[其它考试]131133二元合金相图

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1、二元合金与铁碳合金相图,1.3.1 二元合金的结晶,合金,两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。,组元,组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素。,相,是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分 。,1.3.1 二元合金的结晶,1.3.1 二元合金的结晶,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。,固溶体,置换固溶体,间隙固溶体,1.3.1 二元合金的结晶,置换固溶体： 溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，形成固溶体时溶质原子替换了溶剂晶格中的一部

2、分原子，就形成了置换固溶体。 如：Fe与Mn、Si、AL、Cr、Ti等形成置换固溶体。,1.3.1 二元合金的结晶,间隙固溶体： 溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置上，则形成间隙固溶体。 如：Fe与C、N、O、H形成间隙固溶体。,1.3.1 二元合金的结晶,奥氏体碳溶于-Fe中形成的固溶体 铁素体碳溶于-Fe中形成的固溶体,1.3.1 二元合金的结晶,由于面心立方晶格的间隙比体心立方晶格大，所以奥氏体的溶碳能力比铁素体大。 2.11% 0.0218%,1.3.1 二元合金的结晶,按溶质原子在固体中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。,按溶质原子在固

3、溶体内分布是否有规则，固溶体分为有序固溶体和无序固溶体两种。,1.3.1 二元合金的结晶,固溶体的性能,随溶质含量增加, 固溶体的强度、硬度增加, 塑性、韧性下降固溶强化。,与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。,1.3.1 二元合金的结晶,金属化合物,当碳在铁中的含量超过了其溶解度极限时，便会形成化合物，Fe3C，渗碳体,金属化合物的组成一般可用化学式表示 金属化合物的晶格类型不同于任一组元，一般具有复杂的晶格结构。,金属化合物的特点,1.3.1 二元合金的结晶,金属化合物,渗碳体 ( Fe3C ) 铁与碳形成的金属化合物。

4、,1.3.2 二元合金相图,相图是表示合金系中各合金在极其缓慢的冷却条件下的结晶过程 相图的分类（根据组元数量分） 二元相图 三元相图,1.3.2 二元合金相图,1.3.2 二元合金相图,由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。,发生匀晶反应的合金的结晶,两组元在液态和固态下均无限互溶,1.3.2 二元合金相图,发生匀晶反应的合金的结晶合金的结晶过程,除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。,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,1.3.2 二元合金相图,发生匀晶反应的合金的结晶合金的结晶过程,随温度下降，固溶体重量增加，液

5、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。,1.3.2 二元合金相图,发生匀晶反应的合金的结晶合金的结晶过程,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。,成分变化是通过原子扩散完成的。,1.3.2 二元合金相图,Tx,a,b,r,x1,x2,x,I,设Tx温度下I合金的总质量为1，液、固相质量分别为wL和wa，则有,解方程组，得,发生匀晶反应的合金的结晶杠杆定律,1.3.2 二元合金相图,发生匀晶反应的合金的结晶杠杆定律,杠杆定律只适用于两相区,1.3.2 二元合金相图,发生匀晶反应的合金的结晶枝晶偏析,匀晶系合金的不

6、平衡凝固,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）,1.3.2 二元合金相图,发生匀晶反应的合金的结晶枝晶偏析,枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。 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。,1.3.2 二元合金相图,发生共晶反应的合金的结晶相图分析,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。,1.3.2 二元合金相图,发生共晶反应

7、的合金的结晶相图分析, 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cde。,1.3.2 二元合金相图,发生共晶反应的合金的结晶相图分析, 固溶线: 溶解度点的连线称固溶线。相图中的cf、eg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。, 液固相线：液相线adb，固相线acdeb。a、b分别为Pb、Sn的熔点。,1.3.2 二元合金相图,发生共晶反应的合金的结晶相图分析, 共晶线：水平线CED叫做共晶线。 在共晶线对应的温度下

8、（183 ），d点成分的合金同时结晶出c点成分的 固溶体和e点成分的 固溶体，形成这两个相的机械混合物：Ld (c + e),在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。,1.3.2 二元合金相图,发生共晶反应的合金的结晶相图分析,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,共晶体长大示意图,1.3.2 二元合金相图,发生共晶反应的合金的结晶共晶合金的平衡凝固,共晶系合金一般以共晶点为界进行分类，可以分为：,Sn97.5%的端部合金 共晶合金

