工程材料-第三章 二元合金.ppt

工程材料,授课教师：,第,3,章 二元合金与相图,重点：,(1),基本概念,(2),各种组织的名称、形态、性能特点,(3),杠杆定律,(4),铁碳相图、典型铁碳合金的结晶过程,(5),金属的属性加工,(6),钢的热处理,(7),钢的合金化,1.1.2,合金的晶体结构,组元：,组成合金独立的最基本的单元。,合金：,一种元素同另一种或几种其他元素，通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。,由两个组元组成的合金称为二元合金,。,如：铁碳合金、铜镍合金,相,相：,凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其他部分分开的均匀成分叫相。,液相,固相,固溶体,金属化合物,合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀、且结构与组元之一相同。,合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。,1.,固溶体,与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多，另一组元为溶质，含量较少。,固溶体用,、,、,等符号表示，,A,、,B,组元组成的固溶体用,A(B),其中,A,为溶剂，,B,为溶质；,按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为：置换固溶体和间隙固溶体,(1),固溶体的分类,溶解度：溶质在固溶体中的极限浓度即为溶质在固溶体中的溶解度。,若超过这个溶解度有其他相形成，则此种固溶体为有限固溶体。,若溶质可以任意比例溶入，即溶质的溶解度可达,100,，则固溶体为无限固溶体。,按溶解度固溶体可分为：有限固溶体和无限固溶体,按溶质原子在固溶体中分布是否有规律可分为：无序固溶体和有序固溶体,什么是固溶强化,?,造成固溶强化的原因是什么,?,固溶强化就是通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象。,造成固溶强化的原因是固溶体随着溶质原子的溶入而晶格发生畸变,晶格畸变增大位错运动的阻力,使金属的滑移变形变得更加困难,从而提高合金的强度和硬度。,(2),固溶体的性质,2.,金属化合物,Fe,3,C,金属化合物特点：,熔点较高、硬度高、脆性大。,金属化合物,正常价化合物,电子化合物,间隙化合物,复杂结构的间隙化合物,间隙相,(1),正常价化合物,严格遵守化合价化合规律的化合物称正常价化合物。如：,Mg,2,Si,(2),电子化合物,不遵守化合价规律但符合一定电子浓度的化合物称电子化合物。,电子浓度是指化合物中价电子数与原子数之比。,例：求,CuZn,的电子浓度？,在元素周期表中,Cu,排,29,，,Zn,排,30,则价电子数：,1(Cu)+2(Zn)=3,原子数：,1(Cu)+1(Zn)=2,电子浓度,=3/2,问,Cu,5,Zn,8,电子浓度为多少？,(3),间隙化合物,由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。,间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径之比小于,0.59,时，,形成具有简单晶格的间隙化合物称为间隙相。例：,VC,复杂结构的间隙化合物：,当非金属原子半径与金属原子半径之比大于,0.59,时，,形成具有复杂结构晶格的间隙化合物。例：,Fe,3,C,间隙固溶体和间隙相有什么不同？,间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中的固溶体叫间隙固溶体。其结构与组元之一相同。,间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径之比小于,0.59,时，形成具有简单晶格的间隙化合物称为间隙相。其结构和特性完全不同于任一组元。,1.1.3,金属材料的组织,1.,组织的概念,金相试样的制备：,取样,(,小块金属材料,),磨光,(,用金相砂纸,),抛光,(,用绒布,+,抛光剂,),腐蚀吹干,在显微镜下观察，可以看到金属材料内部的微观形貌。这种微观形貌称做显微组织，简称组织。