合金的結構與相圖[目標]1.了解二元合金狀態(tài)圖的建立、典型二元合金相圖;

2.掌握二元合金相圖及其與合金性能關系;

[重點]1.相與組織概念；

2.二元合金相圖的分析應用；

3.桿桿定律及其應用；

[難點]

1.相與組織概念；2.桿桿定律及其應用。合金的結構與相圖3.1合金的基本概念1.合金:以一種金屬元素為主體，加入其他金屬或非金屬元素后具有金屬特性的物質(zhì)。2.組元:組成合金最基本、獨立的物質(zhì)（元）。有二元合金、三元合金、多元合金。3.合金系:一系列由兩個或多個給定組元所組成的具有不同成分的合金構成一個合金系。

合金的結構與相圖

碳鋼（CarbonSteel）：由鐵（Fe）和碳（C）組成的合金。

Fe和C是合金的組元

屬于二元合金

Fe、C含量不同的碳鋼同屬于鐵碳合金系

黃銅（Brass）：由銅（Cu）和鋅（Zn）所組成的合金。

Cu和Zn是合金的組元

屬于二元合金

Cu、Zn含量不同的黃銅同屬于銅鋅合金系

例4.相:合金中結構相同、成分和性能均一，并以界面相互分開的組成部分。合金性能與相的性質(zhì)、數(shù)量、大小、形態(tài)及分布密切相關。3.1合金的基本概念顯微鏡下觀察到的某種鑄鐵的顯微組織石墨（一種固相）鐵素體（另一種固相）5.組織：借助肉眼或顯微鏡所觀察到的金屬材料內(nèi)部各相及其形貌。用肉眼或放大鏡觀察到的為宏觀組織，在顯微鏡下觀察到的為微觀組織。合金組織是由不同性質(zhì)、數(shù)量、大小、形態(tài)及分布的各種相組成。改變其中之一，即可改變組織；改變組織，即可改變材料的性能。1.固溶體：在合金中，金屬或非金屬原子溶入另一種金屬晶格中形成的均勻固相。3.2.1固溶體溶劑（Solvent）+溶質(zhì)（Solute）＝保持原有晶格類型的組元其他組元（一般含量較少）

-Fe+C鐵素體＝固溶體（體心立方）溶劑（體心立方）溶質(zhì)（六方）固溶體3.2合金的相結構例：置換固溶體

間隙固溶體2.固溶體的分類（1）按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占位置分類：

置換固溶體和間隙固溶體例Cu(rCu=0.1276nm)Ni(rNi=0.1244nm)Fe(rFe=0.1260nm)C(rC=0.0770nm)白銅（銅鎳合金）結構示意圖置換固溶體間隙固溶體奧氏體結構示意圖有限固溶體和無限固溶體固溶度（SolubilityLimit）在一定條件下，溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度，又稱為溶解度（SolidSolubility）。例：銅鎳合金

Cu和Ni能按任何比例相互溶解而形成無限固溶體。無限固溶體中兩組元原子置換示意圖（2）按固溶度分類3.固溶體的特點大致保持了溶劑金屬的晶格類型，性能近于純金屬。較低強度、硬度良好塑性、韌性3.2.2金屬化合物1.金屬化合物：合金組元間相互作用所形成的具有金屬特性的一種新相。其晶格類型及性能均不同于任一組元。主要有：（1）正常價化合物（Normal-valenceCompound）符合一般化合價規(guī)律，具有嚴格的化合比，成分固定不變，一般具有較高的硬度、較大的脆性。如：Mg2SiMg2Sn（2）電子化合物（ElectronCompound）按一定電子濃度，成分可在一定范圍內(nèi)變化，通常具有很高的熔點和硬度，脆性也很大。如：AgZn（3）間隙化合物（InterstitialCompound）過渡元素與H、N、C、B等原子直徑較小的非金屬元素形成，一般具有復雜晶體結構，很高的熔點和硬度。如Fe3C

