第四节合金的结构与相图.ppt

合金：合金：一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金合金。组元：元：组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元元。组元可以是金属、非金属元素或元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。定化合物。由两个由两个组元元组成的合金称成的合金称为二元合金，二元合金，例如工程上常用的例如工程上常用的铁碳合金、碳合金、铜镍合金、合金、铝铜合金等。合金等。二元以上的合金称二元以上的合金称多元合金多元合金有关合金的基本概念有关合金的基本概念合金相（相）：合金相（相）：金属或合金中凡金属或合金中凡成分相同成分相同、结构相同构相同，并与其它部分有并与其它部分有界面分开界面分开的均匀的均匀组成部分。成部分。如果合金如果合金仅由一个相由一个相组成，称成，称为单相合金；相合金；如果合金由二个或二个以上的不同相所构成如果合金由二个或二个以上的不同相所构成则称称为多相合金多相合金1-固固态合金中的相合金中的相结构构的铜锌合金的组织由相单相组成；含38的铜锌合金的组织由和液液态物物质为液相，液相，固固态物物质为固相。固相。相与相之相与相之间的的转变称称为相相变。在固在固态下，下，物物质可以是可以是单相的，也可以是由多相相的，也可以是由多相组成的。由数量、形成的。由数量、形态、大小和分布方式、大小和分布方式不同的各种相不同的各种相组成合金的成合金的组织。组织是指用肉眼或是指用肉眼或显微微镜所所观察到的材察到的材料的微料的微观形貌。由不同形貌。由不同组织构成的材料构成的材料具有不同的性能。具有不同的性能。单相相合金合金两相两相合金合金2-3-合金中有两合金中有两类基本相：基本相：固溶体固溶体和和金属化合物。金属化合物。1、固溶体：、固溶体：指溶指溶质原子溶入溶原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶晶格中而仍保持溶剂类型的型的合金相合金相，这类固相称固相称为固溶体。固溶体。习惯以以、表示。表示。与合金晶体与合金晶体结构相同的元素称构相同的元素称溶溶剂。其它元素称其它元素称溶溶质。固溶体是合金的重要固溶体是合金的重要组成相，成相，实际合金多是合金多是单相固溶体合金相固溶体合金或或以固溶体以固溶体为基的合金基的合金。特征：特征：总是以一种金属元素是以一种金属元素为溶溶剂，另一种或多种元素，另一种或多种元素为溶溶质。保有溶保有溶剂的晶格的晶格结构。构。成分可在一定范成分可在一定范围内内变化，性能随成分的化，性能随成分的变化而化而变化化产生晶格畸生晶格畸变。4-（一）固溶体的（一）固溶体的结构与分构与分类：按溶按溶质原子所原子所处位置分位置分为置置换固溶体固溶体和和间隙固溶体隙固溶体。置置换固溶体：固溶体：溶溶质原子占据溶原子占据溶剂晶格某些晶格某些结点位置所形成点位置所形成的固溶体。溶的固溶体。溶质原子呈无序分布的称原子呈无序分布的称无序固溶体，无序固溶体，呈有序分呈有序分布的称布的称有序固溶体。有序固溶体。黄黄铜置置换固溶体固溶体组织5-ZXY置置换固固溶溶体体置置换原子原子6-间隙固溶体隙固溶体溶溶质原子嵌入溶原子嵌入溶剂晶格晶格间隙所形成的固溶体。隙所形成的固溶体。形成形成间隙固溶体的溶隙固溶体的溶质元素是原子半径元素是原子半径较小的非金属元素，小的非金属元素，如如C、N、B等，而溶等，而溶剂元素一般是元素一般是过渡族元素。