第三章-二元合金及其相图

第三章二元合金及其相图问题的提出：纯金属强度低纯铁45号钢纯铁抗拉强度：200MPa纯铝抗拉强度：〈100MPa提高途径：合金化45钢抗拉强度：610MPa合金的概念由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质称为合金。三层含义：1。合金组成2。制备方法3。金属特性碳钢和铸铁：Fe、C组成的合金组元：组成合金最基本独立的物质（元素）二元合金：二个组元。三元合金：三个组元。纯金属——导电体、导热体(散热器)装饰品、工艺美术品(化学稳定性、美丽的光泽)但：力学性能差（σb↓）、品种有限（约80种）、提纯成本高合金材料——HB、σb↑，数量上万种，生产成本低，∴广为开发利用。1、合金——金属元素+几种其它元素、具有金属性几个基本概念：2、成分——合金中各种元素的含量，称为成分3、组元——组成合金的最简单，最基本，能够独立存在的物质。(比如纯元素)4、合金系——由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成份的合金。§3-1固态合金相的种类及特点对于合金：L冷却→S晶时，各区域间成份、结构相：在金属或合金中凡是具有相同成分、相同结构并与其他部分有界面分开的，均匀的组成部分，称之为相。完全一致→相的概念不完全一致但注意：多晶体可以是单相相可分为两大类：即“固溶体”和“金属化合物”组织：由相组成的，是由于组成相的种类、相对数量、晶粒形状、大小及分布形态等的不同，而分别具有不同形貌特征的相的组合物。一、固溶体固溶体的晶格结构保持金属溶剂的晶体结构。定义：溶质原子溶入到金属溶剂中所形成的均匀结晶相。（一）、固溶体晶体结构特点（二）、固溶体分类及特性根据溶质原子在溶剂晶格中占据位置的不同，固溶体可分为两类：即和。置换固溶体间隙固溶体1、置换固溶体是指溶质原子置换溶剂晶格结点上的溶剂原子而形成的固溶体。（原子直径相近时形成）根据溶质原子分布位置可分为：无序固溶体和有序固溶体（1）、无序固溶体：溶质原子在溶剂晶格中的呈分布。（多数）（2）、有序固溶体：溶质原子在溶剂晶格中的呈分布。（为数不多）有规律无规律2、间隙固溶体是指溶质原子进入溶剂晶格间隙而形成的固溶体。（原子直径相差很大。）间隙固溶体只能形成无序固溶体在一定温度及压力下，溶质元素在固溶体中的极限浓度。C=溶质元素重量/固溶体总重量（重量百分比）C=溶质元素的原子数/固溶体的总原子数（原子百分比）（三）、固溶体的溶解度及其影响素1、溶解度：溶解度在0～100%间可以任意改变的固溶体。Cu-Ni合金（1）、无限固溶体：只能是置换式固溶体在溶质与溶剂原子尺寸差别较小且晶格类型相同时产生。形成条件：（2）有限固溶体：溶解度有限的固溶体。置换式固溶体，可以形成无限固溶体。间隙式固溶体，只能形成有限固溶体而不能形成无限固溶体。由于组元间原子大小不同，所以溶质溶入将导致溶剂的晶格畸变。因为间隙固溶体中溶质原子,都比溶剂晶格间隙尺寸大，所以随着溶质原子溶入量的增加，固溶体晶格将产生严重的正畸变，溶质原子溶入一定数量以后便不可能继续溶入，所以造成有限的溶解度，并且溶解度也不可能很大。主要原因：间隙固溶体中的晶格畸变2、溶解度影响因素组元间晶格类型相同，溶解度较大。（1）组元晶体结构：对于置换固溶体，组元间晶格类型相同是形成无限固溶体的必要条件。晶格类型不同，溶解度有限。（2）原子尺寸因素：（D剂-D质）/D剂15%形成溶解度较大，甚至无限溶解的固溶体Mg,Ca,Rb,Sr,15%,在铁中溶解度很小。Ni,Co,Cr,V10%,与铁形成无限固溶体。影响原因：溶质原子溶入引起的点阵畸变。置换固溶体的晶格畸变原子尺寸差别越小溶解度越大。当差别小到一定程度，就可能产生无限固溶体。若差别较大，则只能形成有限固溶体。对置换固溶体：溶质原子直径越小，溶解度越大。对间隙固溶体：是指元素的原子从其它原子夺取电子而转变为负离子的能力。