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114125,第三章二元合金与相图,本章重点了解固态合金的相结构与相图；了解合金的性能与其组织、结构之间的关系。,先来看几个概念,114125,合金alloy通过熔炼、烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质。组元constituent是组成合金独立的、最基本的单元，简称元。组元可以是金属、非金属或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个或三个以上的组元组成的。合金称为多元合金。例如在铁碳合金中，纯铁和碳都是组元；上述合金中铜与锌及铝、铜与镁等元素也都是合金的组元。,合金系是指有相同的组元，而成分比例不同的一系列合金。,114125,在人类生活及生产中纯金属的使用十分广泛。各种导电体、装饰品、工艺品、各种器皿等，其应用主要是利用了这些纯金属所具有的优良的导电性、导热性、化学稳定性及美丽的金属光泽等性能。但是几乎各种纯金属的机械性能都比较差，不宜制作对机械性能要求较高的各种机械零件和工具。另外，纯金属的种类有限约为79种，且提炼困难，价格昂贵，因此单靠纯金属无法满足人们对金属材料的需求。通过配制不同成分的合金，可以显著改善金属材料的结构、组织structure和性能。目前人们所配制的合金达数万种之多，合金的性能不仅在强度、硬度等机械性能方面比纯金属高许多，而且某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理化学性能。因此，合金材料的应用比纯金属要广泛得多。,114125,目前在合金的生产中应用得最多的是熔炼法。将按照一定配比组合在一起的合金组元加热熔化成均匀一致的合金溶液。然后把合金溶液温度降低，使其结晶。合金的结晶同样遵循生核与核长大的结晶基本规律，所不同的是，由于在合金中组元原子之间相互发生作用，使得合金结晶后生成的结晶产物是含有两种或多种元素的小晶体晶粒，小晶体相互之间有界面晶界分开。在固态合金中，这些由多种元素构成的小晶体的化学成分和晶体结构可以是完全均匀一致的，也可以是不一致的。,3.1固态合金相结构,合金是如何生产的,114125,在金属或合金中，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，称之为相phase。若合金是由成分和结构都相同的同一种晶粒构成，称合金含有一种相，为单相图3‑1；若合金是由成分、结构互不相同的几种晶粒构成，称合金含有几种相，为多相图3‑2。在固态下，合金可以是单相的，也可以是多相的。,固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性，可以分为固溶体和化合物两类。,114125,合金组元通过溶解形成的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solidsolution。与固溶体晶格相同的组元即结构被保持的组元，称之为溶剂，一般在合金中含量较多；溶入溶剂的元素即结构被破坏的其余组元称之为溶质，一般含量较少。在合金系统中，人们习惯上常按照某种顺序例如按固溶体的浓度，或按固溶体稳定存在的温度范围等用希腊字母α、β、γ、ε、δ来表示不同类型的固溶体，并称为α固溶体、β固溶体等等。,3.1.1固溶体,114125,1固溶体的分类按照溶质原子在溶剂原子晶格中所占有的位置，将固溶体分成置换固溶体与间隙固溶体两种类型。,间隙固溶体是指溶质元素原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点上原子的位置，而是嵌入晶格的间隙之中右图。,置换固溶体是指溶剂晶格的某些结点上的原子被溶质原子所代替右图；,114125,按溶质原子在溶剂中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。固溶体中溶质的含量即为固溶体的浓度，一般用质量百分比表示，也可以用原子百分比表示，其具体数值以C表示为,质量百分比,在一定条件下，溶质在固溶体中的极限浓度即为溶质在固溶体中的溶解度。通常溶质元素在固溶体中所能达到的极限浓度不可能是100，即其溶解度是有一定限制的，这种固溶体称为有限固溶体；但在某些元素之间可以形成任何成分比例的固溶体，即溶质的溶解度可以达到100，这种固溶体称为无限固溶体。,原子百分比,114125,按溶质原子在固溶体中分布是否有规律，,在一定条件如成分、温度等下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体，这种转变称为有序化。,无序固溶体有序固溶体,固溶体分类,溶质原子无规则地分布在溶剂晶格中，称为无序固溶体；如铜镍置换固溶体,某些合金中，由于缓冷或在某一温度下长时间停留，溶质原子有规则地分布在固溶体中，称为有序固溶体。