工程資料及運用

EngineeringMaterials&Application

〔4〕四川大學資料科學與工程學院School0fMaterialScience&Engineering0fSichuanUniversity曾光廷教授ProfessorGuangTingZeng第四章、二元合金TheBinaryAlloy合金alloy--由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬性質的物質.二元合金--由兩種組元組成的合金.金屬性質：熱脹冷縮，金屬光澤，正的電阻溫度系數等組元component--組成合金的最根本的、獨立的物質.如Fe-C合金的Fe和C是組元相phase--在金屬或合金中，凡化學成分、晶體構造一樣并與其它部分有界面分開的均勻組成部分合金系alloysystem--由兩個或兩個以上組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，這一系列合金就構成一個合金系統

第一節、合金的相構造ThePhaseStructureofAlloy一、固溶體SolidSolution固溶體---合金在固態時，組元間會相互溶解，構成一種組元在某一組元晶格中包含有其它組元的新相，這種新相稱為固溶體溶劑solvent--能堅持晶格組元〔普通把含量較高的組元稱為溶劑〕溶質solute--失掉晶格的組元固溶體的分類：置換固溶體;間隙固溶體

固溶體中的晶格畸變固溶體的表示圖〔一〕、置換固溶體SubstitutionalSolidSolution置換固溶體---指溶質原子位于溶劑晶格的某些結點位置而構成的固溶體.Ⅰ、溶質原子在置換固溶體中的作用：1)、晶格畸變2、隨溶質原子濃度添加，晶格畸變增大，強度和硬度升高.圖4-1置換固溶體的晶格構造表示圖固溶強化---溶質原子使固溶體的強度和硬度升高的景象.固溶體的濃度---溶質原子溶入固溶體中的量濃度用分量百分比或原子百分比表示.溶解度solubility--在一定的條件下，溶質元素在固溶體中的極限濃度.有限置換固溶體---溶質原子在固溶體中的濃度有一定限制，超越這個限制，就會生成化合物或另一種固溶體.無限置換固溶體---在任何溫度下，組元之間可以恣意比例，相互溶解的固溶體.如Cu-Ni.Fe-Cr等合金Ⅱ、決議固溶體溶解度的要素：1、晶格類型晶格類型一樣溶質原子能夠延續不斷地置換溶劑原子不斷到溶劑原子完全被溶質原子所置換.晶格類型不同：只能構成有限固溶體.2、組元原子直徑的相對大小組元間原子直徑差別愈大,那么晶格的畸變愈大,晶格的畸變能愈高;畸變能到達一定程度后,固溶體構造是穩定的,再添加溶質原子,固溶體中將析出新相;只需組元的原子直徑差別不大時,才有能夠構成無限固溶體;假設直徑差別較大,那么只能構成有限固溶體,直徑差別愈大,其溶解度也愈小.3、電負性(化學親和力)的差別元素間電負性相近，有利于構成無限固溶體，受其它要素影響，只能構成有限固溶體.電負性相近,其溶解度也愈大.4、電子濃度的影響InfluenceofElectronicConcentration電子濃度---價電子數目與原子數目之比.溶質原子溶入,改動固溶體的電子濃度和電子云的構造固溶體濃度添加,電子濃度改動愈大,當到達極限電子濃度時,固溶體不穩定,會析出新相〔二〕、間隙固溶體InterstitialSolidSolution間隙固溶體---溶質原子分布于溶劑晶格間隙構成的固溶體構成間隙固溶體的條件：﹤0.59構成置換固溶體的條件：≈0.85～1間隙固溶體在Fe-C合金中:有α－Fe和γ－Fe二、化合物Compound化合物---合金結晶時，各組元相互作用生成一種晶體構造不同于任一組元晶格方式的合金相.正常價化合物---指符合普通化合物的原子價規律的化合物,正常價化合物是由在周期表上相距較遠.電化學性相差較大的元素組成.〔一〕、正常價化合物NormalValenceCompound這類化合物符合化合物的原子價規律Mg2SiSi--(-4價)Mg--(﹢2價)Mg2SnSi--(﹣4價)Mg--(﹢2價)ZnSS--(﹣2價)Zn--(﹢2價)NaClCl--(﹣1價)Na--(﹢1價)正常價化合物的特點：1、嚴厲遵守化合價規律2、化學成分固定，可用分子式表示3、組元的原子呈有序分布4、組元間電化學性能相差愈大，鍵結合力愈強，構成的化合物愈穩定5、硬度高，脆性大，普通運用在陶瓷中〔二〕、電子化合物ElectronCompound電子化合物---是第一族或過渡族元素與第Ⅱ至第Ⅴ族元素構成的化合物,它們不遵照原子價規律,但是有一定的電子濃度.電子濃度---化合物的價電子數與原子數之比電子濃度＝＝電子化合物特點：1、不遵守化合價規律，而服從電子濃度規律合金

