第四章 二元合金.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,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 二元合金,相关概念,合金：,由两种或两种以上的元素组成，其中至少有一种为金属，组成具有金属性的材料称为合金。,组元：,通常把组成材料的最简单、最基本、能够独立存在的物质称为组元。组元大多数情况下是,元素,；在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,也可成为组元。,合金系：,由给定的组元以不同的比例配制成一系列成分不同的合金，这一系列合金就构成一个合金系。,相：,凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀组成部分，称之为相。在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分，可分为,固溶体,和,金属间化合物,两大类。,组织：,人们用肉眼或借助某种工具所观察到的材料形貌。它决定于组成相的类型、形状、大小、数量、分布等。,组织组成物：,组织中形貌相同的组成部分。,第一节 合金的相结构,一、,固溶体,定义：,当材料由液态结晶为固态时，组成元素间会象溶液那样互相溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其它元素原子的新相，称为,固溶体,。,与固溶体的晶格相同的组成元素称为,溶剂,，在固溶体中一般都占有较大的含量；,其它的组成元素称为,溶质,，其含量与溶剂相比为较少。,固溶体的分类,1,、按溶质原子在固溶体,(,溶剂,),晶格中的位置不同可分为：,1),置换固溶体,溶质原子取代了,部分,溶剂晶格中某些,节,点上的溶剂原子,而形成的固溶体,。,2),间隙固溶体,溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中，不占据晶格结点位置。,Z,X,Y,置换原子,Y,X,Z,置换固溶体,间隙原子,间隙固溶体,2.,按溶解度,(,固溶度）,溶质原子溶于固溶体中的量称为固溶体的浓度，一般用重量百分比表示，即,也可以用原子百分比表示，即,1),无限溶解固溶体,溶质可以任意比例溶入溶剂晶格中。,构成无限,固溶体,。这是把含量较高的组元称为溶剂，含量较少的组元称为溶质。,2),有限溶解固溶体,溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度，超过这个限度就会有其它相,(,另一种固溶体或化合物,),的形成。,固溶体的分类,影响,置换固溶体,溶解度的因素,在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度叫该元素在固溶体中的,溶解度,。,1,尺寸因素,溶质原子的尺寸和溶剂相近，,r,越小，,溶解度也愈大。,r,小于,15%,时,(,0.85,r,质,/,r,剂,1.15),有利于形成溶解度,较,大的固溶体,.,尺寸差大，引起的晶格畸变大，晶格畸变能就越高，晶格便越不稳定。溶入的原子越多，畸变能越高，直到溶剂的晶格不能再维持，达到固溶度极限。,2,晶体结构类型,组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且才有可能形成无限固溶体。若组元间的晶体结构不同，便只能生成有限固溶体。,3,负电性差,负电性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离子的能力。,反映两元素的化学性能差别。,两元素间负电性差越小，则越容易形成固溶体，且所形成的固溶体的溶解度也就越大；随两元素间电负性差增大，溶解度减小，当其差别很大时，往往形成较稳定的化合物。,影响,置换固溶体,溶解度的因素,4,电子浓度,在金属材料,(,合金,),中，价电子数目,(e),与原子数目,(a),之比称为电子浓度。由于溶质和溶剂的价电子数可能不同，电子浓度,e/a=V,A,(1-x)+,V,B,x,。,其中,x,为溶质的原子百分比浓度,(,摩尔分数,),，,V,A,、,V,B,分别为溶剂和溶质的价电子数。,一方面，溶质和溶剂的价电子数目相差大，它们的负电性的差别也大，溶解度会下降。,另一方面，当,e/a,为某些特定值时形成一新的晶体结构，因此它们的溶解度也就受到相应的限制。,影响,置换固溶体,溶解度的因素,影响,间隙固溶体,溶解度的因素,与溶质原子尺寸因素,有关,形成的基本条件,r,质,/r,剂,0.59,。,在间隙固溶体中，显然,r,质,/r,剂,愈小，即溶质原子的尺寸愈小，溶解度也大。,溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体，间隙固溶体仍保持着溶剂金属的晶格类型。,间隙固溶体都是有限溶解固溶体。在金属材料中，通常是过渡族金属元素为溶剂，小尺寸的,C,、,N,、,H,、,O,、,B,等元素为溶质。,与溶剂的晶格类型有关,面心立方晶格的固溶度比体心立方晶格大。,固溶体的结构特点：,晶格畸变的大小可由晶格常数的变化来反映。,随固溶体中溶质原子浓度的增加，晶格常数基本上呈,直线变化规律,。,对于,置换固溶体,，,若溶质原子尺寸,大于,溶剂原子，则使周围晶格发生膨胀位移，,晶格常数将出现,正偏差,；,反之，若溶质原子尺寸,小于,溶剂原子，将引起收缩，晶格常数出现,负偏差。,在,间隙固溶体,中，溶质原子尺寸多大于点阵间隙，故通常使晶格发生膨胀变化，晶格,常数随溶质原子浓度提高而增加。,晶格畸变,在固溶体中，由于溶质原子的存在及其尺寸差别，将使周围溶剂原子排列的规律性在一定范围内受到不同程度的干扰，并引起弹性应变,晶格畸变,。,固溶体的性能特点,由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上与原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的性能主要决定于溶剂的性能，或在溶剂性能基础上发生一些改变。,2,）固溶体的性能与原溶剂性能的差别，或称性能变化的大小，随着溶质的浓度,(,含量,),的增加而加大。,3,）,以金属元素为溶剂的固溶体，随着溶质的溶入，强度将提高，称为,固溶强化,，溶质的溶入可造成晶格畸变，材料的塑性变形的阻力加大，同时塑性略有下降，但不明显。在材料中是有效提高金属材料力学性能的途径之一。,金属间化合物,一、化合物（中间相）概念,金属间化合物,是构成的,组元相互作用，生成不同与任何组元晶体结构的新物质。它们的位置都在相图的中间，所以也称为,中间相,。,金属间化合物结构的特点,一是有基本固定的原子数目比，可用化学分子式表示，,二是晶体结构不同于其任何组元。,金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。当合金中出现金属间化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性,二、金属间化合物的类型,1.,正常价化合物,两组元服从原子价规律而生成的化合物。通常是,金属元素,与,非金属元素,组成，组元间负电性差起主要作用，两组元间负电性差较大。,特点：,它们符合一般化合物的原子价规律，有严格的化合比，成份固定不变，可用化学式表示。较高的硬度，脆性较大。,例如,MnS,、,Al,2,O,3,、,TiN,、,ZrO,2,等，其结合键为离子键；也有的是共价键，如,SiC,；少数也有以金属键结合,如,Mg,2,Pb,。,2.,电子化合物,由第,族或过渡族金属元素与第,至第,族金属元素结合而成。这类中间相与电子浓度有关，当,e/a,为某些特定值时形成一新的晶体结构,，,并且电子浓度不同，其对应的晶体结构的类型也就不同,。,常见的电子浓度值有,3/2,（,21/14,）、,21/13,、,7/4,（,21/12,）。,二、金属间化合物的类型,特点：,晶体结构与电子浓度有关，它们也可以用分子式表示，但大多不符合正常化学价规律。高熔点和硬度，但脆性大。,3.,间隙化合物,（,1,）,间隙相：,当,r,X,/r,M,0.59,时，形成的化合物的晶体结构也较复杂，通常称为,间隙化合物,，相应的分子式也较复杂，如,M,3,C(Fe,3,C),、,M,7,C,3,(Cr,7,C,3,),、,M,23,C,6,(Cr,23,C,6,),等。,二、金属间化合物的类型,特点：,高的熔点和硬度，,但加热时易分解,。,间隙,化合物为溶剂,的固溶体,Fe,3,C,中溶入一定的,Mn,，形成合金渗碳体,(Fe,Mn),3,C,三,、,金属化合物的性能特点,大多数化合物，特别是正常价化合物，熔点都较高,(,结合键强的表现之一,),，力学性能表现为,硬而脆。,第二节 二元合金相图,相与相图,相,：,凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀组成部分，称之为相。,相图,：,相图又称为状态图，相图是利用图解方法表示合金的状态与温度、成分间的关系的图解，是表示合金系在平衡条件下，在不同温度、成分下的各相关系的图解。,二元相图的表示方法,1,、单元系相图,只用一根温度轴表示。,2,、二元系相图,用两个坐标轴表示，横坐标表示成分，纵坐标表示温度。在成分和温度坐标平面上任意一点成为表象点。,二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的，临界点表示物质结构状态发生本质变化的相变点,.,二元相图,主要是通过实验测定的，且测定,二元相图,的方法很多，但应用最多的是热分析法。