工程材料学-3合金的相结构与二元合金相图

工程材料学南京航空航天大学梁文萍第三章合金的相结构与二元合金相图§3.1固态合金中的相结构§3.2二元合金相图的建立§3.3匀晶相图及平衡结晶过程§3.4二元共晶相图§3.5二元包晶相图§3.6其他类型的二元合金相图§3.7相图与性能的关系学习要求和难点学习重点：1.固态合金的相结构分类、形成条件和特点。2.三种典型二元合金相图特点、结晶过程。3.杠杆定律及其应用。4.运用相图分析合金的性能。学习难点：准确区分相、组织、相组成物、组织组成物。§3.1固态合金中的相结构3.1.1相的概念1.合金:是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。2.合金系:由给定的两个或两个以上的组元按不同比例配制成的合金总称。组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。Al-Cu两相合金黄铜§3.1固态合金中的相结构3.相(Phase):是指金属或合金中成分、结构和性能相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。4.显微组织(Microstructure):是指在显微镜下观察到的材料内部所具有的形态特征，即金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。单相合金两相合金组成合金的元素相互作用可形成不同的相。§3.1固态合金中的相结构一致的晶体结构和原子排列方式；相同的物理、化学性能；与周围的非同相物质之间有确定的界面；不同的相可予以机械性分离。相的基本属性§3.1固态合金中的相结构SolidLiquidGasPressureTemperature一杯冰水有两相液相固相一碟椒盐也有两相食盐花椒水的相图§3.1固态合金中的相结构固态合金中的相分为固溶体和金属间化合物两类。黄铜置换固溶体组织铁碳合金中的Fe3C§3.1固态合金中的相结构3.1.2固溶体（SolidSolution）与液态的溶液一样，我们可以把一种金属元素原子“溶解”入另一种固态金属中。合金在固态时,组元之间相互溶解，形成在某一组元的晶格中包含有其他组元原子的新相称为固溶体。与合金晶体结构相同的元素称溶剂；其它元素称溶质。§3.1固态合金中的相结构按溶质原子在晶格中所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体3.1.2固溶体（SolidSolution）§3.1固态合金中的相结构1.置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。黄铜置换固溶体组织§3.1固态合金中的相结构2.间隙固溶体:溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。§3.1固态合金中的相结构体心立方晶格的八面体间隙§3.1固态合金中的相结构C、N、H、B、O间隙固溶体的结构示意图形成间隙固溶体的一般规律为:r质/r剂0.59§3.1固态合金中的相结构3.固溶体的溶解度:溶质原子在固溶体中的极限浓度。溶解度有限度的固溶体称有限固溶体。组元无限互溶的固溶体称无限固溶体。％固溶体的总质量溶质元素的质量100c例:(1)Cu_Ni无限互溶；(2)Cu_Zn溶解度有限；(3)Cu_Pb几乎不溶。Cu-Ni无限固溶体Cu-Zn有限固溶体固溶体化合物间隙固溶体都是有限固溶体。§3.1固态合金中的相结构影响固溶体溶解度的主要因素：尺寸因素:对于置换固溶体，溶质、溶剂原子间的尺寸相差越小，溶解度越大。对于间隙固溶体，溶质原子越小，溶解度越大。电负性因素:电负性相差越大，越不利于形成固溶体。晶体结构因素：晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。形成无限固溶体的原子置换示意图§3.1固态合金中的相结构§3.1固态合金中的相结构4.固溶体的性能随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降—固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。§3.1固态合金中的相结构合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的Fe3C3.1.3金属间化合物（IntermetallicCompound）§3.1固态合金中的相结构1.正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si2.电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。电子浓度为价电子数与原子数的比值。Al-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基轴承合金中的电子化合物3.间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。§3.1固态合金中的相结构碳化钒的结构a.间隙相：r非/r金0.59,具有简单晶格结构的间隙化合物。如M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)等。间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。§3.1固态合金中的相结构VC的晶体结构§3.1固态合金中的相结构b.具有复杂结构的间隙化合物—当r非/r金0.59时形成复杂结构间隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。Fe3C的晶格高温合金中的Cr23C6具有一定程度的金属性质；具有较高的熔点；硬度较高；脆性高。3.金属间化合物的主要性能当合金中出现金属间化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属间化合物也是合金的重要组成相。§3.1固态合金中的相结构§3.2二元合金相图的建立相图：表示合金系中合金的状态与温度、成分之间关系的图解。