05 第三章 合金的结构与相图.pptx

第1页：第三章 合金的结构与相图

第三章 合金的结构与相图

• 第三章合金的结构与相图
• 内容：
• 3.1固态合金中的相结构
• 3.2二元合金相图
• 3.3二元合金性能与相图的关系
• 要点:
• 了解合金在固态下的基本相结构
• 掌握合金、组元、相、组织的概念
• 了解合金组织在随温度变化的一般规律（基本二元合金相图的建立与分析）

第2页：合金的概念

合金的概念

• 3.1固态合金中的相结构
• 一.基本概念
• 合金、组元、相、组织
• 1·合金（alloy）
• 以一种金属为基础，加入其它一种或几种金属和非金属元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属性质物质。
• 合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能，比纯金属要高；某些合金还具有特殊的电、磁、耐蚀、耐热等物理化学性能。

第3页：组元

组元

• 2·组元(element)
• 组成合金的元素或基本的单元称之为组元。
• 它可以是金属或非金属元素，也可以是稳定化合物。
• 合金按其组元的多少可以分为：
• 二元合金
• 三元合金
• 多元合金。

第4页：二元与多元合金实例

二元与多元合金实例

• 2·组元(element)
• 二元合金
• 钢铁Fe－C合金黄铜Cu－Zn
• 三元合金
• 硬铝Al－Cu－Mg
• 多元合金
• 保险丝Sn－Bi－Cd－Pb
• 比较简单的是二元合金。
• 注意合金系的概念；不同配比的某一合金系列

第5页：相的概念

相的概念

• 3.相（phase）
• 相：合金中具有相同化学成分和相同晶体结构（聚集状态），并与其它部分有明显分界的均匀组成部分。（不管形貌）
• 合金中有两类基本的相结构：固溶体和金属间化合物。
• 相与相之间有明显的分界面。若材料是由成分、结构均相同的同种晶粒构成的，尽管各晶粒之间有晶面隔开，但它们仍属于同一种相。

第6页：组织的概念

组织的概念

• 4.组织（microscopic structure）
• 用眼睛和显微镜所观察到的材料的微观形貌称为组织。
• 组织与相有密切的联系。组织实际上是指由各个晶粒或各种相所形成的图案。组织是由数量、形态、大小和分布形式不同的各种相组成。

第7页：组织与性能的关系

组织与性能的关系

• 4.组织
• 组织是材料性能的决定性因素。相同条件下，材料的性能随其组织的不同而变化。可以通过控制和改变材料的组织来改变材料的性能。
• 用放大镜看到的组织为宏观组织，用显微镜看到的组织为显微组织。
• 单相组织、复相组织或多相组织。

第8页：组织组成物

组织组成物

• 5.组织组成物
• 组织组成物：组织中具有确定本质，一定形成机制和特殊形态（可观察到的）的组成部分。
• 组织组成物可以是单相或是两项混合物。

第9页：45钢的显微组织

45钢的显微组织：本页为图示内容，显示亚共析钢中铁素体与珠光体的分布形态。

第10页：20钢与40钢的显微组织

20钢与40钢的显微组织：本页为图示内容，显示含碳量升高后珠光体比例增加的变化。

第11页：T12钢的显微组织

T12钢的显微组织：本页为图示内容，显示过共析钢珠光体与网状二次渗碳体的形态。

第12页：T8钢退火组织

T8钢退火组织：本页为图示内容，显示共析钢片状珠光体的层片结构。

第13页：T8钢球化退火组织

T8钢球化退火组织：本页为图示内容，显示渗碳体球化后分布在铁素体基体上的颗粒。

第14页：组织的决定因素

组织的决定因素

• 组织的决定因素
• 化学成分；
• 冷、热加工工艺

第15页：固态合金的相结构

固态合金的相结构

• 二.合金在固态下的相结构
• 合金在固态下的相结构有两类：
• 固溶体（solid solution）；
• 金属化合物(metallic compound)。

第16页：固溶体

固溶体

• 1.固溶体（solid solution）
• 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。
• 通常用α、β、γ等符号表示。
• 与固溶体晶格相同的组元称为溶剂，含量较高。另一组元为溶质，一般含量较少。
• 溶剂＋溶质＝固溶体BCC FCC BCCα-Fe + C铁素体

第17页：固溶体的特点

固溶体的特点

• 1.固溶体（solid solution）
• 特点：
• 化学成分
• 固溶体的化学成分（两组元的相对比例）随温度变化可在一定范围内变化。
• 温度下降，溶质溶解度下降；
• 性能：良好的综合机械性能（固溶强化）

