第四章合金的结构与结晶资料.ppt

第四/五章 合金的结构与结晶 4.1、合金的相结构 组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。 合金显著改变组成金属的结构、组织和性能； 强度、硬度、耐磨性等力学性能。 电、磁、化学稳定性等化学性能 组成合金的最基本、能够独立存在的物质称为组元。 组成合金的元素相互作用可形成不同的相。所谓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。 显微组织实质上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、大小和分布的组合。 固态合金中的相，按其晶体结构分为分为固溶体和金属化合物两类。 （一） 固溶体 当合金由液态结晶为固态时，组成元素间会像合金溶液那样相互溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含其他元素原子的新相，成为固溶体。 2. 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。 产生固溶强化的原因是 溶质原子使晶格发生畸变 及对位错的钉扎作用。 （二） 金属化合物 当溶质含量超过固溶体的溶解度时，组元可形成晶体结构和特性不同于任一组元的新相，称为金属化合物或中间相。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。 (1). 间隙相：r非/r金?0.59时形 成的具有简单晶格结构 的间隙化合物。 间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定；分布合理时，间隙相可有效地提高钢的强度、热硬性和耐磨性。 部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜 方晶格。 4.2 合金相图 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析. 相图表示合金系中各种平衡条件和相平衡状态之间关系的图解，又称状态图或平衡图。 相平衡：合金中共存相的数目、各相的化学成分、相对质量达到稳定状态。 （一）合金相图的表示方法（二元相图为例） 用温度－成分坐标系的平面图来表示； 横坐标：成分； 纵坐标：温度。 在成分和温度坐标平面上的任意一点称为表象点，对应于一个成分和一个温度。 （二）二元相图的建立 几乎所有的相图都是通过实验得到的 常用的有热分析法、膨胀法、X射线分析法。 二元相图的建立步骤为： [以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1. 配制不同成分的合金，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）。 2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。 4.3 二元合金的结晶 ⑴ 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Ⅰ合 金为例说明。 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。 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 ⑵ 杠杆定律 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。 现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律： ① 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成 则 QL + Q? =1 QL x1 + Q? x2 =x 解方程组得 因此两相的相对重量百分比为： 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。 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。 杠杆定律只适用于两相区。 例（如图） 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)。 在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。 不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。 Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织 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。 共晶反应：合金中，一个均匀的液相可以同时结晶出两个成分截然不同的固相，成为共晶反应。 相图分析 ① 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。 ② 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。 ③ 液固相线：液相线adb，固相线acdeb。a、b分别为Pb、Sn的熔点。 ④ 固溶线: 溶解度点的连线称固溶线。相图中的cf、eg线分别为 Sb在 Pb中和 Pb在 Sb中的固溶线。 固溶体的溶解度随