第三章 二元合金与相图

,第三章 二元合金与相图,纯金属的应用,导电体、导热体,(,散热器,),、装饰品、工艺美术品,(,化学稳定性、,美丽的光泽,),等,但其力学性能差（,b,）、,品种有限约,80,种）、提纯成本高,合金材料的应用,HB,、,b,，,数量上万种，生产成本低，广为开发利用,第三章 二元合金与相图,强度高,纯金属强度低,合 金 化,纯铁,:,b,=200MPa,45,钢,:,b,=610MPa,（,45,钢,=,纯铁,+0.45%,碳）,纯铁金相组织,45,钢金相组织,第三章 二元合金与相图,关于合金的相关概念,合金,通过熔炼、烧结或其他方法，将一种金属元素,同一种或几种其他元素结合在一起所形成的具有,金属特性的新物质,三层含义：合金组成,、,制备方法、金属特性,例如：黄铜是铜和锌组成的合金,硬铝是铝、铜、镁组成的合金,碳钢就是铁和碳组成的合金,第三章 二元合金与相图,关于合金的相关概念,组元,组成合金独立的、最基本的单元,组元可以是：金属、非金属、稳定化合物,例如：黄铜中,Cu,和,Zn,都是组元,硬铝合金中,Al,、,Cu,、,Mg,都是组元,亚共析钢中,Fe,和,Fe,3,C,都是组元,铝硅合金中,Al,和,Si,都是组元,第三章 二元合金与相图,关于合金的相关概念,合金系,相同组元按不同比例配制一系列不同成分的合金，,构成一个合金系,合金系中：组元固定、含量（成分,),不同,例如：,金色黄铜和弹壳黄铜都是黄铜，但金色黄铜含,Cu,90%,，含,Zn,10%,，而弹壳黄铜含,Cu70%,，,含,Zn 30%,Cu,Zn,0 25 50 75 100,w,Z,n,（,%,）,黄铜合金系线,合金的成分,A,组元,B,组元,第三章 二元合金与相图,关于合金的相关概念,二元合金,由两个组元构成的合金,例如：黄铜有,Cu,和,Zn,两个组元，属于二元合金,亚共析钢有,Fe,和,Fe,3,C,两个组元，也属于二元合金,三元合金,由三个组元构成的合金,例如：硬铝有,Al,、,Cu,和,Mg,三个组元，属于三元合金,第三章 二元合金与相图,第一节 固态合金相结构,关于相的相关概念,相,在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与,其他部分有界面分开的均匀部分,单相,若合金是由成分和结构都相同的同一种晶粒构成，称,合金含有一种相，为单相,第三章 二元合金与相图,第一节 固态合金相结构,关于相的相关概念,多相,若合金是由成分和结构不相同的多种晶粒构成，称,合金含有多种相，为多相,显微组织与相之间的关系,显微组织是由相组成，是由于组成相的种类、相对数量、晶粒形状、大小及分布形态等的不同，而分别具有不同形貌特征的相的组合物,第三章 二元合金与相图,第一节 固态合金相结构,合金相种类,固溶体,金属化合物,相,第三章 二元合金与相图,第一节 固态合金相结构,固溶体,合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶体,置换原子,第三章 二元合金与相图,第一节 固态合金相结构,固溶体,晶体结构特点,固溶体的晶格结构类型与溶剂金属组元的晶格相同,举例：,铁素体（一种固溶体）其溶剂是,Fe,，溶质是,C,，溶剂常温晶格为体,心立方结构，溶质为层状立边形结构，铁素体为体心立方晶格结构,奥氏体（一种高温固溶体）其溶剂是,Fe,，溶质是,C,，溶剂高温晶格,为面心立方结构，溶质为层状立边形结构，奥氏体为面心立方晶格,结构,第三章 二元合金与相图,第一节 固态合金相结构,固溶体,固溶体分类,根据溶质原子在溶剂晶格中占据位置的不同，固溶体可分为两类,置换固溶体,间隙固溶体,固溶体,有序固溶体,无序固溶体,第三章 二元合金与相图,第一节 固态合金相结构,固溶体,固溶体分类,置换固溶体,指溶质原子置换溶剂晶格结点上的溶剂原子而形成的固溶体,无序固溶体,溶质原子在溶剂晶格中的呈无规则分布。（多数）,有序固溶体：,溶质原子在溶剂晶格中的呈规则分布。（为数不多）,第三章 二元合金与相图,第一节 固态合金相结构,固溶体,固溶体分类,间隙固溶体,指溶质原子进入溶剂晶格间隙而形成的固溶体,间隙固溶体一定是无序固溶体,第三章 二元合金与相图,第一节 固态合金相结构,固溶体,固溶体分类,溶解度,在一定温度及压力下，溶质元素在固溶体中的极限浓度,无限固溶体,溶解度在,0%,100%,间可以任意改变的固溶体,有限固溶体：,溶解度有限的固溶体,第三章 二元合金与相图,第一节 固态合金相结构,固溶体,不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使,固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料,的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属,材料的强度、硬度升高的现象，称为,固溶强化,固溶体的性能,第三章 二元合金与相图,第一节 固态合金相结构,固溶体,固溶强化,是提高金属材料力学性能的重要途径之一。,实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显,著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好,的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结,构材料，都是以固溶体为基体的合金,固溶体的性能,第三章 二元合金与相图,第一节 固态合金相结构,金属化合物,具有相当程度的金属键并具有一定程度的金属性质的化合物,结构特点,金属化合物的晶格结构类型不同于任一组元（可用分子式大致表示）,举例：,渗碳体是由,Fe,和,C,构成的金属化合物，,其晶格类型与,Fe,和,C,都不形同，而是形,成一种复杂晶格（如右图）。,Fe,与,C,原,子比例固定为,3:1,，故可以,Fe,3,C,来表示,渗碳体的晶格结构,第三章 二元合金与相图,第一节 固态合金相结构,金属化合物,结构特点,晶体结构复杂，熔点高、硬度高、脆性大。一般只用作强化相,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,基本知识,相图（合金平衡图,/,合金状态图）,用图解的方法表示不同温度、压力及成分下的合金系中各相的平衡关系,平衡状态下,是个理想状态 只有在极缓慢的冷却速度下才能趋近这个状态,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,二元合金基本相图,匀晶相图,共晶相图,包晶相图,共析相图,稳定化合物相图,基本知识,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,匀晶相图,两组元在液态时无,限互溶，在固态时,也无限互溶，且形,成单相固溶体，所,构成的相图,I：,纯铜；,II：75%Cu+25%Ni III：50%Cu+50%Ni,IV：25%Cu+75%Ni V：,纯,Ni,Cu-Ni,合金相图的测画及相图,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,液相区,L,双相区,L+,固相区,液相线,aeb,固相线,alb,液相区,固相区,双相区,匀晶转变,由液相直接结晶成单相固溶体的结晶转变,L,匀晶相图,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是不相同的，其变化规律是沿着固相线变化。