合金的结构与二元状态图.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,机械制造基础,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,3,章 合金的结构与二元状态图,1 合金中的相结构,一、合金的基本概念,合金,:通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。,组元,:组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。,相,：在金属或合金中，凡,成分相同,、,结构相同,并与其它部分,有界面分开,的,均匀组成部分,，均称之为相,组织,：在金属和合金中，在显微镜下能观察到的,微观形貌,、,图象,称为组织，它是由单相物质或多相物质组合成的，具有一定形态特征的,聚合体,。,二、合金中的相结构,固态合金中的相结构根据晶体结构的不同特点分为：,固溶体,：在合金结晶时所形成的固相的晶格结构与合金的某一种组元的晶格结构相同。,（或以合金中某一组元为溶剂，其他组元为溶质，所形成的保持溶剂晶体结构的固相称为固溶体）,间隙化合物,：形成合金的组元相互作用并且所形成合金的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新物质。,1.固溶体,固溶体分类：,按溶质原子在溶剂点阵中的位置分:,置换固溶体,、,间隙固溶体,按溶解度分:无限固溶体、有限固溶体,按原子在点阵中排列的秩序性分:,无序固溶体,、,有序固溶体,1),置换固溶体：,溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。,有序固溶体在加热到某一临界温度时会转化为无序固溶体；而在极缓慢冷却至这一,温度,时可以向有序固溶体转化。称,有序转化,2),间隙固溶体：非金属元素,溶入到,溶剂金属晶体点阵,的间隙中形成的固溶体。,非金属元素：H,N,C,B,O,置换固溶体,间隙固溶体,溶质元素在固溶体中的溶解度,固溶体的浓度：,溶质原子溶于固溶体中的量。用重量百分比表示或原子百分比表示。,溶质元素在固溶体中的溶解度：,在一定条件下溶质元素在固溶体中的极限浓度。,通常不可能是100%，是有限度的，称,有限固溶体，,但是在有些元素间无论怎样配比都能形成均匀一致的单相固溶体，称为,无限固溶体。,只有在溶剂与溶质元素之间形成置换固溶体时，才有可能形成无限固溶体，而对于间隙固溶体只能形成有限固溶体。,影响固溶体溶解度的因素,原子尺寸因素：,原子半径差越小，易形成置换固溶体且固溶度越大。,晶体结构因素：组元间,结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体；,负电性因素(化学亲和力)：,负电性差越大（在周期表中远），溶解度大。（负电性差很大时，形成化合物）,电子浓度因素：,电子浓度e/a越大，溶解度越小。,c=e/a=xu+(1-x)v（,电子浓度：,合金中两个组元的价电子总数和原子总数之比,。）,固溶体的性能,当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，,强度、硬度,逐渐,升高,，而,塑性、韧性,有所,下降,，电阻率升高，导电性逐渐下降等，即,固溶强化,。,固溶强化：,通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度和硬度升高的现象。,原因,：溶质原子溶入后，引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而使位错移动时所受到的阻力增大。,2.金属间化合物,金属间化合物,：在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将析出新相，若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质，称为化合物,力学性能：,高硬度,、,高熔点,、,低塑性,类型：,正常价化合物：符合原子价规则的化合物，A,m,B,n,电子化合物（电子相）：按照一定电子浓度值形成。,间隙化合物：受原子,尺寸因素,控制。,2 二元合金状态图,一.,相图的相关概念,组元,：通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的物质称为组元。在所研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可称为组元，如Fe,3,C。,合金系,:由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系。如Pb-Sn系，Fe,3,C-Fe系,相图,:用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解，又称状态图或平衡图。,相图上所表示的组织都是,十分缓慢冷却,的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。,相图：用来表示合金系中成分、温度与相之间的关系。是表示合金系在平衡条件下，在不同温度、成分下各种关系的图解。