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1、Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,第四章 二元合金相图,主要内容： 合金、相图等相关概念，以及合金的类型； 三种基本相图、及其平衡结晶过程分析，形成合金的显微组织及杠杆定律； 合金的结晶过程,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,思考,第四章 二元合金的相结构与相图,1. 纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差，如何改善？,2. 合金的结晶过程是否与纯金属的结晶过程相同？,3. 相同成分不同含量的合金的结晶过程是否相同？怎样表示？,Xiaoqiu Zheng,Institute of Techno
2、logy JGSU,合金：由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元素，也可以是非金属元素）组成的有金属特征的金属材料。,思考,金属与非金属组成的是不是一定就是合金？,Fe + C,Fe(C)合金（钢）,Fe3C (化合物）,4.1 基本概念,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,组元：组成合金独立的最基本单元。组元可以是元素或是稳定化合物。,Fe(C)合金,Fe、C组元,Fe、Fe3C组元,类比,鸡蛋,水，蛋白质，脂肪，胆固醇,4.1 基本概念,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,相：具有相同结
3、构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相。,类比,鸡蛋,蛋白、蛋黄,工业纯铁,单相铁素体,共析碳钢,铁素体相、渗碳体相,普通陶瓷,晶相、玻璃相、气相,4.1 基本概念,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,组织：用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像的统称（宏观组织、微观组织）。组织是影响材料性能的重要因素。,相是组织的基本组成部分,相同的相，但当组成相的数量、大小、形态和分布不同时，其组织也不同！,不同的相构成不同的组织！,4.1 基本概念,Xiaoqiu Zheng,Institute
4、 of Technology JGSU,固溶体：溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相称为固溶体。,“固体溶液”,均一的、保持熔剂金属的晶体结构 晶格常数发生一定变化,1. 晶体结构特点,4.1 基本概念,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,2. 固溶体的分类,按溶质原子所占据的位置,置换固溶体：溶质原子一般为半径相差不大的原子 间隙固溶体：溶质原子半径小的非金属原子 （H、O、N、C、B）,4.1 基本概念,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,按固态溶解度分：,有限固溶体：间隙固溶体只能是有限固溶
5、体 无限固溶体：无限固溶体只能是置换固溶体,形成无限固溶体的必备条件： 置换固溶体 组元点阵相同 原子尺寸相差不大 负电性相同,按溶质原子在晶格中的分布状态分： 有序固溶体、无序固溶体,4.1 基本概念,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,3.固溶体的性能,固溶强化：固溶体的强度、硬度随溶质原子浓度升高而明显增加，塑性、韧性稍有下降，这种现象称为 。,金属材料重要的强化方式之一，固溶体具有良好的综合机械性能（强硬度、塑韧性的综合），一般作为合金的基体相。,4.1 基本概念,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technolog
6、y JGSU,正常晶格,大原子置换引起的晶格畸变,小原子置换引起的晶格畸变,间隙原子引起的晶格畸变,4.1 基本概念,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,金属间化合物：两组元形成合金时，当超过固溶体的溶解极限时，形成的一种晶体结构不同于任一组元的新相，称为金属间化合物，也称中间相。,晶体结构不同于任一组元金属 性能不同于任一组元金属 一般具有较高的熔点、硬度，较大的脆性,1. 特点,正常价化合物 电子化合物 间隙相和间隙化合物,2. 分类,4.1 基本概念,返回,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGS
7、U,4.2 二元合金相图,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。是合金体系中材料的状态与温度、成分间关系的简明图解。,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。,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,4.2.1 相图的建立 4.2.2 相图的使用 4.2.3 典型相图分析 4.2.4 性能与相图的关系,4.2 二元合金相图,Xiaoqiu Zhe
8、ng,Institute of Technology JGSU,成分,温度,表象点,4.2.1 相图的建立,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,4.2.1 相图的建立,时间,温度,温度,成分,热分析法建立Cu-Ni相图,固相线,液相线,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,1083,1455,L,L+ ,纯铜熔点,纯镍熔点,液相线,固相线,液相区,固相区,液固两相区,4.2.1 相图的建立,返回,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,由相图某成分合金
