工程金属材料力学性能3

2019/8/71合金的结构与结晶第二章合金的结构与结晶绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章要点：1了解合金在固态下的基本相结构2了解合金的组织随温度变化的一般规律（二元合金基本相图）3掌握、分析铁碳合金相图2019/8/72合金的结构与结晶第一节基本概念绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章合金（alloy）组元（元）（element）相（phase）显微组织（microscopicstructure）以一种金属为基础，加入其它金属元素或非金属元素，经过熔合而成的具有金属特性的物质。组成合金的元素，或独立的基本单元。二元合金钢铁Fe-C黄铜Cu-Zn三元合金硬铝Al-Cu-Mg多元合金保险丝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结构（聚集状态）并以相界面分开的均匀部分。（不管形貌）在金相显微镜下所观察到的具有某种形貌的部分。注意：合金的组织可由单相或多相所构成2019/8/73二种或二种以上的组元在固态下互相溶解形成的单一均匀的新相合金的结构与结晶固溶体(solidsolution)金属化合物(metalliccompound)第二节合金在固态下的相结构一、固溶体（solidsolution）组成及结构溶剂+溶质=固溶体fccbccbcc绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章特点：（铁素体）体心六方体心FCFe2019/8/74化学成分固溶体的化学成份（二组元的相对比例）随温度变化可在一定范围内变化合金的结构与结晶T↓→溶解度↓F（铁素体）性能具有良好的综合力学性能固溶强化727℃Fe-0.0218%C室温下Fe-0.0008%C绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/75合金的结构与结晶1）溶质原子在固溶体中的位置划分1固溶体的分类溶质原子溶剂原子溶质原子溶剂原子置换固溶体间隙固溶体绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/76无限固溶体有限固溶体合金的结构与结晶间隙→有限固溶体置换→无限固溶体绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2）溶质在固溶体中的溶解度划分固溶体的表达：2019/8/772固溶体的性能合金的结构与结晶溶质原子对晶格畸变的影响绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/78由于溶质原子的加入，将引起溶剂的晶格发生不同程度的畸变，导致固溶体的强度、硬度提高（仍保持良好塑韧性）的现象。合金的结构与结晶固溶强化(solutionstrength)固溶强化是一种极为优异的强化方式，几乎所有对综合机械性能要求较高的结构材料都以固溶体作为最基本的组成相。绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章溶质%↑→晶格畸变↑→固溶强化效果↑2019/8/79合金的结构与结晶二、金属化合物（intermetalliccompound）二种或二种以上的元素按一定的结合方式形成具有金属特性的新相。1金属化合物的结构特点绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章1）可用一个化学分子式表示如Fe3C2）独特的晶体结构3）熔点高、硬度高、脆性大（作为合金的强化相）例：Fe3CHB800斜方CHB3六方FeHB80体心2019/8/7102金属化合物的分类合金的结构与结晶绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章（1）R非金属/R金属≤0.59简单晶格的间隙化合物（间隙相）1）正常价化合物（normalcompounds）2）电子化合物（electroncompounds）3）间隙化合物（interstitialcompounds）由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。有极高的熔点和硬度,非常稳定。（TiC）↑↑钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性。是高合金钢中的重要组成相。（K）很高的熔点和硬度,但比间隙相稍低些。如Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3等。在钢中也起强化相作用。（2）R非金属/R金属＞0.59复杂晶格的间隙化合物2019/8/7113金属化合物与固溶体的区别1）化学成份固溶体的成份可变随T变化则在一定范围内变化金属化合物成份不变是按一定的原子数化合2）晶体结构固溶体——保持溶剂的晶体结构化合物——具有独特的晶体结构3）性能固溶体的硬度＜金属化合物固溶体的塑性＞金属化合物合金的结构与结晶绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/712合金的结构与结晶三、合金中相结构的组成方式1由单相固溶体构成（F）2由多相构成（机械混合物）2）固溶体+金属化合物（F+Fe3C）机械混合物的特点：结构有明显的相界面成分介于组成相之间（不是平均值）性能取决于组成相的大小、数量及分布1）固溶体+固溶体)(绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/713合金的结构与结晶①合金中的各组成相是如何形成的?②合金中各相的数量以及分布规律如何?③合金的成份—组织—性能之间的关系?绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/714合金的结构与结晶第三节二元合金相图一、概念1相图(phasediagram)在极其缓慢地冷却条件下，所测定的合金其成份、温度和组织之间关系的图形。