渡族元素。形成形成间隙固溶体的一般隙固溶体的一般规律律为r质/r剂0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。隙固溶体都是无序固溶体。7-固溶体固溶体类型型间隙原子隙原子间隙隙固固溶溶体体YXZ8-根据溶根据溶质元素在固溶体中的溶解度，可把固溶体分元素在固溶体中的溶解度，可把固溶体分为：有限固溶体：有限固溶体：溶溶质元素在固溶体中的溶解度有一定限制元素在固溶体中的溶解度有一定限制（100%）。）。无限固溶体：无限固溶体：溶溶质在溶在溶剂可以任何比例形成置可以任何比例形成置换固溶体，固溶体，溶溶质元素在固溶体中的溶解度没有有限制元素在固溶体中的溶解度没有有限制只有在溶只有在溶质与溶与溶剂元素元素间形成形成置置换固溶体固溶体时，才有可能形，才有可能形成成无限固溶体无限固溶体；而而对于于间隙固溶体，隙固溶体，则只能形成只能形成有限固溶体有限固溶体。如如铜和和锌、铜和和锡都能形成有限固溶体。都能形成有限固溶体。9-1、晶体晶体结构构一般情况下，晶格一般情况下，晶格结构相同的元素之构相同的元素之间具有具有较大的溶解度，而晶格大的溶解度，而晶格结构不同的元素之构不同的元素之间溶解度溶解度较小。小。影响固溶体影响固溶体结构形式和溶解度的因素构形式和溶解度的因素10-2、原子大小、原子大小 d溶溶剂-d溶溶质溶溶剂与溶与溶质的原子直径差的原子直径差别：100%d溶溶剂当二者差当二者差别较小小时，即溶，即溶剂与溶与溶质的原子直径相近，易形的原子直径相近，易形成置成置换固溶体，且二者的尺寸差固溶体，且二者的尺寸差别越小，所形成的固溶体越小，所形成的固溶体的溶解度越大，当的溶解度越大，当尺寸差尺寸差别小于某一数小于某一数值时，而且溶，而且溶质与与溶溶剂的晶格的晶格结构也相同，将形成无限固溶体。如构也相同，将形成无限固溶体。如铁和和铬、铜和和镍便能形成无限固溶体。便能形成无限固溶体。而当原子而当原子尺寸差尺寸差别大于大于15%时，不大可能形成置，不大可能形成置换固溶体。固溶体。11-溶溶质的原子比溶的原子比溶剂原子大，将周原子大，将周围溶溶剂原子将向四周原子将向四周挤出，出，在固溶体的晶格在固溶体的晶格结构中引起构中引起正畸正畸变。溶溶质的原子比溶的原子比溶剂原子小，周原子小，周围溶溶剂原子将向溶原子将向溶质原子靠原子靠拢，在固溶体的晶格在固溶体的晶格结构中引起构中引起负畸畸变。12-因因为原子尺寸差原子尺寸差别较大大时，形成固溶体所造成的晶格畸，形成固溶体所造成的晶格畸变（无（无论是正畸是正畸变还是是负畸畸变）较大，晶格畸大，晶格畸变能也能也较大，大，固溶体晶格固溶体晶格结构的构的稳定性定性较差。差。同同样，形成，形成间隙固溶体隙固溶体时，只能引，只能引起固溶体晶格起固溶体晶格产生生正畸正畸变，显然，然，溶溶质原子的尺寸越小原子的尺寸越小，溶溶剂晶格的晶格的间隙尺寸越大隙尺寸越大，形成，形成间隙固溶体隙固溶体时所造成的晶格畸所造成的晶格畸变和畸和畸变能越小，能越小，间隙固溶体越容易形成，其溶解度隙固溶体越容易形成，其溶解度也就越大。也就越大。13-反之，不易形成反之，不易形成间隙固溶体。当溶隙固溶体。当溶质原子尺寸原子尺寸较大大时，完，完全不能形成全不能形成间隙固溶体。隙固溶体。3、负电性性负电性性是指原子从其他原子是指原子从其他原子夺取取电子子变为负离子的能力。离子的能力。当两种元素在周期表中的位置相距越当两种元素在周期表中的位置相距越远，其，其负电性相差越性相差越大，它大，它们之之间的化学的化学亲和力越和力越强，越，越倾向于形成化合物，向于形成化合物，而不利于形成固溶体，所形成的固溶体的溶解度也越小。