工程材料--合金的相结构和二元合金相图

第四章合金的相结构和二元合金相图1、有关概念:合金、组元、合金系、相、组织2、合金的相结构3、二元合金相图4、合金性能与相图的关系基本要求：1、掌握有关概念和组成合金的基本相结构2、学会分析相图主要内容：3、会分析典型合金的结晶过程4、会运用杠杆定律进行计算5、了解合金性能与相图的粗略关系6、熟悉合金组织的概念引言1、【合金】由一种金属组元和另外的金属、非金属或化合物组元组成的、具有金属特性的物质。如：钢、铜合金、铝合金等2、【组元】组成合金的最基本的、独立存在的物质。一般合金的组元是组成合金的元素。例：钢的组元：Fe、C、Mn、Cm二元合金、三元合金、多元合金3、【成分】指合金系中各组元的重量相对含量。有重量百分比(wt%)、原子百分比(at%)、体积百分比等，一般用重量百分比.例：45钢，含0.45%C，其余主要是Fe。4、【合金系】指由给定组元按不同比例配制的一系列成分不同的合金。例如：Fe—C合金系5、【相】指材料中成分、结构、性能相同并有界面与其他部分隔开的均匀组成部分。6、【合金的组织】指组成合金的各个相的大小、形态、数量、分布的总称。可以是由一个或几个相组成；多个相按一定方式排列、组合而成称为机械混合物。钢铸造铝合金第一节　合金的相结构根据结构、性能以及形成条件，将合金中的相分为：固溶体和化合物。一、固溶体1、定义：溶质元素的原子均匀地溶入溶剂元素的晶格中所形成的单相固体。2、按位置分类固溶体【置换式】溶质原子取代一部分溶剂原子，占据溶剂原子晶格中某些结点位置所形成的固溶体。【间隙式】溶质原子不占据溶剂晶格结点位置而是填嵌在溶剂原子之间所形成的固溶体。固溶体类型ZXY间隙原子间隙固溶体置换固溶体置换原子YXZ3、固溶体特点1）晶格同溶剂；2）成分不固定：T↑→溶解度↑；3）晶格畸变；4）性能——固溶强化：强度和硬度提高的现象正常晶格晶格畸变二、金属化合物1、定义：合金元素之间相互作用形成的具有金属特性的新相（AmBn）。新相的结构与组元的不相同。2、常见金属化合物1）正常价化合物受化合价规律制约形成。例：Mg2Si、SiC2）电子化合物：受电子浓度规律制约形成。C电＝化合物中价电子数／化合物中原子总数例：Cu3Al：C电＝(1＊3+3＊1)/(3+1)=3/23）间隙化合物：受原子尺寸大小制约形成。间隙相：例VC、TiC复杂结构的间隙化合物：例Fe3C、Cr23C6▲合金中间隙化合物的合理存在可有效的提高合金的使用性能。三类金属化合物的比较Fe3CVCCu3AlMg2Si举例极硬、脆很硬、脆较硬、脆硬、脆性能复杂简单由C电决定复杂晶胞不固定不固定不固定固定成分rm/Rx>0.59rm/Rx<0.59取决于电子浓度电化学性差别不大时形成形成条件间隙化合物间隙相间隙化合物电子化合物正常价化合物三、合金的组织1、基体——多为单质金属或固溶体2、强化相——多为金属化合物。例：基体：F(88%)HB=80强化相：Cm(12%)HB=800T83、改善合金性能的思路：改变强化相的大小、数量形态、分布得到不同的合金组织具有不同性能满足不同的使用要求第二节二元合金相图相图：是描述合金“成分、温度、组织”三者平衡关系的简明图解。平衡：指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和相对重量不再变化所达到的一种状态。二元相图：指的只有两组元合金系的相图。三元相图：三组元合金系的相图。本节讨论三个问题：1、相图是如何建造的?2、如何识别相图?3、相图有什么用途？1、建立坐标（T℃－合金系成分）2、配制典型合金如：合金1－[100%Cu+0%Ni]合金2－[80%Cu+20%Ni]……合金n－[0%Cu+100%Ni]3、测各典型合金的冷却曲线－找出“变态点”4、在坐标上标出各变态点的位置5、将意义相同的点连接起来一、相图的建造（以Cu－Ni合金为例）时间温度℃tBCuNitA80%Ni60%Ni40%Ni20%Ni100%Cu80100%Ni604020LαL+α二、匀晶相图两组元在液态、固态下均可无限互溶的二元合金系所形成匀晶相图。例Cu－Ni、Au－Ag等1、相图分析CuNiNi%LL+αα1083℃1455℃点：线：液相线固相线；区：单相区：L、α双相区：L＋α2、合金的结晶过程3、杠杆定律1）确定在给定温度下平衡两相区中各相的成分；2）计算在给定温度下某一成分合金在平衡两相区中各相的相对重量。设下图K成分合金总重量为Q，温度T时液相重QL，成分为X‘；固相重Qα成分为X“。