1、第第4 4章章 合金的結構與結晶合金的結構與結晶4.14.1 合金中的相合金中的相4.24.2 合金相圖的建立合金相圖的建立4.34.3 勻晶相圖勻晶相圖4.44.4 共晶相圖共晶相圖4.54.5 包晶相圖包晶相圖4.64.6 其他相圖其他相圖4.74.7合金的性能與相圖的關系合金的性能與相圖的關系4.1 合金中的相合金中的相組元組元：組成合金：組成合金獨立的獨立的、最基本的最基本的單元。單元。例如：元素、穩(wěn)定化合物。如，例如：元素、穩(wěn)定化合物。如，F(xiàn)e-CFe-C合金合金中，中，F(xiàn)eFe、C C均為組元。均為組元。合金合金：一種金屬一種金屬元素與元素與另一種另一種或或幾種幾種其它其它元素元素

2、，通過熔煉或其它方法，通過熔煉或其它方法結合在一起結合在一起所形成所形成的的具有金屬特性具有金屬特性的物質。的物質。二元合金二元合金：由兩個組元組成的合金。：由兩個組元組成的合金。相相：在金屬或合金中，在金屬或合金中，化學成分、化學成分、晶體結構晶體結構相同相同、性能均一性能均一，且，且有界面有界面與其它部分分開的均勻組成部與其它部分分開的均勻組成部分。分。組織（顯微組織）組織（顯微組織）指在金相顯微鏡下觀察到的材指在金相顯微鏡下觀察到的材料內部的微觀形貌。料內部的微觀形貌。組織由相構成組織由相構成觀察時應分析相的形態(tài)、數(shù)量、觀察時應分析相的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布方式。大小和分布方式。金屬材料

3、性能由組織決定，金屬材料性能由組織決定，而組織由化學成分和工藝過程決定而組織由化學成分和工藝過程決定。亞共析鋼亞共析鋼 x400 x400過共析鋼過共析鋼 x400 x400合金中有兩類基本相合金中有兩類基本相 固溶體固溶體 和和 化合化合物物4.1.14.1.1 固溶體固溶體固溶體固溶體：合金組元通過溶解形成：合金組元通過溶解形成成分和性能成分和性能均勻均勻的、的、結構上與組元之一相同結構上與組元之一相同的固相。的固相。 如，如，F(xiàn)e(C)Fe(C)固溶體。固溶體。FeFe溶劑，溶劑，C C溶質溶質固溶體的分類固溶體的分類按溶質原子按溶質原子在晶格中的位置在晶格中的位置：置換固溶體：置換固溶

4、體：間隙固溶體：間隙固溶體：按溶質原子按溶質原子在固溶體中的溶解度（固溶度）在固溶體中的溶解度（固溶度）：有限固溶體有限固溶體：溶質含量超過其：溶質含量超過其固溶度，固溶度，則有其它相則有其它相形成。形成。 無限固溶體無限固溶體：溶質可以任意比例溶入溶劑中，即固：溶質可以任意比例溶入溶劑中，即固溶度可達溶度可達100%100%。只能是置換固溶體。只能是置換固溶體。按溶質原子按溶質原子在固溶體中的分布狀態(tài)在固溶體中的分布狀態(tài)：無序固溶體無序固溶體：溶質在晶格中隨機分布。：溶質在晶格中隨機分布。有序固溶體有序固溶體：溶質原子和溶劑原子各占據(jù)晶體結構：溶質原子和溶劑原子各占據(jù)晶體結構一定位置而規(guī)則排

5、列。一定位置而規(guī)則排列。固溶體類型固溶體類型ZXY間隙原子間隙原子間隙固溶體置換固溶體置換原子置換原子YXZ形成無限固溶體時兩組元連續(xù)置換示意圖形成無限固溶體時兩組元連續(xù)置換示意圖8固溶體中溶質原子分布示意圖固溶體中溶質原子分布示意圖（a)a)完全無序；完全無序；(b)(b)偏聚；偏聚；(c(c）部分有序；）部分有序；(d)(d)完全有序完全有序固溶體的性能固溶體的性能形成固溶體后溶劑晶體結構的變化：形成固溶體后溶劑晶體結構的變化：造成局部晶格畸變。造成局部晶格畸變。形成固溶體后性能的變化：形成固溶體后性能的變化：強度、硬度強度、硬度隨溶質原子濃度升高而隨溶質原子濃度升高而明顯增加明顯增加，塑

