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第四章 二元合金.ppt

第四章 二元合金.ppt

上传者: 小厮 2012-12-16 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《第四章 二元合金ppt》,可适用于经济金融领域,主题内容包含第四章二元合金第四章二元合金第一节 合金的相结构第一节 合金的相结构、合金中的几个概念:合金:合金是指两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼或烧结符等。

第四章二元合金第四章二元合金第一节 合金的相结构第一节 合金的相结构、合金中的几个概念:合金:合金是指两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼或烧结、或用其它方法组合而成的具有金属特性的物质。性能:高于纯金属的机械性能可具有一些特殊性能组元:组成合金最基本的、独立的物质。简称元。一般来说组元就是组成合金的元素但也可以是稳定的化合物。二元合金:由两个组元组成的合金。三元合金:由三个组元组成的合金。多元合金:由三个以上组元组成的合金。合金系:由给定的组元以不同的比例配置成一系列成分不同的合金构成的合金系统。包括二元系、三元系和多元系。相:合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。单相合金:由一种固相组成的合金。多相合金:由几种不同固相组成的合金。组织:直接用肉眼观察到的或借助于放大镜、显微镜观察到的相的数量、大小、分布状态的微观形貌图象。宏观组织:用肉眼或放大镜观察到的组织微观组织:用显微镜观察到的组织电子显微组织:用电子显微镜观察到的组织、相的分类根据相的晶体结构特点分为两大类:固溶体和金属化合物。固溶体合金的组元之间以不同的比例相互混合混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同这种相就称为固溶体。这种组元叫做溶剂其它组元叫做溶质特点:具有溶剂的晶体结构固溶体的分类:按溶质原子在晶格中所占位置分类:置换固溶体:是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体。间隙固溶体:溶质原子填入溶剂原子间的一些间隙中。如图-所示按固溶度分类:有限固溶体:在一定条件下溶质组元在固溶体中的浓度有一定的限度超过这个限度就不再溶解这一限度称为溶解度或固溶度这种固溶体称为有限固溶体。无限固溶体:溶质能以任意比例溶入溶剂固溶体的溶解度可达%这种固溶体称为无限固溶体。只有置换固溶体才能形成无限固溶体如图所示置换固溶体:形成置换固溶体造成的后果-固溶强化固溶强化:当溶质原子溶入溶剂晶格时将造成晶格畸变如图所示使强度、硬度增加的现象影响固溶度的因素:原子尺寸因素:组元间的原子半径越接近则固溶体的固溶度越大。原因:晶格畸变负电性因素:负电性:指组成合金的组元原子吸引电子形成负离子的倾向。两组元的负电性相近则固溶度较大电子浓度因素:电子浓度:指合金晶体中的价电子数与其原子数之比可用下式表示:式中VA、VB分别为溶剂和溶质所贡献的价电子数r为溶质B的物质的量比(溶质所占的比例)。溶质在溶剂中的固溶度受电子浓度的控制固溶体的电子浓度有一极限值超过此值固溶体就不稳定例如:面心立方固溶体的极限电子浓度为体心立方固溶体为。溶质元素的原子价越高则固溶度越小晶体结构因素溶质与溶剂的晶体结构类型是否相同是能否形成无限固溶体的必要条件。