第5讲-金属材料组织和性能控制-2

金属材料组织和性能控制原理和方法加工（应变）硬化和退火处理凝固原理及其应用三、合金的结晶工业上广泛使用的金属材料是合金。合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织和性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。合金相图正是研究这些规律的有效工具。合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分的关系。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时可能发生的变化。掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。首先介绍几个概念：相：是系统中均匀的、与其它部分有界面分开的部分。所谓均匀的，是指这部分的成分和性质从给定范围或者宏观来说是相同的，或是以一种连续的方式变化，也就是没有突然的变化。一个多相系统必然是不均匀的，在相界处有物理性质或者化学性质或者两者兼有的突变。例如一个包含有冰和水的两相系统。相变：相与相之间的转变就是相变。相平衡：如果系统中各相长时期共存而不相互转化，则是处于相平衡状态。实际上相平衡是一种动态平衡，从系统内部来看，分子或原子仍在相界处不停地转变，只不过同一时期内各相之间的转化速度相同。合金可以依据其所含的相的数目来分类，如果合金仅由一个相组成，就叫做单相合金。如果合金由两相或者两个以上的相组成，则叫做多相合金。处于平衡状态下的多相系统，每个组元在各相中的化学位都彼此相等，这就是合金的相平衡条件。相图的表示和试验测定方法单元相图：以水为例，说明单元系相图的表示和测定方法。绘制水的相图，首先要在不同的温度和压力条件下，测出水-汽、冰-汽、水-冰两相平衡时的温度和压力，然后以温度为横坐标，压力为纵坐标，把每一个数据都在图上标出一个点，再将这些点连接起来，就成了单元相图。如图5-2（a）中有三条曲线：水与蒸汽两相平衡曲线OC，冰与蒸汽两相平衡曲线OB，水与冰两相平衡曲线OA。它们将相图分成三个区域：蒸汽区、水区、冰区。在每个区域中只有一个相可以存在，也就是说压力和温度可在一定范围内任意变动，而不产生新相。而在OA、OB、OC三条曲线上，如果任意指定一个变量如温度，那么第二个变量压力的数值则完全由曲线确定。而OA、OB、OC三条曲线交于一点O，它是冰、水、汽三相平衡点，要保持三相平衡共存，温度和压力都不能变动。如果外界压力保持为一个大气压，那么单元系相图只用一个温度轴来表示，如图5-2（b）水的情况。在水、冰、汽各单相区，温度可在一定范围内变化，而不改变原来相数和状态。在熔点和沸点处，为两相共存，温度不能变动，所以相变为恒温过程。二元系相图二元系相图不同于单元系相图，它有成分的变化。此时，如果外界压力保持不变，则二元相图需要用两个坐标轴来表示：纵坐标表示温度，横坐标表示成分。如果合金由A、B两组元组成，横坐标一段表示纯组元A，而另一端表示纯组元B，那么任何一个合金都可以在横坐标上找到相应的一点。任一成分的合金在任一温度下，都能在温度-成分坐标图中找出相应的一点，由此可以从相图上得知这种合金在一定温度下存在的相及各相成分。二元相图是根据各种成分合金的临界点绘出的。现以Cu-Ni二元合金为例，说明应用热分析法测定临界点及绘制二元相图的过程。首先配制一系列不同成分的Cu-Ni合金，测出从液态到室温的冷却曲线，得出各临界点。图5-4（a）给出纯铜、含镍30%、50%、70%的Cu-Ni合金及纯镍的冷却曲线。可见，纯镍和纯铜的冷却曲线都有一个水平平台，表示其凝固临界点。其他三种成分的合金没有水平阶段，但都有两次转折，代表各个临界点，温度较高的临界点是始凝温度，温度较低的点是终凝温度。这表明合金是在一定温度范围内凝固的。然后，将测得的这些临界点标在以温度为纵坐标、成分为横坐标的图中，再将同类临界点连接起来，就得到图5-4(b)所示的铜-镍二元相图。