6、、塑、韌性韌性稍有下降稍有下降的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。正常晶格正常晶格大原子置換引起的大原子置換引起的晶格畸變晶格畸變Cu-Ni固溶體的力學性能與成分的關系固溶體的力學性能與成分的關系晶格畸變晶格畸變小原子置換引起的小原子置換引起的晶格畸變晶格畸變間隙原子引起的間隙原子引起的晶格畸變晶格畸變4.1.24.1.2 金屬化合物金屬化合物化合物化合物類型類型金屬間化合物金屬間化合物：合金組元形成的：合金組元形成的晶格類型晶格類型與任一組元與任一組元都不都不相同相同的的新相新相。正常價化合物正常價化合物 按化合價規(guī)律形成，可用確定的分子式按化合價規(guī)律形成，可用確定的分子式表示其成分。組元電負性相差較大具有離子

7、鍵，電負性相近具有表示其成分。組元電負性相差較大具有離子鍵，電負性相近具有金屬鍵。如：金屬鍵。如：MgMg2 2Si Si 。間隙化合物間隙化合物 過渡金屬過渡金屬+ +小半徑非金屬元素小半徑非金屬元素電子化合物電子化合物 按電子濃度規(guī)律形成，不遵守化合價規(guī)律，按電子濃度規(guī)律形成，不遵守化合價規(guī)律，雖可用化學式表示，但成分在一定范圍內變化，金屬鍵結合。雖可用化學式表示，但成分在一定范圍內變化，金屬鍵結合。如：如：CuCu3 3Al Al 。電子濃度：化合物中價電子數(shù)與原子數(shù)的比值。電子濃度：化合物中價電子數(shù)與原子數(shù)的比值。間隙相間隙相 r r非非/ /r r金金 0.590.59，簡單結構，如

8、：，簡單結構，如：WCWC、TiCTiC、VCVC復雜結構的間隙化合物復雜結構的間隙化合物 r r非非/ /r r金金 0.590.59，如：，如：FeFe3 3C C、CrCr2323C C6 6間隙化合物的間隙化合物的性能性能： 熔點高、硬度高，脆性大。熔點高、硬度高，脆性大。純金屬與碳化物的硬度及熔點純金屬與碳化物的硬度及熔點純金屬純金屬TiNbZrVMoWCr- Fe硬度硬度（HV）23030030014035040022080碳化物碳化物TiCNbCZrCVCMo2CWCCr23C6Fe3C硬度硬度（HV）3200205528402094148017301650860熔點熔點（）31

9、4034803350283024102755158016504.2 合金相圖的建立合金相圖的建立4.2.1 相圖概述合金相圖合金相圖：表示合金系在：表示合金系在平衡條件下平衡條件下，不，不同同壓力壓力、溫度溫度、成分成分時的各時的各相關系相關系的的圖解圖解。平衡平衡：合金系中各相：合金系中各相成分成分與相與相質量比質量比不再不再隨時間變化隨時間變化的一種狀態(tài)。的一種狀態(tài)。相圖相圖平衡圖平衡圖狀態(tài)圖。狀態(tài)圖。平衡條件平衡條件：極緩慢冷卻極緩慢冷卻條件。條件。常壓下常壓下，橫坐標，橫坐標成分，縱坐標成分，縱坐標溫度。溫度。4.2.2 相圖的建立方法相圖的建立方法 相圖的測定方法：相圖的測定方法：

10、熱分析法、膨脹法、電阻法、磁性法等。熱分析法、膨脹法、電阻法、磁性法等。熱分析法測熱分析法測Cu-Ni合金相圖：合金相圖：1、配制系列配制系列成分的成分的Cu-Ni合金合金。2、測出合金的、測出合金的冷卻曲線冷卻曲線，找出各冷卻曲線上的，找出各冷卻曲線上的臨界點臨界點溫度溫度。3、畫出、畫出溫度溫度成分成分坐標系，在各合金成分垂線上標出坐標系，在各合金成分垂線上標出臨界點溫度。臨界點溫度。 4、將、將具有相同意義的點連接成線具有相同意義的點連接成線，標明各區(qū)域內所，標明各區(qū)域內所存在的相存在的相合金合金：純：純Cu 合金合金：75%Cu+25%Ni 合金合金：50%Cu+50%Ni 合金合金：

