合金的晶体结构与相图.ppt

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1、一、讲授内容 1、固溶体、金属间化合物 2、二元合金相图的建立 二、教学目的及要求（学生掌握、了解的要点） 1、掌握固溶体的概念及其分类 2、掌握金属间化合物的概念及其分类 三、教学重点 1、固溶体的概念及其分类、金属间化合物的概念及其分类 2、二元合金相图的建立 四、教学难点 固溶体、金属间化合物、二元合金相图的建立 本次课程任务第一第三节。,第三章 合金的晶体结构与相图(P30),元素周期表读音,1氢(qng) 2氦(hi) 3锂(l) 4铍(p) 5硼(png) 6碳(tn) 7氮(dn) 8氧(yng) 9氟(f) 10氖(ni) 11钠(n) 12镁(mi) 13铝(l) 14硅(g

2、u) 15磷(ln) 16硫(li) 17氯(l) 18氩(y) 19钾(ji) 20钙(gi) 21钪(kng) 22钛(ti) 23钒(fn) 24铬(g) 25锰(mng) 26铁(ti) 27钴(g) 28镍(ni) 29铜(tng) 30锌(xn) 31镓(ji) 32锗(zh) 33砷(shn) 34硒(x) 35溴(xi) 36氪(k) 37铷(r) 38锶(s) 39钇(y) 40锆(go) 41铌(n) 42钼(m) 43锝(d) 44钌(lio) 45铑(lo) 46钯(b) 47银(yn) 48镉(g) 49铟(yn) 50锡(x) 51锑(t) 52碲(d) 53碘(d

3、in) 54氙(xin) 55铯(s) 56钡(bi) 57镧(ln) 58铈(sh) 59镨(p) 60钕(n) 61钷(p) 62钐(shn) 63铕(yu) 64钆(g) 65铽(t) 66镝(d) 67钬(hu) 68铒(r) 69铥(di) 70镱(y) 71镥(l) 72铪(h) 73钽(tn) 74钨(w) 75铼(li) 76锇() 77铱(y) 78铂(b) 79金(jn) 80汞(gng) 81铊(t) 82铅(qin) 83铋(b) 84钋(p) 89锕() 90钍(t) 91镤(p) 92铀(yu) 93镎(n) 94钚(b) 95镅(mi) 96锔(j) 97锫(pi

4、) 98锎(ki) 99锿(i) 100镄(fi) 101钔(mn) 102锘(nu) 103铹(lo) 104钅卢(l) 105钅杜(d) 106钅喜(x) 107钅波(b) 108钅黑(hi) 109钅麦(mi) 110钅达(d) 111钅仑ln),什么是合金？ 合金是通过什么方法获得？工业中为什么要大量熔炼合金， 以及合金与纯金属在性能上有什么特点？,第一节 固态合金中的相结构,一基本概念,1合金：是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。 组成合金的元素可以全部是金属，也可是金属与非金属。 2组元：组成合金的最基本的、独立的物质。可以是化学元素，或者是稳定的化合物,如Fe3C。

5、 根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。,一基本概念,3合金系：有若干给定组元按不同比例配出一系列成分不同的合金，这一系列合金构成的一个合金系统。如黄铜是铜与锌组成的二元合金系。 组成合金的元素相互作用可形成不同的相。,4相：是指金属或合金中凡化学成分相同、晶体结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。液态物质为液相，固态物质为固相。,第一节 固态金属中的相结构,合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。,一基本概念,5.显微组织：实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或

6、各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。 （组织反映材料的相组成，相形态，大小和分布状况，因此组织是决定材料最终性能的关键）,合金的生产方法,合金溶液,TT结晶,结晶产物中含有两种或者多种元素的小晶体,形核，成长,结晶,熔炼,一合金的相结构,合金的相结构：是指合金组织中相的晶体结构。 （不同的相原子排列方式是不同的）,根据组元相互作用不同，固态合金的相结构可分为两大类： 1.固溶体 2.金属化合物,第一节 固态金属中的相结构,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组成部分。,固溶体：合金的组元间以不同的比例相互混合，混合后形成的晶体结构与某一组元的晶体结构相同，这种

7、相就是固溶体，这种组元叫溶剂，其他的组元叫溶质。 溶剂：与固溶体晶格相同的组元，一般在合金中含量较多。 溶质：以原子状态分布在溶剂晶格中，一般含量较少。,二固溶体,置换固溶体：溶剂晶格结点上的部分原子被溶质原子所取代的固溶体。,间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体。,1.固溶体的分类： （1）根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置不同，可将固溶体分为置换固溶体与间隙固溶体两种。,一般规律是溶质元素的原子直径与溶剂原子直径之比小于0.59时，易于形成间隙固溶体，而在直径大小差不多的元素之间易于形成置换固溶体。,固溶体类型,固溶体按分布的有序度分：,分无序固溶体 有序固溶体 溶质原子有规

