工程材料--合金的相结构和二元合金相图

rm / Rx<0.59 rm / Rx>0.59
成分 固定
不固定 不固定 不固定
晶胞 复杂 性能 硬、脆
由C电决定 简单
复杂
较硬、脆 很硬、脆 极硬、脆
举例 Mg2Si
Cu3Al
VC
Fe3C
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 T8 强化相：Cm(12%) HB=800
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
L
L+α
温
度
α
wk.baidu.com
强
度
硬
度
电阻
电
阻
温
电
度
阻
电阻温度系数
系 数
A
B% →
B
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
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、G 2、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。
3）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
形成 条件
正常价 化合物
电化学性 差别不大 时形成
电子 化合物
取决于电 子浓度
间隙化合物 间隙相 间隙化合物
正常晶格
晶格畸变
4）性能——固溶强化：强度和硬度提高的现象
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、SiC
2）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)=3/2
第四章 合金的相结构和二元合金相图
主要内容：
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
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
【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。
置 换 固 溶 体
Z
固溶体类型
间
隙
固
溶
Z
体
置换原子
间隙原子
Y Y
X X
3、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 ；
3、改善合金性能的思路：
大小、数量
改变强化相的
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。
β β= f4/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 ： f
E’
g
α α = E’g/fg× 100%
组织相对量 ：
β β= fE’/fg × 100%
双相区：L＋α
1083℃
L
L+ α α
1455℃
Cu
Ni%
Ni
2、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
LE TE (α+β)共
2）共晶（E）点：α、β相共同结晶时的温度和 成分点。
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。
片状 共晶体形态 粒状
杆状
4)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
（1）
Q ·X = QL ·X‘+ Qα·X“ （2）
（1）--（2）联立解得
温 度
x’
A
k
B k
x’’
x’
k x’’
x’k kx’’
QL
Qa
Cu x’
k x’’ Ni
Ni%
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 (%)=K X＇/ X"X＇×100% 举例：成分为60％Ni(40% Cu)合金500℃ 时各相相
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：P45 11、12、14、20、21
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：
C
2
E
（α+β）共晶
（α+β）共晶= 2E/CE× 100% α+βⅡ= C2/CE× 100%
α+βⅡ
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：
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
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】
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。
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。
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
5、室温下的显微组织
（三）共晶相图特例
A
BA
B
四、包晶相图（略） 五、形成化合物的相图
1、举例
2、举例
θ
A
AmBn
B
六、共析相图
L
b1
L+α
a1 温 a2
度
d β1
α +β1
α
b2
c β1 +β2
α +β2 e
β2
A
B
B%
1、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）
单相固溶体合金？
两相混合物合金？
温
温
度
度
℃ ℃
A
BA
B
流
流
动
动
性
性
A
BA
B
缩
孔 性
分散
质
集中
缩 孔 分散
性
质
集中
A
B
A
B，％
B
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：
σb ↑ 硬脆相↑
δ↓
可锻性↓
3、小结
A1 2
3
B
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
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
温 度
强 度
电 阻
A
电阻
电阻温度系数
B% →
电 阻 温 度 系 数
B
2、工艺性能与相图
① 铸造性能——流动性、收缩性、偏析倾向 L流动性↑
垂直温差↓ 枝晶偏析倾向↓
铸件缺陷↓
分散缩孔倾向↓ 铸造性↑
ED——过共晶
4、单相区：L、α、β 双相区：L+α、L+β、 α＋β
（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： f
4
g
α α = 4g/fg× 100% 组织相对重量： α= 4g/fg× 100%
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？
一、相图的建造（以Cu－Ni合金为例）
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
℃
100%Ni
温
80%Ni
度 60%Ni
40%Ni
20%Ni
100%Cu
时间
tB
L L+ α α
tA Cu 20 40 60 80 Ni
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
点： 线：液相线
固相线； 区：单相区：L 、α
【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。