具有不同于任一組元的，全新的晶體結構。高熔點高硬度脆性大

2.金屬化合物的性能特點合金僅由金屬化合物組成：雖然有很高的硬度，但脆性太大，無法應用。

合金僅由固溶體組成：則往往強度、硬度等不夠高，使用受到一定限制。絕大多數(shù)的工業(yè)合金，其組織為固溶體（基體）+少量金屬化合物（強化相）所構成的機械混合物（MechanicalMixture），合金的性能就取決于它們的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量等。

分析：關公的大刀該有什么材料制成？思考：哪種Fe3C的形貌對合金力學性能更有利相圖：表示合金系在平衡條件下（極其緩慢加熱或冷卻），合金的組成相（或組織）與溫度、成分間關系的圖解，又稱為平衡狀態(tài)圖。3.3合金的結晶AT/℃液相線固相線Cu平衡狀態(tài)圖Ni確定狀態(tài)描述結晶過程確定一定溫度下，相(構成物）的含量3.3.1二元合金相圖的建立

二元合金相圖是由實驗測定的。下面以Cu-Ni二元合金系為例，說明應用熱分析法（ThermalAnalysis）繪制相圖的方法。熱分析裝置示意圖冷卻曲線（1）配制一系列不同成分的Cu-Ni合金，如：100%Cu、80%Cu-20%Ni、60%Cu-40%Ni、40%Cu-60%Ni、20%Cu-80%Ni、100%Ni等6個合金。（2）分別測定上述合金冷卻曲線；（3）在冷卻曲線上找出合金的各臨界點，即：合金結晶開始和結晶終了的溫度點；（4）將各臨界點標在相圖相應的成分軸上（縱座標為溫度，橫座標為成分）；（5）將性質(zhì)相同的臨界點分別連接起來，獲得液相線、固相線。Cu-Ni二元合金相圖測定步驟Cu-Ni二元合金相圖wNi（%）時間溫度Cu20406080NiwCu=100%wNi=20%wNi=40%wNi=60%wNi=80%wNi=100%液相線固相線ABLαL+α3.3.2二元合金相圖的基本類型

大多數(shù)二元相圖都是由幾類最基本的相圖組合而成的。

兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能無限互溶勻晶相圖：L→α

兩組元在液態(tài)均能無限互溶，固態(tài)下有限溶解共晶相圖：L→α+β共析相圖：α→β1+β2包晶相圖：

L

+α→β（1）典型合金平衡結晶過程分析

1.二元勻晶相圖Cu-Ni合金相圖及冷卻時的結晶=T1:L

Q

≈100%+α

Q≈0=T2:L

Q

↓+α

Q

↑=T3:L

Q

≈0+α

Q≈100%≈40%≈40%2″2'3'<T3:α

Q=100%1″>T1:L

Q

=100%=40%=40%與純金屬一樣：形核+長大，需要一定的過冷度。結晶是在一定溫度范圍內(nèi)進行的；只有在溫度不斷下降時，固相

的相對量才增加；溫度不變，液相L和固相

的相對量保持不變，即達到平衡狀態(tài)；結晶時，液相成分沿液相線變化，固相成分沿固相線變化。（2）固溶體合金的結晶特點計算兩個相的相對量QLQ

bac杠桿定律的力學比喻設：m=1相的含量=其對面的長度/整個線段的長度

x2bactαL

（3）杠桿定律0.772.116.69727課堂練習：運用桿桿定律計算成分為0.77%的鋼，727℃時組織中固溶體鐵素體（F）、滲碳體(Fe3C)的相對含量各是多少？QF=SK/PK=(6.69-0.77)/(6.69-0.02)≈88.8%QFe3C=FS/PK=(0.77-0.02)/(6.69-0.02)≈11.2%2.二元共晶相圖Pb-Sn二元合金相圖

共晶轉(zhuǎn)變：一定成分的液相，在一定溫度下，

同時轉(zhuǎn)變出兩種新的固相。（1）合金I的平衡結晶過程合金的室溫組織：初生α

+

βⅡ組織組成物:α、βⅡ組成相：α相和β相（2）合金II（亞共晶）的平衡結晶過程合金的室溫組織：初生α

+

βⅡ

+（α+β）組織組成物:α、βⅡ、（α+β）組成相：α相和β相（3）合金III（共晶）的平衡結晶過程合金的室溫組織：共晶體（α