,建立二元合金相图的具体步骤如下,：,（,1,）配制不同成分的合金试样,（,2,）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点,（,3,）将各临界点绘在温度,合金成分坐标图上,（,4,）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到合金相图。,二元合金相图的测定方法,二元合金相图的测定方法,测定时所配制的合金数目越多、所用金属纯度越高、测温精度越高、冷却速度越慢，则所测得的相图越精确。,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,两组元在液态、固态均无限互溶，冷却时发生匀晶反应,(,结晶,),的合金系，构成,匀晶相图。,具有这类相图的二元合金系主要有：,Cu-Ni,、,Au-Ag,、,Pt-,Rh,、,Fe-Cr,、,Cr-Mo,、,Fe-Ni,等。,这类合金结晶时，都是从液相结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。,Cu,Ni,Ni%,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,L,L+,匀晶相图,点：纯,Cu,熔点、纯,Ni,熔点,线：液相线、固相线,相区：单相区,L,、,，,两相区,L+,匀晶合金的结晶过程,a,b,T,C,t,L,L,L,匀晶转变,L,冷却曲线,Cu,Ni,Ni%,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,L,L+,T,1,T,2,匀晶合金的结晶过程中的,特点：,结晶在一温度范围内进行。,只有在温度不断下将时固体量才增加，温度不变，液固数量维持平衡不变。,与纯金属结晶一样由形核和长大来完成,结晶过程，实际进行在一定的过冷度下。,2.,结晶过程中液相和固相的成分不同，并且在不断变化。,杠杆定律,Cu,Ni,Ni%,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,L,L+,1,2,a,c,b,a1,b1,c1,T,1,T,2,1.,在两相区内，对应每一确定的温度，两相的成分是确定的,。,2.,随着温度的降低，两相的成分分别沿液相线和固相线变化。,杠杆定律,：,在两相区内，对应每一确定的温度,T1,，两相质量的比值是确定的。即,Q,L,/Q,=b,1,c,1,/a,1,b,1,杠杆定律推论：,在两相区内，对应温度,T1,时两相在合金,b,中的相对质量各为,Q,L,/Q,H,=b,1,c,1,/a,1,c,1,Q,/Q,H,=a,1,b,1,/a,1,c,1,=1-,Q,L,/Q,H,例：求,30%Ni,合金在,1280,时相的相对量,Cu,Ni,Ni%,T,C,20,40,60,80,100,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1083,1455,L,L+,a,c,30,a1,b1,c1,1280,C,解：作成分线和温度线如图。,66,18,根据杠杆定律推论，,Q,/,Q,H,=a,1,b,1,/a,1,c,1,=12/48=1/4,答：所求,合金在,1280,时相的相对质量为,1/4,。,晶内偏析的程度决定于：,相图中液,固相线相距愈远，组元元素原子的迁移能力愈低,(,扩散系数小,),，冷却速度愈大，造成的晶内偏析将愈严重。,消除偏析的方法,：,前两条原因是不可,更改,的，但并不是采用慢速冷却，因为慢速冷却会使晶粒变大，最高和最低成分之间的距离加大消除更困难，而是,快速冷却，,细化晶粒，会带来晶内的偏析，即宏观均匀,而,微观有大的差别，凝固后重新加热到略低于熔点温度，进行一段时间的保温，让原子在这时进行扩散迁移，达到均匀，这,种,方法称为,均匀化退火,。,固溶体不平衡结晶,快速冷却时在一个晶粒内部先后结晶的成分有差别，所以称为,晶内偏析,，金属的晶体往往以树枝晶方式生长，偏析的分布表现为不同层次的枝晶成分有差别，因此这种偏析又称,枝晶偏析,。,晶内偏析,Pb,Sn,Sn,%,T,C,铅,-,锡合金共晶相图,液相线,L,固相线,+,L,+,L,+,固溶线,固溶线,共晶相图,两组元在液态无限溶解，在固态有限溶解，且冷却过程中发生共晶反应的相图，称为共晶相图。,如,Pb-Sn,、,Pb,-,Sb,、,Ag-Cu,三个单相区：,液相区,L,，固相,和,相区,三个两相区：,L+,区，,L+,区，,+,区；,一个三相共存区：,MEN,一条液相线：,AEB,一条固相线：,AMENB,两条固溶线：,固溶线,MF,为,Sn,在,Pb,中的固溶线。,固溶线,DG,为,Pb,在,Sn,中的固溶线。