8、则分布的为有序固溶体，无规则分布的为无序固溶体。 有序固溶体（ 加热到某一临界温度 ） 无序固溶体 有序化温度,溶质原子在间隙固溶体中只能呈系统分部，形成无序固溶体。,浓度：溶质原子溶于固溶体中的量，通常用质量百分数或原子百分数表示 溶解度：在一定条件下溶质在固溶体中的极限浓度。 （1）按溶解度分：固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。 有限固溶体：溶解度是有一定限制的。 无限固溶体：在某些元素之间可以形成任何成分比例的固溶体，即无论这些元素怎么配置比都能形成均匀一致的单相固溶体，不存在极限浓度的限制。,形成无限固溶体的必要条件：是溶剂与溶质的晶体结构相同。,2.溶质元素在固溶体中的溶解度,

9、置换固溶体 间隙固溶体 分别属于那种？,表示方法,3.影响固溶体结构形式和溶解度的因素,4.固溶体的性能： 溶质原子溶入晶格畸变位错运动阻力上升金属塑性变形困难强度硬度升高。,固溶强化：通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属强度和硬度提高的现象。,固溶强化是金属强化的一种重要形式，在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度而塑性和韧性没有明显降低。,对于钢铁材料来说，固溶强化的作用只是其强化途径的一种，有一定的局限性，对于有色金属材料来说，固溶强化是行之有效的强化手段。,2.金属化合物,金属化合物主要类型： 1.正常价化合物按化合价规律形成。 这类化合物符合正常的原子价规律，成分固定并有严格分子

10、式的金属化合物。通常由周期表上相距较远、电化学性质相差很大的两种元素形成的。,渗碳体（Fe3C）晶格结构示意图,Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。,第二节 二元合金相图的建立 1.建立相图的意义及几个名词的涵义,建立相图的意义 分析某一成分的合金在某一温度下会形成什么样的组织。 名词的涵义 组元：组成合金中最简单、最基本、能够独立存在的物质。 合金系：有两个或者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。,相图：用来表示合金系中各个合金在缓冷条件下结晶 过程的简明图解。又称状态图或平衡图。,目前，合金相图主要是通过实验测定的，且测定合金相图的方法很多，但应用最多的是

11、热分析法。,2.二元合金相图的建立,以ui合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤： 配制若干组不同成分的ui合金 用热析法分别测出每种成分的合金冷却曲线 找出各冷却曲线上的相变临界点 以横坐标表示合金成分，纵坐标表示温度，将合金 相变临界点分别标在坐标图上相应的合金成分线上。 将相同意义的点连成光滑曲线，再根据热分析结果，填上相区，即得二元合金相图。,相图上所表示的组织都是在十分缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。, 配制若干组不同成分的ui合金,a,b,ab: 液相线,ab : 固相线,L,L + S,S,L : 液相区,S : 固相区,L+S:液固共存区,相图的建立,匀晶相

12、图,L+S,同类： Cu-Ni、 Cu-Au、Au-Ag、 Fe-Cr 等,匀晶相图,I：纯铜；II：75%Cu+25%Ni III：50%Cu+50%Ni IV：25%Cu+75%Ni V：纯Ni,ui相图,匀晶相图：是指合金组元在液、固两相下均能无限互溶，结晶时只结晶出单相固溶体组织的合金相图。如Au-Ag、Ni-Cu等二元合金系。,第三节二元匀晶相图,匀晶转变（匀晶反应）：这种从液相中结晶出单一固相的转变。,铜-镍合金匀晶相图,1083,1455,L,L+ ,纯铜熔点,纯镍熔点,液相线,固相线,液相区,固相区,固液两相区,匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的

13、温区内进行结晶。,相图分析及合金结晶过程,TC,t,L,L,L,匀晶转变 L ,冷却曲线,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。,随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。,当液态金属自高温冷却到 t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分。,相图分析及合金结晶过程,成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时,固溶体的成分又变回 到合金成分3上来。 液固相线不仅是相区分界线, 也是

14、结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。,合金结晶过程,（3）二元相图中的杠杆定律,杠杆定律 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对质量。 现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律： 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成,分垂线。在成分垂线相交于温度t 的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。, 确定两平衡相的相对质量： 设合金的总质量为1，液相质量为QL，固相质量为Q。,则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得：,式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2