第18页：固溶体的分类

固溶体的分类

• 固溶体分类
• a.按溶质原子的位置
• 置换固溶体由晶格类型相同,原子半径相差不大,电化学性质相近的原子形成
• 间隙固溶体溶质原子半径较小
• b.按溶质溶解度
• 有限固溶体
• 无限固溶体

第19页：置换固溶体与间隙固溶体

置换固溶体与间隙固溶体：本页为图示内容，说明置换固溶体多为无限而间隙固溶体多为有限。

第20页：固溶体类型示意

固溶体类型示意：本页为图示内容，对比溶质原子占据结点与进入晶格间隙的位置差别。

第21页：固溶强化

固溶强化

• 固溶强化
• 由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材料强度、硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。
• 溶质原子溶入→晶格畸变→位错远动阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。
• 通过形成固溶体使金属强度、硬度提高的现象称为“固溶强化”。

第22页：固溶强化的意义

固溶强化的意义

• 固溶强化
• 固溶强化是金属一种非常重要的强化手段，当溶质含量适当时，可显著提高强度、硬度，而塑性、韧性没有明显的降低。
• 固溶强化是一种极为优异的强化方式，几乎所有对综合机械性能要求较高的结构材料都以固溶体作为最基木的组成相。
• 固溶体的综合机械性能很好，常常被用作结构合金的基体相。

第23页：金属间化合物

金属间化合物

• 2、金属间化合物
• 金属间化合物是合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物一中间相。
• 熔点、硬度高、脆性大。
• 合金中含有金属间化合物时，强度、硬度、耐磨性提高，而塑性、韧性降低。

第24页：金属间化合物的特点

金属间化合物的特点

• 2、金属间化合物
• 特点：
• 可用一个化学分子式表示，如：Fe3C
• 独特的晶体结构；
• 熔点、硬度高、脆性大（合金的强化相）
• 例：Fe3C800HB斜方Fe80HB体心C3HB六方

第25页：常见氧化物与碳化物硬度

常见氧化物与碳化物硬度：本页为图示内容，列出几种化合物的硬度数值高低。

第26页：化合物与固溶体的区别

化合物与固溶体的区别

• 3、金属化合物与固溶体的区别
• 1）化学成分固溶体——成分可变（随温度）金属化合物——成分不变
• 2）晶体结构固溶体——保持溶剂的晶体结构金属化合物——具有独特的晶体结构
• 3）性能固溶体塑性>金属化合物金属化合物硬度>固溶体

第27页：合金的相组成形式

合金的相组成形式

• 4、合金中相结构的组成形式
• 1）单相固溶体构成（F）
• 2）由多相组成（机械混合物）
• 固溶体＋固溶体（α＋β）
• 固溶体＋金属化合物（F+Fe3C）
• 机械混合物的特点：
• 结构有明显的相接面
• 成分介于组成相之间（不是平均值）
• 性能取决于组成相的大小、数量以及分布

第28页：二元合金相图的建立

二元合金相图的建立

• 3.2二元合金相图
• 二元合金相图的建立
• 相图又称平衡图和状态图，主要应用于金属材料与陶瓷材料领域。相图是研究材料中各种微观结构及其变化规律的有效工具。在生产实践中，相图是正确选择材料和制定工艺的重要依据。

第29页：合金系与相图

合金系与相图

• 二元相图的建立
• （一）相图概述
• １·合金系：二组元按不同比例，可配置成一系列成分的合金，这些合金的集合称为合金系。
• ２·相图：在极其缓慢的冷却条件下，所测定的合金成分、温度和组织之间关系的图形。（别称：平衡图、状态图）。

第30页：Cu-Ni相图的建立（一）

Cu-Ni相图的建立（一）

• （二）相图的建立方法
• 以Cu-Ni合金为例：
• 1．首先配制几种成分不同的Cu-Ni合金。NiCu组元FCCFCC晶格类型1455℃1083℃熔点0％100％合金130％70％合金250％50％合金370％30％合金4100%0%合金5

第31页：Cu-Ni相图的建立（二）

Cu-Ni相图的建立（二）

• （二）相图的建立方法
• 以Cu-Ni合金为例：
• ２·测定上述合金的冷却曲线，找出上述合金的临界点（温度）。包括折点、平台的温度。
• ３·画出温度-成分坐标系，在各合金垂线上标出临界点。
• ４·将同类临界点连接起来成线，标明各相区所存相，得到相图。