若晶体结构类型相同时可以形成置换固溶体(无限固溶)若晶体结构不同只能形成有限固溶体。综上所述形成无限固溶体的必要条件:晶体结构相同电化学性质(负电性)相近原子尺寸相近溶质元素的原子价要小间隙固溶体:原子半径很小的溶质原子溶入到溶剂中时不是占据溶剂晶格的正常结点位置而是填入到晶格的间隙中形成间隙固溶体。说明:间隙固溶体只能是有限固溶体形成条件:间隙固溶体的溶质元素是一些原子半径小于nm的非金属元素如氢(nm)、氧(nm)、氮(nm)、碳(nm)、硼(nm),而溶剂元素都是过渡族元素造成的后果-固溶强化当溶质原子溶入溶剂时使溶质的晶格常数增加并使晶格发生畸变。从而使强度、硬度增加引起固溶强化影响间隙固溶体溶解度的因素溶剂晶格间隙越大溶解度越大溶质原子半径越小溶解度越大化合物:是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相其晶体结构不同于任一组元特点:熔点高、硬而脆分类:正常价化合物、电子化合物、间隙化合物间隙化合物:由过渡族金属与原子半径很小的非金属元素如氢、氮、碳、硼组成。可分为两类:当rXrM<时形成具有简单结构的间隙相。当rXrM>时形成具有复杂晶体结构的间隙化合物。间隙相:具有简单的晶体结构金属原子位于晶格的正常节点上非金属原子位于晶格的间隙位置。如图所示。常见的分子式:MX、MX、MX、MX等特点:具有极高的熔点和硬度具有明显的金属的特性是合金工具钢和硬质合金的重要组成相。间隙相与间隙固溶体的区别:间隙相是一种化合物它具有与其组元完全不同的晶体结构间隙固溶体的晶格类型与溶剂组元的晶格类型一致。钢中常见的间隙相如表所示间隙化合物:具有复杂的晶体结构Cr、Mn、Fe的碳化物属于间隙化合物。如图所示。常见的间隙化合物:MC、MC、MC、MC、特点:间隙化合物具有很高的熔点和硬度但比间隙相的熔点和硬度低且加热时易分解。间隙化合物是碳钢和合金钢的重要组成相。钢中常见的碳化物如表所示思考题:渗碳体与合金渗碳体的区别?第二节二元合金相图第二节二元合金相图相图:表示合金系中合金的状态与温度、成分间的关系的图解又称为状态图或平衡图相图的意义:、二元相图的表示方法二元系合金在外界压力恒定情况下其相图可以由温度(纵轴)和成分(横轴)平面坐标系表示。如图所示。坐标系中的任意一点叫做表象点。如E点。、二元合金相图的测定方法:有实验法和理论计算法两种。测定临界点的方法有:热分析法、金相法、膨胀法、磁性法、电阻法、X射线结构分析法等。以CuNi合金为例:如图所示配制一系列不同成分的CuNi合金测定各合金的冷却曲线找出各合金的临界点上临界点:温度较高的临界点是结晶开始的温度叫做上临界点下临界点:温度较低的临界点是结晶结束的温度叫做下临界点在以成分为横坐标以温度为纵坐标的坐标系中将意义相同的临界点连接起来便得到CuNi相图相图分析:液相线:上临界点的连线abc叫做液相线固相线:下临界点的连线a’b’c’叫做固相线相区:固相区、液相区、固液两相共存区匀晶相图:是指两组元在液态无限互溶在固态也无限互溶的二元合金所形成的相图。具有匀晶相图的合金有:CuNi、AgAu、CrMo、CdMg、FeNi、MoW等。匀晶转变:是指结晶都是从液相结晶出单相的固溶体的结晶过程。相图分析如图所示CuNi合金相图。点:a:Cu的熔点b:Ni的熔点线:amb:液相线anb:固相线面:分为三个区域:液相区L、固相区α以及液、固两相并存区Lα。abmn平衡结晶过程:条件:指合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程。以%Ni的CuNi合金为例:点以上:合金Ⅰ为液相温度缓冷至点温度达到t时开始由液相中结晶出α固溶体。