15、(ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。,（3）二元相图中的杠杆定律,因此两相在合金x中的相对质量分数分别为：,两相的质量比为：,或：Q =1- QL,比,上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。,杠杆定律：即合金在某温度下两平衡相的质量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。 杠杆定律只适用于两相区。 例（如图）,（3）二元相图中的杠杆定律,（3）二元相图中的杠杆定律,课堂练习： 求30%Ni合金在1280 C时相的相对量。,a,c,a1,b1,c1,解：作成分线和温

16、度线如图：,66,18,根据杠杆定律： Q = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4,答：所求合金在1280C时相的相对质量为1/4。,30,1083,1455,1280 C,L + ,L,课堂练习：,将20kg纯铜和30kg纯镍熔化后慢冷至T1温度，求各相的质量以及各相中Ni的质量？,(1)两相的化学成分：,wL(Ni)= 50% w(Ni)= 80%,(2)两相的质量比：,QL/Q=(80-60)/(60-50)=2,(3)各相的质量分数：,w(L)=2/(2+1)=2/3 w()=1/3,(4)各相的质量：,QL= 502/3 = 33.3（kg) Q= 50-33.3 = 16.

17、7（kg),w(Ni)=30/(20+30)=60%,（4）固溶合晶中的偏析,这种在一个晶粒内化学成分不均匀的现象，叫晶内偏析。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。,由于生产实际中，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条件下进行的，这使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，合金的熔点较高，构成晶体的树枝状骨架，后结晶出的部分含高熔点组元较少，熔点较低，填充于枝间。,枝晶偏析：,消除枝晶偏析的措施：,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。,均匀化退火（扩散退火）:把有枝

18、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。,平衡组织,枝晶偏析组织,Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织,OVER！,共晶相图：两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶或不溶解,并发生共晶反应时所构成的相图。,第四节二元共晶相图,共晶转变（共晶反应）：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。,以 P b S n 相图为例进行分析。,二元共晶相图,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,（1）相图分析,二元共晶

19、相图,PbSn 合金相图及成分线, 相：相图中有L、三种相,是溶质Sn在Pb中的固溶体，是溶质Pb在Sn中的固溶体。 相区：相图中有三个单相区： L、；三个两相区： L+、L+、+ ；一个三相区：即水平线CED。,（1）相图分析,固溶线: 溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF、DG线分别为Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶线。 固溶体的溶解度随温度降低而下降。 共晶线：水平线CED。,液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点。,在共晶线对应的温度下（183 ），E点成分的合金同时结晶出C点成分的固溶体和D点成分的固溶体，形成这两个相的机械混合物： LE (C + D

20、),恒温,二元共晶相图,（1）相图分析,共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。,Pb-Sn共晶组织,（1）相图分析,具有共晶点成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共,晶点以右的合金称过共晶合金。 凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。,（1）相图分析, 含Sn量小于C点合金(合金)的结晶过程： 在3点以前为匀晶转变，结晶出单相固溶体，这种直 接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。, 合金的结晶过程,f,温度降到3点以下，固溶体被Sn过饱和，由于晶格

21、不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相，以表示 。 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。, 含Sn量小于C点合金(合金)的结晶过程：,合金I的结晶过程：L L+ +II,f,由于二次相析出温度较低，一般十分细小。,室温下的相对质量百分比为：,随温度下降，相的成分沿CF线变化，的重量增加。, 含Sn量小于C点合金(合金)的结晶过程：,合金室温组织为 + （如右图），次生相和初生相虽然成分和结构完全相同，但形貌特征完全不同。,成分大于D点合金结晶过程与合金相似，室温组织为 + 。,液态合金冷却到E点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共晶反应：, 共

22、晶合金(合金)的结晶过程 （共晶反应）,恒温,LE (C+D),析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。, 共晶合金(合金)的结晶过程（共晶反应）, 共晶合金(合金)的结晶过程（共晶反应） 成分分析,X2,TC,t,L,(+ ),L,L,L(+ ) 共晶体,冷却曲线,在共晶转变过程中，L、 、 三相共存, 三个相的量在不断变化，但它们各自成分是固定的。 共晶组织中的相称共晶相，共晶转变结束时，和相的相对质量百分比为：, 共晶合金(合金)的结晶过程（共晶反应）,共晶结束后，随温度下降，和的成分分别沿CF线和DG线变化，并从共晶中析出 ，从共晶中析出，由