1）纯金属的相图可用一个温度轴表达2）二元合金的组织状态),(CTf2相图表达法：绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章别称：平衡图、状态图等2019/8/715合金的结构与结晶二、相图的建立（以Cu-Ni合金为例）组元CuNi晶格类型fccfcc熔点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合金绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/716合金的结构与结晶2热分析法建立相图时间温度温度CuNiNi%60402080100%Ni40%Ni60%Ni80%Ni100%Cu20%Ni绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/717二组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图。合金的结构与结晶三、二元相图的基本类型1匀晶相图温度CuNiABCu-Ni二元合金相图1）图形分析两个点两条线三个相区液相线固相线液相区L固相区α绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/7182）结晶过程分析（b合金）CuNiNi%温度b21时间LLb合金的成分垂线垂线与相线的交点做出冷却速度曲线LL2019/8/719合金的结构与结晶（1）单相区中，不论温度怎么变化单相的成份=合金的成份，单相的重量=合金的重量。（2）两相区中的两个相随温度变化会发生两个变化：①两个相的成分随温度变化分别沿各自的相界线变化（水平温度线）②两个相的相对重量随温度变化也要发生变化（杠桿定律）（3）相区的填写用“差1”法、接触法则绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/720合金的结构与结晶Cu温度K21LL两相区中T温度下的两个相的成分确定Ni1’2’3’31C2C3C1LC3LC2LCK合金的成分垂线过垂线的水平温度线与相线的交点交点在成分轴上的投影T1T2T3绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/721TnbaK杠杆定理合金的结构与结晶求K合金在Tn温度下两个相的相对重量kQbQaQQLL1%100)/(%100)/(abkbQabakQLK温度ABLLQLQ绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章两相区中某温度下的两个相的相对重量确定2019/8/722合金的结构与结晶2共晶相图二组元在液态下无限互溶，在固态下只能有限溶解并发生共晶反应的相图（Pb-Sb合金）700600500400300200100PbSbCEBFDGALLLSb%绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/723固相线液相线L+α温度600500400300200100PbSbCEBDFGASb%1）图形分析αβL三个单相三个单相区、三个两相区、一个三相区相线与特性点相对量有多少？（杠桿定律）L+βα+βL+α+β共晶点（T、C）共晶线共晶合金亚共晶合金过共晶合金T析出二次相（次生相）T析出二次相（次生相）)(DCCTEL共晶反应：共晶体（机械混合物）当第二相以细小的颗粒弥散的分布在固溶体的基本上，使合金的强度和硬度升高的现象---弥散强化2019/8/72412）结晶过程分析L+αβL+βα+β300200600500400300200PbSbCEBDFGASb%αL100温度（1）共晶合金Ⅰ11’室温平衡组织Ⅰ时间)(DCEL)(L)(LL)(（α+β）2019/8/725L+αβL+βα+β300200600500400300200PbSbCEBDFGASb%αL100温度Ⅱ12（2）亚共晶合金Ⅱα+（α+β）+βⅡ时间122’LLLL)(DCELα+（α+β）+βⅡ（α+β）β+（α+β）+αⅡα+βⅡβ+αⅡL)(DC)(DC)(2019/8/726合金的结构与结晶1相图=组织图2求相组成物和组织组成物的方法相区中的组成物相组成物组织组成物绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/727例题：求Pb-5%Sb的合金在共晶反应刚刚结束时的组织组成物的相对量？L300200100PbSbCEFALSb%3.511.1杠桿定律仅适用于两相区！！解：由条件可知组织组成物为)(1确定杠桿所处的位置（T、C、端点）52计算%1005.31.115.35)(L%1005.31.1151.11或：L%100问题：相组成物的相对量？2019/8/7283共析相图合金的结构与结晶温度B%→ABLLCDE绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/729四.二元相图与性能之间的关系合金的结构与结晶ABBABABABABABAABABAB温度温度温度温度流动性硬度强度硬度强度集中集中绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/730普通的碳钢和铸铁均属于铁碳合金，合金钢和合金铸铁也是在铁碳合金的基础上，有意的加进某些合金元素而得到的，因此铁和碳是组成钢铁材料的最基本的二个组元。由铁和碳二个组元构成的相图—铁碳合金相图。合金的结构与结晶Fe3CFe2CFeC温度FeCC%→6.69第四节铁碳合金相图(Iron–CarbonPhaseDiagram)绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/731合金的结构与结晶研究Fe-Fe3C相图的意义1了解并掌握铁碳合金在平衡状态下随温度变化，组织转变的一般规律。2了解铁碳合金的成份—组织—性能之间的关系。绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/732一、相图分析ACDGS1148℃727℃LAL+AL+Fe3CFA+Fe3CKEPFQC%→Fe3CFeF+Fe3C4.30.772.116.69℃二条水平线构成合金中的所有组织四个基本相共晶相图共析相图2019/8/733合金的结构与结晶1铁碳合金的基本相结构与性能1）铁素体FC原子R=0.077nm间隙R=0.0182nm（3）性能和纯铁性能相近（软相）C在a-Fe中的有限固溶体（bcc）（1）结构（2）成份MaxC%→727℃的P点0.0218%CMinC%→室温的Q点0.0008%CT↓→C%↓（有溶解度变化）绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2019/8/734合金的结构与结晶2）奥氏体AC原子R=0.077nm间隙R=0.0535nm（2）成份maxC%→1148℃的E点2.11%C727℃为0.77%CS点T↓→C%↓（有溶解度变化）C在γ-Fe中的有限固溶体（fcc）（1）结构（3）性能在Fe-C合金中属于高温相δ↑、HB↓→锻造性↑