而不利于形成固溶体，所形成的固溶体的溶解度也越小。4、电子子浓度度合金中，价合金中，价电子数目子数目e与原子数目与原子数目a之比，称之比，称为电子子浓度度e/a。14-当溶当溶质原子原子对固溶体固溶体贡献的价献的价电子数与溶子数与溶剂不同不同时，随着溶，随着溶质原子的原子的进入，将使固溶体晶格中的入，将使固溶体晶格中的电子子浓度度以及以及电子云子云结构构发生生变化，化，显然溶然溶质原子所占的比率越高，固溶体晶格的原子所占的比率越高，固溶体晶格的电子子浓度改度改变越大，达到一定程度越大，达到一定程度时，固溶体晶格就不，固溶体晶格就不稳定，定，易形成新的相。易形成新的相。因此，因此，固溶体只能固溶体只能稳定在一定的定在一定的电子子浓度范度范围内内，如，如对于溶于溶剂为1价金属的固溶体，若固溶体具有价金属的固溶体，若固溶体具有面心立方晶格面心立方晶格，则极极限限电子子浓度度值为1.36；若固溶体具有；若固溶体具有体心立方晶格体心立方晶格，则极限极限电子子浓度度值为1.48。15-5、温度、温度固溶体的溶解度受温度的影响固溶体的溶解度受温度的影响较大，一般大，一般温度越高，固溶体的溶解度越大。如，奥氏体温度越高，固溶体的溶解度越大。如，奥氏体在在727能溶解能溶解0.77%的碳，而在的碳，而在1148则能能溶解溶解2.11%的碳。的碳。16-(四四)固溶体的性能固溶体的性能当溶当溶质元素的含量极少元素的含量极少时，固溶体的性能与溶固溶体的性能与溶剂金属基金属基本相同。本相同。随着溶随着溶质元素含量的升高，元素含量的升高，固溶体的性能固溶体的性能发生明生明显变化，表化，表现在在强度、硬度升高，塑性、度、硬度升高，塑性、韧性有所下降，性有所下降，固固溶溶强化。化。固溶固溶强化的机理：化的机理：溶溶质原子溶入后，引起溶原子溶入后，引起溶剂金属的晶金属的晶格畸格畸变，使位，使位错运运动受到阻碍。受到阻碍。固溶固溶强化是材料的一种主要的化是材料的一种主要的强化途径。化途径。实践表明：践表明：适当掌握固溶体中的溶适当掌握固溶体中的溶质含量，可以在提高含量，可以在提高金属材料的金属材料的强度、硬度的同度、硬度的同时，使其仍能保持相当好的塑性，使其仍能保持相当好的塑性和和韧性。性。例如，向例如，向铜中加入中加入19%镍，可使合金的，可使合金的强度极限由度极限由220MN/m2升高至升高至380400MNm2，硬度由，硬度由HB44升高至升高至HB70，而塑性仍然保持，而塑性仍然保持=50%。若将。若将铜通通过其它途径其它途径(例如例如冷冷变形形时的加工硬化的加工硬化)获得同得同样的的强化效果，其塑性将几乎完化效果，其塑性将几乎完全全丧失。失。17-二、金属二、金属间化合物化合物合金合金组元之元之间发生化学反生化学反应，形成晶体，形成晶体结构不同于任一构不同于任一组元的新相，称元的新相，称为化合物。化合物。如：如：Fe3C,CuZn,Cu5Sn,FeS,MnS 等等金属金属间化合物化合物一般化合物一般化合物离子离子键金属金属键金属金属间化合物可以作化合物可以作为合金的合金的组成相（成相（强化相），而化相），而非金属化合物在合金中大多属于有害非金属化合物在合金中大多属于有害杂质。如。如FeS在在钢中中引起引起热脆。脆。合金中，溶合金中，溶质含量超含量超过固溶体的溶解度固溶体的溶解度时将出将出现新相，新相，如新相的晶格如新相的晶格结构与合金中另一构与合金中另一组成元素相同，成元素相同，则新相是新相是以另一以另一组元素元素为溶溶剂的固溶体。