11、25%Cu+75%Ni 合金合金：純：純Ni4.2.3 4.2.3 二元合金相圖的使用二元合金相圖的使用由相圖確定由相圖確定某成分某成分合金合金某溫度某溫度時存在的時存在的相相；由相圖確定由相圖確定給定合金給定合金的相變溫度；的相變溫度；由相圖確定由相圖確定某成分某成分合金在合金在某一溫度某一溫度下下兩平衡相的兩平衡相的成分成分和和相對質量相對質量。成分確定方法：過該溫度成分確定方法：過該溫度作水平線作水平線，與相區(qū)兩側分，與相區(qū)兩側分界線的界線的交點的橫坐標交點的橫坐標。相對質量確定方法：杠桿定律。相對質量確定方法：杠桿定律。杠桿定律杠桿定律CuNiNi%T,C204060801001000

12、1100120013001400150010831455L L+ 12acba1b1c1T1T21. 1. 在兩相區(qū)內，對應每在兩相區(qū)內，對應每一確定的溫度，兩相的成一確定的溫度，兩相的成分是確定的。分是確定的。2. 2. 隨著溫度的降低，兩隨著溫度的降低，兩相的成分分別沿液相線和相的成分分別沿液相線和固相線變化。固相線變化。杠桿定律杠桿定律：在兩相區(qū)內，對在兩相區(qū)內，對應每一確定的溫度應每一確定的溫度T T1 1，兩相兩相質量的比值是確定的。即質量的比值是確定的。即Q QL L/Q/Q =b=b1 1c c1 1/a/a1 1b b1 1杠桿定律推論：杠桿定律推論：在兩在兩相區(qū)內，對應溫度相

13、區(qū)內，對應溫度T T1 1時時兩相在合金兩相在合金b b中的相對中的相對質量各為質量各為Q QL L/Q/QH H=b=b1 1c c1 1/a/a1 1c c1 1Q Q /Q/QH H=a=a1 1b b1 1/a/a1 1c c1 1=1- =1- Q QL L/Q/QH H注意注意：杠桿定律適用于：杠桿定律適用于平衡平衡結晶時的結晶時的兩相區(qū)兩相區(qū)。QQL LQQ abc杠桿定律的力學比喻杠桿定律的力學比喻QLab=Qabc例：求例：求30%30%NiNi合金在合金在1280 1280 時時 相的相對量相的相對量CuNiNi%T,C204060801001000110012001300

14、1400150010831455LL+ a ac c30a a1 1b b1c c11280 C解：作成分線和溫解：作成分線和溫度線如圖。度線如圖。6618根據(jù)杠桿定律推論，根據(jù)杠桿定律推論， Q Q / / Q QH H = a = a1 1b b1 1 /a/a1 1c c1 1 =12/48=1/4=25%=12/48=1/4=25%答：所求答：所求合金在合金在1280 1280 時時 相的相相的相對質量為對質量為1/41/4(25%)(25%)。4.3 勻晶相圖勻晶相圖勻晶系：兩組元在液態(tài)和固態(tài)都無限互溶的合金系。勻晶系：兩組元在液態(tài)和固態(tài)都無限互溶的合金系。勻晶相圖：勻晶系合金的相圖

15、。勻晶相圖：勻晶系合金的相圖。勻晶轉變：從液相中結晶出單相固溶體的轉變。勻晶轉變：從液相中結晶出單相固溶體的轉變。銅銅- -鎳合金勻晶相圖分析鎳合金勻晶相圖分析 CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455LL+ 純銅純銅熔點熔點純鎳純鎳熔點熔點液相線液相線固相線固相線液相區(qū)液相區(qū)固相區(qū)固相區(qū)液固兩相區(qū)液固兩相區(qū)勻晶合金的平衡結晶過程勻晶合金的平衡結晶過程abcdT, CtLL L勻晶轉變 L 冷卻曲線冷卻曲線CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 勻晶合金