相

相

相Cu-ZnCuZnCu5Zn8CuZn3

b.c.c復雜立方c.p.h50%Zn13.8%Zn80%Zn52個原子組成表4-1合金中常見的電子化合物及其構造類型2、電子化合物可用化學式表示但其成分通常不是一個固定值，而是在一個范圍內變化.3、電子化合物主要以金屬鍵結合具有明顯的金屬特性，不適宜做基體相電子化合物性能：熔點和硬度很高，塑性差〔三〕、間隙化合物InterstitialCompound間隙化合物---由過渡族金屬元素與原子半徑較小的C.N.H.B等非金屬元素構成的化合物.1、間隙相InterstitialPhase間隙相---當非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值小于0.59時，將構成具有簡單晶格的間隙化合物間隙相構成條件：≤0.59間隙相構造特點：金屬原子位于晶體點陣正常位置非金屬原子位于晶體點陣的間隙位置.間隙相性能特點：具有極高的硬度，熔點高〔3000℃左右〕很脆,常用于高合金工具鋼及硬質合金中.圖4-5間隙相VC的構造圖4-6的Fe3C晶體構造2.具有復雜構造的間隙化合物當﹥0.59時,那么構成具有簡單晶格的間隙化合物.Fe3C(滲碳體):是鋼鐵中一種最重要的具有復雜構造的間隙化合物,碳原子直徑與鐵原子直徑之比為0.61.構造特點:復雜斜方晶格,鐵原子可以部分地被其他金屬原子所置換,構成以滲碳體為基的固溶體.(Fe、Mn)3C;(Fe、Cr)3C稱為合金滲碳體合金滲碳體:是金屬鍵結合,很高的熔點和硬度,是高合金工具鋼的重要組成相.第二節、二元合金相圖TheBinaryAlloyPhaseDiagram相圖diagram---是一種簡明的表示圖，它清楚地闡明了合金系中各種相的平衡條件以及相與相之間的關系內部條件：指合金的化學成分化學成分：決議合金組元原子或分子之間的結合方式、性質和大小外部條件：指溫度和壓力溫度和壓力：決議原子或分子熱運動的強弱程度和相穩定程度.小結：控制合金的成分、溫度和壓力,可以控制不同合金中的相或組織.相圖中相是平衡相,它不反映時間要素的影響.通常的相圖：是在常壓下測定的,不存在壓力的作用.1、組元Component組元---組成合金的最簡單、最根本、可以獨立存在的物質.在大多數情況下：組元就是元素,不分解的穩定化合物也可以作為組元.Fe3C就是組元.2、合金系AlloySystem合金系---由給定組元配制成一系列成分不同的合金，這些合金組成一個合金系統如：二元系、三元系、多元系3、平衡〔相平衡〕PhaseEquilibrium平衡〔相平衡〕---在合金系中參與結晶或相變過程的各相之間的相對分量和相的濃度不再改動的形狀一、二元相圖的建立如今運用的合金相圖都是用實驗方法測定的測定相圖的方法有：熱分析法thermalanalysis膨脹法dilatometrymethod電阻法electricalresistivitymethod磁性測定法magnafluxmethodX射線構造分析法X-raydiffractionmethod金相分析法metallographicmethod硬度測定法hardnessmethod熱分析法繪制相圖方法:實驗測定一系列合金形狀變化的臨界點,根據這些數據,繪制出形狀圖中一切的線條.1、配制五組成分不同的Cu-Ni合金2、測出五組成分的冷卻曲線3、找出五組成分的臨界點4、將各臨界點標在以溫度為縱坐標，以成分為橫坐標的圖，將同類臨界點銜接起來，就獲得Cu-Ni合金相圖合金成分含量Ni%0255075100上臨界溫度開始溫度℃10831175126014501455下臨界溫度終了溫度℃10831130119512701455Cu-Ni合金的成分和臨界點溫度℃時間時間Cu255075NiNi，%10831455LL+ααⅠⅡⅢⅣⅤⅠⅡⅢⅣⅤ圖4-7Cu-Ni的冷卻曲線及相圖117512601340113011951270相圖建立表示圖用熱分析法建立Cu-Ni相圖a〕冷卻曲線b〕相圖Cu-Ni相圖Pb-Sn合金相圖二、勻晶相圖SolidSolutionTypeofEquilibriumDiagram二元勻晶相圖---兩組元在液態和固態均能無限互溶所構成的相圖〔一〕、結晶過程KK---設合金成分為K,A1B線---液相線,表示各種成分合金開場結晶轉變溫度或熔化終了溫度.圖4-8Cu-Ni合金相圖及結晶過程〔二〕、杠桿定理LeverRule在L＋α兩相區,L相沿液相線變化,固相沿固相線變化,在tx〔T1〕溫度時,液相成分為X(a點)、固相成分為X′(c點)圖4-9杠桿定理的力學比喻設：合金K的總分量為1合金含Ni量為KL液相的分量為QLS固相的分量為Qα知：合金中含Ni量為K液相中含Ni量為X固相中含Ni量為X′QLQαXKX′例方程：QL＋Qα＝1〔分量方程式〕QL×＋QαX′＝K(成分方程式〕解之得：QL＝Qα＝QL＝Qα＝∴＝〔三〕、晶內偏析SegrationinCrystal在平衡冷卻條件下：L相沿液相線由1向4變化S相沿固相線由1′向4′變化結晶完了的α相，都具有原合金K的成分而L、S兩相之間的原子進展了充分分散

