金属材料及热处理-第二章

金属材料及热处理第二章二元合金相图及结晶合金中的相相:是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分。组织:是指用显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布和各相之间的组合状态。相与组织是影响合金性能的重要因素。合金：一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。纯金属具有良好的导电导热性，但机械性能差，故工业上广泛应用的是合金材料。例如：Fe:Rm=250MPaC:Rm=0Fe-C合金(0.45%C)正火态:Rm=610MPaRm抗拉强度Fe3CP(珠光体)1.固溶体（一）定义：一种组元的原子溶入另一组元的晶格中形成的均匀固相。根据溶质原子在溶剂晶格种所处位置不同分（二）分类：2.间隙固溶体1.置换固溶体二、合金的基本相（1）置换固溶体溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于两者的晶格类型、原子半径差及它们在周期表中的位置。（2）间隙固溶体溶质原子溶入溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。形成条件：溶质原子半径很小而溶剂晶格间隙较大,一般r溶质/r溶剂≤0.59时，才能形成间隙固溶体。间隙固溶体置换固溶体固溶体的特性1、保持溶剂的晶格特征。2、溶质原子溶入导致固溶体的晶格畸变而使金属强度、硬度提高——即固溶强化，同时有较好的塑性和韧性。因此常作为结构材料的基本相•按固溶度来分类：可分为有限固溶体和无限固溶体。无限固溶体只可能是置换固溶体。•按溶质原子与溶剂原子的相对分布来分；可分为无序固溶体和有序固溶体。2.金属化合物（一）定义合金组元间发生相互作用而形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元且具有金属特性的新相即为金属间化合物。（二）特征•有金属性质•晶体结构不同于任何组元•成分可用分子式表示,如:Fe3C（三）性能：熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。3.机械混合物•机械混合物：即由纯金属、固溶体或化合物按一定的重量比组成的物质。机械混物各组成物的原子仍然按自己原来的晶格形式结合成晶体，在显微镜下可明显区别出各组成物的晶粒。机械混合物的力学性能通常介于各组成物之间，并取决于各组成物的含量、性能、分布和形态。如碳钢中的珠光体就是由化合物（渗碳体）和固溶体（铁素体）组成的机械混合物，其力学性能介于二者之间。建立相图最常用方法是热分析法。它是通过测量相变时的热效应（即相变时放出热量或吸收热量）来确相变时的临界度。二元合金相图的建立下面以Cu-Ni合金为例，说明用热分析法建立相图的步骤：1）首先，配制不同成分的Cu-Ni合金。2）将合金熔化后，测定它们的冷却曲线，并找出曲线上临界点（即转折点和平台）。3）将上述数据引入相应成分的温度-成分坐标图中。4）将物理意义相同的临界点连成曲线，即得Cu-Ni合金相图。铜-镍合金的冷却曲线和相图(a)不同成分合金冷却曲线(b)铜镍合金相图两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的相图称为匀晶相图。Cu-Ni，Fe-Cr,Au-AgXY%YaddedLiquidSolidTwoPhase§2.3匀晶相图ABB%LL+αα液相线固相线B熔点A熔点与纯金属的结晶过程不同，固溶体合金的结晶是在一定的温度范围内完成的。•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+）。一、匀晶相图分析二、合金的平衡结晶过程AllLiquid52%Ni45%NiAlmost40%Ni40%Ni在整个过程中,结晶出的α相的成分沿固相线变化，即：α1→α2→α3→α4剩余液相成分按液相线变化：l1→l2→l3→l4Cu-40%Ni合金的结晶过程液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。匀晶结晶有下列特点：a）与纯金属一样，α固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有生核与长大两个过程。b）纯金属结晶需要能量起伏和结构起伏，固溶体还需要成分起伏。固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程，纯金属是在一定温度下恒温进行。c）在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）是确定的。d)两相区内，温度一定，两相相对量一定。•e)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。固溶体的非平衡结晶固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为晶内偏析或枝晶偏析。平衡组织枝晶偏析组织Cu-30%Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织性能就不均匀成分不均匀组织不均匀Cu-Ni合金枝晶偏析示意图影响因素：枝晶偏析不仅与冷速有关，还与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。消除枝晶偏析的办法生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应两组元在液态下完全互溶、在固体下有限互溶，并且有共晶反应发生的合金相图。三、共晶相图Al（铝）-Si（硅）Ag（银）-Cu（铜）Pb（铅）-Sn（锡）Pb（铅）-Sb（锑）等合金都可以形成共晶相图组元:Pb,SbA：铅熔点327°CB：锑熔点631°CC：共晶点252°C共晶体：pb+Sb(Pb11%+Sb89%)共晶转变：一定成分的液态合金，在某一恒温下，同时结晶出两种固相的转变。