合金的相结构与相.ppt
第三章 合金的相结构与相图,第一节 基本概念 第二节 合金的相结构第三节 二元合金相图的建第四节 二元匀晶相图第五节 二元共晶相图第六节 二元包晶相图第七节 具有共析反应的二元合金相图第八节 合金的性能与相图的关系第九节 铁碳合金相图,学习要求,1.了解二元匀晶相图、二元共晶相图、二元包晶相图各个区间的组织组成和特征；2.掌握共晶转变和共析转变的实质和条件；3.掌握铁碳合金基本组织的特征和性能，并能结合晶体结构知识进行分析、对比；4.熟练分析铁碳合金典型7种合金的结晶过程，并能够做到举一反三；5.了解铁碳合金的化学成分、组织状态和性能之间的定性关系；6.了解合金的性能与相图的关系。,第一节 基本概念,合金:由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素熔合或烧结而成的具有金属特性的物质。一般前者为熔合合金，后者为烧结合金.组元:组成合金最基本的、独立的物质叫组元。一般来说，组元既可以是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。合金系:由两种或两种以上的组元按不同的比例配制成一系列不同成分的所有合金称为合金系。相:金属中具有相同的化学成分、相同结构和相同物理性能并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，称为相。组织:是指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。,第二节 合金的相结构,一、固溶体合金中两组元在液态和固态下都互相溶解，共同形成均匀的固相，这类相称为固溶体。习惯以、表示。与合金晶体结构相同的元素称溶剂,其它元素称溶质。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。,置换固溶体,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属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。,间隙固溶体,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。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。,二、金属化合物在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除了形成固溶体外，还将出现新相。若新相的晶体结构与合金中某一组成元素相同，则新相是以该一组成元素为溶剂的固溶体。若新相的晶体结构不同于任一组成元素，则新相将是组成元素问相互作用而生成的一种新的物质，即为金属化合物或称中间相。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。,间隙相r非/r金0.59时，形成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。简单晶格间隙化合物的共同特点，是具有极高硬度和熔点，是硬质合金和高温金属陶瓷材料的重要组成部分。部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。,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。形成复杂晶格的间隙化合物，其熔点和硬度较间隙相低，稳定性也较差。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。,间隙化合物Fe3C的晶体结构,三、机械混合物纯金属、固溶体、金属化合物是组成合金的基本相，由这些基本相按照固定比例构成的组织称为机械混合物。它可以是两种或多种纯金属、固溶体、金属化合物各自组成的机械混合物，也可以是它们之间的混合物。机械混合物中的各个组成相仍然保持各自的晶体结构和性能，一般情况下在金相显微镜下可以加以区别。机械混合物的性能取决于各组成相的大小、数量、分布及形状。