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1、第三章二元合金相图概述纯金属具有良好的导电导热性 但机械性能差 而且提炼困难 价格昂贵 故工业上广泛应用的是合金材料 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 例如 钢 铁和碳的合金 黄铜 铜和锌的合金 组元组成合金的独立的 最基本的单元叫做组元 组元可以是金属 非金属元素或稳定化合物 二元合金由两个组元组成的合金称为二元合金 例如工程上常用的铁碳合金 铜镍合金 铝铜合金等 合金的强度 硬度 耐磨性等机械性能比纯金属高许多 某些合金还具有特殊的电 磁 耐热 耐蚀等物理 化学性能 因此合金的应用比纯金属广泛得多 第一节固态合金相结构合金的生产
2、用的最多的是熔炼法 由于合金中含有2种或2种以上元素的原子 在熔炼的过程中 原子之间必然相互发生作用 因而使得合金结晶后生成的结晶产物是含有2种或多种元素的小晶体 在金属或合金中 凡化学成分相同 晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相 例如 单一的液相 单一的固相 液相 固相两相共存 冰水混合物 问题 水 油混装在一个瓶子里 是几个相 将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相 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 若合金是由成分和结构互不相同的几种晶粒构成 称合金含有多种相 为多相 固态合金中的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类 固态合金中的相 按其晶
3、格结构的基本属性 可以分为固溶体和化合物两大类 一 固溶体合金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 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组元组成的固溶体也可表示为A B 其中A为溶剂 B为溶质 例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用 表示 亦可表示为Cu Zn 1 固溶体的分类 1 按溶质原子在溶剂晶格中的位置分固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种 置换固溶体中溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子 形成置换固溶体时 溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于两者的晶格类型 原子直径及
4、它们在周期表中的位置 间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中 形成间隙固溶体的条件 溶质原子半径很小而溶剂晶格间隙较大 一般r溶质 r溶剂 0 59时 才能形成间隙固溶体 2 按溶质原子在溶剂中的溶解度分固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种 固溶体中溶质的含量即为固溶体的浓度 用质量分数或摩尔分数表示 在一定温度和压力条件下 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它相形成 则此种固溶体为有限固溶体 若溶质可以任意比例溶入 即溶质溶解度可达100 则固溶体为无限固溶体 3 按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种 溶质原子有规
5、则分布的为有序固溶体 无规则分布的为无序固溶体 在一定条件 如成分 温度等 下 一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体 这种转变叫做有序化 2 固溶体的性能固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变 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 这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化 固溶体引起的晶格畸变 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 例如 纯铜的 b为220MPa 硬度为40HB 断面收缩率 为70 当加入1 的镍形成单相固溶体后 强度升高到390MPa 硬度升高到7
6、0HB 而断面收缩率仍有50 所以固溶体综合机械性能很好 常作为结构合金的基体相 我国普通低合金钢就是利用Mn Si等元素强化铁素体而使钢材的性能提高 二 金属化合物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即为金属化合物 或称中间相 例如 碳钢中的Fe3C 黄铜中的相 CuZn FeS MnS等为一般化合物 金属化合物一般熔点较高 硬度高 脆性大 合金中含有金属化合物时 强度 硬度和耐磨性提高 而塑性和韧性降低 1 正常价化合物严格遵守化合价规律的化合物称正常价化合物 它们由元素周期表中相距较远 电负性相差较大的两元素组成 可用确定的化学式表示 例如 大多数金属和 A族 族
7、 A族元素生成Mg2Si Mg2Sb3 Mg2Sn Cu2Se ZnS AlP及 SiC等 皆为正常价化合物 这类化合物性能的特点是硬度高 脆性大 2 电子化合物不遵守化合价规律但符合于一定电子浓度 化合物中价电子数与原子数之比 的化合物叫做电子化合物 它们由 B族或过渡族元素与 B族 A族 A族 A族元素所组成 一定电子浓度的化合物相应有确定的晶体结构 并且还可溶解其组元 形成以电子化合物为基的固溶体 生成这种合金相时 元素的每个原子所贡献的价电子数Au Ag Cu为1个 Be Mg Zn为2个 Al为3个 Fe Ni为0个 电子化合物主要以金属键结合 具有明显的金属特性 可以导电 它们的熔
8、点和硬度较高 塑性较差 在许多有色金属中为重要的强化相 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 尺寸较大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置 尺寸较小的非金属原子则有规则地嵌入晶格的间隙之中 根据结构特点 间隙化合物分间隙相和复杂结构的间隙化合物两种 1 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 间隙相具有金属特性 有极高的熔点和硬度 非常稳定 它们的合理存在 可有效地提高钢的强度 热强性 红硬性和耐磨性 是高合金钢和硬质合金中的重要组成相 VC 2 复杂结构的间隙化合物当非金属原子