新相的晶格的固溶体。新相的晶格结构不同于任构不同于任一一组成元素，成元素，则新相是新相是组成元素成元素间相互作用而生成的一种相互作用而生成的一种新物新物质，属于化合物。，属于化合物。18-1、金属、金属间化合物的化合物的组织与性能特点与性能特点金属金属间化合物化合物具有复具有复杂的晶格的晶格结构，熔点高，硬而脆，其构，熔点高，硬而脆，其在合金中的分布形在合金中的分布形态对合金的性能影响很大，当金属合金的性能影响很大，当金属间化化和物以和物以大大块状或成片状状或成片状形形态分布分布时，合金的，合金的强度、塑性均度、塑性均很差；当金属很差；当金属间化合物呈化合物呈弥散状弥散状质点点分布分布时，合金的，合金的强度度高，塑性、高，塑性、韧性性较好。好。2、金属、金属间化合物的种化合物的种类a、正常价化合物：、正常价化合物：服从原子价服从原子价规律，律，负电性因素起主要性因素起主要作用，作用，这类化合物成份固定，可用化学式表示，不能形成化合物成份固定，可用化学式表示，不能形成化合物基固溶体，具有很高的硬度和脆性。化合物基固溶体，具有很高的硬度和脆性。如：如：Mg2Si,Mg2Sn,Mg2Pb 等。等。19-b、电子化合物：子化合物：不遵守原子价不遵守原子价规律，而服从律，而服从电子子浓度度规律，律，即当合金的即当合金的电子子浓度达到某一数度达到某一数值时，便形成具有某种，便形成具有某种结构的化合物。构的化合物。一般：一般：电子子浓度度=3/2（21/14），形成体心立方晶格的），形成体心立方晶格的相相电子子浓度度=21/13，形成复形成复杂立方晶格的立方晶格的相相电子子浓度度=7/4（21/12），形成密排六方晶格的），形成密排六方晶格的相相但但电子子浓度不是决定度不是决定电子化合物子化合物结构的唯一因素，构的唯一因素，组成元素的成元素的原子大小原子大小及其及其电化学性化学性质，对其其结构也有影构也有影响。响。20-电子化合物的成分子化合物的成分不是固定的，而在一定范不是固定的，而在一定范围内内变化，化，电子化合物可以溶解一定量的子化合物可以溶解一定量的组元，形成以元，形成以电子化合物子化合物为基基的固溶体。的固溶体。电子化合物晶格子化合物晶格中各中各组成元素的原子成元素的原子间多呈无序分布。但多呈无序分布。但有些合金有些合金电子化合物自高温冷却到某一温度以下子化合物自高温冷却到某一温度以下时，将，将转变为有序分布。有序分布。电子化合物子化合物的熔点和硬度都很高，但塑性很差，因此与正的熔点和硬度都很高，但塑性很差，因此与正常价化合物一常价化合物一样，一般只能作，一般只能作为强化相存在于合金中。化相存在于合金中。C、间隙化合物：隙化合物：由原子直径由原子直径较大的大的过渡族元素与原子直渡族元素与原子直径很小的径很小的C、N、B等元素等元素组成，成，过渡族元素的原子占据晶渡族元素的原子占据晶格的正常位置，尺寸格的正常位置，尺寸较小的非金属元素原子有小的非金属元素原子有规则地嵌入地嵌入晶格空隙中，形成晶格空隙中，形成间隙化合物隙化合物。21-间隙相（隙相（简单晶格晶格结构）构）当非金属元素原子与当非金属元素原子与过渡族金属元素原子直径的比渡族金属元素原子直径的比值（d非非/d过）0.59时，形成的，形成的间隙化合物一般具有隙化合物一般具有复复杂的晶格的晶格结构，称构，称为间隙化合物隙化合物。如：如：Fe3C,dC/dFe=0.61,正交晶格正交晶格Fe3C称称渗碳体，渗碳体，是是钢中重要中重要组成相，具有复成相，具有复杂斜方晶斜方晶格。