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1、第三章 合金的结构与相图第一节 固态合金中的相结构第二节 二元合金相图的建立第三节 匀晶相图*第四节 二元共晶相图 *第五节 二元包晶相图 *第六节 形成稳定化合物的二元合金相图 *第七节 具有共析反应的二元合晶相图 第八节 合金的性能与相图之间的关系 第一节 固态合金中的相结构l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。l组成合金的元素可以全部是金属，也可是金属与非金属。l组成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu两相合金黄铜l相:是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。l显微组织:是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大
2、小和分布的组合。l固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。单相合金两相合金一、 固溶体合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。习惯以、表示。l与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。l固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。l按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体l 置换固溶体l溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。l溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。黄铜置换固溶体组织l 间隙固溶体l溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。l形成间隙固溶体的溶质元素是原
3、子半径较小的非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。l形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂0.590.59时形成复杂结构间时形成复杂结构间隙化合物。隙化合物。l如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。l化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。Fe3C的晶格高温合金中的Cr23C6第二节第二节 二元合金相图的建立二元合金相图的建立 一、相图的意义及几个名词的涵义l合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析.l相图:是用来表示合金系中各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。l相图表示了在缓冷条件下
4、不同成分合金的组织随温度变化的规律 ，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。l1、组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。l2、合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元, 如Fe-C合金中的Fe3C。根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。Cu-Ni合金相图L成分（wt %Ni）温度（）CuNi二、二元相图的建立l几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。二元相图的建立步骤为：以Pb-Sn 为例1. 配制不同成分的Pb-Sn合金。 2
5、. 测出各合金的冷却曲线,找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）. 3.建立坐标系（纵坐标：温度，横坐标：成分），作成分垂线,将临 界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。4. 将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。相图中,结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。第三节 匀晶相图l两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。l以Cu-Ni合金为例进行分析。Cu-NiCu-Ni合金相图合金相图一、相图分析相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。l相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L
6、+ ）。 LL + 成分（wt%Ni）温度（）CuNi液相线固相线l二、合金的结晶过程l除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。l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LL+l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。l这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应。l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。l液固相线不仅是相区分界线, 也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。
7、l三、二元相图的 杠杆定律l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重量。l现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：l 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。在成分垂线相当于温度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。12tl则 QL + Q =1QL x1 + Q x2 =x解方程组得l式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。l 确定两平衡相的相对重量l设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。l因此两相的相对重量
8、百分比为：两相的重量比为：两相的重量比为：l上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。l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。l杠杆定律只适用于两相区。l例（如图）l合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）, 后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。l四、固溶体合金中的偏析l在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内
9、成分不均匀的现象称作 枝晶偏析。l不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。l冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。l枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。l生产上常将铸件加热到固相线以下100-200长时间保温， 以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理 工艺称作扩散退火。第四节 二元共晶相图l当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。l以 Pb-Sn 相图为例进行分析。l共晶反应:Pb-Sn合金相图成分（wt%Sn）温度（）PbSn在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两种成分和 结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或
10、共晶反应。l一、相图分析l 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。l 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。ABl 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。l固溶体的溶解度随温度降低而下降。l 液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点。ABl 共晶线：水平线CED叫做共晶线。l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：
11、LE (C + D)AB 机械混合物：以一定的重量比例相混合，在显微镜下可以区分各自晶粒的组织。l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共晶组织共晶体长大示意图Sn原子 扩散Pb原子 扩散l具有共晶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。l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。L+CDABl二、 合金的结晶过程l 含Sn量小于C点合金(合金)的结晶过程l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
12、出的固相称一次相或初生相。.2l温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，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。l形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。Hl由于二次相析出温度较低，一般十分细小。室温下的相对重量百分比为：l由 析出的二次 用 表示。l随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线变化， 的重量增加。l合金室温组织为 + 。l成分大于 D点合金结晶过程与合金相似，室温组织为 + 。ABCDEFGl 共晶合金(合金)的结晶过程l液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共晶反应：LE (C+D) 。19.2wt%
13、Sn温度, 1l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。共晶组织 形态层片状(Al-CuAl2定向凝固)条棒状(Sb-MnSb横截面)螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织形态针状共晶树枝状共晶放射状共晶螺旋状共晶l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。l共晶组织中的相称共晶相.共晶转变结束时， 和 相的相对重量百分比为：E(61.9)D(97.5)C(19.2)l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 ，由于共晶组织细， 与共晶结合，
14、与共晶 结合，共晶合金的室温组织仍为 ( + ) 共晶体。室温下两相的相对重量百分比是多少？Pb-Sn共晶合金组织l 亚共晶合金(合金)的结晶过程l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E点, 此时两相的相对重量为：l在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：L ( + ) ，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等, 即QE =QLl反应结束后，在共晶温度下、 两相的相对重量百分比为：l温度继续下降，将从一次 和共晶 中析出，从共晶 中析出。其室温组织为+ (+) + 。亚共晶合金 的结晶过程如何求室温下三种组织组成物的相对重量？ l 过共晶
15、合金结晶过程l与亚共晶合金相似，不同的是一次相为 , 二次相为l室温组织为+(+)+。Pb-Sn合金的结晶过程l三、 组织组成物在相图上的标注l组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。l和, 和,共晶体(+)都是组织组成物。l相与相之间的差别主要在结构和成分上。l组织组成物之间的差别主要在形态上。如 、 和共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。l将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。Pb-Sn亚共晶组织组织组成 物在相图 上的标注第五节 二元包晶相图l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称作包晶相图。l以Pt-Ag相图为例简要分析L+L+L +l 相图分析l单相区：L、l二相区：L+、 L+、+l三相区：L+ （水平线 PDC）l包晶反应: 在一定温度下，由一个固相与包围它的液相反应生成另 一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。l水平线PDC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+P D 。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。l 合金的结晶过程l 包晶成分合金：匀晶包晶二次析出。l室温组织为 + IIl PD成分合金：匀晶包晶二次析出。l室温