我们经常见到的相图是平衡相图。3.2.1相图的基本知识§3.2二元合金相图的建立Gibbs相律：表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系。f=c-p+2其中系统的自由度数是指在保持合金系的相的数目不变的情况下，合金系中可以独立改变的、影响合金状态的内部及外部因素的数目。当系统的压力为常数时，f=c-p+1§3.2二元合金相图的建立建立相图最常用方法是热分析法。它是通过测量相变时的热效应（即相变时放出热量或吸收热量）来确相变时的临界度。3.2.2二元合金相图的建立TemperatureTimeLiquidTwoPhaseSolid§3.2二元合金相图的建立热分析法实验原理1配制不同成分的二元合金；2作出每个合金的冷却曲线；3建立T-x坐标系，把每个合金冷却曲线上的临界点分别标在各个合金的成分垂线上。4将各个成分垂线上具有相同意义的点连接成线，再加上标注。§3.2二元合金相图的建立二元合金相图的绘制步骤§3.2二元合金相图的建立图6-5Cu-Ni合金的冷却曲线和相图的绘制150014001300120011001000CuNi80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni温度/℃温度/℃时间Ni%Cu20406080NiLL+αα§3.3匀晶相图及平衡结晶过程两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的相图称为匀晶相图。XY%YaddedLiquidSolidTwoPhase§3.3匀晶相图及平衡结晶过程EquilibriumPhaseDiagram-Mg0-Fe010001200140016001800200022002400260028003000020406080100Wt%FeOTemperature(C)§3.3匀晶相图及平衡结晶过程EquilibriumPhaseDiagram-Nb-W24002500260027002800290030003100320033003400020406080100Weight%WTemperature(C)3.3.1.相图分析§3.3匀晶相图及平衡结晶过程ABB%LL+αα液相线固相线B熔点A熔点与纯金属的结晶过程不同，固溶体合金的结晶是在一定的温度范围内完成的。相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。§3.3匀晶相图及平衡结晶过程3.3.2.合金平衡结晶过程分析Cu-Ni合金相图以Cu-Ni合金为例进行分析。§3.3匀晶相图及平衡结晶过程L当液态金属自高温冷却到t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。⑴合金的结晶过程除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合金为例说明。这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。§3.3匀晶相图及平衡结晶过程随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又§3.3匀晶相图及平衡结晶过程变回到合金成分3上来。液固相线不仅是相区分界线,也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。AllLiquid52%Ni45%NiAlmost40%Ni40%Ni在整个过程中,结晶出的α相的成分沿固相线变化，即：α1→α2→α3→α4剩余液相成分按固相线变化：l1→l2→l3→l4§3.3匀晶相图及平衡结晶过程Cu-40%Ni合金的结晶过程§3.3匀晶相图及平衡结晶过程3.3.3.非平衡结晶—枝晶偏析固溶体晶粒成分不均匀性示意图，颜色深浅代表高熔点组元的浓度大小。Cu-Ni合金枝晶偏析示意图在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。§3.3匀晶相图及平衡结晶过程Cu-Ni合金枝晶偏析显微组织§3.3匀晶相图及平衡结晶过程合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。§3.3匀晶相图及平衡结晶过程平衡组织枝晶偏析组织Cu-30%Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织§3.3匀晶相图及平衡结晶过程枝晶偏析不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。§3.3匀晶相图及平衡结晶过程生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。消除枝晶偏析的办法大型铝合金铸造板材的扩散退火§3.3匀晶相图及平衡结晶过程3.3.4.杠杆定律处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：①确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。在成分垂线相当于温度t的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。12t②确定两平衡相的相对重量设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。§3.3匀晶相图及平衡结晶过程则QL+Q=1QLx1+Qx2=x解方程组得121α122LxxxxQxxxxQ式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。§3.3匀晶相图及平衡结晶过程因此两相的相对重量百分比为：abaoxxxxQabobxxxxQ211212L两相的重量比为：21L12LxxQxxQ)aoob(xxxxQQ或上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。例（如图）：§3.3匀晶相图及平衡结晶过程杠杆定律只适用于两相