哈工大金属学与热处理课件4

第三章二元合金的相结构与相图本章目的：1讨论合金中的相概念及其类型；2介绍各种类型的基本二元相图；3说明相图与合金性能间的对应关系本章要求：1组元、相、组织、组织组成物等基本概念；2固溶体和化合物的本质区别和性能特点；3掌握分析相图的基本方法；4正确运用杠杆定律。合金:一种金属元素与另一种或几种其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。Pb-Sn合金,钢（Fe-C）,锡青铜(Cu-Sn(14%)）§1合金的相结构组元——组成合金最基本的、能独立存在的物质。Fe-C合金：Fe(组元一)-Fe3C(组元二)合金系——由给定的组元以不同的比例配制成的一系列成分不同的合金系统。例：Fe-C:90%Fe-10%C、80%Fe-20%C、50%Fe-50%C、20%Fe-80%CFe-Cr-C根据组元数分为：二元合金、三元合金、多元合金。合金相——指合金中结构相同，成分和性能均一，并有界面与其他部分分开的均匀组成部分。(phase)金属或合金均由相构成——单相合金、多相合金。——用α、β、γ、δ、η、θ等表示例：纯铁、钢中的相纯铁：α-Fe；钢：铁素体(α)＋渗碳体(Fe3C)；α相α相Fe3C相纯铁0.45%C钢相结构，实指合金的晶体结构（一）固溶体合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。（二）金属化合物定义：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物。一、相的分类二合金的相结构（一）固溶体1、固溶体的分类**按溶质原子在晶格中所占的位置分类置换固溶体（1）置换固溶体—溶质原子占据溶剂晶格结点所形成的固溶体——代位固溶体90％Cu-10％Ni合金例：C固溶于α－Fe中形成间隙固溶体┗铁素体C固溶于γ－Fe中形成间隙固溶体┗奥氏体（2）间隙固溶体——溶质原子填入溶剂晶格的空隙位置所形成的固溶体。间隙固溶体**按固溶度分类（1）有限固溶体——溶质原子在固溶体中的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再溶解，这个限度称为固溶度。（2）无限固溶体——溶质原子能以任意比例溶入溶剂，固溶度可达到100%。按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分类（1）无序固溶体——溶质原子随机地分布于溶剂晶格中。（2）有序固溶体——溶质原子按一定的规律分布在溶剂晶格中。CuAu中Cu原子：简单四方晶系亚点阵Cu3Au中Cu原子：体心四方晶系亚点阵有序固溶体特点：——溶质原子可形成自己的亚点阵——一定条件下固溶体可在有序和无序间相互转化：温度、成分例：Fe-Al合金室温下,成分变化时：a.Fe－Al(25%atm)合金——无序相：α相b.Fe－Al(25%~35%atm)合金——有序相：Fe3Alc.Fe－Al(35%～50％atm)合金——有序相：FeAl成分固定，温度变化时：Fe3Al：550℃：完全有序550℃～950℃：部分有序950℃：完全无序固溶体Fe3Al——金属间化合物新材料2置换固溶体及影响因素金属元素之间一般都能形成置换固溶体，但固溶度往往相差很大。如Cu:Ni无限互溶，Zn最大溶解度为39%，Pb几乎不溶解于铜。——受元素间原子尺寸、化学亲和力、结构类型等影响。（1）原子尺寸因素组元间原子半径越相近，固溶度越大。原因：溶质原子引起溶剂晶格的点阵畸变，产生畸变能，晶格畸变能越高，晶格越不稳定，当畸变能高到一定程度，溶质原子将不再能溶入固溶体，只能形成其它新相。溶剂与溶质原子的尺寸差别可用Δr/r衡量：Δr/r=(r溶剂-r溶质)/r溶剂（2）负电性S原子、Al原子与Fe原子大小相差接近，但Al在Fe中溶解度大——负电性因素负电性:指元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离子的能力。