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TE-PWenyunJu第页1上海大学机自学院§1-5二元合金一、合金的基本概念二、合金的晶体结构三、二元合金相图TE-PWenyunJu第页2上海大学机自学院一、合金的基本概念合金---由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。元---组成合金的元素或稳定化合物叫组元，简称元。相---成分相同、结构相同，并与其它部分以界面分开的均匀物质部分。固态合金的晶格结构按其组织属性来分（基本的相属性），可以分为固溶体、化合物和机械混合物三大类。组织---由一个或多个相按一定方式相互结合所构成的，具有相同形貌特征的整体。稳定相:对于一定的热力学条件，只有当某相的自由能位最低时，该相才是稳定的且处于平衡态亚稳相:若某相的自由能虽然并不处于最低，然而与最低自由能态具有能垒相分隔，则该相为亚稳相非稳定相：若不存在这种能垒，则体系处于非稳定态，这种状态是不稳定的，它一定会转变为平衡态或亚稳态。TE-PWenyunJu第页3上海大学机自学院二、合金的晶体结构1.固溶体---(少数)溶质原子溶入(多数)溶剂原子的晶体结构中所形成的合金相。固溶体仍将保持溶剂金属的晶体结构，但晶格参数发生改变。①间隙固溶体：是有限固溶体溶剂原子直径溶质原子直径0.59时形成。TE-PWenyunJu第页4上海大学机自学院②置换固溶体：溶质和溶剂原子大小接近时形成。有限互溶或无限互溶，温度越高，溶解度越大。★固溶强化---固溶体形成时，因溶质原子钻入溶剂原子的间隙或置换溶剂原子而引起晶格畸变，造成合金强度、硬度提高，塑性、韧性略有下降的现象。二、合金的晶体结构TE-PWenyunJu第页5上海大学机自学院2.金属化合物---两组元都放弃自身的原子排列方式而形成的一种具有全新晶体结构的新物质。化合物一般具有复杂的晶格，熔点高，硬而脆。3.机械混合物---由固溶体和金属化合物均匀混合而成的物质。机械混合物可以将固溶体的柔软和化合物的硬脆进行不同程度的中和，从而满足不同的性能要求。所以，工业中使用的合金都希望有相当比例的机械混合物存在。固溶强化：金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上，使合金的强度、硬度、耐热性和耐磨性明显提高的现象。TE-PWenyunJu第页6上海大学机自学院三、二元合金相图1.基本概念：二元合金---由两种组元组成的合金。合金系---组元相同但配比不同的系列合金。如Cu-Ni系、Pb-Sn系等。相平衡---合金系中各相的成分、结构和相对量趋于稳定，不再发生变化的状态。相图---表达平衡条件下，合金系中温度、成分和相组织之间关系的图形。又称为合金状态图。TE-PWenyunJu第页7上海大学机自学院自由度---保持相平衡时，合金体系中可独立改变的因素数目（如温度、压力、相的成分等）。如自由度为0，表示温度、压力、相成分都不能独立改变，否则会引起平衡相的改变；自由度为1，表示只能改变三者之一而不影响平衡相；依此类推。在只考虑温度影响时，相律表达式为：F＝C－P＋1其中:F──体系的自由度数；C──体系中独立组元数；P──相数；相律表达式---表示在平衡条件下，独立组元数、相数和自由度三者之间的关系式。应用相律可知体系中最多能共存的平衡相数。如单元系C＝1，F＝1－P＋1＝2－P，故最多是两个平衡相共存。二元系C＝2，F＝2－P＋1＝3－P，最多三个平衡相共存。TE-PWenyunJu第页8上海大学机自学院2.相图的建立方法（以Cu-Ni合金为例）：①配制若干组不同成分的合金；（如100%Cu、25%Ni、50%Ni、75%Ni、100%Ni）②在极其缓慢的冷却条件下，测出每组合金的冷却曲线；③在冷却曲线上找到临界相变温度（转折点和平台处的温度）；④将不同成分合金的相变温度标注在温度-成分坐标图上，并将相同意义的点连接起来。TE-PWenyunJu第页9上海大学机自学院100%Cu25%Ni50%NiCu25%50%75%Ni冷却曲线Cu-Ni相图相图的建立TE-PWenyunJu第页10上海大学机自学院3.相图的作用：分析各种类型、各种成分的合金在不同温度下的组织形态，从而比较各自性能的差异。分析某种合金从高温冷却到室温时的组织转变过程。为研制新材料，或在生产中制定合金熔炼、铸造、锻压、焊接、热处理等工艺方案提供理论依据。TE-PWenyunJu第页11上海大学机自学院4.二元合金相图的种类①匀晶相图：两组元在液态、固态均无限互溶如前面提到的Cu-Ni合金相图以及Cu-Au、Au-Ag等LL+LL+ABB(%)B熔点LLA熔点TE-PWenyunJu第页12上海大学机自学院aLbL+cL+deA②共晶相图：两组元在液态无限互溶，固态时有限溶解，并发生共晶转变。共晶转变---一个液相同时结晶出两个固相的过程。