16、與純金屬不同，它沒有一個恒定的熔點，勻晶合金與純金屬不同，它沒有一個恒定的熔點，而是在液、固相線劃定的而是在液、固相線劃定的溫度區(qū)間溫度區(qū)間內進行結晶。內進行結晶。與純金屬相比，固溶體合金凝固過程有兩個特點：與純金屬相比，固溶體合金凝固過程有兩個特點：(1)(1)固溶體合金凝固時析固溶體合金凝固時析出的固相成分與原液相出的固相成分與原液相成份不同，成份不同，需成份起伏需成份起伏。晶粒的形核位置是那晶粒的形核位置是那些些結構起伏結構起伏、能量起伏能量起伏和和成分起成分起伏伏都滿足要求都滿足要求的地方。的地方。(2)(2)固溶體合金凝固時依固溶體合金凝固時依賴于異類原子的互相擴散。賴于異類原子的互

17、相擴散。勻晶轉變過程中原子勻晶轉變過程中原子擴散示意圖擴散示意圖Ni不平衡結晶不平衡結晶 固相平均成份線固相平均成份線固溶體不平衡結晶示意圖固溶體不平衡結晶示意圖51413121晶內偏析（枝晶偏析）晶內偏析（枝晶偏析）枝晶偏析枝晶偏析：晶粒內部出現(xiàn)的：晶粒內部出現(xiàn)的成份不均勻現(xiàn)象。成份不均勻現(xiàn)象。先結晶先結晶：含：含高高熔點組元熔點組元多多；后結晶后結晶：含低熔點組元多。：含低熔點組元多。結果結果：力學性能降低，特別：力學性能降低，特別是塑性降低；抗蝕性能下降。是塑性降低；抗蝕性能下降。消除方法消除方法：擴散退火擴散退火或或均勻均勻化退火化退火。使異類原子互相充分。使異類原子互相充分擴散均勻。

18、擴散均勻。4.4 4.4 共晶相圖共晶相圖PbSnSn%T,C鉛鉛-錫合金共晶相圖分析錫合金共晶相圖分析液相線液相線L固相線固相線 + L + L + 固溶線固溶線 固溶線固溶線共晶轉變分析共晶轉變分析PbSnT,CL + L + L + 共晶反應線共晶反應線 表示從表示從M點到點到N點點范圍的合金，在該溫范圍的合金，在該溫度上都要發(fā)生不同程度上都要發(fā)生不同程度的共晶反應。度的共晶反應。M MN N共晶點共晶點 表示表示E點成分的合點成分的合金冷卻到此溫度上發(fā)金冷卻到此溫度上發(fā)生完全的共晶轉變。生完全的共晶轉變。ELE M + N共晶反應要點共晶反應要點PbSnT,CL + L + L + 1

19、83M MN NE 共晶轉變在恒溫下進行。 轉變結果是從一種液相中結晶出兩個不同的固相。 存在一個確定的共晶點。在該點凝固溫度最低。 成分在共晶線范圍的合金都要經歷共晶轉變。X X1 1合金結晶過程分析合金結晶過程分析ceFGX1T, CtL L LL+ 冷卻曲線冷卻曲線 + 1234PbSnT, CL + L + L + 183M MN NE含錫量為含錫量為1010的的Pb-SnPb-Sn合金平衡結晶過程合金平衡結晶過程X X1 1合金結晶特點合金結晶特點T, CtL L LL+ 冷卻曲線冷卻曲線 + 1.沒有共晶反應過程，沒有共晶反應過程，而是經過勻晶反應形成而是經過勻晶反應形成單相單相

20、固相。固相。2.要經過脫溶反應，要經過脫溶反應，室溫室溫 組織組成物組織組成物為為 + 組織組成物組織組成物組織中，由一定的相構成組織中，由一定的相構成的，具有一定形態(tài)特征的的，具有一定形態(tài)特征的組成部分。組成部分。X X2 2合金結晶過程分析合金結晶過程分析（共晶合金共晶合金）X2T, CtL( + )L( + )LL( + ) 共晶體冷卻曲線冷卻曲線( + )PbSnT,CL + L + L + 183M MN NE鉛錫共晶合金的顯微組織鉛錫共晶合金的顯微組織 共晶組織中兩相的相對含量為：%4 .45%100195 .979 .615 .97%100 MNENW %6 .54%100195