,抛光机,1-,光源,2-,拨盘,3-,底座物镜,4-,孔径光阑,5-,视场光阑旋钮,6-,视场光阑滚花螺丝,7-,固定滚花螺钉,8-,双筒目镜镜管,9-,目镜,10-,载物台,ll-,物镜,12-,物镜转换盘,13-,镜架,14-,粗调手轮,15-,微调手轮,金相显微镜,化学成分不同显微组织不同。,(a)w(c)=0.01%,铁素体,(b)w(c)=0.45%,铁素体,+,珠光体,(c)w(c)=0.77%,珠光体,(d)w(c)=1.2%,珠光体,+,二次渗碳体,2.,组织的决定因素,组织的决定因素：化学成分和工艺过程,化学成分相同，热处理工艺不同，显微组织形态不同。,w(c)=0.77%,片状珠光体,w(c)=0.77%,球状珠光体,3.,组织与性能的关系,金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定。,注意：,(1),在某些情况下，金属的组织名称相同，组成相也相同，但晶粒形状、大小不同，则它们的性能也不同。,(2),在某些合金中，在显微镜下观察它们的组织，组成相相同，且形状、大小无明显差异，只是其成分有所不同，这时表现出来的性能也不相同。,第,2,讲完,1.2,金属材料的性能,工艺性能：指制造工艺过程中材料适应加工的性能。,1.2.1,金属材料的工艺性能,使用性能：指金属材料在使用情况下所表现出来的性能。,零,件,1.,铸造性能,金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能。,2.,锻造性能,金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称为锻造性能。,3.,焊接性能,金属材料对焊接加工的适应性称为焊接性能。,4.,切削加工性能,切削加工一般用切削后的表面质量和刀具寿命来表示。,5.,热处理工艺性能,钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性，即钢接受淬火的能力。,2.2,合金的结晶,表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图,合金的结晶通常运用合金相图来分析合金的结晶过程。,什么是相图？,(phase diagram),A,B,相图的制作过程,四步：,1.,配制一系列成分的合金,如：,(1)100%Ni+0%Cu,(2)80Ni+20%Cu,(3)60%Ni+40%Cu,(4)40%Ni+60%Cu,(5)20Ni%+80%Cu,(6)0%Ni+100%Cu,2.,测出上述合金的冷却曲线,3.,根据各冷却曲线上的转折点确定合金的临界点,4.,将这些临界点标在相图坐标系中的相应位置上，最后把各意义相同的临界点连起来。,相图的制作,P14,时间,温度,20,40,60,80,Ni%,Cu,100%Ni,80%,60%,40%,20%,0%,2.2.1,匀晶相图,(uniform grain phase diagram),1.Cu-Ni,合金的结晶过程,L,L+,纯金属为恒温结晶,(1),固溶体从液相结晶出来的过程中也包括生核与长大过程。,2.,匀晶结晶的特点,(5,个特点,),生核,长大,(2),固溶体结晶在一个温度区间内进行。即变温结晶过程。,(3),在两相区内，温度一定时，液相和固相的成分是确定的。,确定相成分的方法：,过指定温度,T,1,作水平线，分别交液相线和固相线于,a,1,点、,c,1,点,温度为,T,1,时液相的成分,温度为,T,1,时固相的成分,随着温度的下降，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。,求,a,1,点、,c,1,点在成分轴上的投影点即为液相,L,和固相,的成分。,a,1,c,1,T,1,a,2,c,2,T,2,到温度,T,2,时，,L,相成分及,相成分分别为,a,2c,2,在成分轴上的投影。,2.,匀晶结晶的特点,(5,个特点,),(4),在两相区内，温度一定时，两相的质量比是确定的,a,1,c,1,T,1,b,1,P17,a,1,b,1,c,1,Q,L,Q,杠杆定律,如在,T,1,温度时，两相的质量比可用下式表达。,Q,L,为,L,相的质量；,Q,为固相的质量；,b,1,c,1,、,a,1,b,1,为线长,可用其成分坐标上的数字来度量。