如铜金合金在缓冷后，一组晶面上分布着铜原子，而另一组晶面上分布着金原子，在每个晶胞中有二个铜原子二个金原子且按层有序分布。,114125,只有当两种金属的原子数成一定的比例，如11CuAu或31Cu3Au时，才有可能形成这种有序排列，有序固溶体实际上是无序固溶体与金属间化合物的过渡相，当固溶体从无序转变为有序排列时，合金的硬度、脆性将显著地增加。根据组元相互之间的溶解能力，可形成无限固溶体，也可形成有限固溶体。只有当组元之间的原子能够无限地相互代替时才能形成无限固溶体。因此形成无限固溶体主要取决于下列条件,114125,①形成固溶体的各组元应具有相同类型的晶体结构。表3-1列出了能形成无限固溶体的金属。②两组元应具有相近的原子结构，相差不超过一个价电子，并且在元素周期表中的位置相距很近。③两组元的原子半径或晶格常数之差不超过15；而铁基合金中，只有当它们的原子半径之差不超过8时，才形成无限固溶体。,影响固溶体类型和溶解度的主要因素有组元的原子半径、电化学特性和晶格类型等。原子半径、电化学特性接近、晶格类型相同的组元，容易形成置换固溶体，并有可能形成无限固溶体。当组元原子半径相差较大时，容易形成间隙固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体，并且一定是无序固溶体。无限固溶体和有序固溶体一定是置换固溶体。,114125,2固溶体的性能固溶体中随着溶质原子的溶入，不论是置换固溶体还是间隙固溶体，都会产生一定程度的晶格畸变。,晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种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solutionstrength。固溶强化是金属强化的一种重要形式。,114125,固溶体的机械性能很好，常被用作结构合金的基本相。在工业上大量应用的耐腐蚀材料、高电阻的电工材料、高磁导率的软磁材料等都采用固溶体合金。单纯的固溶强化所达到的最高强度指标仍然有限，常常不能满足人们对于结构材料的要求，因而不得不在固溶强化的基础上再补充进行其它强化处理。,114125,合金组元相互作用形成的晶格结构和特性完全不同于任一组元的新相称为化合物compound，或称中间相。例如碳钢中的Fe3C，黄铜中的β相CuZn。具有相当程度的金属键及一定的金属性质的化合物称为金属化合物，是一种金属物质；具有离子键，没有金属性质的化合物，称为非金属化合物，如钢中FeS及MnS属于一般化合物。在合金中，金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，而非金属化合物是合金原料或熔炼过程中带来的杂质，它们数量虽少，对合金性能影响却很坏，因而是不希望有的，一般称为非金属杂质，需要去除。,3.1.2金属化合物,114125,金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。合金中含有金属化合物时，合金强度、硬度和耐磨性提高，而塑性、韧性降低。金属化合物是各类合金钢、硬质合金和许多有色金属的重要组成相。金属化合物种类很多，常见的金属化合物根据其形成条件及结构特点，主要有以下几类。1正常价化合物,正常价化合物valencecompound的特点是严格遵守化合物的原子价规律，成分固定并可用化学式表示。它们是由元素周期表中相距较远、电化学性质相差较大的两种元素组成。正常价化合物具有很高的硬度和脆性，当它在固溶体基体上合理分布时，将使合金得到强化，起着强化相的作用。,114125,2电子化合物电子化合物electroncompound不遵守化合价规律，而是服从电子浓度化合物中价电子数与原子数之比规律，它们由ⅠB族或过渡族元素与ⅡB族、ⅢA族、ⅣA族、ⅤA族元素所组成。一定电子浓度的化合物相应具有确定的晶体结构。,例如强金属元素与非金属或类金属元素Sb、Bi、Sn、Pb等形成的化合物Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等。正常价化合物化学成分固定，一般不会形成以化合物为基的固溶体。它常被用作铝合金、青铜等材料的强化相。,当电子浓度为21/14、21/13、21/12时，则分别形成体心立方的电子化合物β相、复杂体心立方的电子化合物相，密排立方体ε相。,114125,这类化合物的主导因素是合金的电子浓度，故称为电子化合物。应当指出，电子浓度并不是决定电子化合物结构的唯一因素，组成元素的原子大小及其电化学性质对其结构也有影响。,可用化学式表示，实际上是一个成分可以在一定范围内变动的相，可以溶解一定的组元，形成以电子化合物为基的固溶体。因此，电子化合物的成分通常不是一个固定值，而是具有一个成分范围。例如在Cu-Zn合金中，β相CuZn的含Zn量可以从36.8到56.5。电子化合物的原子之间为金属键结合，具有明显的金属特性，它的熔点和硬度都很高，但塑性较低，不适合作合金的基体，但却是合金特别是有色金属中的重要组成相，与固溶体适当配合，可以使合金获得良好的机械性能。