则有Q=QL+Qα（1）Q·X=QL·X‘+Qα·X“（2）（1）--（2）联立解得QLQax’kx’’x’kkx’’x’x’’x’x’’kkkNiNi%温度CuAB图4-9杠杆定律的证明及比喻液相相对重量为：QL/Q(％)=X"K/X"X＇×100%固相相对重量为：Qα/Q(%)=KX＇/X"X＇×100%举例：成分为60％Ni(40%Cu)合金500℃时各相相对重量如何？4、相图应用分析结晶过程、确定合金的组织状态、相组成和成分、各相的相对重量；预测材料性能；指导和制定热加工工艺。5、枝晶偏析的产生与消除【平衡结晶】冷却极其缓慢，原子扩散得以充分进行。【不平衡结晶】冷却速度较快（一般工业生产冷速），原子扩散过程不能充分进行，此时将会合金化学成分的不均匀——即偏析。【枝晶偏析】指晶粒内部化学成分分布不均匀的现象，因结晶呈树枝状，又称枝晶偏析。偏析的危害：耐蚀性、机械性能↓偏析的消除：出现枝晶偏析后，可通过扩散退火予以消除。一般采用将铸件加热到低于固相线100～200℃的温度，进行长时间保温，使偏析元素进行充分扩散，成分均匀化。三、共晶相图液态无限互溶，固态有限互溶，并发生共晶反应的二元合金系形成的相图。例：Ag－Cu、Al－Cu、Pb－Sb等合金相图（一）相图分析1、点：A、B、C、D、E、F、G2、线：液相线、固相线、固溶线，共晶线CF：Sb在Pb中的溶解度曲线DG：Pb在Sb中的溶解度曲线3、共晶点与共晶反应：1）共晶转变：在一定的温度下，由成分一定的液相，同时结晶出成分一定的两个固相的转变过程。LETE(α+β)共3）共晶组织：即共晶转变的产物，为两相的机械混合物，也称共晶体。2）共晶（E）点：α、β相共同结晶时的温度和成分点。共晶体形态片状粒状杆状4、单相区：L、α、β双相区：L+α、L+β、α＋β4)共晶反应线(CED):只有具有E点成分的合金才能发生共晶反应,但是在CED成分范围内的合金结晶时都存在共晶反应.CE——亚共晶E——共晶ED——过共晶（二）典型合金的结晶过程1、合金1的结晶过程：(含Sb量≤3.5%）结晶过程：L→L+α→α→α＋βⅡ室温时组织：α＋βⅡ相组成：α＋β各相相对重量：fg4αβα=4g/fg×100%β=f4/fg×100%组织相对重量：α=4g/fg×100%βⅡ=f4/fg×100%2、共晶合金2的结晶过程：　E点以上：　液相L；　　E点温度：　全部转变为（α+β）共晶；E点以下：　同上室温组织：（α+β）共晶相组成：α+β各相相对量：fgE’αβα=E’g/fg×100%β=fE’/fg×100%组织相对量：3、亚共晶合金3的结晶过程：结晶过程：室温组织：α+βⅡ＋（α+β）共晶相组成：α+β组织相对量：CE2（α+β）共晶α+βⅡα+βⅡ=C2/CE×100%（α+β）共晶=2E/CE×100%4、过共晶合金4的结晶过程：结晶过程：室温组织：β+αⅡ＋（α+β）共晶相组成：α+β组织相对量：相相对量：5、室温下的显微组织（三）共晶相图特例ABAB四、包晶相图（略）五、形成化合物的相图1、举例ABθAmBn2、举例六、共析相图温度LL+ααa1a2b1b2ABB%β1+β2β1β2dceα+β1α+β21、相图特点：[匀晶相图＋共析相图]2、共析反应：α→（β1+β2）共析3、相图分析：4、共析转变（与共晶转变相比）属固态转变，因而具有固态转变的特点：(1)所需过冷度大；(2)新旧相比容不同，转变产生较高内应力；(3)不均匀形核。七、合金性能与相图的关系1、使用性能与相图单相固溶体合金：与溶剂金属比，随溶质元素量的增加，其强度、硬度和电阻率升高，而电阻温度系数降低，并在某一成分下达到最大或最小值。ABB%→LL+αα温度强度硬度电阻电阻电阻温度系数电阻温度系数两相混合物合金：其物理、机械性能随成分呈直线变化。可以按组成相性能依百分比含量的关系叠加——混合法则例：某合金含70%α和30%β，又αHB＝200，βHB＝500则合金HB=200×0.7+500×0.3=290共析（共晶）组织合金：比一般两相混合物合金具有较高的机械性能以化合物为基体的合金：无工程应用价值强度温度ABB%→电阻电阻电阻温度系数电阻温度系数2、工艺性能与相图①铸造性能——流动性、收缩性、偏析倾向垂直温差↓L流动性↑枝晶偏析倾向↓分散缩孔倾向↓铸件缺陷↓铸造性↑单相固溶体合金？两相混合物合金？AB温度℃AB流动性ABB，％分散集中缩孔性质AB流动性AB温度℃分散集中ABB，％缩孔性质②锻造性（即压力加工性能）单相固溶体合金：σb低δ高可锻性↑双相合金：硬脆相↑σb↑δ↓可锻性↓AB123合金1：适合冷压力加工合金2、适合热压力加工合金3、适合铸造3、小结本章小结基本概念：合金、组元、相、组织；合金的相结构：固溶体（间隙固溶体、置换固溶体）和金属化合物（正常价化合物、电子化合物、间隙化合物）。二元相图：匀晶、共晶、共析相图——共晶点理解相、组织的计算——杠杆定律相图与使用性能和工艺性能的关系作业：P4511、12、14、20、21