,2.,匀晶结晶的特点,(5,个特点,),杠杆定律的证明,P17,a,b,c,Q,L,Q,设合金的总量为,Q,合金,，其中,Ni,的质量分数为,b,，在,T,1,温度时，,L,中的质量分数为,a,，,中的质量分数为c,T,1,合金中含,Ni,的总质量,=L,相中含,Ni,的质量,+,中含,Ni,的质量,Q,合金,b=Q,L,a+Q,c,(1),Q,合金,=Q,L,+Q,(2),联合求解上述两式,P17,a,b,c,Q,L,Q,合金中液相和固相在合金中所占的相对质量。,T,1,杠杆定律的理解,P17,a,b,c,Q,L,Q,Q,L,.ab=Q,.bc,bc,长度代表液相的质量，随着温度下降，液相越来越少，,bc,越来越短。,ab,长度代表固相的质量，随着温度下降，固相越来越多，,ab,越来越长。,T,1,ac,长度代表合金的质量。,a,c,a,c,将,20kg,纯铜与,30kg,纯镍熔化后慢冷至如图所示的温度,T,1,，求此时,(1),两相的成分；,(2),两相的质量比；,(3),两相的相对质量；,(4),两相的质量。,两相的成分，,T,1,温度时：,液相：含,Cu 50%Ni 50%,合金质量：,Q,合金,=20+30=50kg,合金的成分：含,Cu:20/50=40%,含,Ni:30/50=60%,例题,(,应用,),固相：含,Cu 20%Ni 80%,a,b,c,(2,）两相的质量比,(3,）两相的相对质量,Q,L,Q,(4,）两相的质量,a,b,c,Q,L,Q,(5),固溶体结晶时成分是变化的，缓慢冷却时由于原子的扩散能充分进行，形成的是成分均匀的固溶体。,枝晶偏析：一个晶粒内化学成分不均匀的现象。,2.,匀晶结晶的特点,组织组成物：指合金组织中那些具有确定本质，一定形成机制的特殊形态的组成部分。组织组成物可以是单相，或两相混合物。,亚共析钢：,(,铁素体,)F+,（珠光体）,P,在显微镜下，白色为,F,和黑色为,P,F,P,相图的种类,相图的种类,(1),匀晶相图,(2),共晶相图,(3),包晶相图,(4),共析相图,(5),含有稳定化合物的合金的结晶相图,(2),共晶相图,(eutectic phase diagram),Pb-Sn(,铅,-,锡,),合金相图,一种液相,固相,1,固相,2,恒温,共晶反应,(3),包晶相图,(peritectic phase diagram),Pt-Ag,（铂,-,银）合金相图,一种液相,+,固相,另一种固相,恒温,包晶反应,(4),共析相图,(eutectoid phase diagram),共析相图,一种固相,固相,1,固相,2,恒温,共析反应,(5),含有稳定化合物的合金的结晶相图,Mg-Si,合金相图,2.2.2,合金的性能与相图的关系,合金的使用性能与相,图的关系,合金的工艺性能与相图的关系,图 合金的使用性能与相图的关系,图 合金的工艺性能与相图的关系,2.2.3,铁碳合金,1.,铁碳相图,图 铁碳合金的各种化合物,图 铁碳相图,(,铁碳平衡相图,),(iron-carbon equilibrium phase diagram),图 标注组织的铁碳相图,(1),铁碳合金中的组元,Fe,熔点：,1538,、相对密度,7.87g/cm,3,机械性能：强度低、硬度低、塑性好,Fe,3,C(,渗碳体,cementite),机械性能：硬度高、脆性大,(2),铁碳合金中的相,(5,种）,液相,L,铁与碳液溶体,相,(,高温铁素体,),碳在,-Fe,铁中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。,1394,以上存在,1495,时溶碳量最大，碳质量分数为：,0.09%,相,(,铁素体，用符号,F,或,表示,),碳在,-Fe,铁中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。,室温时碳质量分数为：,0.0008%,600,时碳质量分数为：,0.0057%,727,时溶碳量最大，碳质量分数为：,0.0218%,机械性能：强度低、硬度低、塑性好,相,(,奥氏体，用符号,A,或,表示,),碳在,-Fe,铁中的间隙固溶体，,呈面心立方晶格。,1148,时溶碳量最大，碳质量分数为：,2.11%,机械性能：强度低、硬度不高、易于塑性变形,Fe,3,C,相,(,渗碳体,),有条状、网状、片状、粒状等形态。