,114125,3间隙化合物间隙化合物interstitialcompound是过渡族金属元素与氢、氮、碳、硼等原子半径较小的元素形成的金属化合物。形成间隙化合物的尺寸条件是形成间隙化合物的非金属原子半径与金属原子半径的比值应≤0.59。应当指出间隙化合物与间隙固溶体是两个完全不同的概念，间隙化合物是一种化合物，它具有与其组元完全不同的晶体构造；间隙固溶体却是保持基体组元的晶体构造。,114125,间隙化合物通常都用下列分子式表示Me4XFe4N，Nb4C，Me2XTa2C，W2C，Mo2C，MeXWC，TiC，TiN，MeX2TiH2，ZrH2等。Me表示金属原子，X表示非金属原子。通常间隙化合物的分子式与其所具有的晶格类型之间有一定的对应关系，见表3‑5。间隙化合物Me2X如W2C等内的金属原子大多形成密排六方结构；间隙化合物MeX中的金属原子形成面心立方结构如TiC，体心立方结构如TaH、NbH或简单立方结构WC、MoN；间隙化合物MeX2如ZrH2中的金属原子形成面心立方结构。,间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度，非常稳定，它们的合理存在，可有效地提高合金的强度、热硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金的重要组成相。,114125,4复杂晶格金属化合物intermetalliccompound许多常见的金属化合物如Fe3C，Mn3C等既不符合正常价化合物的化合条件，也不符合电子化合物或间隙化合物的形成规律，它们是结构比较复杂的金属化合物。,Fe3C是钢中最重要的一种具有复杂结构的间隙化合物，其碳原子直径与铁原子直径之比为0.61。渗碳体具有复杂的斜方晶格，如图所示。在渗碳体中Fe原子C原子的比例为31，因而这种金属化合物用Fe3C来表示。铁原子可以部分地被锰、铬、钼、钨等金属原子所置换，形成以渗碳体为基的固溶体，如Fe、Mn3C、Fe、Cr3C等等，称为合金渗碳体。,114125,绝大多数工业合金，其组织如果仅由一种固溶体组成，往往由于强度不够而很少使用；如果仅由一种化合物构成，则会造成硬度太高，脆性太大而无法使用。实际上工业合金绝大多数是以固溶体为基体加上化合物一种或多种所构成的机械混合物。通过调整固溶体的溶解度和分布于其中的化合物的数量、大小和分布可以使合金的机械性能在一个相当大的范围内发生变化，从而满足不同的要求。那么，某种成分的合金在某一温度下会形成何种相，相的数量、大小和分布情况如何，合金系随着成分、温度的变化，它的组织和性能会发生什么样的变化等等，了解了相图就可以回答这些问题。,3.2二元合金相图的建立,114125,相图是在平衡态下测画出来的。因此也称合金的平衡状态图。相图是表示在平衡状态下合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。,利用相图可以知道不同成分的合金，在不同温度或压力下有哪些相，它们相对含量、相的成分如何，以及温度或压力变化时，可能发生的转变。我们掌握了这些组织转变的基本规律，就可知道合金的组织状态，并能预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。,由于受到几何表述的限制，虽然合金系中的组元可以是多个，但是，只能测画出二元合金的二元相图和三元合金的三元相图，三元以上的合金通常是不能直接用相图来表述。即使三元合金的相图也是很复杂的。本书只介绍二元合金相图。,3.2.1相图概述,114125,到目前为止，几乎所有的合金相图都是通过试验方法测得的。建立相图最常用的是热分析法，有时辅之以金相法、膨胀法、χ射线分析法等等。下面以Cu-Ni合金为例，简单介绍用热分析法建立二元合金相图的过程。1配制不同成分的合金Cu‑Ni,2测定各个合金冷却曲线，并找出各临界点转折点、停歇点、拐点的温度值。3作一个以温度为纵坐标单位为℃，以合金成分为横坐标单位为重量百分数或原子百分数的直角坐标系统，把每个合金冷却曲线上的临界点分别标在各合金的成分垂线上。4将相同物理意义的点连接成线，标出数字和各区域内所存在的相，即得合金相图。,3.2.2二元合金相图的建立,114125,114125,1匀晶相图unigrainphasediagram两组元在液态、固态时都无限互溶，且形成单相固溶体，所构成的相图称为二元匀晶相图。如Cu-Ni、Cu-Au等。,3.2.3二元合金基本相图,114125,匀晶结晶有下列特点。a.与纯金属一样，α固溶体结晶的过程，也包括生核和长大两个过程，更趋于呈树枝状长大。b.固溶体结晶是在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。c.在两相区内，温度一定时，两相的成分即Ni的含量是确定的。d.在两相区内，温度一定时，两相的重量比是一定的。,,QL为L相的质量；Qα为α相的质量；b1c1、a1b1为线段长度，可用其在成分坐标上的数字来度量。