（3）化学亲和力（电负性因素）：电负性因素：溶质、溶剂的电负性越接近溶解度越大。越有利于形成无限固溶体。当元素间的电负性的差别大到一定程度后，就难于形成固溶体，而倾向于形成化合物。由于溶质原子的溶入而使固溶体的强度、硬度升高的现象（四）、固溶强化固溶强化。溶质溶入—→晶格畸变—→位错运动阻力增加—→金属塑性变形困难（抗力↑）→高强度、硬度（能量↑—→其他性能↓）。1、产生固溶强化的原因：间隙式固溶体的晶格畸变大—→固溶强化效果明显。2、固溶强化效果：化合物——合金组元间发生相互作用而形成的一种新相。当溶质含量＞溶解度时，将出现新相化合物分类金属化合物——具有一定程度金属键，有金属特性非金属化合物——具有离子键，无金属特性CuNi19合金（白铜，耐海水腐蚀，仪表刻度盘）Cu:σbHBφ2204450%CuNi19：380-4007050加工硬化：380-400700效果有限，高强度依靠其它方法（相变、热处理、加工硬化）二、金属化合物具有相当程度的金属键并具有一定程度的金属性质的化合物。金属化合物：晶体结构复杂，熔点高、硬度高、脆性大。一般只用作强化相金属化合物的晶格结构类型不同于任一组元（可用分子式大致表示）（一）、金属化合物晶体结构特点（二）、金属化合物的特性（三）、金属化合物的种类及其特征常见三种类型：正常价化合物、电子化合物、间隙化合物）1、正常价化合物：符合化合价一般规律、成分固定可用化学分子式表达。通常由强金属性的元素与非金属或类金属元素（如IV、V、VI族）形成。如：Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb原子结合力：以离子键、共价键为主性能：具有很高的硬度和脆性，如果能弥散分布在固溶体基体中，可对金属起到强化作用。Al-Si:ZL102σb=150MPa0.2-0.4%MgZL101σb=200-230MPa2、电子化合物：由ⅠB（Cu)或过渡族元素Fe,Ni+ⅡB(Zn)或Ⅲ,Ⅳ,ⅤA元素Al,Si,S等组成。服从电子浓度规律(不遵守原子价规律）电子浓度达到某些确定的数值，便形成具有某种晶格结构的化合物。电子浓度（Ce):在合金相中，组元所贡献的价电子数目之和与合金相的原子数目之比值。例：CuZn电子浓度：统计结果表明：Ce=21/14为β相，体心立方晶格。Ce=21/13为γ相，复杂立方晶格。Ce=21/12为ε相，密排六方晶格。23112111＋＋Ce（三）间隙化合物（主导因素为原子尺寸）由过渡族金属元素与原子半径较小的碳、氮、硼等非金属元素所形成。间隙相：d非/d金0.59间隙化合物具有复杂结构的间隙化合物：d非/d金0.59根据原子直径比和结构特点，分为两类：三、固溶体同化合物晶体结构的区别固溶体的晶格结构类型与溶剂组元的晶格相同。化合物的晶格结构类型与任一组元的晶格不同。钢中常见的间隙相：VC,TiC,WC,VN,TiN,MoC间隙化合物：碳钢中的Fe3C,合金钢中的Cr23C6,Cr7C3,Fe4W2C等§3-2二元合金相图是表示合金系中合金在平衡条件下各相的存在状态与温度、成分间关系的图解。又称状态图或平衡图。相图：在合金系中，参与结晶或相转变过程中的各相之间相对重量和相的浓度不再改变时所达到的一种平衡。相平衡：L合金S合金单相，双相，多相结晶一、二元合金的结晶分析及相图的建立最常采用的热分析法，以Cu-Ni合金为例说明测定二元相图的步骤如下：所以，相图上相及组织，都是在十分缓慢冷却条件下获得的。1、配制合金系，熔化；2、测冷却曲线确定临界点3.画温度-成分坐标标定临界点4.具有相同意义的点连线0205080100Cu%1008050200Ni%时间时间100%Cu20%Ni50%Ni80%Ni100%Ni温度℃15001400130012001100温度℃温度℃1083℃1180℃1130℃1245℃1325℃1370℃1410℃LLα+αABCu1030507090NiNi(%)1453℃二、二元合金相图的基本类型（一）匀晶相图：两组元在液态、固态均无限互溶的二元合金系所形成的相图。