工程材料学 第2章 - 副本

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1、1,第2章,合金的相结构与 二元合金相图,2,2-1 固态合金中的相结构,合金：由两种或以上金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。 组元：组成合金的独立的最基本的单元（一般是一种元素或一种稳定的化合物）。 相： 具有相同化学成分、相同晶体结构和相同的物理或化学性能，并与该合金系统其它部分有明显分界的均匀组成部分。 组织：用显微镜观察到的材料的微观形貌。,3,组织,相1： Ni,相2： Cu-10Sn,明显的分界,合金 组元1：Cu 组元2：Sn,图片出自：胥橙庭,沈以赴,顾冬冬. 稀有金属材料与工程, 2005, 34: 341-344.,4,按照合金中组元原子的存在方式，合金可分为

2、两 类基本相结构：固溶体和中间相（金属间化合物）。 (1) 固溶体 组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A（B）。 A：溶剂；B：溶质。,5,固溶体的分类,无序固溶体,有序固溶体,分布有序度,无限固溶体,有限固溶体,溶解度,原子半径较小,间隙固溶体,晶格类型相同，原子半径相差不大，电化学性质相近,置换固溶体,溶质原子 的位置,6,置换固溶体示意图,间隙固溶体示意图,7,固溶强化 由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变，以及对位错的钉扎作 用，阻碍了位错的运动，而造成材料强度、硬度升高，塑性和韧 性没有明显降低。,溶质原子溶入晶格畸变位错运动阻力上升金属塑性变

3、形困难强度、硬度升高。,形成固溶体时的晶格畸变,8,图片出自：W. P. Tong, N. R. Tao, Z. B. Wang, J. Lu, K. Lu. Nitriding Iron at Lower Temperatures. SCIENCE 299 (2003) 686-688.,固溶强化 SCIENCE,纳米化表层(10m),Fe,N2,-Fe23N相(颗粒) 固溶强化,9,(2)中间相（金属间化合物） 中间相是合金组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物金属间化合物。 两组元有一定比例，可用化学式AmBn表示。 特点：金属间化合物一般有较高的

4、熔点、较高的硬度和较大的脆性。合金中出现化合物时，可提高强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。,10, 正常价化合物 周期表上相距较远、电化学性质相差较大的两元素容易形成正常价化合物。其特点是符合一般化合物的原子价规律，成分固定，并可用化学式表示。如Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Si、MnS，SiC等。 正常价化合物具有高的硬度和脆性。当其在合金中弥散分布于固溶体基体中时，将起到强化相的作用，使合金强化。,11, 电子化合物 电子化合物是由第族或过渡族元素与第至第族元素结合而成的。它们不遵循原子价规律，而服从电子浓度规律。 电子浓度是指合金中化合物的价电子数目与原子数目的比值。 电子化合物具有高的熔

5、点和硬度，但塑性较低，一般只能作为强化相存在于合金（特别是有色金属合金）中。 电子化合物的结构取决于电子浓度，当电子浓度为3/2时，晶体结构为体心立方晶格，称为相；电子浓度为21/13时，晶体结构为复杂立方晶格，称为相；电子浓度为7/4时，晶体结构为密排六方晶格，称为相(Epsilon)。,12,13, 尺寸因素化合物 尺寸因素化合物：由尺寸因素作为主要控制条件而形成的中间相。 间隙化合物 和 拉弗斯（laves）相,14,(A)具有简单结构的间隙化合物：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。如： M4X (Fe4N)、 M2X (Fe2N、 W2C)、 MX (TiC、VC

6、、TiN)等。,VC面心立方晶格，V原子占据晶格正常位置，而C原子规则分布在晶格的空隙之中。,这类化合物还可相互溶解，结构相同的两种化合物之间甚至可以形成无限互溶，如ZrC-TiC，TiC-VC，ZrC-NbC。,15,具有极高的熔点、硬度和脆性，而且十分稳定，是高合金工具钢的重要组成相，也是硬质合金和高温金属陶瓷材料的重要组成相。,抛光 WC,断口 WC,抛光 WC-1VC,断口 WC-1VC,抛光 WC-4VC,抛光 WC-12VC,图片出自：S.G. Huang. Int. J. Refractory Metal Hard Mater. 26 (2008) 256.,16,纯Ti表面合成

7、TiC-ZrC涂层,图片出自：D. Ferro. Surf. Coat Technol. 202 (2008) 1455.,17,(B)具有复杂结构的间隙化合物 当0.7r非/r金0.59时形成复杂结构间隙化合物。 如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其中Fe3C称渗碳体，是钢中重要强化相，具有复杂斜方晶格。,Fe3C的晶格,18,钢中常见间隙化合物的硬度及熔点,19,2-2 二元合金相图的建立,组元：组成合金的独立的最基本的单元。一般是一种元素（如Pb-Sn合金中的Pb和Sn） 或一种稳定的化合物（如Fe3C） 。 合金系： 由两个或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（如Pb

8、-Sn系，Fe-Fe3C 系） 。 相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图。,2-2-1 名词涵义,20,相图上所表示的组织都是在非常缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织，也称为平衡图。 相图是用图解的方法表示合金系中各种合金状态与温度和成分之间关系，也称为状态图。,Cu-Ni相图,相图的意义：分析合金组织的重要参考资料；制定热加工工艺的重要依据。,Cu-Sn相图,21,相图用纵坐标表示温度变化，横坐标表示成分变化。一般采用热分析法。原理是凝固时释放凝固潜热。,2-2-2 相图的建立,热 分 析 法,22,23,24,以Cu-Ni合金为例，说明热分析法建立相图的步骤： 1）