第32页：热分析实验装置

热分析实验装置：本页为图示内容，展示测定合金冷却曲线所用的加热炉与记录仪器。

第33页：Cu-Ni合金相图

Cu-Ni合金相图：本页为图示内容，标出液相线、固相线与L、α、L+α三个相区。

第34页：Cu-Ni相图与冷却曲线

Cu-Ni相图与冷却曲线：本页为图示内容，把各成分合金的临界点投影到温度成分坐标系。

第35页：匀晶相图

匀晶相图

• 三·相图的基本类型
• 1、匀晶相图
• 两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶转变的合金系→匀晶相图（L→α）。
• Cu-Ni，Fe-Cr,Au-Ag合金形成匀晶相图。

第36页：匀晶相图分析

匀晶相图分析

• 1、匀晶相图
• （1）相图分析
• a点—A组元熔点（如铜熔点为1083℃）。
• b点—B组元熔点（例镍熔点为1455℃）。
• 线：液相线固相线
• 相区：L、α、L+α
• （2）匀晶转变的结晶过程L→L+α → ααα

第37页：匀晶转变的结晶过程

匀晶转变的结晶过程：本页为图示内容，展示L到L+α再到α的组织演变路径。

第38页：匀晶结晶过程（续）

匀晶结晶过程（续）：本页为图示内容，继续展示降温过程中液相与固相成分沿相图变化的轨迹。

第39页：匀晶转变的特点

匀晶转变的特点

• 1、匀晶相图
• (3)匀晶转变的特点
• a.形核、长大，树枝状长大
• b.变温过程
• c.两相区内，温度一定，成分确定
• d.两相区内，温度一定，两相相对量一定

第40页：树枝晶

树枝晶：本页为图示内容，显示晶体沿枝晶主干与二次枝晶臂长大的形态。

第41页：树枝晶（续）

树枝晶（续）：本页为图示内容，显示铸态组织中枝晶偏析形成的枝状花纹。

第42页：杠杆定律

杠杆定律

• 1、匀晶相图
• 杠杆定律：
• QL%ab= Qa%bc
• 证明：Q合金，其Ni含量b%，T1温度时：L相中Ni%=a%，a相中Ni%=c%
• Q合金%b%=QL%a%+Qa%c%
• 又因为Q合金=QL+Qa所以
• （QL+Qa）% b%=QL%a%+Qa % c%

第43页：杠杆定律图

杠杆定律图：本页为图示内容，在相图上标出ab与bc线段所对应的两相相对量。

第44页：枝晶偏析

枝晶偏析

• 1、匀晶相图
• e.枝晶偏析
• 先结晶出的部分含Ni量高，后结晶出的部分含Ni量低。
• 冷速快→原子扩散不充分→成分不均。
• 长时间加热、保温——扩散退火消除

第45页：枝晶偏析组织

枝晶偏析组织：本页为图示内容，显示先结晶部分含高熔点组元更多而形成的成分差异。

第46页：共晶相图

共晶相图

• 2、共晶相图
• 两组元在液态能无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生于共晶反应的二元系合金形成的相图称为共晶相图。
• Al-Si合金；Ag-Cu合金；Pb-Sn合金等

第47页：Pb-Sn共晶相图

Pb-Sn共晶相图：本页为图示内容，标出液相线AEB、固相线AMENB与共晶点E的位置。

第48页：共晶相图分析

共晶相图分析

• 2、共晶相图
• （1）相图分析
• 液相线AEB
• 固相线AMENB
• 三个单相区：L、α、β（α、β是有限固溶体）
• 共晶点E：共晶成分的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度），共同结晶出αM、βN
• LE——αM+βN共晶反应Pb-Sn相图

第49页：溶解度线与脱溶转变

溶解度线与脱溶转变

• 2、共晶相图
• 溶解度线：MF，NG
• T↓→过饱和固溶体析出另一相→脱溶转变
• MF线：温度降低，Sn在Pb中的溶解度下降。αM从高温冷却到低温时，成分变为αF，因而从α相中析出β相，以降低Pb在Sn中的溶解度。从α相中析出的β相记作“βⅡ”。

第50页：共晶线MEN

共晶线MEN

• 2、共晶相图
• NG线：温度降低，Pb在Sn中的溶解度下降。βN从高温冷却到低温时，成分变为βG，因而从β相中析出α相，以降低A在B中的溶解度。从β相中析出的α相记作“αⅡ”。
• MEN线：为共晶线，成分位于M、N之间的合金冷却到MEN线所对应的温度时，要发生共晶反应。该线上L、α、β三相共存