与此同时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化,匀晶相图,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,晶内偏析:,在一个晶粒内，各处成分的不,均匀现象,因为金属通常以枝晶方式,结晶，先形成的主干和后形成,的支干就会有化学成分之差，,所以也称,枝晶偏析,匀晶相图,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,枝晶偏析会降低合金的力学性能（尤其是塑性和韧性）和工艺性能,均匀化退火（扩散退火）,把有枝晶偏析的合金放在低于固相线100200的温度下进行较长时间的加热，通过原子的相互扩散而使成分趋于均匀,匀晶相图,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,共晶相图,当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，而且发生共晶反应，所构成的合金相图,(,或者说以共晶转变为主的相图）,共晶转变,一定化学成分的合金在一定的温度下（,恒温,），同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相,共晶相图,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,共晶相图,（,F,+,G,）是两种固相机械的混合在一起，形成有固定化学成分的基本组织，称为,共晶体,L,E,F,+,G,恒温,共晶转变,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,共晶相图,1,）,固溶体：,Pb,为溶剂，,Sn,为溶质,2,）,固溶体：,Sn,为溶剂，,Pb,为溶质,3,）共晶体,(,+,),4,）共晶点,d,5,）铅的溶点,a,6,）,锡的溶点,b,7,）,固溶体溶解度变化曲线,cf,8,）,固溶体溶解度变化曲线,eg,9,）三个单相区：,L,、,、,10),液相线,adb,11,）固相线,acdeb,12,）共晶线,cde,13,）三个两相区：,L+,、,L+,、,+,14,）一个三相区：,L+,，在共晶转变过程中三相同时存在。,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,共晶相图,三种类型合金,共晶合金：对应共晶成分的合金,亚共晶合金或过共晶合金：化学成分低于或高于共晶成分的合金,固溶体合金：没有共晶转变而只有固溶体匀晶转变的合金,合金,I,的结晶过程：,L,L,+,+,II,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,共晶相图,固溶体合金,结晶过程,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,共晶相图,固溶体合金,结晶过程,室温下合金,I,的,显微组织：,a,）,相组成：,、,；,b,）,组织组成：,、,II,合金,II,的结晶过程：,L,L,+,（,+,）,（,+,）,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,共晶相图,共晶合金,结晶过程,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,共晶相图,共晶合金,结晶过程,室温下合金,的,显微组织：,a,）,相组成：,、,；,b,）,组织组成：,（,+,）,合金,III,的结晶过程：,L,L,+,+,（,+,）,+,（,+,）,+,II,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,共晶相图,亚共晶合金,结晶过程,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,共晶相图,亚共晶合金,结晶过程,室温下合金,的,显微组织：,a,）,相组成：,、,；,b,）,组织组成：,、（,+,）、,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,共晶相图,过共晶合金,结晶过程,室温下合金,的,显微组织：,a,）,相组成：,、,；,b,）,组织组成：,、（,+,）、,合金的相组成物：,在合金的显微组织中的基本相，如,、,固溶体相,合金的组织组成物：,由基本相组成的单相组织和共晶体等基本组织，如亚共晶合金的组织组成物,+,II,+,（,+,）,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,共晶相图,Pb,Sn,合金相图,(,用组织组成物标注）,g,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,共晶相图,体积质量偏析,由于体积质量的原因而引起铸件成分偏析,偏析造成力学性能各处各异，这会降低铸件的使用寿命,在选用合金化学成分上和合金结晶时，采取各种措施来,尽量减少这种偏析,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,合金性能与相图的关系,力学性能与相图的关系,合金铸造性能与相图的关系,压力加工性能与相图的关系,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,合金性能与相图的关系,力学性能与相图的关系,当合金形成单相固溶体时，由于溶质原子使基体晶格畸变，溶质元素浓度越高，引起晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高,当合金形成为两相机械混合物的组织时，合金的强度和硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,合金性能与相图的关系,铸造性能与相图的关系,铸造性能主要表现在流动性、,偏析、缩孔等方面，主要决定,与液相线与固相线之间的温度,间隔,液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小合金的流动性好有利于浇注,液固相线距离大枝晶偏析倾向愈大，合金流动性也愈差，形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化,第三章 二元合金与相图,第二节 二元合金相图,合金性能与相图的关系,铸造性能与相图的关系,在恒温下结晶的合金具有最好的流动性，易生成集中缩孔，因此铸造合金的成分接近共晶成分，