当温度缓冷至点温度达到t时有一定数量的α固溶体结晶出来此时的固相成分为α液相成分为L相平衡关为为了达到相平衡原有的α成分改变为α液相成分由L向L改变。当温度缓冷到点温度冷却到t时结晶结束得到与原合金成分相同的α固溶体。结晶规律:在温度不断下降过程中液相的成分不断的沿着液相线变化α相的成分不断的沿着固相线变化α相的数量不断增多液相的数量不断减少在一定温度下两相的相对含量可以用杠杆定律计算。杠杆定律(只适用于两相区)杠杆定律适用于二元系合金中在两相区中确定相的相对含量。在CuNi二元合金中Ni的含量为C的合金Ⅰ在温度t时两相平衡通过温度t作一水平线段arbCL、Cα分别表示液、固两相的成分。下面计算液相和固相的相对含量。设合金的总质量为液相的质量为WL固相的质量为Wα则WLWα=合金Ⅰ中含Ni量为:由以上两式可得出晶内偏析:在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象。先结晶的含高熔点组元较多后结晶的含低熔点组元较多。枝晶偏析:固溶体结晶为树枝晶时结晶形成的树枝状晶体中枝干与枝间化学成分不均匀的现象如图所示。如图所示为CuNi合金铸态组织偏析的后果:塑性、韧性显著降低耐蚀性降低消除偏析的办法:扩散退火或均匀化退火:将铸件加热到低于固相线进行长时间保温使偏析元素充分扩散以达到成分均匀化的目的。 如图所示细化组织消除偏析共晶相图:是指两组元在液态时相互无限互溶在固态时相互有限互溶发生共晶转变形成共晶组织的二元系相图。如PbSn、PbSb、AgBi等合金。相图分析相图中的线:液相线:AE、BE线固相线:AMENB线MF线:Sn溶于Pb中的溶解度曲线NG线:Pb溶于Sn中的溶解度曲线MEN线:共晶线相图中的相区:个单相区:L相、固溶体α相、固溶体β相α相:Sn溶于Pb中的固溶体β相:Pb溶于Sn中的固溶体个两相区:L+αL+βα+β个三相区:L+α+β相图中的点:A点:Pb的熔点B点:Sn的熔点E点:共晶点共晶转变(共晶反应):在一定的温度下由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的转变过程称为共晶转变。成分相当于E点的液相发生共晶转变其反应式为其中E点为共晶点E点对应的温度为共晶温度MEN线:共晶线成分对应于共晶点的合金称为共晶合金成分位于共晶点以左M点以右的合金称为亚共晶合金成分位于共晶点以右N点以左的合金称为过共晶合金典型合金的平衡结晶及其组织:含锡量wSn(M点)的合金(合金Ⅰ):合金Ⅰ为:WSn=它的结晶过程如图所示以上是L的冷却~点Lα~点α相的冷却~点αβⅡ所以室温组织为:αβⅡ。如图所示计算它们的相对含量: WβⅡ=Wα==黑色基体为α相白色颗粒为βⅡβⅡ分布在α的晶界上或在α晶粒内析出。注意:二次结晶:由固溶体中析出另一个固相的过程也称为脱溶过程次生相:二次结晶析出的相称为次生相或二次相例如βⅡ次生相的析出部位:优先从α相的晶界析出其次是从晶粒内的缺陷部位析出一般较为细小。共晶合金(合金Ⅱ):含Sn量为wSn=%如图所示缓冷到点即温度tE()时发生共晶转变:其中αMβN称为共晶组织此反应一直进行到液相完全消失为止。αM和βN相的含量可用杠杆定律求出:点以下:共晶组织中的α、β固溶体的成分分别沿MF、NG变化并发生二次结晶αβⅡ 、βαⅡ但难以分辨可忽略。共晶合金的平衡结晶的室温组织:α+β如图所示共晶合金的显微组织为α和β呈层片状交替分布其中黑色的为α相白色的为β相。