9、配制不同成分的Cu-Ni合金。 2）将合金熔化后，测定它们的冷却曲线，并找出曲线上临界点（即转折点和停歇点）。 3）将上述数据引入相应成分的温度-成分坐标图中。 4）将物理意义相同的临界点连成曲线，即得Cu-Ni合金相图。,25,：纯铜 ：75%Cu+25%Ni ：50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni ：纯Ni,金属和合金在冷却到该温度时发生了冷却速度的突然改变。【原因】金属和合金在结晶（相变）时有结晶潜热释放，抵消了部分或全部热量的散失。,结晶开始,结晶终了,26,2-3-1 匀晶相图分析 两组元在液态和固态下均能以任何比例相互溶解，冷却时发生匀晶转变的合金系的相图是匀晶相图。,

10、2-3 匀晶相图,Cu-Ni合金匀晶相图,点：A，B,线： 液相线 固相线,区：L L+,27,2-3-2 合金的平衡结晶过程 以点成分的Cu-Ni合金（Ni的质量分数为40%）为例分析结晶过程。 匀晶结晶特点： 固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。 在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni含量）是确定的。 先结晶出的固溶体和后结晶出的固溶体成分不同。平衡结晶条件下，可通过原子扩散使成分均匀化，最终获得与原合金成分相同的单相固溶体。 与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，包括有生核与长大两个过程，但固溶体更趋向于树枝状长大。,28,2-3-3 杠杆定律及应用,匀晶

11、相图合金的结晶过程,QL,Qa,29,QLab= Qa bc,杠杆定律,杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点，而支点为合金的成分点。,杠杆定律与力学比喻,QL,Qa,30,【证明】 Q合金，其中Ni含量b%；T1温度时，L相中Ni质量分数a%，a相中Ni质量分数c%。,Q0 b%=QL a% + Qa c%,又因为 Q0=QL+Qa 所以 （QL+Qa ） b% = QL a% + Qa c%,Q0合金总质量，QL液相质量，Qa固相质量。,31,由杠杆定律可算出T1时液相和固相在合金中质量分数： 运用杠杆定律时注意，它只适用于相图中的两相区，并且只能在平衡状态下使用。 杠杆定律的应用： 确定

12、某一温度下两平衡相的成分； 确定某一温度下两平衡相的相对量。,32,实际金属的结晶主要以树枝状长大：这是由于当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴，树枝间最后被填充。,2-3-4 非平衡结晶与固溶强化,33,树枝状结晶,34,固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。 一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多，后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多，结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均，这种现象称为枝晶偏析。 消除枝晶偏析的

13、方法采用扩散退火（或均匀化退火）。,性能不均匀,成分不均匀,组织不均匀,富Ni区,富Cu区,35,2-4 二元共晶相图 2-4-1 相图分析 PbSn合金相图,这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。所生成的两相混合物叫共晶体。水平线ced为共晶反应线。,36,组元: Pb，Sn 相: L， （是Sn在Pb中的有限固溶体； 是Pb在Sn中的有限固溶体） 点、线：a，b，c，d，e 液相线 ： aeb 固相线 ： acedb 共晶反应线：ced，在共晶温度发生共晶反应，转变过程中 是三相（L， ）共存。 溶解度线：cf ， Sn在Pb中的溶解度线，或称相的固溶线； 固溶体中S

14、n 的溶解度极限曲线； dg ， Pb在Sn中溶解度线，或称相的固溶线； 固溶体中Pb的溶解度极限曲线。,共晶相图：两组元液态时彼此无限互溶，固态下彼此部分固溶，并发生共晶转变的合金系形成的相图。,37,相区： 三个单相区： L、（、是有限固溶体） 三个双相区： L+、 L +、 + 三相区： L+ （共晶点）。 共晶体： 共晶反应产生共晶体（+）。,38,(1)合金IV的平衡结晶过程,温度降低，固溶体溶解度下降。从固态相中析出富Sn的相称为二次，常写作。这种二次结晶可表示为 。,由于固溶体中溶解度的减少而析出另一固相的反应叫 二次析出反应或脱溶过程。,2-4-2 典型合金的结晶过程,0 1

15、2 3 4,匀晶,不变,析出,富Sn的相在冷却过程中，当超过其固溶度时，会析出低Sn的相，。,39,室温组织：+II,合金IV冷却曲线及结晶过程,二次相通常沿初生相 的晶界析出，也可在 晶内沿缺陷处析出。,40,运用杠杆定律，两相的质量分数：,合金IV室温组织由和两相组成。,41,（ 共晶合金） Le c + d 合金室温组织全部为共晶体，即只含一种组织组成物（即共晶体）；而其组成相仍为和两相。,(2)合金I的平衡结晶过程,42,共晶合金组织的形态 ( 机械混合物，两相交替分布，黑色片层为富Pb的相，白色基体为富Sn的相）,室温时： 合金的室温组织为共晶体, 即只含一种组织组成物; 其组成相仍为 和 相。,共晶转变温度时： 相组成物，,共晶转变温度以下： 共晶体中和二次结晶, 从 中析出II, 从 中析出II。成分由 cf, 成分由 d g。两种相的相对重量依杠杆定律变化。II和II 同和相连在一起, 共晶体形态和成分不发生变化。,43,（亚共晶合金） 结晶过程分三个阶段，即匀晶反应+共晶反应+二次结晶反应。 L初+L 初+（c+d) 初+II+（+） 【共晶组织中二次相的析出忽略】 合金室温组织：