在相图中，由始凝温度连接起来的相界面称为液相线，由终凝温度连接起来的叫做固相线。相图中由相界线划出的区域叫做相区，表明在此范围内存在的平衡相类型和数目。在二元相图中，有单相区和两相区。二元相图的相区最多有两个相。若是在单相区，合金在此相区范围内可独立改变温度和成分，而不破坏原来的状态。若为两相区，则温度和两相成分有着对应关系，不能各自独立地改变。若在合金中有三相共存，此时三个平衡相的成分和温度都固定不变，属于恒温转变，在相图上为水平线，叫三相水平线。如图5-5中CED线。杠杆法则:某一成分的二元合金，在某温度时，如处于二元相图的两相区内，则两相之间的重量比可用杠杆法则求得。如图5-5中成分为x的合金溶液自高温缓冷下来，到温度T1时，与液相线交于1点，开始结晶出固相，其成分可由水平线与固相线之交点H来表示。进一步冷却时，液、固两相成分分别沿液相线和固相线变化。如当冷至温度T2时，液相的成分以N点表示，即浓度为x1，固相的成分用M点来表示，即浓度为x2。设此时液、固相的重量分别为WL和W，合金总重量为W0，则这就是杠杆法则，某一成分的二元合金在某温度时，如由两相组成，则两相之间的重量比可由相图求得：在此温度作一水平线，与该两相区的相界线相交，两交点内水平线被合金的成分垂线分成两段，两相的重量比与这两线段的长度成反比。应当注意，在二元相图中杠杆法则只适用于两相区，其他均不使用。0%100%,100MNONWMNMOWL1、匀晶结晶由液相结晶出单相固溶体的过程，叫做匀晶转变。绝大多数的二元合金相图都包括匀晶转变部分。有些二元合金如Cu-Ni、Au-Ag、Au-Pt、Fe-Ni和Si-Be等，只发生匀晶转变。Cu-Ni相图是最典型的匀晶相图。铜和镍两组元在液态和固态时都无限互溶。在图2-12中，aa1c线为液相线，该线以上合金处于液相。ac1c线为固相线，该线以下合金处于固相。液相线和固相线表示合金系在平衡状态下冷却时结晶的始点和终点。L为液相，是铜和镍形成的液溶体。为固相，是铜和镍组成的无限固溶体。图中有两个单相区，液相线以上的L相区，固相线以下的相区。图中还有一个双相区：液相线和固相线之间的L+相区。图2-12示意表示了Cu-Ni二元相图中b成分点的结晶过程。说明：1）合金结晶过程和纯金属一样，也包括生核和长大两个基本过程。2）固溶体结晶在一个温度范围内进行，也就是一个变温结晶过程。3）两相区内，温度一定时，两相的成分由杠杆法则确定。4）固溶体结晶时成分是变化的，缓慢冷却时由于原子的扩散能够充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。如果冷却速度较快，则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶轴含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶含低熔点组元较多。结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶偏析。枝晶偏析对材料的力学性能、抗腐蚀性能、工艺性能都不利，生产上常采用扩散退火的方法来减轻枝晶偏析。2、发生共晶反应合金的结晶大多数二元合金的组元之间在液态时可以无限互溶，而在固态时只能有限溶解，当溶质的含量超出固溶体的溶解限度时，有些合金熔体在凝固过程中可能发生共晶转变：由一个液相同时结晶出两种成分不同的固相，该固相叫做共晶体。如，铁碳合金中的铸铁属于共晶合金。二元共晶体是一种两相的机械混合物。共晶合金一般具有良好的铸造性能和一定的机械性能，适于做铸件。图5-44a）是Pb-Sn相图。Pb的熔点是327.5℃，Sn的熔点是231.9℃，当相互混熔时，使合金熔点降低。图中tAE和tBE为液相线，tAMENtB线为固相线。和是该合金系在固态时的两个基本组成相：相是Sn溶于Pb中的固熔体，相是Pb溶于Sn中的固溶体。MF及NG分别表示固溶体和固溶体的饱和溶解度曲线，也叫做固溶线。相图中的三个单相区是L、和相区。L+、L+、+是两相区。