格。22-渗碳体渗碳体(Fe3C)晶格晶格结构示意构示意图间隙相隙相VC的的结构构23-二元合金相二元合金相图的建立的建立一、一、基本概念基本概念1、相、相图：合金系的温度合金系的温度-成分成分图，表示合金系中各个合，表示合金系中各个合金的金的结晶晶过程的平衡程的平衡图（或状（或状态图）。）。2、相平衡：、相平衡：在合金系中，参与在合金系中，参与结晶或相晶或相变过程的各相程的各相之之间的相的相对重量和相的重量和相的浓度不再改度不再改变时所达到的一种平所达到的一种平衡状衡状态。24-3、相、相变：一种相一种相转变为其它相的其它相的过程。程。相相图中的中的线条（相条（相线）表示相表示相转变温度和平衡相的成分。温度和平衡相的成分。被相被相线所划分的区域称所划分的区域称为相区。相区。图3-9Pb-Sn相相图根据合金相根据合金相图：1）看到不同成分的合金）看到不同成分的合金在室温下的平衡在室温下的平衡组织；2）可以了解它从高温液）可以了解它从高温液态以极以极缓慢冷却速度冷却慢冷却速度冷却到室温所到室温所经历的各种相的各种相变过程；程；3）能）能预测其性能的其性能的变化化规律。律。相相图已成已成为研究合金中研究合金中各各种种组织形成和形成和变化化规律律的的重要工具。重要工具。25-二、二元合金相二、二元合金相图的建立方法的建立方法临界点：界点：合金从一种相合金从一种相态转变为另一种相另一种相态的的起始温度起始温度。物理意物理意义相同的相同的临界点界点连接起来就构成接起来就构成相相线，所以相，所以相图的建立就是的建立就是测定不同成分合定不同成分合金的金的临界点。界点。临界点的界点的测定是通定是通过实验进行行的，常用的方法有的，常用的方法有热分析法，分析法，X射射线分析法，分析法，金相金相组织法，硬度法，法，硬度法，电阻法，阻法，热膨膨胀法，法，磁性法磁性法等。等。26-1、配制不同成分的合金、配制不同成分的合金精确精确测定一个相定一个相图常需要常需要选用几种方法相互配合，取用几种方法相互配合，取长补短。短。热分析法是常用的方法，它是通分析法是常用的方法，它是通过测定合金的冷却曲定合金的冷却曲线来来测定定临界点，具体步界点，具体步骤如下：如下：2、分、分别测出其中合金的冷却曲出其中合金的冷却曲线，得到相，得到相变临界点界点3、将、将临界点界点对应地地绘在成分在成分-温度温度图上上4、将同、将同类临界点界点连接起来，即可接起来，即可绘出出该合金系的相合金系的相图。27-CuNiABLL+温度温度kt x112233 44 Cu-Ni 合金相合金相图杠杆定理杠杆定理28-PbSnabcdefgLL+L+Pb-Sn 合金相图+29-分析二元合金相分析二元合金相图时应注意以下注意以下规律：律：1、相相图中的每一点都代表某一成分的合金在某中的每一点都代表某一成分的合金在某一温度下所一温度下所处的状的状态，也称，也称为表象点表象点。2、单相区中，相的成分即是合金的成分。相区中，相的成分即是合金的成分。30-3、两个两个单相区之相区之间一定存在着一个两相一定存在着一个两相过渡区渡区，在两相在两相过渡区中，两相渡区中，两相处于平衡状于平衡状态，两相，两相的成分可以由通的成分可以由通过表象点的水平表象点的水平线与两相区与两相区的的边界界线的交点来决定，两相的相的交点来决定，两相的相对质量可量可用杠杆定律用杠杆定律计算。算。31-4、二元合金相二元合金相图中，三相平衡共存，表中，三相平衡共存，表现为一一水平水平线。