21、 .97199 .61%100 MNMEW Pb-SnPb-Sn合金相圖合金相圖X X3 3合金結晶過程分析合金結晶過程分析（亞共晶合金亞共晶合金）X3T, Ct tLL+ ( + )+ + 12( + )+ PbSnT, CL L + L L+ + L+ 183M MN NEL+( + )+ 亞共晶合金的平衡結晶過程亞共晶合金的平衡結晶過程( + )+ + 39 + IIWWSnSn50%50%的的Pb-SnPb-Sn合金的顯微組織合金的顯微組織 500500( + )+ + 40過共晶合金（過共晶合金（VIVI合金）組織合金）組織 + II +(+) II(+)WWSnSn70%70%的的

22、Pb-SnPb-Sn合金的顯微組織合金的顯微組織 500500標注了組織組成物的標注了組織組成物的Pb-SnPb-Sn相圖相圖MENAGFB424.5 4.5 包晶相圖包晶相圖相圖分析相圖分析Pt-Ag合金相圖合金相圖單相區(qū)單相區(qū) ：L,L,兩相區(qū)兩相區(qū)：L+L+，L+L+， + 三相區(qū)三相區(qū)：PDCPDC包晶轉變： LC + P D液相線：液相線：ACB ACB 固相線：固相線：APDB APDB 固溶線：固溶線：PEPE、DF DF 包晶線：包晶線：PDCPDC43典型合金的平衡結晶過程典型合金的平衡結晶過程I合金合金 組織組織 +II II %9 .421 LWW 合金合金I I的平衡結

23、晶過程的平衡結晶過程1186 1186 時，液相與時，液相與 相的相對質量：相的相對質量：%1 .575 .103 .665 .104 .42 PCPDWL44II合金 組織： +II+IIIII合金 組織：+II合金合金的平的平衡結晶過程衡結晶過程合金合金的平的平衡結晶過程衡結晶過程4.6 其他相圖4.6.1 4.6.1 共析相圖共析相圖共析轉變共析轉變： ( + ) 共析體共析體ABT,C + + + cedL + L474.6.2 4.6.2 形成化合物的二元相圖形成化合物的二元相圖穩(wěn)定化合物：穩(wěn)定化合物：指具有一定的熔點，在熔點以下，保持指具有一定的熔點，在熔點以下，保持自己固有的結構

24、而不發(fā)生分解，當溫度達到熔點時，化合物自己固有的結構而不發(fā)生分解，當溫度達到熔點時，化合物發(fā)生熔解，熔解時所生成的熔體與化合物成分完全一致發(fā)生熔解，熔解時所生成的熔體與化合物成分完全一致。 Mg-Si相圖相圖Mg-MgMg-Mg2 2SiSi和和MgMg2 2Si-SiSi-Si兩個共晶相圖并列而成。兩個共晶相圖并列而成。48穩(wěn)定化合物可以溶解其他組元，構成以化合物為基的固溶體，相圖中部的垂線將變?yōu)橐粋€相區(qū)。Cd-Sb相圖相圖4.7 4.7 合金的性能與相圖的關系合金的性能與相圖的關系u 勻晶相圖勻晶相圖單相單相固溶體：固溶體：性能與成分性能與成分呈呈曲線曲線關系關系。溶質濃度。溶質濃度 強度

25、強度、硬度、硬度u 共晶相圖共晶相圖兩相兩相混合物：混合物：性能與成分性能與成分呈呈直線直線關系關系。組織越細密，強度組織越細密，強度越高，十分細密時偏越高，十分細密時偏離直線，出現(xiàn)峰值。離直線，出現(xiàn)峰值。u化合物：化合物：對應化合物的曲線上出對應化合物的曲線上出現(xiàn)現(xiàn)奇異點奇異點。 4.7.1 合金的使用性能與相圖的關系合金的使用性能與相圖的關系4.7.2 合金的工藝性能與相圖的關系合金的工藝性能與相圖的關系u 鑄造性能鑄造性能：液固相線距離愈液固相線距離愈小小，結晶溫度范圍愈小結晶溫度范圍愈小，則流動性好，不易形成分則流動性好，不易形成分散縮孔，散縮孔，鑄造性能好鑄造性能好。 共晶成分共晶成分的合金的合金鑄造鑄造性能最好。性能最好。u 鍛造、軋制性能鍛造、軋制性能：單相固溶體單相固溶體合金，合金，變形抗力小，變形均勻，變形抗力小，變形均勻，不易開裂，不易開裂，鍛造、軋制性鍛造、軋