第二章合金的结构和相图

第二章合金的结构和相图2.1合金的相结构一、合金的基本概念1、合金指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。Fe3C,黄铜（CuZn）2、组元组成合金最基本的、独立的单元，简称元。3、合金系若干给定组元按不同的比例配制成一系列成分不同的合金，构成合金系统，简称合金系。碳钢和灰铸铁属于铁碳合金系4、相合金中具有同一化学成分、结构相同并与其他部分由界面分开的独立均匀的部分。5、组织在金相显微镜下观察到的，材料内部的微观形貌图像（显微组织）.铁素体二、合金的相结构根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。1、固溶体固态合金中，在一种元素的晶格结构中包含有其它元素的合金相称为固溶体。前一种元素称为溶剂元素，后一种元素称为溶质元素。溶质原子溶于固溶体中的量，称为固溶体的浓度在一定条件下溶质元素在固溶体中的极限浓度叫做溶质在固溶体中的溶解度根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。1）置换固溶体溶质原子部分地占据溶剂晶格节点的位置而形成的固溶体。置换固溶体的形成和溶解度与二组元的负电性，原子半径差和晶格类型有关。（1）若二组元在周期表中位置相近，负电性相差很小，化学亲和力较弱，容易形成置换固溶体。否则易形成化合物。（2）二组元的原子半径相差小且小于14％～15％时，有利于形成置换固溶体。否则易形成间隙固溶体。（3）若二组元的晶格类型相同时，能形成无限的固溶体，否则形成有限固溶体。例.（CuNi）合金Cu的原子序数为29，原子半径为2.55A,Ni为28，原子半径为2.44A，在周期表中的位置相近，原子半径相差很小，晶体结构都为面心立方晶格，故形成置换固溶体，其溶解度是无限的。（CuZn）Zn的原子半径2.75A,晶体结构为密排六方，形成置换固溶体，其溶解度是有限的。•2）间隙固溶体•溶质原子分布在溶剂晶格各节点的间隙中而形成的固溶体。•由于溶剂晶格的间隙是有限的，因此间隙固溶体通常是有限固溶体，并且其形成与原子半径差有关、其溶解度的大小与溶剂晶格中的间隙半径和温度有关。（1）原子半径差越大（即溶质原子的半径越小，溶剂原子的半径越大）越容易形成间隙固溶体。（2）溶剂晶格中的间隙半径越大，固溶体的溶解度越大。温度越高固溶体的溶解度也越大。例.碳钢中的铁素体和奥氏体就是碳原子溶入了α–Fe（溶解度为0.0218％)和γ–Fe（溶解度为2.11%)中形成两种间隙固溶体。3）固溶强化•由于溶质原子的溶入，导致溶剂晶格发生畸变，增加位错运动阻力，使合金的塑性变形抗力增加，强度、硬度提高的现象称为固溶强化。•它是金属材料强化的重要途径。2、金属化合物（看书）金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相。金属化合物的晶格类型不同于组成它的任一组元，具有复杂的晶格类型。根据形成条件及晶体结构可以分成三种：1）正常价化合物：化学式符合化合价，象Mg2Si2）电子化合物：不符合化合价规律而是按照一定的电子浓度组成。象β电子化合物CuZn的含锌量为36.8～56.5％。3）间隙化合物：同样不符合化合价规则。主要决定于二组元的原子半径。象过渡元素（Fe，Cr等）和非金属元素（C,N,B等)金属化合物的性能:由于金属化合物一般具有复杂的化合键和晶格结构，其熔点高，硬而脆。合金中的金属化合物使合金的强度、硬度和耐磨性提高，但会降低塑性和韧性。因此，它是碳钢、合金钢、硬质合金和许多有色合金的重要强化相。与固溶体适当配合，可以满足材料所需要的性能要求。如碳钢中的Fe3C、工具钢中的VC、高速钢中的W2C、硬质合金中的WC和TiC等，提高了材料的强度、硬度、耐磨性和热硬性等。3、机械混合物由两种或两种以上的组元、固溶体或金属化合物按一定重量比例组成的均匀物质称为机械混合物。（珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物）混合物中各组成部分仍按自己原来的晶格形式结合成晶体，如铁素体和渗碳体形成珠光体。混合物的性能取决于组成混合物的各部分的性能，及其数量、大小、分布和形态。•相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。•利用相图可以表示不同成分的合金、在不同温度下，由哪些相组成、以及合金在加热或冷却过程中可能发生的转变等。•目前使用的相图几乎都是通过实验测定的。实验的方法很多，有热分析法、膨胀法、X射线结构分析法等。三、二元合金相图测定二元合金相图的步骤：以铜镍合金为例:（1）配制几组成分不同的Cu-Ni（白铜）合金；（2）分别将它们熔化，然后极缓慢冷却，同时测定其从液态到室温的冷却曲线；（3）找出各冷却曲线上开始结晶的温度点TNi、1、2、3、4、TCu及结晶终了的温度点（称为临界点）TNi、1’、2’、3’、4’、TCu；（4）将各临界点标在以温度为纵坐标，以成分为横坐标轴的图形中相应合金的成分垂线上，并将意义相同的临界点连接起来，即得到Cu-Ni合金相图。1.匀晶相图•组成二元合金的两组元在液态和固态均能无限互溶的合金系所形成的相图称二元匀晶相图•例如，Cu-Ni、Fe-Cr、Fe-Ni、Cr-Mo、Mo-W合金的相图都属于这类相图。•下面以Ｃu-Ni合金相图为例分析这类相图的图形及结晶过程特点。(1)相图分析LL+成分（wt%Ni）CuNi液相线固相线相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。(2)合金的平衡结晶过程当液态金属自高温冷却到t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。L随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分3上来。合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。（3）（枝晶偏析）晶内偏析：不平衡结晶时的固溶体内部富含高熔点组元，而后结晶的固溶体外部富含低熔点组元，晶粒内部出现成分不均匀的现象。枝晶偏析：若固溶体是以树枝状结晶并长大的，则枝干与枝间会出现成分差别。