圖4-10Cu-Ni合金鑄態組織表示圖對于某一個晶粒而言：先構成的固相心部含Ni高,表層含Ni量低這就引起化學成分不均勻.晶內偏析---晶體內化學成分不均勻的景象.枝晶偏析---在一個晶粒內化學成分分布不均勻的景象.Cu-Ni合金枝晶偏析表示圖枝晶偏析產生的緣由：是偏離平衡條件結晶產生的結果.枝晶偏析產生的危害：嚴重影響合金機械性能、抗腐蝕性、使塑性、韌性降低,對加工工藝性帶來不利的影響.消除的措施：經過分散退火或均勻化退火來加以消除,把鑄件加熱到低于固相線100～200℃進展較長時間保溫〔12h～15h),使偏析元素充分分散,到達成分均勻化的目的.三、共晶相圖DiagramWithEutectic共晶相圖---當兩組元在液態時無限互溶，在結晶時發生共晶轉變，構成共晶組織的相圖圖4-11Pb-Sn相圖圖4-11Pb-Sn相圖(一〕、相圖分析AEB---為液相線AMENB---為固相線A點---為Pb的熔點B點---為Sn的熔點MF線---Sn溶于pb的溶解度曲線NG線---Pb溶于Sn的溶解度曲線三個兩相區：L＋α.L＋β.α＋βMEN線---三相共存線α.L.β相圖分為三個部分:AMFPb部分;AEBNGFM部分;BGN部分勻晶相圖---AMFPb部分，BGN部分簡單共晶相圖---AEBGFM部分MEN程度線，發生恒溫轉變，又稱共晶轉變LeαM＋βN共晶轉變---成分為E點的液相Le同時結晶出兩種成分和構造都不一樣的固相αM＋βN這種轉變稱為共晶轉變.E點---稱為共晶點.E點---E點的合金為共晶合金ME之間的合金---亞共晶合金EN之間的合金----過共晶合金E點對應的溫度----稱為共晶溫度MEN線---稱為共晶線1.典型合金的結晶過程圖4-11所示的合金Ⅰ(共晶合金)合金冷至1點時,開場結晶,至1ˊ時,結晶終了結晶在恒溫下進展,在冷卻曲線上出現一個程度臺階Leαc＋βdα相從e點溫度冷到室溫,αβⅡ＋αβ相從e點溫度冷到室溫,βαⅡ＋β由于αⅡ和βⅡ,數量少αⅡ,βⅡ與α和β沒有什么區別所以,在共晶線以下的組織依然為:α＋β圖4-11Pb-Sn相圖共晶轉變圖4-13Pb-Sn共晶合金顯微組織表示圖圖4-12合金Ⅰ的冷卻曲線及結晶過程共晶體長大表示圖