亚共晶合金(合金Ⅲ)如图所示结晶过程:以含Sn量为WSn=%的合金为例点以上是液相的简单冷却~点是Lα点:发生共晶反应:LEαMβN此反应一直进行到液相用完为止所以此时的组织:α(初晶)(αMβN)点以下是次生相的析出同理αMβN的次生相可以忽略但初晶α的次生相βⅡ不能忽略所以亚共晶合金的室温组织为:α先(αMβN)βⅡ如图所示其中黑色树枝晶为先共晶相α先之中的白色颗粒为βⅡ黑白相间分布的是共晶组织。小结:结晶后的显微组织:几个概念的区分:组织组成物:在显微组织中能清楚的区分开是组成显微组织的独立部分。在金相显微镜下观察到的具有某种形貌或形态特征的组成部分。合金的相组成物:从相的本质看组成合金的基本相。合金中结构、成分和性能均匀一致并以界面相互分开的组成部分。比重偏析比重偏析:是由先共晶相与熔液之间密度的差别所引起的一种区域偏析。影响因素:合金组元的密度差、相图的结晶的成分间隔:越大偏析越严重防止或减轻比重偏析的方法有:增大冷却速度加入第三种元素热对流、搅拌包晶相图:两组元在液态相互无限溶解在固态相互有限溶解并发生包晶转变的二元合金系相图。例如:PtAg、CuZn相图相图分析:以PtAg相图为例相图中的点:A点:Pt的熔点B点:Ag的熔点D点:包晶点相图中的线:液相线:ACB线固相线:APDB线DF线:Pt溶入Ag的溶解度曲线PE线:Ag溶入Pt的溶解度曲线相图中的相区:单相区:L、α、β两相区:L+α、L+β、α+β三相共存区:L+α+β相图中水平线PDC是包晶转变线。反应式为包晶反应:在一定的温度下由一定成分的固相与一定成分的液相作用形成另一个一定成分的固相的转变过程称为包晶转变或包晶反应。其中:D点为包晶点 tD:包晶温度典型合金的平衡结晶过程及组织包晶点合金:含银量为WAg=的PtAg合金:(合金Ⅰ)以上:L相冷却D点:LαD点:α相成分到达p点L相成分到达c点发生包晶反应:D点以下:βαⅡ室温组织:β+αⅡ转变示意图如图所示:亚包晶:含银量为wAg=%的PtAg合金(合金Ⅱ)以上:L冷却点:Lα点:发生包晶反应反应结束时仍有α相剩余则αβⅡ同时βαⅡ则室温组织为:α+β+βⅡ+αⅡ转变示意图如图所示:过包晶:含银量为wAg=的PtAg合金(合金Ⅲ)以上:L冷却点:Lα点:发生包晶反应:点:Lβ点:β相冷却点以下:βαⅡ室温组织:β+αⅡ转变示意图如图所示:可采用长时间的扩散退火来减少或消除。包晶偏析包晶偏析:由于包晶转变不能充分进行而产生的化学成分不均匀现象。共析转变:由一个固相同时析出成分和晶体结构均不相同的两个新固相的过程。匀晶相图共晶相图几个概念:dce线为共析线c点为共析点共析反应:    γcαdβeαdβe叫做共析组织共析线所对应的温度叫做共析温度。第三节二元相图的分析和使用、相图分析步骤:熟悉单相区的相再根据相接触法辨别其它相区。原则:在二元相图中相图内两个相邻相区的相数差为(点接触除外)即:两个单相区之间必定有一个由这两个相所组成的两相区两个两相区之间必须以单相区或三相共存水平线隔开找出三相共存水平线和与之接触的三个单相区确定平衡转变性质。如表所示分析典型合金的结晶过程及组织。在两相区冷却时每相成分沿相界线变化两相的相对量可由杠杆定律求出在三相水平线上各相成分一定、应用相图时要注意的问题:相图反映的是平衡条件下相的平衡而不是组织的平衡相图给出的是平衡状态时的情况二元相图只反映二元合金相的平衡关系、根据相图判断合金的性能:根据相图判断合金的机械性能和物理性能:单相固溶体α、β区性能呈曲线变化:固溶强化:随溶质浓度的增加强度、硬度增加塑性、韧性降低随溶质浓度的增加导电率降低电阻率增高在两相区性能呈直线变化是两相的算术平均值

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