,M,N,E,A,B,F,G,是溶质,Sn,在,Pb,中的固溶体,是溶质,Pb,在,Sn,中的固溶体。,固溶体的溶解度随温度降低而下降。,共晶转变分析,Pb,Sn,T,C,L,+,L,+,L,+,共晶反应线,MEN,表示从,M,点到,N,点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。,M,N,共晶点,E,表示,E,点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。,E,L,E,M,+,N,这种具有一定成分的液体,L,E,在一定温度,(,共晶温度,),下同时结晶出两种固体,(,M,+,N,),的反应叫做,共晶反应,，所生成的产物称,共晶体,或,共晶组织,。,共晶反应要点,共晶转变在恒温下进行。,转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。,存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。,成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。,A,Pb,Sn,Sn,%,T,C,L,+,L,+,L,+,M,N,E,B,F,G,I,II,III,亚共晶合金,成分在,ME,之间的合金,共晶合金,成分在,E,点的合金,过共晶合金,成分在,EN,之间的合金,固溶体合金,成分位于,M,点以左或,N,点以右的合金,IV,V,A,Pb,Sn,Sn,%,T,C,L,+,L,+,L,+,M,N,E,B,F,G,成份在,AF,之间的合金结晶过程分析,X,1,T,C,t,L,L,L,L,+,冷却曲线,1,2,3,L,L+,转变过程完全同固溶体，最后组织为单相固溶体。,X,1,T,C,t,L,L,L,L,+,冷却曲线,+,1,2,3,4,成份在,FM,之间的合金结晶过程分析,L,L+,+,II,A,Pb,Sn,Sn,%,T,C,L,+,L,+,L,+,M,N,E,B,F,G,成份在,FM,之间的合金结晶特点,T,C,t,L,L,L,L,+,冷却曲线,+,1.,没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相,固相。,2.,要经过脱溶反应，室温,组织组成物,为,+,共晶合金结晶过程分析,X,2,T,C,t,L,(+),L,(+),L,L,(+),共晶体,冷却曲线,(+),A,Pb,Sn,Sn,%,T,C,L,+,L,+,L,+,M,N,E,B,F,G,亚共晶合金结晶过程分析,X,3,T,C,t,L,L,+,(+),+,+,1,2,(+),+,Pb,Sn,T,C,L,+,L,+,L,+,183,c,e,d,L,+,(+),+,标注了组织组成物的相图,在亚（过）共晶合金中，若初生相与剩余液相密度相差较大，则初生相会上浮或下沉，产生偏析现象，称为,比重偏析,。,比重偏析与,合金组元的密度差,、,相图的结晶的成分间隔,及,温度间隔,等有关。,比重偏析的,预防,：,加快冷却速度，使初生相来不及上浮或下沉,加入合金元素，形成高熔点的与液相密度相近的化合物，在结晶时先析出，构成化合物骨架，阻止随后的初生相上浮或下沉。,比重偏析,包晶相图,包晶转变,:,一定成分的液相和一定成分的固相在一定的温度下生,成一定成分的固相的反应称为包晶反应。,L,C,+,P,D,Pt,Ag,Ag%,T,C,L,+,L,+,L,+,T,C,t,L,L,+,L,+,+,包晶相图：,液态完全互溶，固态有限互溶，并发生包晶转变的相图。,A,B,C,D,P,E,F,包晶相图,合金,II,的平衡结晶过程,室温组织为 ,包晶相图,合金,III,的平衡结晶过程,室温组织为 ,由于包晶转变不能充分进行而产生化学成分不均匀的现象称为,包晶偏析,。,包晶偏析,成分在,PD,之间的合金，由于包晶转变的不充分，在,相的晶界处会有液体直接凝固生成的,相存在。,成分在,DC,之间的合金，本来不应该有剩余的,相，,由于包晶转变的不充分，在,相的晶体内部将会有残留的,相存在。,在生产中，可以采用在结晶后进行长时间,扩散退火,，使原子得以充分扩散来减少或消除包晶偏析。,4,、具有共析转变的相图,共析转变,共析转变：,一定成分的固相在一定温度下同时转变为另外两个固相的过程。,相图与材料性能,(,力学、物理,),的联系,单相固溶体的合金：,性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，,、,HB,、,增加，塑性下降。,2.,两相机械混合物的合金,:,性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值。,3.,形成稳定化合物的合金：,性能,-,成分曲线出现拐点。,