第51页：共晶、亚共晶与过共晶合金

共晶、亚共晶与过共晶合金

• （2）典型合金的结晶过程
• 成分位于E点的合金，称为共晶合金；
• 成分位于ME之间的合金，称为亚共晶合金;
• 成分位于EN之间的合金，称为过共晶合金。
• 组织组成物的相对量以及组成相的相对量，可由杠杆定律计算。

第52页：共晶合金的结晶过程

共晶合金的结晶过程：本页为图示内容，展示液相冷却到共晶温度同时结晶出两种固相。

第53页：亚共晶合金的结晶过程

亚共晶合金的结晶过程：本页为图示内容，展示先析出初晶α再发生共晶反应的顺序。

第54页：过共晶合金的结晶过程

过共晶合金的结晶过程：本页为图示内容，展示先析出初晶β再发生共晶反应的顺序。

第55页：典型合金的室温组织与相组成

第56页：组织标注的共晶相图

组织标注的共晶相图：本页为图示内容，在各相区中标出亚共晶与过共晶的组织组成物。

第57页：共析相图

共析相图

• （三）共析相图
• 具有共析反应的相图叫共析相图。
• 所谓共析反应是指一种固相在恒温下转变为另外两种固相的反应。
• 共析反应与共晶反应非常相似，但前者的母相为固相，后者的母相为液相。
• γdαc+βe

第58页：共析相图（续）

共析相图（续）：本页为图示内容，标出共析点d与共析线上生成的两种固相。

第59页：包晶相图

包晶相图

• （四）包共晶相图
• 1.相图特征：两组元在液态能限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生于包晶反应的二元系合金形成的相图称为包晶相图。
• Ag-Sn合金；Pt-Ag合金；Sn-Sb合金等。

第60页：包晶相图（续）

包晶相图（续）：本页为图示内容，标出包晶点e与包晶线dec上的三相共存关系。

第61页：包晶相图分析

包晶相图分析

• （四）包共晶相图
• 2.相图分析
• 点：a点—A组元熔点。b点—B组元熔点。
• e点—包晶点。成分为d的液溶体与成分为c的α相，冷却到e点所对应的温度（包晶温度）时，发生包晶反应，结晶出e点成分的β相。
• αc+Ldβe(包晶反应)

第62页：包晶相图的相与线

包晶相图的相与线

• （四）包共晶相图
• 相：L相、α相、β相
• 线：adb---液相线。aceb---固相线。
• cf线、eg线，溶解度曲线。
• dec线：为包晶线，成分位于d、c之间的合金冷却到dec线所对应的温度时，要发生包晶反应。该线上L、α、β三相共存。

第63页：形成稳定化合物的相图

形成稳定化合物的相图

• （五）形成稳定化合物的相图
• 相图中组元间形成稳定化合物，这些化合物有固定的成分、熔点，熔化前既不发生分解、也不发生化学反应。该化合物可被视为一独立组元。

第64页：合金使用性能与相图的关系

合金使用性能与相图的关系

• 3.3二元合金性能与相图的关系
• 1、合金的使用性能与相图的关系
• 溶质元素→晶格畸变大→强度、硬度↑，（50%↑最大）
• 复相组织区域内（如共晶转变范围内），合金的强度和硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。
• HB=HBα*α%+HBβ*β%

第65页：组织敏感性能与相图

组织敏感性能与相图

• 1、合金的使用性能与相图的关系
• 对组织较敏感的性能—强度，与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强度可达最高值。）

第66页：使用性能与相图关系图

使用性能与相图关系图：本页为图示内容，显示强度硬度与电导率随成分变化的曲线。

第67页：铸造性能与相图的关系

铸造性能与相图的关系：2、合金的工艺性能（1）铸造性能—液态合金的流动性以及产生缩孔，裂纹的倾向性等。液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小→合金的流动性好→有利于浇注。液固相线距离大→枝晶偏析倾向愈大，合金流动性也愈差，形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化。所以铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择结晶温度间隙最小的成分。

第68页：铸造性能与相图关系图

铸造性能与相图关系图：本页为图示内容，对比结晶温度范围对流动性与缩孔倾向的影响。

第69页：锻造轧制性能与相图

锻造轧制性能与相图

• 2、合金的工艺性能（2）锻造、轧制性能单相固溶体合金
• 单相组织变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性好

第70页：第三章小结

第三章小结

• 小结
• 组元、合金、组织、相的概念、合金中的基本相
• 固溶体的概念、固溶体与金属缺陷的关系
• 基本二元合金相图的分析
• 相图与性能的关系