工业生产中大多数合金是由机械混合物组成，如钢、铸铁、铜合金、铝合金等。,第三节 二元合金相图的建立,相图又称状态图，它表明金属的相结构或状态随温度、压力及成分的改变而发生变化的情况。由于它只表示金属在平衡状态(那是极缓慢加热或冷却条件)下的相结构，所以也称平衡图。,一、二元合金相图的表示方法二、二元合金相图的建立,第四节 二元匀晶相图,匀晶相图：两组元在固态时形成无限固溶体，且液态时又能完全互溶的合金相图称为匀晶相图。一、相图分析二、合金的结晶过程,Cu-Ni合金相图、冷却曲线及结晶过程分析,三、杠杆定律 1.两平衡相及其成分的确定2.两平衡相相对质量的确定mLar=mrb mL=rb/ab100%m=ar/ab100%,例：Bi-Sb二元合金相图，求Sb的质量分数为40%的Bi-Sb合金，在400时组成相的成分及组成相的相对质量。解：在成分轴上找出Sb的质量分数40%的合金点，并引-成分垂线，再在400作水平线与液相线和固相线分别相交于C点及E点，且与-成分垂线相交于D点，此时C点在成分轴上的投影即为液相的成分。故液相中Sb的质量分数为18%，同理固溶体中Sb的质量分数为72%。根据杠杆定律，求得液、固两相的相对质量分别为：mL=DE/CE=(72-40)/(70-18)=55%m=1-55%=45%四、枝晶偏析,Bi-Sb二元合金相图,在一个晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。枝晶偏析的存在，使塑性、韧性降低，使合金的压力加工难以进行。另外，枝晶偏析也将导致合金的力学性能不均匀，使合金的耐蚀性下降。,第五节 二元共晶相图,共晶相图：两组在液态无限互溶，在固态相互有限溶解或不溶解且发生共晶转变的相图，称为共晶相图。一、相图分析共晶转变：从某种成分固定的合金溶液中同时结晶出两种成分和结构皆不相同的固相，称为共晶转变。,二、典型合金的结晶过程1.共晶合金的结晶过程（合金）,2.亚共晶合金的结晶过程（合金）3.过共晶合金的结晶过程（合金）,4.含Sn量小于c点的合金结晶过程（合金）,合金的冷却曲线及结晶过程,第六节 二元包晶相图,包晶相图:两个组元在液态无限互溶，在固态形成有限固溶体并发生包晶反应的相图，称为包晶相图。一、相图分析 包晶转变:成分为P点的固溶体和在它周围成分为C点的液相L，在PDC水平线所对应的温度下，相互作用转变为成分是D点的另一新相固溶体，这一转变称为包晶转变。,Pt-Ag包晶相图,包晶转变,二、典型合金的结晶过程1.合金的结晶过程,2.合金的结晶过程,3.合金的结晶过程,第七节 具有共析反应的二元合金相图,共析转变：自某种均匀一致的固相中同时析出两种化学成分和晶格结构完全不同的新固相的转变称为共析转变。,共析转变,分析二元合金相图的要点：相图中每一点都代表某一成分的合金在某一温度下所处的状态，此点称为合金的表象点。在单相区中，合金由单相组成，相的成分即等于合金的成分，它由合金的表象点来决定。在两个单相区之间必定存在着一个两相区。在此两相区中，合金处于两相平衡状态；两个平衡相的成分可由通过合金表象点的水平线与两相区边界线的交点来决定，两相的相对质量可运用杠杆定律加以计算。在二元合金相图中，三相平衡共存表现为一条水平线。,三相平衡线的图形特征及性质,第八节 合金的性能与相图的关系,一、合金的使用性能与相图的关系,二、合金的工艺性能与相图的关系,第九节 铁碳合金相图,一、纯铁的同素异构转变金属在固态下随温度或压力的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的变化，称为同素异构转变。,二、铁碳合金的基本组织铁素体：碳溶于体心立方晶格的-Fe中所形成的间隙固溶体，称为铁素体，用符号“F”或表示。在727时，碳在-Fe中的溶解度最大（0.0218%），室温下几乎为零（0.0008%）。由于铁素体的溶碳量很小，可认为是纯铁，其力学性能与纯铁极为相近，强度、硬度低，而塑性、韧性好。铁素体在770以下具有铁磁性，在770以上时铁磁性消失。奥氏体：碳溶于面心立方晶格的-Fe中所形成的间隙固溶体，称为奥素体，用符号“A”或表示。