,根据相图可以给出不同温度时合金的组织状态及其随成分改变的规律，因此相图是研究金属材料的一个重要依据。,二、二元相图的表示方法,二元合金相图的坐标,三、二元合金相图的测定方法,建立相图的方法：实验法、理论计算法,具体做法：,热分析法，以,CuNi合金为例,首先配制一系列不同成分的CuNi合金；,用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线；,找出各冷却曲线上的相变点；,将各个合金的相变点分别标注在温度成分坐标图中相应的合金垂线上。,连接各相同意义的相变点，所得的线称为相界线，这样就得到CuNi合金相图,上临界点：温度较高的临界点（转变开始的温度）,下临界点：温度较低的临界点（转变结束的温度）,相图分析,液相线：上临界点,的连线abc,固相线：下临界点的,连线abc,相区：液相区（L）、,固相区（）、,液固两相共存区,（L+）,相律,自由度：,指在保持合金系中相的数目不变的条件下，使合金系中可以独立改变的、影响合金状态的内部及外部因素的数目。,这些因素可以在一定范围内任意独立改变却不会影响到原有的共存相数和状态，即不会影响原有的平衡状态。,自由度f不能为负值，即f0,利用相律可以解决一些问题,如确定系统中最多存在的平衡相数：,对于单元系，,组元c=1,当f=0时，p=c-f+1=1-0+1=2;,即单元系中同时共存的平衡相数不超过两个；,对于二元系合金，,组元c=2,当f=0时，p=c-f+1=2-0+1=3,;即二元系中同时共存的平衡相数不超过3个；,三、二元状态图的基本类型分析,二元匀晶相图,二元共晶相图,二元包晶相图,具有共析转变的相图,二元匀晶相图,：,两组元在液态下无限互溶，固态下也无限互溶的合金相图。,二元合金系有：Cu-Ni，Au-Ag，Cr-Mo等,特点：结晶时发生,匀晶转变,，从液相结晶出单相的固溶体。,相图分析：,Cu,Ni,Ni%,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,L,L+,纯铜熔点,纯镍熔点,液相线,固相线,液相区,固相区,液固两相区,相图分析,平衡结晶,结晶过程分析,Ni-Cu合金为例,杠杆定律,或改写为：,=BC/AC100%,=BA/AC100%,设合金重量1，其中Ni的重量Cx,液相重量 、固相重量,由相图中可知该温度下该成分下合金液相中含Ni量C,L,固相中,含Ni量C,+=1,+=,C,x,解得：,固溶体合金中的枝晶偏析,实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分。扩散过程总是落后于结晶过程，合金结晶是在非平衡的条件下进行的。这使得,先结晶,出来的固溶体合金富含,高熔点组元,，构成晶体的树枝状骨架，,后结晶,出的部分富含,低熔点组元,较少，填充于枝间。这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为,枝晶偏析,或称,晶内偏析,。,出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能和加工工艺性能变坏。,出现枝晶偏析后，可通过,扩散退火（均匀化退火）,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。,先结晶，,不易浸蚀，,呈亮白色,易浸蚀,呈暗黑色,共晶转变：,由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。一般表达式是,点,：共晶点E，纯组元熔点,线,：液相线、固相线，共晶线，固溶线,区,：3个单相区，3个两相区，1个三相区,（3个两相区的水平接触线）,合金类型：固溶体合金，共晶型合金(亚共晶，共晶，过共晶),二元共晶相图分析,以Pb-Sn合金共晶相图为例，,对共晶相图的基本结构，,点、,线、区,进行基本介绍：,共晶反应：,1、点,2、线,3、区,CED水平线（一个特殊的相区）,L,+,a,2,0,0,C,o,wt%Sn,2,0,4,0,0,3,00,1,00,L,a,6,0,a,+,b,b,0,8,0,100,L,+,b,共晶,过共晶,160,m,m,175,m,m,b,b,b,b,b,b,a,a,a,a,a,a,亚共晶,共晶组织,结晶过程分析端部固溶体类合金,端部固溶体合金的室温平衡组织,室温组织：,+,结晶过程分析共晶合金,共晶点、共晶线、共晶温度、,共晶组织、共晶反应,室温组织：,+,（,次生相和细小且少，略）,两相的相对含量计算：,共晶温度时：,共晶组织金相图,片间距示意图,共晶合金室温平衡组织特征,基本特征：两相均匀并交替相间分布,根据合金组元的不同，共晶组织的形态各异，有层片状、棒状、球状、针状、螺旋状等。,结晶过程分析亚共晶合金(Wsn=0.3),亚共晶合金室温平衡组织特征,过共晶合金的结晶过程分析(Wsn=0.7),过共晶合金室温平衡组织特征,组织组成物与相组成物,区别：,组织组成物,：具有清晰轮廓的独立组成部分，指形态；一般是指用肉眼或显微镜观察到的具有某种形态特征的合金组成物；,相组成物,：具有确定的结构与成分，没有形态的概念，是系统中结构相同,成分及性能均一的组成部分,相与相之间的有界面分开.,例如：亚共晶合金,相图的,相,组成物,相图的,组织,组成物,相与组织,因此,相构成了组织.