9、: 61.9 %Sn 亚共晶合金: 19.2% 61.9%Sn 过共晶合金: 61.9% 97.5%Sn,1.3.2 二元合金相图,发生共晶反应的合金的结晶共晶合金的平衡凝固,端部固溶体合金（10%Sn-Pb合金）,1.3.2 二元合金相图,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。,1.3.2 二元合金相图,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。 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。,1.3.2 二元合金相图,由于二次相析出温度较低，一般十分细小。,

10、由 析出的二次 用 表示。 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。,室温下的相对重量百分比为：,1.3.2 二元合金相图,合金室温组织为 + 。,成分大于 D点合金结晶过程与合金相似，室温组织为 + 。,1.3.2 二元合金相图,共晶合金（61.9%Sn-Pb）,发生共晶反应的合金的结晶共晶合金的平衡凝固,1.3.2 二元合金相图,液态合金冷却到d点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共晶反应：Ld (c+e),1.3.2 二元合金相图,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。,1.3.2 二元合金相图,共晶组织形态,层片状(A

11、l-CuAl2定向凝固),条棒状(Sb-MnSb横截面),螺旋状（Zn-Mg）,Pb-Sn共晶组织,1.3.2 二元合金相图,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.共晶转变刚结束时， 和 相的相对重量百分比为：,1.3.2 二元合金相图,共晶结束后，随温度下降， 和 的成分分别沿cf线和eg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， 与共晶 结合，共晶合金的室温组织仍为 ( + ) 共晶体。,1.3.2 二元合金相图,亚共晶合金,发生共晶反应的合金的结晶共晶合金的平衡凝固,成分在共晶点d

12、以左、c点以右(即Sn: 19.2 61.9%)的合金称为亚共晶合金。,1.3.2 二元合金相图,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, 刚冷却到2点时两相的相对重量为：,1.3.2 二元合金相图,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，共晶体的重量与转变前的液相重量相等, 即,反应结束后，在共晶温度下、 两相的相对重量百分比为：,1.3.2 二元合金相图,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+ (+) + 。,1.3.2 二元合金相图,过共晶合金,发生共晶反应的合金的结晶共晶合金

13、的平衡凝固,成分在共晶点e以左、d点以右(即Sn:61.997.5%)的合金称为过共晶合金。,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+(+)+。,1.3.2 二元合金相图,发生共晶反应的合金的结晶组织组成物在相图上的标注,组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。,和, 和,共晶体(+)都是组织组成物。,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。,1.3.2 二元合金相图,发生共晶反应的合金的结晶组织组成物在相图上的标注,相与相之间的差别主要在结构和成分上。 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

14、形态不同，分属不同的组织组成物。,1.3.2 二元合金相图,发生包晶反应的合金的结晶,两组元在液态无限溶解，在固态有限固溶，并且发生包晶反应的相图，称为包晶相图。,相图分析 单相区：L、 二相区：L+、 L+、+ 三相区：L+ （水平线PDC）,1.3.2 二元合金相图,发生包晶反应的合金的结晶,水平线ced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： 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,在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。,1.3.2 二元合金相图,发生包晶反应的合金的结晶,含42.4%Ag的Pt-Ag

15、合金,1.3.2 二元合金相图,发生包晶反应的合金的结晶,42.4%Ag66.8%的Pt-Ag合金,1.3.2 二元合金相图,发生包晶反应的合金的结晶,10.5%Ag42.4%的Pt-Ag合金,1.3.2 二元合金相图,发生共析反应的合金的结晶,共析反应是指在一定温度下，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。 共析转变也是固态相变。,1.3.3 合金的性能与相图的关系, 相图与合金力学性能、物理性能的关系 两相机械混合物的合金:性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如： 混= Q + Q HB混=HB Q +HBQ (Q 、Q为两相相对重量),1.3.3 合金的性能与相图的关系, 单相固溶体的合金： 固溶体中溶质越多，晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高，电阻越大。,1.3.3 合金的性能与相图的关系, 相图与铸造性能的关系,固溶体合金液固相线间距越大、偏析倾向大, 树枝晶发达, 流动性降低, 补缩能力下降, 分散缩孔增加. 共晶合金结晶温度低，流动性好，缩孔集中， 偏析小， 铸造性能好。,