9、半径与金属原子半径之比大于0 59时 形成具有复杂结构的间隙化合物 钢中的Fe3C Cr23C6 Fe4W2C Cr7C3 Mn3C FeB Fe2B等都是这类化合物 Fe3C是铁碳合金中的重要组成相 具有复杂的斜方晶格 其中铁原子可以部分地被锰 铬 钼 钨等金属原子所置换 形成以间隙化合物为基的固溶体 如 Fe Mn 3C Fe Cr 3C等 复杂结构的间隙化合物也具有很高的熔点和硬度 但比间隙相稍低些 在钢中也起强化相作用 Fe3C 第二节二元合金相图及应用一 概述工业上使用的合金绝大多数是以固溶体为基体加上化合物 一种或多种 所构成的机械混合物 某种成分的合金在某一温度下会形成何种相 相
10、的数量 大小和分布情况如何 合金系随着成分的变化 它的组织和性能会发生怎样的变化 随着温度的变化 它的组织和性能又发生什么样的变化 合金相图 是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 也称为平衡图或状态图 平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和质量分数不再变化所达到一种状态 此时合金系的状态稳定 不随时间而改变 合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程 一般可以认为是平衡的结晶过程 二 二元合金相图的建立 以铜镍合金为例 一 相图的建立在常压下 二元合金的相状态决定于温度和成分 因此二元合金相图可用温度 成分坐标系的平面图来表示 1 配制一系列不同成分的铜镍
11、合金2 用热分析法测出各成分的合金冷却曲线 3 将意义相同的点用光滑的曲线联系起来 二 相图的作用 铜 镍二元合金相图 三 二元合金基本相图 一 二元匀晶相图 uniformgrainphasediagram 两组元在液态下无限互溶 在固态时也无限互溶并形成单相固溶体 所构成的相图称为二元匀晶相图 1 相图分析相图中aa1c线为液相线 该线以上合金处于液相 ac1c为固相线 该线以下合金处于固相 液相线和固相线表示合金系在平衡状态下冷却时结晶的始点和终点以及加热时熔化的终点和始点 单相区L为液相 是Cu和Ni形成的液溶体 为固相 是Cu和Ni组成的无限固溶体 双相区 L 相区 Fe Cr Au
12、 Ag合金也具有匀晶相图 2 合金的结晶过程在1点温度以上 合金为液相L 缓慢冷却至1 2温度之间时 合金发生匀晶反应 L 从液相中逐渐结晶出 固溶体 2点温度以下 合金全部结晶为 固溶体 其它成分合金的结晶过程也完全类似 固溶体结晶 以b点成分的合金 Ni含量为b 为例分析结晶过程 在两相区内 温度一定时 两相的成分 即Ni含量 是确定的 确定相成分的方法是 过指定温度T1作水平线 分别交液相线和固相线于a1点 c1点 则a1点 c1点成分轴上的投影点即相应为L相和 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 到温度T2时 L相成分及 相成分分别为a2和c2点在成分
13、轴上的投影 3 匀晶结晶特点 1 生核与长大与纯金属一样 固溶体从液相中结晶出来的过程中 也包括有生核与长大两个过程 但固溶体更趋于呈树枝状长大 2 变温结晶固溶体结晶在一个温度区间内进行 即为一个变温结晶过程 3 两相的成分确定在两相区内 温度一定时 两相的成分 即Ni含量 是确定的 确定相成分的方法是 过指定温度T1作水平线 分别交液相线和固相线于a1点 c1点 则a1点 c1点成分轴上的投影点即相应为L相和 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 到温度T2时 L相成分及 相成分分别为a2和c2点在成分轴上的投影 4 两相的质量比一定在两相区内 温度一定时
14、两相的质量比是一定的 如在T1温度时 两相的质量比可用下式表达 式中 QL为L相的质量 Q 为 相的质量 b1c1 a1b1为线段长度 可用其浓度坐标上的数字来度量 上式可写成这个式子与力学中的杠杆定律相似 因而亦被称作杠杆定律 由杠杆定律不难算出合金中液相和固相在合金中所占的相对质量 即质量分数 运用杠杆定律时要注意 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 枝晶偏析由于固溶体结晶时成分变化 缓慢冷却时原子的扩散能充分进行 形成的是成分均匀的固溶体 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 先结晶的树
15、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 枝晶偏析对材料的机械性能 抗腐蚀性能 工艺性能都不利 Cu Ni合金枝晶偏析示意图 生产上为了消除其影响 常把合金加热到高温 低于固相线100 左右 并进行长时间保温 使原子充分扩散 获得成分均匀的固溶体 这种处理称为扩散退火 二 二元共晶相图 eutecticphasediagram 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 所构成的相图称为二元共晶相图 一定成分的液相在恒温下同时结晶出两种成分和结构都不相同的新的固相的过程称为共晶反应 Pb Sn合金
16、相图中有三种相 Pb与Sn形成的液溶体L相 Sn溶于Pb中的有限固溶体 相 Pb溶于Sn中的有限固溶体 相 相图中有三个单相区 L 三个双相区 L L 一条L 的三相共存线 水平线cde d点为共晶点 表示此点成分 共晶成分 的合金冷却到此点所对应的温度 共晶温度 时 共同结晶出c点成分的 相和e点成分的 相 L 水平线cde为共晶反应线 发生共晶反应时有三相共存 它们各自的成分是确定的 反应在恒温下平衡地进行 成分在ce之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应 cf线为Sn在Pb中的溶解度线 或 相的固溶线 温度降低 固溶体的溶解度下降 Sn含量大于f点的合金从高温冷却到室温时 从 相中析出 相以降低 相中Sn含量 从固态 相中析出的 相称为二次 写作 II 这种二次结晶可表达为 II eg线为Pb在Sn中溶解度线 或 相的固溶线 Sn含量小g点的合金 冷却过程中同样发生二次结晶 析出二次 典型合金的结晶过程1 合金I的平衡结晶过程液态合金冷却到1点温度以后 发生匀晶结晶过程 至2点温度合金完全结晶成 固溶体 随后的冷却 2 3点间的温度 相不变 从3点温度开始 由于Sn在 中的溶解度沿