┗可衡量元素间的化学亲和力，即形成化合物的倾向性——取决于两元素在周期表中的位置，相距越远，负电性相差越大，越易形成化合物。——元素间负电性相差越小，越易形成固溶体，而且固溶体的固溶度也较大。Δr/r分别为：0.12、0.18dAl=2.85;dS=2.08；dFe=2.54（3）晶体结构因素晶体结构相同，溶解度较大。无限固溶体——溶质的晶体结构与溶剂的晶体结构一定相同(如Cu-Ni合金等)例Fe合金：Ni、Co、Cr、V与Fe原子尺寸差别8%,Ni、Co与Fe形成面心立方晶格无限固溶体Cr、V与Fe形成体心立方晶格无限固溶体（4）电子浓度因素——原子价因素电子浓度:价电子数目与原子数目之比现象：溶质元素的原子价越高，溶解度较小。原因：固溶体中的电子浓度存在极限值。不同晶体结构的极限电子浓度不同：F.C.C：1.36B.C.C:1.483间隙固溶体当溶质与溶剂的原子半径之比小于0.59时，可能形成间隙固溶体。如小原子的碳(0.077nm)、氮(0.071nm)、另氧、氢、硼等非金属原子。特点：a.同样会引起点阵畸变；b.溶解度与原子大小和溶剂的晶格类型有关：F.C.C中B.C.C中；c.间隙固溶体只能是有限固溶体。4固溶体的结构特点(1)保持着溶剂的晶格类型；(2)晶格发生畸变(3)偏聚与（短程）有序(4)有序固溶体（长程有序化）当固溶体发生偏聚或有序化时，强度和硬度增加，而塑性和韧性降低。5固溶体的性能（1）固溶体强硬度高于组成它的纯金属，塑韧性低于组成它的纯金属;（2）物理性能方面，随着溶质原子的↑，固溶体的电阻率↑，电阻温度系数↓，导热性↓。固溶体中随着溶质原子的加入，强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象┗固溶强化——金属材料的主要强化手段或途径之一例如：南京长江大桥采用廉价的16Mn，其中含1.2%~1.6%Mn，抗拉强度较相同碳含量的普通碳素钢提高60％；**固溶强化的特点：(1)溶质与溶剂原子相差越大，溶质原子浓度越高，所引起的晶格畸变越大，固溶强化效果越大；(2)间隙原子的强化效果比置换原子的大。因为间隙原子引起的点阵畸变大。（3）综合机械性能好。适当控制溶质含量，不仅可以显著提高材料强硬度，而且材料的塑韧性不会明显降低。固溶体的应用：（1）结构材料的基体相；（2）精密电阻、电热材料等材料种类σb(MPa)HBSΨ(%)纯Cu2204470Cu+19%Ni单相固溶体3907050(二)、金属化合物1正常价化合物特点：成分固定不变，可用化学式表示。如Mg2Si、Mg2Sn、MgS、MnS等。具有较高的硬度，脆性较大。常作为有色金属的强化相。2电子化合物不遵守原子价规律，而是按一定的电子浓度的比值形成的化合物。电子浓度不同，化合物的晶格类型也不同。——硬、脆，有色金属强化的相特点：虽用化学式表示，但成分可变FeAl(Al：36.5%～50％atm);有序化现象其它：NiAl;CuZn;CuAl3间隙相和间隙化合物过渡族元素和原子半经较小的氢、氮、碳、硼组成。r非/r金0.59时，形成简单结构的化合物——间隙相。r非/r金0.59时，形成复杂晶体结构的化合物——间隙化合物。(1)间隙相性能：极高的熔点和硬度。如：VC;TiC;W2C用途：硬质合金和高硬度工模具的重要组织组成。(2)间隙化合物如钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe3W3C等。性能：很高的熔点和硬度，但不如间隙相用途：钢中的重要强化相。固溶体间隙固溶体置换固溶体有限固溶体无序固溶体有限固溶体无限固溶体无序固溶体有序固溶体小结金属化合物正常价化合物电子化合物间隙化合物间隙相间隙式金属化合物§2二元合金相图的建立给定的合金系究竟以什么状态(相)存在，包含哪些相，这由内、外因条件决定，外因是温度和压力，内因则是化学成分——用相图来表示它们之间的关系。几个概念：相图:表示合金系中的状态(相)与温度，成分之间关系的图解。又称状态图或平衡图相变：相与相之间的转变；相平衡与平衡相：合金系统在一定的外界条件下(温度、压力)，经历任意长时间后，合金中各相的成分都是均匀、不变的，且各相的相对重量也不变，则各相处于平衡状态，称之为相平衡；这时的相称为这种条件下的平衡相。