上式可写成QLa1b1＝Qαb1c1，称为杠杆定律,运用杠杆定律时要注意，它只适应于相图中的两相区，并且只能在平衡状态下使用，杠杆的两个端点为给定温度下两相的成分点，支点为合金的成分点，杠杆全长为两相成分点之间的距离。,114125,2共晶相图eutecticphasediagram当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，而且发生共晶反应，所构成的相图称为二元共晶相图。具有这类相图的合金系主要有Pb-Sn、Pb-Sb、Cu-Ag、Pb-Bi、Cd-Zn、Sn-Cd、Zn-Sn等；某些金属元素与金属化合物之间如Cu-Cu2Mg、Ai-CuAl2等也构成这类相图。,由一种成分固定的液相在恒温下同时结晶出两种成分和结构都不相同的新的固相的过程，称为共晶反应eutecticreaction。所生成的两相混合物称为共晶体eutectic。,在金相显微镜下观察到的具有某种形貌或形态特征的组成部分，总称为组织。组织组成物可以是由单相组成，也可以由几种相的混合物组成。,060313,114125,,,L,,L,L,114125,3包晶相图peritecticphasediagram当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，且发生包晶反应，所构成的相图称为二元包晶相图。具有这种相图的合金系主要有Pt‑Ag、Ag-Sn、Al-Pt、Cd-Hg等，应用最多的Cu-Zn、Cu-Sn、Fe-C等合金系中也包含这种类型的相图。因此，二元包晶相图也是二元合金相图的一种基本形式。,由一种液相与一种固相在恒温下相互作用而转变为另一种固相的过程称为包晶反应peritecticreaction。发生包晶反应时有三相共存，它们的成分确定，反应在恒温下进行。,114125,4共析相图eutectoidphasediagram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过程称为共析反应eutectoidreaction。同共晶反应相似，共析反应也是一个恒温转变过程，也有与共晶点及共晶线相似的共析点eutectoidpoint和共析线。d点为共析点，cde线为共析线。共析反应的产物称为共析体。共析相图，其形状和共晶相图类似。d点成分的合金从液相经过匀晶反应生成γ相后，继续冷却到d点温度时，发生恒温反应，同时析出c点成分的α相和e点成分的β相。,114125,114125,只要熟练掌握上述基本图形的特点，同时掌握由基本反应构成复杂相图的规律，就能正确地读懂二元相图。现将二元相图读图法简单归纳如下。,3.2.4二元合金相图读图法,1相区分析的规律①首先确定单相区②相图中除代表两组元的垂直线以外，若出现另一条垂直线，该线即代表形成一定成分的化合物。如果该化合物具有固定熔点，就是稳定化合物。分析相图时，可将其视为纯组元。以它把相图分为几个单独部分来分析。③当图中出现水平线时，一条水平线必然连着三个单相区，这三个单相区分别处于水平线的两端或中间。,114125,2两相区的确定①两个单相区之间，必夹有一个两相区，根据杠杆定律，该两相区必定由相邻相区的两个相所组成。②两相区中如遇到固溶线倾斜的情况，会发生二次相的析出。3三相水平线分析在二元相图中，水平线是三相平衡线。,4相区接触法则根据大量二元状态图分析，可得出如下规律在二元合金状态图中，相邻相区的相数相差为一点接触的情况除外。这个规律在金属学中称为相区接触法则，可用它来检验二元图中相区标注是否正确。,5合金结晶过程的分析方法,114125,合金的性能取决于合金的化学成分与组织，而合金的化学成分与组织间关系体现在合金相图上，因此合金相图与合金性能间必然存在着一定的联系。掌握了相图与性能的联系规律，就可以大致判断不同成分合金的性能特点，并可作为选用和配制合金的依据。,3.3合金的性能与相图之间的关系,114125,合金性能与相图的关系,1、合金的使用性能与相图的关系,114125,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。HBHBa*aHBβ*β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。）,1、合金的使用性能与相图的关系,114125,2、合金的工艺性能,114125,a.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。b.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.就铸造性能来说，共晶合金最好，因为它在恒温下进行结晶，同时熔点又最低，流动性较好，易形成集中缩孔，铸件的致密性好。故铸造用金属材料尽可能选用共晶成分附近的合金。,114125,ENDOfch3,114125,114125,
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