32-33-QLQkxxk与力学中的杠杆定律完全与力学中的杠杆定律完全类似似于是：于是：也即：也即：34-二、杠杆定律的适用范二、杠杆定律的适用范围二元平衡相图两相平衡区注意：注意：杠杆定律不能用于三相平衡区！杠杆定律不能用于三相平衡区！35-二元匀晶相二元匀晶相图当两当两组元在元在液相液相和和固相固相均均无限互溶无限互溶时，构成的合金系构成的合金系相相图为二元匀晶相二元匀晶相图。属于此属于此类的合金系有的合金系有：Cu-Ni,Cu-Au,Au-Ag,Fe-Ni,W-Mo,Ti-Zr,Bi-Sb 等。等。二元匀晶合金二元匀晶合金结晶晶过程分析程分析液相区液相区一定成分的合金一定成分的合金液液-固两相区固两相区固相区固相区36-二元共晶相二元共晶相图当合金的二当合金的二组元在液元在液态时无限互溶，无限互溶，在固在固态时有限互溶，且有限互溶，且发生共晶反生共晶反应，此合金系的相此合金系的相图为二元共晶相二元共晶相图。属于此属于此类相相图的合金系有：的合金系有：Pb-Sn,Al-Si,Al-Sn,Au-Pt 等。等。37-PbSnabcdefgLL+L+亚共晶合金共晶合金过共晶合金IIIIIIPb-Sn 合金相图38-一、相一、相图分析分析 合金系有两种有限固溶体：合金系有两种有限固溶体：以以Pb 为溶溶剂，以以Sn 为溶溶质的的固溶体固溶体；以以Sn 为溶溶剂，以，以Pb 为溶溶质的的固溶体固溶体。ced水平水平线-共晶反共晶反应线：发生恒温反生恒温反应Lec+d39-注意：在共晶注意：在共晶线ced上属于三相平衡区上属于三相平衡区该合金系有两合金系有两类合金：合金：固溶体合金固溶体合金共晶型合金共晶型合金c点以左，点以左，d点以右的合金属于点以右的合金属于固溶体型合固溶体型合金金；cd之之间的合金的合金为共晶型合金共晶型合金，其中，其中，e点以左点以左为亚共晶合金共晶合金，e点以右点以右为过共晶共晶合金合金，e点合金点合金为共晶合金共晶合金。40-二元包晶合金相二元包晶合金相图当合金的二当合金的二组元在元在液液态时无限互溶无限互溶，在在固固态时有限互溶有限互溶，形成有限固溶体且，形成有限固溶体且发生生包晶反包晶反应，此合金系的相，此合金系的相图为二元二元包晶相包晶相图。属于此属于此类相相图的合金系有的合金系有：Pt-Ag,Ag-Sn,Al-Pt,Sn-Sb,Cu-Zn,Cu-Sn 等等。41-一、相一、相图分析分析aeb-液相液相线；acdb-固相固相线；cf-固溶体的溶解度曲固溶体的溶解度曲线；dg-固溶体的溶解度曲固溶体的溶解度曲线；cde-包晶反包晶反应线：c+Le d（恒温）（恒温）二、典型合金的二、典型合金的结晶晶过程分析程分析42-PtAgabcdefgLL+L+213Pt-Ag 合金相合金相图43-三、三、包晶反包晶反应与共晶反与共晶反应的区的区别1、共晶反共晶反应为分解型：分解型：Lec+d包晶反包晶反应为合成型：合成型：c+Led2、共晶共晶线为固相固相线，合金在共晶温度完全凝固；，合金在共晶温度完全凝固；包晶包晶线仅有有cd段段为固相固相线3、共晶共晶转变后的后的组织均均为两相混合物，两相混合物，组织较细；包晶包晶转变后的后的组织只有只有cd段段为两相混合物，两相混合物，组织较粗，而粗，而de段凝固完段凝固完毕后后为单相固溶体相固溶体。44-4、共晶反、共晶反应中的液相成分点（反中的液相成分点（反应相）位于共晶相）位于共晶线中中间，生成相位于共晶向两端；包晶反，生成相位于共晶向两端；包晶反应中中的两个反的两个反应相成分点位于包晶相成分点位于包晶线的两端，而一的两端，而一个生成相位于包晶个生成相位于包晶线中中间。45-