如纯铁，在常压下：1538℃以上——L为平衡相。在1538℃时——L和δ相两相平衡状态一、二元相图的表示方法在常压下，直角坐标系；合金成分；温度；相状态。组元组元成分线B点相状态:α单相A点相状态:L+α两相Cu-Ni二元合金相图LαL+α二、二元相图的建立热分析法；金相法；膨胀法；电阻法等。热分析法§3典型相图分析一、匀晶相图1定义：两组元在液态和固态均无限互溶的二元合金相图。如Cu―Ni、Ag―Au、Cr―Mo等合金系2相图分析3合金结晶过程4相律5二元相图的杠杆定律α液相线固相线Cu―Ni二元相图冷却曲线点：A：纯Cu理论熔点;B：纯Ni理论熔点线：AB:液相线;AB:固相线；区间：两个单相区：L相、α相一个两相区：L+α相区匀晶转变式：L→α原始成分为k的合金：Tt1:L(100%)T=t1:L→α(开始)注：L(100%)+α(0%)T=t2:L→α注：L+αT=t4:L→α(结束)注：L(0%)+α(100%)Tt4:α(100%)单相区:实际座标点两相区:液(固)相成分在温度水平线与液(固)相线的交点处相成分判定方法液(固)相线的意义:(1)表征了各成分合金的结晶起始(终止)温度;(2)表征了各温度下液固两相达到平衡时液(固)相的成分4相律（P73～74）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。数学表达式：f=c-p+2系统自由度系统组元数平衡相数恒压条件下：f=c-p+1***二元合金系最多存在三相平衡***二元合金系相邻相区的相数相差15杠杆定律——用于确定二元相图中两相区各相的相对含量。証明:设液相质量为WL，固相的质量为Wα，则合金的总质量为WL+WαarrbCCCCWWLL＝－－＝αα有:WLCL+WαCα=(WL+Wα)CWα(Cα-C)=WL(C-CL)arb若将合金成分C的r点看做支点，将WL、Wα看做作用于a和b的力，则相当于力学中的杠杆定律——形象的比喻。Wα=(ar/ab)W0WL=(rb/ab)W0——杠杆定律只适用于二元相图的两相区arb6固溶体合金的结晶特点与纯金属相比,固溶体结晶特点：(1)异分结晶结晶出的晶体与母相化学成分不同，这种结晶称为~或选择结晶。(2)结晶需要在一定的温度范围内进行结论：（1）匀晶转变式：L→α；（2）单相区相成分与合金原始成分一致，即坐标点成分；两相区成分：液相成分在液相线上，固相成分在固相线上(与温度水平线的相交点)；（3）与纯金属不同，合金的结晶过程是在一定温度范围内进行的，不同温度下两平衡相的成分不相同，量也不同，两相的相对量可依据杠杆定律计算得出。5枝晶偏析现象：枝晶内部化学成分不均匀——枝晶偏析理论上：冷却速度无限缓慢时，扩散使先凝固与后凝固的固溶体成分均匀一致，即固溶体晶体的长大过程是平衡―不平衡―平衡…循环往复直到最后相图规定的平衡成分。原因：合金凝固：L→α时在一定温度范围内结晶，树枝晶主干在较高温度先凝固，枝及边部在较低温度后凝固；实际上：冷却过程非无限缓慢，扩散不完全→枝晶内部中心区域与边部区域化学成分不均匀——称之为枝晶偏析影响晶内偏析的因素（1）分配系数k0k0=kα/kL:一定温度下液固两平衡相中的溶质浓度之比值。k01时,k0越大偏析越小;k01时,k0越小偏析越小。——实质是与液相线和固相线间的水平距离或成分间隔有关间隔越小，偏析越小。k01k01——晶内偏析对合金的机械性能不利。可用高温扩散退火(固相线下100~200℃)的方法减轻或消除——又称均匀化退火（2）溶质原子扩散能力：扩散能力大偏析小（3）冷却速度：一般V小，偏析小但V过大时，因晶粒细小而成分均匀6区域偏析:固溶体合金由于不平衡结晶造成大范围内化学成分不均匀的现象应用：区域提纯7成分过冷过冷度：Tm-T实际由T实际改变引起的过冷——热过冷相图成分分布成分过冷区（1）成分过冷定义：固溶体结晶过程中，尽管液相实际温度分布一定，但由于液相中溶质分布发生变化，改变了液相的熔点，这种由成分变化引起的过冷现象称为～。（2）成分过冷对晶体成长形状和铸锭组