23、于共晶组织细，与共晶结合，与共晶结合，共晶合金的室温组织仍为(+)共晶体。,室温下两相的相对质量是多少？,PbSn 合金相图,合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到c点，液相成分变化到d点,此时两相的相对质量为：, 亚共晶合金(合金)的结晶过程（亚共晶）,在2点，具有d点成分的剩余液体发生共晶反应： L ( + )，转 变为共晶组织，在共晶温度下，两相的相对质量百分比为：,温度继续下降，将从一次和共晶中析出，从共晶中析出。其室温组织+(+)+。,X3合金结晶过程分析 （亚共晶合金）,X3,TC,t,L,L+ ,(+ )+ + ,1,2,(+ )+ ,冷却曲线,合金III的结晶

24、过程：L L+ +（+） +（+）+II,与亚共晶合金相似，不同的是一次相为,二次相为 室温组织为+(+)+。, 过共晶合金（）合金的结晶过程,第五节 二元包晶相图,包晶相图：当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图。 以Pt-Ag相图为例简要分析：, 相图分析 单相区：L、 二相区：L+、 L+、 + 三相区：（D点）L+ （水平线PDC）,水平线DPC称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LC+D P 。该反应是液相L包着固相, 新相在L与的界面上形核，并向L和两个方向长大。,包晶转变（包晶反应）：在一定温度下，由一个液相 包着一个固相生成另

25、一新固相的反应。, 相图分析,包晶转变： Ld + c e,Pt,Ag,Ag%,TC,铂-银合金包晶相图,L, + ,L + ,L + ,c,e,d,f,g,TC,t,L,L + ,L + ,+ ,冷却曲线, PD成分合金：匀晶包晶二次析出。 室温组织为 +II+ + II,DC成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出 室温组织为 +II。,第六节 形成稳定化合物的二元相图,稳定化合物：指在熔化前不发生分解的化合物(如Mg-Si系的Mg2Si和Fe-C系的Fe3C)。其成分固定，在相图中是一条垂线(代表一个单相区)。垂足是其,成分, 顶点是其熔点, 结晶过程同纯金属。 分析这类相图时，可把稳定化合物当作

26、纯组元看待，将相图分成几个部分进行分析。,第七节 具有共析反应的二元相图,共析相图,共析转变： ( + ) 共析体,A,B,TC, + , + , + ,c,e,d,L + ,L,共析反应(共析转变)：是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。,共析转变属于固态相变。 最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变: S P+ Fe3C 。,(奥氏体，铁素体，Fe3C渗碳体),铁碳合金相图,共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK线)、共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合,金(共析成分合金)、亚共析合金(共析线上共析点以左的合金)、过共析合金(共析线

27、上共析点以右的合金)。,第七节 具有共析反应的二元相图,共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体），也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体)。,与共晶反应不同的是：共析反应的母相是固相，而不是液相。另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。,珠光体,标注了组织组成物的共析相图,1、A、B代表两组元 2、s为共共析点 3、psk为共析线 4、包括匀晶反应, （ 1+2）,恒温,第八节 合金的性能与相图之间的关系,一组织分类,1.(单相)固溶体合金 2. 两相混合物合金。共晶转变、共析转变都会形成两相混合物合金。,1.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

28、浓度越高，引起晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高，塑性下降，性能随成分呈曲线变化。 。,一力学性能与相图的关系,2. 两相混合物合金的力学性能和物理性能与成分主要呈直线变化关系，但某些对组织形态敏感的性能还要受到组织细密程度等组织形态的影响。,图3-23为合金的铸造性能与相图的关系。可见，合金的铸造性能取决于结晶区间的大小。 距离越大，这使得形成枝晶偏析的倾向增大。同时先结晶的枝晶容易阻碍未结晶的液体的流动，从而增加了分散缩孔或疏松的形成，因此铸造性能差。 反之结晶区间小，则铸造性能好。,合金的工艺性能与相图的关系,总结 共晶成分合金的铸造性能最好，这是因为它在恒温下结晶(即结晶温度区间为零

29、)，没有偏析，流动性好，结晶时容易形成集中缩孔，铸件的致密性好，同时熔点又最低。因此铸造合金常选共晶或接近共晶成分的合金。 单相固溶体合金的变形抗力小，不易开裂，有较好的塑性，故压力加工性能好。 两相混合物合金的塑性变形能力相对较差，变形抗力相对较大。 单相固溶体合金的硬度低，切削加工性能差，表现为容易黏刀、不易断屑、加工表面粗糙度大等，而当合金为两相混合物时，切削加工性能得到改善。 固态下不存在同素异构转变、共析转变、固溶度变化的合金不能进行热处理。,1. 试比较共晶反应和共析反应的异同点。 2. 为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金，而压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金?,作业,3.将20kg纯铜和30kg纯镍熔化后慢冷至T1温度，求各相的质量以及各相中Ni的质量？,