对合金的性能的影响：严重的晶内偏析使合金强度降低，特别是塑韧性下降，也使合金的抗蚀性降低。消除枝晶偏析的方法：采用扩散退火。高温下长时间保温，使原子充分扩散，以达到成分均匀。也可先锻造后退火。Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织枝晶偏析组织2.共晶相图组成合金的两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶，结晶时发生共晶转变的合金系所形成的二元合金相图称为共晶相图例如，Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si合金相图均属于这类相图。下面以Pb-Sn合金相图为例分析其图形及结晶过程特点。(1)相图分析AB①相：相图中有L、、三种相,是溶质Sn在Pb中的固溶体，是溶质Pb在Sn中的固溶体。②相区：相图中有三个单相区：L、、；三个两相区：L+、L+、+；一个三相区：即水平线CED。③液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点。④固溶线:溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF、DG线分别为Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶线。固溶体的溶解度随温度降低而下降。⑤共晶线：水平线CED叫做共晶线。在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。。•(2)共晶反应•在共晶线对应的温度下（183℃），E点成分的合金同时结晶出C点成分的固溶体和D点成分的固溶体，形成这两个相的机械混合物：LE⇄(M+N)AB•共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶体长大示意图Sn原子扩散Pb原子扩散•具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共晶点以右的合金称过共晶合金。凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。L+CDAB(3)合金的平衡结晶过程及其组织①含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程成分位于C点以左（即wSn≤19%）或D点以右（即wSn≥97.5%）的合金称为固溶体合金•在3点以前为匀晶转变，结晶出单相固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。.2•温度降到3点以下，固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相—相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。•形成二次相的过程称二次析出,是固态相变的一种。H•由于二次相析出温度较低，一般十分细小。由析出的二次用Ⅱ表示。随温度下降，和相的成分分别沿CF线和DG线变化，Ⅱ的重量增加。ⅡQQ•Ⅰ合金室温组织为+Ⅱ。成分大于D点合金结晶过程与Ⅰ合金相似，室温组织为+Ⅱ。ABCDEFG•②共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程•成分为wSn=61.9%的合金Ⅱ即为共晶合金，•液态合金冷却到E点时同时被Pb和Sn饱和,发生共晶反应：LE⇄(C+D)。19.2wt%Sn1’共晶组织形态层片状(Al-CuAl2定向凝固)条棒状(Sb-MnSb横截面)螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织形态针状共晶树枝状共晶放射状共晶螺旋状共晶•③亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程•成分位于C、E点之间（即wSn=19~61.9%之间）的合金即为亚共晶合金•合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到C点，液相成分变化到E点.•④过共晶合金结晶过程•与亚共晶合金相似，不同的是一次相为,二次相为Ⅱ•室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。组织组成物在相图上的标注Pb-Sn合金的结晶过程(3)共析相图（图画出）从一个固相中同时析出成分和晶体结构完全不同的两种新的固相的转变过程，称为共析转变。图中A、B为两组元，合金结晶后得到γ固溶体，γc固溶体在恒温下进行共析转变：γc→αd+βe（αd+βe）称为共析体，c点为共析点，dce为共析线，对应的温度称为共析温度。因为共析转变是在固态下进行，转变温度较低，原子扩散困难，因而过冷度较大。与共晶体相比，共析体的组织较细小且均匀。（一）纯铁的冷却曲线1394℃1538℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Feα-Feγ-Fe四、铁碳合金A4A3770℃A2具有磁性A4A3A2为纯铁的临界点纯铁结构的转变：1394°C912°C体心立方面心立方体心立方δ-Feγ-Feα-Fe金属的同素异构转变：金属在固态下，随温度的改变而发生晶体结构变化的现象。重结晶：在固态下发生的晶体结构转变。（二）铁碳合金中的相和基本组织1.铁碳合金中的相：（1）、铁和碳在液态时无限互溶形成成分均匀的液相L（2）、铁和碳在固态时可形成两类相：1）碳溶于铁分别称为形成固溶体α、γ和δ2）铁和碳相互反应形成的化合物。因此在铁碳合金中常见的相有L、α和γ固溶体，Fe3C四种。铁素体（ferrite）奥氏体（austenite）渗碳体（cementite）基本组织2.铁碳合金的基本组织莱氏体（Ledeburite）珠光体（pearlite）机械混合物（1）铁素体（F或α）碳溶于α-Fe中的间隙固溶体。特点：体心立方结构，碳溶量少。（727℃铁素体的碳溶量最大0.0218％；在室温下几乎等0。）力学性能：σb＝180一280MPa，HBS＝50一80，δ＝30％一50％。其性能和纯铁相近即强