金属学第三章 哈工大版.ppt

第三章 二元合金的相结构与结晶 第一节 合金中的相 组元：组成合金的最基本的、独立的物质 组元通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。 合金的晶体结构 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。 组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。 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。 固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。 第二节 合金的相结构 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 ① 置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。 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。 ② 间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金 ③ 固溶体的溶解度 溶质原子在固溶体中的极限浓度。 溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。 组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。 组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。 间隙固溶体都是有限固溶体。 ④ 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 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。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 正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si ② 电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。 电子浓度为价电子数与原子数的比值。 ③ 间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。 a. 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。如 M4X (Fe4N)、 M2X (Fe2N、 W2C)、 MX (TiC、VC、TiN)等。 间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。 部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。 b. 具有复杂结构的间隙化合物 当r非/r金0.59时形成复杂结构间隙化合物。 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。 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。 第三节 二元相图的建立 一、二元相图的建立 二、二元相图的基本类型与分析 1、二元匀晶相图 2、二元共晶相图 3、二元包晶相图 4、形成稳定化合物的二元相图 5、具有共析反应的二元相图 6、二元相图的分析步骤 7、相图与合金性能之间的关系 合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析. 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。 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。 相图表示了在缓冷条件下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。 根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。 一、二元相图的建立 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。 热 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。 三 相律及杠杆定律（一）相律 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） 第四节 匀晶相图及固溶体的结晶 组成二元合金的两组元在液态和固态均能无限互溶的合金所形成的相图称为二元匀晶相图。 一、二相图分析及平衡结晶过程 固溶体结晶特点 1.异分结晶 固溶体合金结晶时所结晶出的固相成分与液相的成分不同，这种结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶，或称选择结晶。 同分结晶：纯全属结晶时，所结晶