9、在某温度时的相 由相图确定给定合金的相变温度 由相图某成分合金在某温度时的两个平衡相的成分和相对质量杠杆定律,4.2.2 相图的使用,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,4.2.2 相图的使用,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,4.2.2 相图的使用,设合金的质量为Q合金 , 其中 Ni质量分数为b%, 在 T1温度时, L相中的 Ni质量分数为a%, 相中的Ni质量分数为c%。,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,2.2.2 相图的使用,合金
10、中含Ni的总质量 = L相中含Ni的质量 + 相中含Ni的质量,因为,所以,化简后得,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,质量分数,4.2.2 相图的使用,返回,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,1匀晶相图 2共晶相图 3包晶相图 4. 共析相图,4.2.3 典型相图分析,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,匀晶相图,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,a,b,c,d,T,C,t,L,L,L,匀
11、晶转变 L ,冷却曲线,匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。,匀晶合金的结晶过程,匀晶相图,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,3. 固溶体的不平衡结晶,1)工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较快，在每一温度下不能保持足够的扩散时间，使凝固过程偏离平衡条件，称为非平衡凝固(结晶) 。 2)非平衡凝固(结晶)得到的组织称为不平衡组织。,匀晶相图,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,固溶体结晶时成分是变化的 （固相线和液相线），如冷却较快，原子扩散不能充
12、分进行，则会形成成分不均匀的固溶体。固溶体一般都以枝晶状方式结晶，使得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。 枝晶偏析的合金对合金的力学性能影响较大。容易导致合金塑性韧性下降；易引起晶间腐蚀，降低合金的抗蚀性能。 消除枝晶偏析的方法采用扩散退火。,匀晶相图,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,匀晶相图,偏析实例,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,通过对非平衡凝固分析得到如下结论：,(1)
13、固相、液相的平均成分分别与固相线、液相线不同，有一定的偏离（固相成分按平均成分线变化），其偏离程度与冷却速度有关。冷却速度越大，其偏离程度越严重；冷却速度越小，偏离程度越小，越接近于平衡条件。 (2) 先结晶部分含有较多的高熔点组元(Ni)，后结晶部分含有较多的低熔点组元(Cu)。 (3) 非平衡结晶条件下，凝固的终结温度低于平衡结晶时的终止温度。,返回,匀晶相图,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,共晶相图,共晶相图：液相组元无限互溶，固相组元有限溶 解的合金系，当溶质超出固溶体溶解极限时，冷 却过程中发生共晶转变，这类合金构成的相图称 为共
14、晶相图。,从一个液相中同时析出两个固相,L + ,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,Pb,Sn,Sn%,T,C,液相线,L,固相线, + ,L+ ,L + ,固溶线,固溶线,共晶相图,A,B,E,M,N,F,G,共晶相图简介,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,共晶相图,Pb,Sn,T,C,L, + ,L + ,L + ,共晶反应线 表示从M点到N点范围的合金，在该温度上都要发生不同程度上的共晶反应。,c,e,共晶点 表示E点成分的合金冷却到此温度上发生完全的共晶转变。,d,LE M + N,
15、A,B,E,M,N,F,G,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,共晶转变在恒温下进行。 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。,共晶转变要点须知,共晶相图,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,c,e,f,g,X1,T,C,t,L,L,L,L+ ,冷却曲线, + ,1,2,3,4,共晶相图结晶过程分析（）,共晶相图,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,T,C,t,L,L,L,L+ ,冷却曲线, + , ,1.没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成单相固相。,2.要经过二次析出反应，室温 组织组成物为 + ,组织组成物 组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的组成部分。,共晶相图,Xiaoqiu Zheng,Institute of Technology JGSU,X