Sn原子分散Pb原子分散Pb-Sn共晶組織2.亞共晶和過該臺晶的結晶過程以圖4-11合金Ⅱ為例(亞共晶合金)當液相冷到1點時,開場結晶出α相溫度降到2點時,剩余液相進展共晶轉變1～2點---為L＋α2～2ˊ點---為L＋α2ˊ點---溫度終了時為α＋(α＋β)2ˊ點以下---從α＋(α＋β)中析出α＋βⅡ＋(α＋βⅡ＋β＋αⅡ)α＋βⅡ＋(α＋β)圖4-15Pb-Sn亞共晶合金的顯微組織表示圖圖4-14合金Ⅱ的冷卻曲線及結晶過程10%Sn有限固溶體合金的組織由于共晶體(α＋β)中析出的βⅡ和αⅡ在顯微鏡下無法分辨只能察看到從先共晶α固溶體中析出的βⅡ在室溫時(亞共晶合金)的組織為α＋βⅡ＋(α＋β)次生βⅡ和初生β的區別:成分和構造完全一樣,但形貌不同由L相結晶出的初生β,晶粒粗大,多為樹枝狀或等軸晶粒次生βⅡ:構成溫度較低,原子分散較困難,易于在晶界上形核次生βⅡ大多在α相界面上或以小顆粒彌撒分布在α相中次生βⅡ以小顆粒彌撒分布在α相中,提高合金的強度和硬度次生βⅡ為脆性相,沿相界呈網狀分布,使合金的塑性大大降低合金最終組織:亞共晶合金的組織α＋(α＋β)＋βⅡ其顯微組織見圖4-15圖中暗黑色樹枝狀為先共晶α固溶體黑白相間分布的為(α＋β)共晶體α枝晶內的白色顆粒為βⅡ同樣道理,過共晶Ⅲ的最終組織為過共晶合金的組織:β＋(α＋β)＋αⅡ由析出的二次用Ⅱ表示。隨溫度下降，和相的成分分別沿MF線和NG線變化，Ⅱ的分量添加。室溫下Ⅱ的相對分量百分比為：圖4-14合金Ⅱ的冷卻曲線及結晶過程亞共晶合金的冷卻曲線及組織結論:亞共晶合金的組織:α＋(α＋β)＋βⅡ共晶合金的組織:α＋β過共晶合金的組織:β＋(α＋β)＋αⅡ圖4-11合金Ⅳ為例1點以上為L1～2點---為L＋α2～3點為---α3點以下,從α中析出次生相βⅡ3～4點:合金與溶解度曲線相交,從α析出βⅡ最終組織為α＋βⅡ圖4-16合金Ⅳ的冷卻曲線及其結晶過程α和βⅡ用杠桿定理計算相對量βⅡ＝×100%α＝×100%βⅡ/α＝含錫量大于的d點合金的結晶過程其分析方法與Sn含錫量小于C點的合金結晶過程一樣fgα4βⅡ含錫量大于的d點合金的結晶過程:先結晶出初晶β,隨溫度降低,最后從β中析出αⅡ最終組織為β＋αⅡ杠桿定律算法一樣組織組成物---在顯微鏡下能清楚地域別一定形狀特征的組成部分,該組成部分稱為組織組成物如α.αⅡ.β.βⅡ.α＋β都是組織組成物組織組成物在相圖上的標注(三).比重偏析GravitySegregation比重偏析---因比重不同而呵斥化學成分不均勻的景象合金在結晶時,結晶出來晶體的比重與剩余液相的比重相差較大,使這些晶體便會上浮或下沉,從而導致鑄件上下部分的化學成分不一樣.亞共晶或過共晶體合金結晶時：初晶比重與液相比重差別較大，構成比重偏析比重偏析的危害：使鑄件各部分的成分、組織和性能不同消除比重偏析的方法：1、加快冷卻，使偏析相來不及上浮或下沉2、當比重差別不大時，澆注時加以攪拌3、參與第三種元素，使其構成與液相比重相近的化合物，先結晶成樹枝狀的骨架懸浮于液相中，阻止后結晶的偏析相上浮或下沉四、包晶相圖ThePeritecticDiagram包晶相圖---兩組元在液態下相互無限溶解，在固態下相互有限溶解，并發生包晶體轉變的相圖.Pt-Ag包晶相圖〔一〕、相圖分析aeb—液相線acdb—固相線cf及dg分別為Ag溶于和Pt和溶于溶于Ag的溶解度曲線.1、相圖中有三個相L.α.Βα---為Ag溶于Pt的固溶體;β---為Pt溶于Ag的固溶體2、相圖中有三個單相區：L.α.β3、相圖中有三個兩相區：L＋α，L＋β，

α＋β4、三相共存程度線：--cde在cde程度線對應的溫度下，發生包晶轉變αc＋LCβd包晶轉變---在一定溫度下，由一定成分的固相與一定成分的液相作用，構成另一個一定成分的固相的轉變過程d點---稱為包晶點d點對應的溫度--稱為包晶溫度cde線---稱為包晶線〔二〕、典型合金的結晶過程1、合金Ⅰ〔成分垂線經過D的結晶過程〕1).合金冷卻到1點從液相中結晶出α,2).當到2點d點包晶溫度,c點α與Le發生包晶轉變,構成成分相當于d點β固溶體3).從d點到室溫不斷從β中析出αⅡ4).合金最終組織:β＋αⅡ2、合金Ⅱ〔成分在c與d之間的結晶過程〕1).冷至1點,結晶出α相,為L＋α2).冷到2～2ˊ時發生包晶轉變L＋α轉變為β,此時有剩余α相(相當于初生的α)在2～2ˊ溫度之間的組織為α＋β2點冷到室溫:從α和β相中析出βⅡ和αⅡ合金最終組織:α＋βⅡ＋β＋αⅡ3、合金Ⅲ〔成分在d與e之間的結晶過程〕1).冷卻