小值。當(dāng)合金形成兩相混合物時(shí)，其性能是兩相性能值的算術(shù)平均值。隨著成分的變化，合金的強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電率等性能在兩組成相的性能間呈線性變化，對(duì)于共晶成分或共析成分的合金，其性能還與兩組成相的致密程度有關(guān)，組織愈細(xì)，性能愈好。當(dāng)合金形成穩(wěn)定化合物時(shí)，在化合物處性能出現(xiàn)極大值或極小值。（2）合金工藝性能與相圖的關(guān)系合金的工藝性能與相圖也有密切的聯(lián)系。如鑄造性能（包括流動(dòng)性、縮孔分布、偏析大?。┡c相圖中液相線和固相線之間的距離密切相關(guān)。相圖中液相線與固相線的距離愈寬