在1148时溶碳量最大，为2.11%，随着温度的下降，溶解度也逐渐下降，在727时，溶碳量为0.77%。奥氏体溶有较多的碳，故其具有一定的强度和硬度，良好的韧性，低的塑性变形抗力，易于锻造成形。,渗碳体：碳与铁以一定的比例形成的具有复杂晶格的间隙化合物，称为渗碳体，用分子式Fe3C表示。渗碳体的含碳量为6.69%，是钢中的主要强化相，它的数量、形状、大小及分布对钢的性能影响很大，其组织形态有片状、球状、网状和长条状。渗碳体的力学性能特点是硬度高、脆性大。塑性、韧性几乎等于零。珠光体：铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物，称为珠光体，用符号“P”表示。珠光体的含碳量为0.77%,其性能介于铁素体和渗碳体之间，具有较高的强度和足够的韧性。莱氏体莱氏体：奥氏体和渗碳体两相组成的机械混合物，叫莱氏体，用符号“Ld”表示。莱氏体的含碳量为4.3%，存在于1148727温度范围的莱氏体，称为高温莱氏体。727以下时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号“Ld”表示。因为莱氏体是以渗碳体为基体，其力学性能与渗碳体相近，硬度很高，塑性很差。,三、铁碳合金相图,Fe-Fe3C相图分析1.Fe-Fe3C相图中的特性点,2.Fe-Fe3C相图中的特性线1）三种恒温转变包晶转变 在1495（HJB水平线）发生包晶转变：共晶转变 在1148（ECF水平线）发生共晶转变：共析转变 在727（PSK水平线）发生共析转变：2）三条特性曲线ES线 是碳在奥氏体中的溶解度曲线。GS线 是冷却时奥氏体开始析出铁素体的转变线和加热时铁素体转变为奥氏体的终了线，又叫A3线。PQ线 是碳在铁素体中的溶解度曲线。,3）Fe-Fe3C相图中的相区5个单相区：ABCD线以上液相区（L）AHNA高温铁素体区（）NJESGN奥氏体区（A或）GPQG铁素体区（F或）DFK渗碳体区（Fe3C）7个两相区：L+；L+A；L+Fe3C；+A；F+A；A+Fe3C及F+Fe3C，它们分别位于两相邻的单相区之间。三相共存水平线HJB、ECF及PSK分别可以被看作是三相区。,3.铁碳合金的分类 工业纯铁（C0.02%）；钢（0.02%2.11%C）：包括亚共析钢（0.77%C）、共析钢（0.77%C）和过共析钢（0.77%C）；白口铸铁（2.11%6.69%C）：包括亚共晶白口铸铁（4.3%C）、共晶白口铸铁（4.3%C）及过共晶白口铸铁（4.3%C）。典型合金结晶过程分析,7个典型合金在相图上的位置,7个典型合金在相图上的位置,工业纯铁 合金,工业纯铁在室温下的平衡组织为F+Fe3C,共析钢 合金,亚共析钢 合金,过共析钢 合金,亚共析钢结晶过程示意图,过共析钢结晶过程示意图,共晶白口铸铁 合金,亚共晶白口铸铁 合金,共晶白口铸铁结晶过程示意图,亚共晶白口铸铁结晶过程示意图,过共晶白口铸铁 合金,过共晶白口铸铁结晶过程示意图,过共晶白口铸铁的显微组织,组织组成物计算,共析钢珠光体组织中铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）的相对质量为：,Fe3C1-88%=12%,含碳量为1.0%的过共析钢组织中二次渗碳体（Fe3C）和珠光体（P）的相对质量为：,P1-3.9%=96.1%,含碳量对特碳合金组织及性能的影响1.含碳量对平衡组织的影响,铁碳合金的成分与组织的关系,2.含碳量对性能的影响 含碳量对力学性能的影响,含碳量对退火钢力学性能的影响,含碳量对切削加工性能的影响 低碳钢（0.25%C）中铁素体较多，塑性好，切削时易粘刀不易断屑，工件表面粗糙，切削加工性能不好。高碳钢（0.60%C）中二次渗碳体较多，并且当wc0.77%后，二次渗碳体呈网状分布，切削抗力大，刀具磨损严重，切削加工性能也差。中碳钢（0.25%wc0.60%）中铁素体与渗碳体的比例适当，硬度和塑性适中，切削加工性能较好。白口铸铁中渗碳体作为基体，硬而脆，难以切削加工，很少应用。,在选材方面的应用在锻造、轧制方面的应用在铸造生产方面的应用在热处理方面的应用在焊接工艺方面的应用,