（如Cu-NiCu-AuAu-AgFe-Ni等）a、b：纯组元A、B的熔点液相线：acb固相线：adb两个单相区：L、α一个两相区：L+α1、相图分析2、平衡结晶过程分析计算某一成分的合金处于两相平衡时在某温度下，合金中两个相的相对含量。3、二元相图的杠杆定律①、杠杆定律的推导：设合金总重为1；液相与合金总重之比为QL;固相与合金总重之比为Qα。则可得方程组：QL+Qα=1(1)QLX1+QαX2=X(2)解方程组得：化简为线段比：abacxxxxQ121abcbxxxxQL212accbxxxxQQL12X－X1Qα=————X2－X1X2－XQL=1－Qα=————X2－X1②、应用条件（在二元相图中）A、只能在两相区对“相”B、必须是两相处于平衡状态4、枝晶偏析可以采用扩散退火或均匀化退火工艺予以消除。即加热到固相线－100～200℃，长时间保温，使偏析充分扩散，达到成份均匀。先后结晶的树枝状晶体内成分不均匀的现象。（二）二元共晶相图：二组元在液态无限互溶，在固态仅有限互溶并能发生共晶转变的二元相图。（如：Pb-SnPb-SbAl-SiAg-Cu等）1、相图分析a、b：纯组元A、B的熔点。液相线：acb固相线：adceb固溶线：df、eg两种固溶体：α、β三个单相区：L、α、β三个两相区：（L+α)、（L+β)、(α+β）一个三相区：L+α+β三相线平衡水平线：dce温度固定、三相成分固定，在相图中表现为水平线。共晶反应：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定且不相同的两个固相的转变，称为共晶转变（或共晶反应）。反应式为：Lctcαd+βe反应特征：共晶转变产物称为共晶组织(体)。C点为共晶点（共晶成分、共晶温度）c成分的合金称为dc间成分的合金成为ce间成分的合金称为共晶合金亚共晶合金，过共晶合金。2、典型合金的平衡结晶过程1）、共晶合金——成分为c，见图中的I合金。次生相（二次相）：因溶解度减少，由已有的固相中析出的新相小晶体。室温下的相：α、β；室温下的组织：(α＋β)共晶体室温下的相：α相、β相；室温下的组织：（α＋β）共晶体、β初、αII室温下的相：α相、β相；室温下的组织：（α＋β）共晶体、α初、βII2）、亚共晶和过共晶合金亚共晶：d、c点之间的合金。（图中II）过共晶：e、c点之间的合金。（图中III）β初αIIβ初β初β初3）、边际固溶体合金d，e的合金室温下的相：α相、β相；室温下的组织：α初、βII特别注意：虽然只有在共晶点（共晶温度、共晶成分）才发生共晶反应，但是在de水平线所包含成分范围内的所有成分合金在从液态向固态转变过程中在共晶温度，都要发生共晶转变。这时其液态合金的成分已沿着液相线转变为共晶成分了。3、具有共晶相图的Pb-Sn二元合金的典型平衡组织共晶合金亚共晶合金过共晶合金4、关于相和组织的概念相：在金属或合金中凡是具有相同成分、相同结构并与其他部分有界面分开的，均匀的组成部分，称之为相。组织：金属和合金的组织是由相组成的，是由于组成相的种类、相对数量、晶粒形状、大小及分布形态等的不同，而分别具有不同形貌特征的相的组合物。显微组织：借助于各种不同放大倍数的金相显微镜所观察到的金属和合金中的晶粒形状、大小及各组成相的分布形态等形貌，称为显微组织或金相组织（简称金相）。图3-22由相所构成的不同组织的示意图固溶体：α、β；金属化合物：θ、η5、杠杆定律的应用1)计算（f、g）成分范围内，任意成分二元合金室温下相组成物的相对量（重量百分数）。图中I合金室温下为α、β两相应用杠杆定律可得：%100fgxg%1001fgfx5、杠杆定律的应用2）计算亚共晶合金（或过共晶合金）室温下组织组成物的相对量（重量百分数）。该合金室温时的组织组成物为：%1002)(dcdLcIIcddccL初%10021%1002%100fgfhdccfgfhdIIII1初α初+βII+(α+