MEN线为三相（L++）共存水平线。成份相当于E点的液相（LE），当冷却到这水平线相对应的温度时，将发生共晶转变。即，同时结晶出成分为M点的N及N点的N两个固溶体相，反应表达式为，NMtEEL共晶反应是在恒温下进行的，在相图中为一条水平线，称作共晶线。其特征如图5-44b)所示。共晶线上联系着三个单相区，由每个相的成分点各伸出一对包含一个单相区的曲线。液相单相区在中间，位于共晶线之上，而两端是两个固体单相区。固体可以是纯金属、固溶体、中间相或者以中间相为基础的固溶体。书上图2-15中，介绍了合金Ⅰ、合金Ⅱ、合金Ⅲ的结晶过程。3、发生包晶反应合金的结晶有些合金在凝固过程到达一定温度时，已结晶的一定成分的固相与剩余的一定成分的液相，会发生反应生成另一个固相，这种转变称为包晶转变。图5-71a）为Pt-Ag相图。图中，ACB线是液相线，ADPB线是固相线，DE和PE分别是Ag在Pt中的固溶体和Pt在Ag中的固溶体的溶解限度曲线。水平线DPC就是包晶转变线，所有的成分在DC范围内的合金在此温度都将发生三相平衡的包晶转变，它也是恒温转变。包晶转变区的特征如图5-71b)所示，P点叫做包晶点。包晶转变和共晶转变的区别在于：1）共晶反应的形式是，而包晶反应的形式是。2）共晶线上的所有合金都在共晶温度凝固完成，而包晶反应仅有DP范围的合金在包晶温度凝固完成，PC范围的合金在包晶反应后还有过剩的液体，这些液体在继续降低温度时会不断结晶出固溶体，一直冷到PB线才完全凝固。3）所有共晶反应后的合金组织都为两相混合物，而包晶反应后的合金组织，则只有DP段上的合金为两相混合物+，P成分合金为单相，而PC线段上的合金在包晶反应后为L+。4）共晶反应的液相成分点位于水平线中间，两个固相的成分点分别位于水平线的两端；而包晶反应的液相和一个固相（两个反应相）的成分点位于水平线两端，生成固相则位于水平线中间。LLL书中图2-22和2-23图解了合金Ⅰ的结晶过程。4、发生共析反应的合金的结晶图2-24的下半部为共析相图，其形状与共晶相图相似。区别在于它是一个固相在恒温下转变为另外两个固相，此两相混合物称为共析体。即，ecd5、含有稳定化合物合金的结晶在某些二元合金中，常形成一种或者几种稳定化合物。这些化合物具有一定的化学成分、固定的熔点，且熔化前不分解，也不发生其它化学反应。如图2-25为Mg-Si合金相图，属于含有稳定化合物的相图。在分析这类相图时，可把稳定化合物看成一个独立的组元，并将整个相图分割成几个简单相图。因此，Mg-Si相图可分为Mg-Mg2Si和Mg2Si-Si两个相图来进行分析。四、相图的使用和分析1、复杂二元相图的分析方法原则有许多二元相图看起来比较复杂，而实际上是一些基本相图的总和，只要掌握各类相图的特点和转变规律，就能化繁为简，易于分析。在分析较为复杂的相图时，一般可参考以下步骤进行：1）先看相图中是否存在化合物，如有稳定化合物存在，则以这些化合物为界，把相图分成几个区域进行分析。2）区别各相区。3）找出三相共存水平线，根据与水平线相邻的相区情况，确定相变特性点及转变反应式，明确在这里发生的转变类型，这是分析复杂相图的关键步骤。表5-1列出了二元系合金各类转变的图型，可用于帮助分析二元相图。4）应用相图，分析具体合金随温度改变而发生的转变和组织变化规律。在单相区，该相的成分与原合金相同。在两相区，不同温度下两相成分均沿其相界线变化，两相的相对量由杠杆法则求得。三相平衡时，三个相的成分是固定的，反应前或反应后组成相的相对量也可由杠杆法则求得。此外，在应用相图时，应注意以下两点：1）相图只是给出合金在平衡条件下存在的相和相对量，并不表示相的形状、大小和分布，而这些主要取决于相的特性和形成条件。因此，在应用相图来分析实际问题时，既要注意合金中存在的相及形成条件，又要了解这些相的形状、大小和分布的变化对合金性能的影响，并考虑在实际生产条件下如何加以控制。2）相图指标是平衡状态的情况，而实际生产条件下合金很少能达到平衡状态，因此，在结合相图来分析合金的生产问题时，要重视了解该合金在非平衡条件下可能出现的相和组织。2、相图对合