★共晶转变式：Lcd+e★脱溶转变式：df+Ⅱeg+Ⅱ+Ⅱ+Ⅱ共晶体+Ⅱ+(+)+Ⅱ+(+)（+）fgB★液相线：ac和bc★固相线：ad和be★共晶线：dce★脱溶线：df和ega点--A熔点b点--B熔点c点--共晶点d点--B在A中的最大溶解度e点--A在B中的最大溶解度f点--B在A中的室温溶解度g点--A在B中的室温溶解度TE-PWenyunJu第页13上海大学机自学院L亚共晶共晶过共晶共晶合金的室温平衡组织:(+)亚共晶合金的室温平衡组织:+Ⅱ+(+)过共晶合金的室温平衡组织:+Ⅱ+(+)先共晶相α、β（又称为初晶、一次晶）是直接从液相中生成的，形成温度较高，故晶粒粗大，一般呈树枝状或颗粒状；共晶体(+)为均匀的层片状；而αⅡ和βⅡ是由于固溶体的溶解度降低而从α、β中析出的，形成温度较低，因而呈细小颗粒状分布在固溶体α（或β）晶粒内或呈网状分布在固溶体α（或β）晶界上。相（晶格）：两相、组织（形貌）：五个组织、Ⅱ、、Ⅱ、+★室温平衡组织和平衡相TE-PWenyunJu第页14上海大学机自学院LL+L+ABabcdefg合金Ⅰ合金Ⅱ合金Ⅰ冷却曲线和组织转变过程合金Ⅱ冷却曲线和组织转变过程+Ⅱ（+）+Ⅱ+(+)LL++ⅡL例1:利用相图分析合金Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的组织转变过程，并绘制冷却曲线。LL(+)+Ⅱ+(+)L共晶反应ⅡLLL(+)Ⅱ(+)(+)★组织转变过程TE-PWenyunJu第页15上海大学机自学院LL+L+ABabcdefg合金Ⅲ合金Ⅳ+Ⅱ（+）+Ⅱ+(+)L(+)LLL共晶L(+)+Ⅱ+(+)LLL(+)(+)(+)ⅡL(+)(+)(+)合金Ⅳ冷却曲线和组织转变过程合金Ⅲ冷却曲线和组织转变过程TE-PWenyunJu第页16上海大学机自学院LLL(a)A、B两组元在液态无限互溶，固态时A有限溶于B、B也有限溶于A；其间有共晶转变发生。(b)A、B两组元在液态无限互溶，固态时A不溶于B、B有限溶于A；其间有共晶转变发生。(c)A、B两组元在液态无限互溶，固态时A有限溶于B、B不溶于A；其间有共晶转变发生。(a)(b)(c)★共晶相图的几种形式TE-PWenyunJu第页17上海大学机自学院LL+abdce+AfgB③共析相图：两组元在固态时发生共析转变。共析转变---一个固相同时析出两个新固相的过程。★共析转变式：cd+e★脱溶转变式：df+Ⅱeg+Ⅱ*共析反应是在固态下进行的，原子扩散较困难，易达到较大的过冷度，形核率高，故共析组织要比共晶组织细得多。TE-PWenyunJu第页18上海大学机自学院④包晶相图：两组元在液态无限互溶，固态时有限溶解，并发生包晶转变。包晶转变---一个液相与一个固相形成另一个固相的过程。JL+★包晶转变式：LB+HJLBHLL+LLLTE-PWenyunJu第页19上海大学机自学院5.杠杆定律CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+12acba1b1c1T1T21.在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的。2.随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。杠杆定律：在两相区内，对应每一确定的温度T1，两相质量的比值是确定的。即QL/Q=b1c1/a1b1杠杆定律推论：在两相区内，对应温度T1时两相在合金b中的相对质量各为QL/QH=b1c1/a1c1Q/QH=a1b1/a1c1=1-QL/QHTE-PWenyunJu第页20上海大学机自学院ABB(%)LL+LLTE-PWenyunJu第页21上海大学机自学院TE-PWenyunJu第页22上海大学机自学院TE-PWenyunJu第页23上海大学机自学院TE-PWenyunJu第页24上海大学机自学院TE-PWenyunJu第页25上海大学机自学院1.合金的使用性能与相图的关系●固溶体中溶质浓度↑→强度、硬度↑●组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。相图与性能的关系形成细小共晶、共析时，合金的力学性能将偏离直线。TE-PWenyunJu第页26上海大学机自学院●铸造性能液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。●锻造、轧制性能单相固溶体合金，变形抗力小，变形均匀，不易开裂。合金的工艺性能与相图的关系TE-PWenyunJu第页27上海大学机自学院例2:已知A与B二组元在液态时无限互溶，A熔点为650℃，B熔点为560℃；在320℃时，A溶于B的最大溶解度为31%，室温时为12%，但B不溶于A；在320℃，含42%B的液态合金发生共晶反应，试：①作出A-B的合金相图；②分析含A为25%合金的结晶过程,画出冷却曲线,并指出此合金在室温时由哪几相组成,各相的相对量为多少?TE-PWenyunJu第页28上海大学机自学院LL+L++ⅡLL++ⅡAB31%A12%A42%B75-0×100%Ⅱ=1-85.23%=14.77%此合金在室温时由相和Ⅱ相组成:=88-0=85.23%Ⅱ25%A650℃560320TE-PWenyunJu第页29上海大学机自学院作业：