,(3),相图中重要的点（,J,、,S,、,C,）,J,为包晶点、,S,为共析点、,C,为共晶点,包晶反应,共析反应,珠光体,P,：共析反应的产物，是铁素体与渗碳体的共析混合物,珠光体机械性能：强度较高、塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。,P,中的渗碳体为共析渗碳体，呈窄条状。,共晶反应,Le,中的渗碳体为共晶渗碳体，块状。,莱氏体,Le,：共晶反应的产物，是奥氏体与渗碳体的共晶体混合物,(4),相图中重要的线,ABCD:,液相线,AHJECF:,固相线,(4),相图中重要的线,HJB:,包晶反应线：,w(C)=0.09%,0.53%,的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。,ECF:,共晶反应线：,w(C)=2.11%,6.69%,的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生共晶反应。,PSK:,共析反应线，,A1,线：,w(C)=0.0218%,6.69%,的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生共析反应。,(4),相图中重要的线,ES:,碳在,A,中的固溶线，,Acm,线：,E,点,1148,时,A,中的溶碳量：,2.11%,S,点,727 A,中的溶碳量：,0.77%,从,1148,冷到,727,，将从,A,中析出,Fe,3,C(,析出的渗碳体称二次渗碳体，,Fe,3,C,),GS:A,中析出,F,的临界线，,A3,线,a,b,c,Q,Q,a,c,1,点：,组织：全部是奥氏体,A(),A,中的碳质量分数,W(c)=0.4%,2,点：,bc,长度表示,F,ab,长度表示,A,F,中的碳质量分数为：,A,中的碳质量分数为：,0.4,假设合金成分：,W(c)=0.4%,3,点：,F,中的碳质量分数为：,0.0218%,A,中的碳质量分数为：,0.77%,1,3,2,(4),相图中重要的线,P,点,727,时,F,中的溶碳量：,0.0218%,室温时,F,中的溶碳量：,0.0008%,从,727,冷到室温，将从,F,中析出,Fe,3,C(,析出的渗碳体称三次渗碳体，,Fe,3,C,),PQ:,碳在,F,中的固溶线,图 铁碳相图,5,个单相区：,L Fe,3,C,7,个双相区：,L+L+,L+Fe,3,C +,+Fe,3,C +,+Fe,3,C,3,条三相线：,包晶反应线,HJB:L+A,共晶反应线,ECF:L+A+Fe,3,C,共析反应线,PSK:A+F+Fe,3,C,F,、,Fe,3,C,、,P,机械性能比较,性能,F(铁素体,),Fe,3,C(,渗碳体,),P(,珠光体,),抗拉强度,b,180,230MPa,30MPa,770MPa,延伸率,30%,50%,0,20%,35%,断面收缩率,70%,80%,0,70%,80%,冲击韧性,k,1.6 10,6,2 10,6,J/m,2,0,3 10,5,4 10,5,J/m,2,硬度,50,80HB,800HB,180HB,2.,典型铁碳合金的平衡结晶过程,根据,Fe-C,相图，铁碳合金可分为三类：,工业纯铁,w(C)0.0218%,钢,0.0218%w(C)2.11%,白口铸铁,2.11%w(C)6.69%,亚共析钢,0.0218%w(C)0.77%,共析钢,w(C)=0.77%,过共析钢,0.77%w(C)2.11%,亚共晶白口铸铁,2.11%w(C)4.3%,共晶白口铸铁,w(C)=4.3%,过共晶白口铸铁,4.3%w(C)0.9%,之后，,w(C),强度,亚共析钢：,w(C)P ,强度,4.,铁碳相图的应用,(1),在选材方面的应用,(2),在铸造方面的应用,浇注温度的确定：液相线以上,50,100,铸造性能：纯铁、共晶白口铁铸造性能最好，因为凝固温度区间最小，流动性好，分散缩孔少，可以获得致密的铸件。,(3),在热锻、热轧方面的应用,(4),在热处理工艺方面的应用,开始热锻、热轧的温度：固相线以下,100,200,终止热锻、热轧的温度,亚共析钢：,GS,线以上一点，以免变形时出现大量的,F,，形成带状组织而使韧性下降。,过共析钢：,PSK,线以上一点，以便打碎网状的,Fe,3,C,热处理工艺参数，如加热温度的确定。,第,2,章 结束,