合金的组织可以由单相固熔体或金属间化合物组成,也可由一个固熔体和一个金属间化合物或两个固熔体和两个金属间化合物等组成.就是由于这些相的相对数量,形状,尺寸和分布的不同,才形成了各种各样的组织.如Pb-Sn共晶系合金,常温下只有和,而组织组成物却有五种:初生相和,共晶(+),次生相和.其中,和较粗大,和较细小,虽然同是一相,却是两种组成物,因为它们形态特征不同.,相构成了组织,但组织直接决定了合金的性能,故我们重视组织这个概念.,1)置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。,组成相或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织细小、均匀细密，强度达最高值。,原因：溶质原子溶入后，引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而使位错移动时所受到的阻力增大。,自由度：指在保持合金系中相的数目不变的条件下，使合金系中可以独立改变的、影响合金状态的内部及外部因素的数目。,三、二元状态图的基本类型分析,溶质元素在固溶体中的溶解度：在一定条件下溶质元素在固溶体中的极限浓度。,=BA/AC100%,出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能和加工工艺性能变坏。,铸造性能：根据液固相线之间的距离X,溶质元素在固溶体中的溶解度：在一定条件下溶质元素在固溶体中的极限浓度。,根据相图判断材料的工艺性能,伪共晶,在平衡条件下，只有共晶成分的合金能获得完全的共晶组织，其它任何偏离共晶成分的合金，在平衡结晶时都不能获得100%的共晶组织。,但,在不平衡的条件下,，成分位于共晶点附近的亚共晶或过共晶合金，也有可能获得全部的共晶组织。这种,非共晶成分的合金所获得的完全共晶组织称为伪共晶。,在非平衡结晶条件下，由于冷却速度较快产生过冷，当液态合金过冷到两条液相线的延长线所包围的区域时，就可获得完全的共晶组织。此时合金液中相和相都是过饱和的，所以结晶出 和的共晶组织。,伪共晶区随着冷速的增加而加大。,若当合金中两组元熔点相近时，伪共晶区呈对称分布，,两组元熔点相差很大时，伪共晶区将偏向高熔点组元一侧。,3.二元包晶相图,包晶转变,：由一个特定成分的固相,和液相L在恒温T,D,下生成另一个特定成分固相,的转变。表达式：,具有二元包晶转变的合金有：,Pt-Au、Cu-Sn、Cu-Zn等合金，,铂（Pt）-银（Au）相图是典型的二元包晶相图。,P,相图分析,成分在P、C两点之间的合金都要发生包晶反应，D点表示包晶点，对应的温度为包晶温度。,但在不平衡的条件下，成分位于共晶点附近的亚共晶或过共晶合金，也有可能获得全部的共晶组织。,组织：在金属和合金中，在显微镜下能观察到的微观形貌、图象称为组织，它是由单相物质或多相物质组合成的，具有一定形态特征的聚合体。,溶质元素在固溶体中的溶解度：在一定条件下溶质元素在固溶体中的极限浓度。,+,随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等，即固溶强化。,此时合金液中相和相都是过饱和的，所以结晶出 和的共晶组织。,X越大，热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大）。,1)置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。,影响固溶体溶解度的因素,即单元系中同时共存的平衡相数不超过两个；,一般是指用肉眼或显微镜观察到的具有某种形态特征的合金组成物；,2)间隙固溶体：非金属元素溶入到溶剂金属晶体点阵的间隙中形成的固溶体。,合金系:由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系。,溶质元素在固溶体中的溶解度：在一定条件下溶质元素在固溶体中的极限浓度。,点：共晶点E，纯组元熔点,自由度：指在保持合金系中相的数目不变的条件下，使合金系中可以独立改变的、影响合金状态的内部及外部因素的数目。,平衡结晶过程,室温平衡组织,包晶合金：,+,成分在d-p之间的合金：,+,+,+,成分在p-b之间的合金：,+,4.二元共析相图,3 相图与性能的关系,根据相图判断材料的,力学,和物理性能,溶质元素 晶格畸变,强度,、,硬度,（浓度50%时最大）,强度,与组成相或组织组成物的,形态,有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织细小、均匀细密，强度达最高值。）,根据相图判断材料的,工艺,性能,精品课件,！,精品课件,！,铸造,性能：根据液固相线之间的距离X,X越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差别大）；,X越大，流动性越差（因为枝晶发达）；,X越大，热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大）。,塑性加工,性能：选择具有单相固溶体区的合金。,热处理,性能：选择具有固态相变或固溶度变化的合金,感谢观看,