相图分析ACB线：液相线DCE线：固相线共晶合金Ⅰ结晶过程Lc252°C(Pb+Sb)相图分析亚共晶合金Ⅱ结晶过程LL+PbPb+(Pb+Sb)过共晶合金Ⅲ结晶过程LL+SbSb+(Pb+Sb)相图分析二元包晶相图的分析•单相区：L、、β•二相区：L+、L+、+•三相区：L++（水平线dec）•C点：包晶转变时，液相的平衡成分点•E点：包晶点，具有该点成分的合金在恒温下发生包晶反应•DEC称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LC+D⇄βE。该反应是液相L包着固相,新相β在L与α的界面形核，并向L和两个方向长大。1点以上为液相----1点至e点为液相与α相共存状态----e点开始包晶反应----室温组织为β+II了解知识：具有共析反应的二元相图共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程共析转变也是固态相变。最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:S⇄P+Fe3C(—奥氏体，—铁素体，Fe3C—渗碳体)PS•共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK线)、共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合金、亚共析合金、过共析合金。铁碳合金相图•共析反应的产物是共析体(铁碳合金中的共析体称珠光体)，也是两相的机械混合物(铁素体+渗碳体).与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是液相。另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。珠光体五、组元间形成稳定化合物的相图•稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(如Mg-Si系的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C)。其成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单相区)。垂足是其成分,顶点是其熔点,结晶过程同纯金属.分析这类相图时，可把稳定化合物当作纯组元看待，将相图分成几个部分进行分析.二元相图的分析步骤•实际二元相图常比较复杂，可按下列步骤进行分析.Fe-Fe3C相图⒈分清相图中包括哪些基本类型相图⒉确定相区⑴相区接触法则：相邻两个相区的相数差为1⑵单相区的确定①液相线以上为液相区;②靠近纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区;③相图中的垂线可能是稳定化合物(单相区)，也可能是相区分界线；④相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区；⑤相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。Cu-Zn相图+⑶两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相区，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。⑷三相区的确定:二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成。Fe-Fe3C相图恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同的新固相。⇄+共析反应恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新的固相。L+⇄包晶反应恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不同的新固相。L⇄+共晶反应说明反应式图形特征反应名称常见三相等温水平线上的反应二元合金相图与合金性能的关系•合金的性能取决于组元的特性及其成分和组织•相图：表示平衡条件下合金的成分、温度与相或组织状态•因此，合金的相图与性能之间存在一定的关系，可以借助于相图所反映的关系和参量来预测合金的使用性能（力学和物理性能）和工艺性能（如铸造性能、压力加工性能、热处理性能）二元合金相图与合金性能的关系•当合金形成单相固溶体时，合金的性能与组元及溶质元素的溶入量有关。对于一定的溶质和溶剂，溶质的溶入量越多，则合金的强度、硬度提高越多（固溶强化），同时电阻增大，电导率降低。二元合金相图与合金性能的关系1.合金的使用性能与相图的关系两相组织合金的机械性能和物理性能与成分呈直线关系变化,两相单独的性能已知后,合金的某些性能可按组成相性能(依百分含量的关系叠加的办法)求出。例如硬度：合金的使用性能与相图的关系•由合金中的固溶体析出的次生相，一般都能提高合金的强度和硬度，使合金强化，但他们若呈针状或带尖角的块状、或沿晶界以连续或断续的网状析出，将使合金的塑韧性及综合力学性能降低。•弥散强化（沉淀强化、时效强化）：由过饱和固溶体析出弥散的强化相来强化合金的方法其效果与次生相的弥散度有关，弥散度越高，效果越好。•常用热处理得到过饱和的固溶体，在随后的加热过程中，使强化相弥散析出；或向合金中加入强化相质点。合金的工艺性能与相图的关系•相图与铸造性能的关系合金的铸造性能表现为流动性（液体填充铸型的能力）、缩孔及热裂倾向等。①固溶体合金液固相线间距大、偏析倾向大,树枝晶发达,流动性降低,补缩能力下降,分散缩孔增加.②铸造选共晶（结晶温度低,流动性好，缩孔集中，偏析小）③锻造选单相固溶体（强度较低，塑性好，变形均匀且不开裂。而由两相混合物组成的合金，由于两相的强度和塑性不同，变形大时两相的界面易开裂，特别是组织中存在较多的脆性化合物时，压力加工性能更差根据相图判断热处理的可能性：相图中没有固态相比的合金不能进行热处理强化，但能采用扩散退火来消除组织中的晶内偏析等缺陷。谢谢大家！