材料科学基础第三章优秀PPT.ppt

材料科学基础第三章你现在浏览的是第一页，共19页第一节第一节 二元单相合金二元单相合金二元单相合金指二元合金在固态时只有一种相二元单相合金指二元合金在固态时只有一种相（固溶体）的合金。这种合金也是所有合金中（固溶体）的合金。这种合金也是所有合金中最简单且最常见的一类合金。有些二元合金系最简单且最常见的一类合金。有些二元合金系在固态时无论成分如何只有一种相，如在固态时无论成分如何只有一种相，如Ni-Cu、Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、Fe-Ni及及W-Mo等，几乎所有的二元甚至多元合金在一定成分等，几乎所有的二元甚至多元合金在一定成分范围内在固态下也是单相。范围内在固态下也是单相。你现在浏览的是第二页，共19页相相 图图 进行材料研究，金相分析，制定热、进行材料研究，金相分析，制定热、铸、锻、焊等热加工工艺规范的重要依据和铸、锻、焊等热加工工艺规范的重要依据和有效工具。有效工具。v 了解合金系中不同成分和温度下的相的种了解合金系中不同成分和温度下的相的种类、相的成分及相的相对含量。类、相的成分及相的相对含量。v 了解合金在加热和冷却过程中的转变并预了解合金在加热和冷却过程中的转变并预测其性能的变化规律。测其性能的变化规律。即表示在平衡条件下即表示在平衡条件下合金合金组织组织与与成分成分、温度温度之间关之间关系的图形系的图形。合金相图又称合金平衡图或合金状态图。合金相图又称合金平衡图或合金状态图了解了解由由相相图图可可作用作用相相图图的的你现在浏览的是第三页，共19页一、相律一、相律在恒压下，在纯固态或纯液态情况下，出现的相数在恒压下，在纯固态或纯液态情况下，出现的相数小于等于主元数。在液固共存（恒温）条件下出现小于等于主元数。在液固共存（恒温）条件下出现的相数小于等于主元数加一。因而，对二元合金，的相数小于等于主元数加一。因而，对二元合金，固态下出现的相数为固态下出现的相数为1或或2，液固共存（恒温）条件，液固共存（恒温）条件下恒温下出现的相数为下恒温下出现的相数为2或或3。你现在浏览的是第四页，共19页二、二元匀晶相图的分析二、二元匀晶相图的分析 二元匀晶相图二元匀晶相图：指两组元在液态和固态指两组元在液态和固态均无限互溶时的二元合金相图。均无限互溶时的二元合金相图。匀晶转变匀晶转变：在一定温度范围内由液相结在一定温度范围内由液相结晶出单相的固溶体的结晶过程。晶出单相的固溶体的结晶过程。具有这类相图的合金系主要有具有这类相图的合金系主要有Ni-Cu、Cu-Au、Au-Ag、Mg-Cd、W-Mo等。等。你现在浏览的是第五页，共19页（一）二元合金相图的建立（一）二元合金相图的建立 （以（以Pb-SbPb-Sb二元合金为例）二元合金为例）无限缓冷下测各无限缓冷下测各合金的冷却曲线合金的冷却曲线标注在温度标注在温度成分坐标中成分坐标中连接各相变点连接各相变点 1、建立相图的思路：、建立相图的思路：合金相变时，伴随物理、化学性能的变化，可利用合金相变时，伴随物理、化学性能的变化，可利用热分析法热分析法（或者热膨胀法、磁性测定法、金相法、电阻（或者热膨胀法、磁性测定法、金相法、电阻法和法和X射线结构分析法等）精确测定相变临界点（即临界射线结构分析法等）精确测定相变临界点（即临界温度），确定不同相存在的温度和成分区间，建立相图。温度），确定不同相存在的温度和成分区间，建立相图。2、具体步骤：具体步骤：选组元，配合选组元，配合 金系，熔化金系，熔化确定各合金确定各合金的相变温度的相变温度确定相确定相你现在浏览的是第六页，共19页Cu-Ni合金相图的建立合金相图的建立L 如：如：0%Cu、20%Cu、40%Cu、60%Cu、80%Cu、100%Cu六组合金。六组合金。（L+）你现在浏览的是第七页，共19页1、相图分析、相图分析L +L两线：两线：液相线、固相线液相线、固相线三区：三区：液相、液相液相、液相+固相、固相固相、固相A（二）二元匀晶相图分析（二）二元匀晶相图分析你现在浏览的是第八页，共19页三、合金的平衡结晶过程三、合金的平衡结晶过程L +L12时间时间温温度度L L 平衡结晶过程分析平衡结晶过程分析t1t2所谓所谓平衡结晶过程平衡结晶过程是指合金从液态无限缓慢冷却、是指合金从液态无限缓慢冷却、原子扩散非常充分，冷却过程中每一时刻都能达原子扩散非常充分，冷却过程中每一时刻都能达到相平衡条件的一种结晶过程。到相平衡条件的一种结晶过程。你现在浏览的是第九页，共19页给定合金的成分，可计算不同温度下，此成分的合给定合金的成分，可计算不同温度下，此成分的合金所形成不同的相的相对含量，即各相的质量分数金所形成不同的相的相对含量，即各相的质量分数计算。计算。引例：引例：100ml的的10%的的NaCl水溶液和水溶液和100ml的的30%的的NaCl水溶液混合后浓度是多少？水溶液混合后浓度是多少？10010%+10030%=C200C=20%反过来考虑：把反过来考虑：把20%的的NaCl水溶液分成浓度分别水溶液分成浓度分别为为10%和和 30%的两份，那么两份的体积分数是多的两份，那么两份的体积分数是多少？少？V110%+V230%=20%(V1+V2)四、质量分数计算四、质量分数计算你现在浏览的是第十页，共19页这种方法可推广到固相和固液混合相这种方法可推广到固相和固液混合相L +LC Cb bC Ca a a ab b C CC C如图：成分为如图：成分为C C的的Ni-CuNi-Cu合金，缓冷到合金，缓冷到tt时时,根据相图分析根据相图分析：（）此状态下存在哪几相？（）此状态下存在哪几相？（）各相的成分如何？（）各相的成分如何？（）各相的数量（绝对数量与相对数量）各相的数量（绝对数量与相对数量）？（）做水平线，与固相）做水平线，与固相线和液相线分别交于线和液相线分别交于a、b点。剩余液相总处于即将点。剩余液相总处于即将结晶的状态，即结晶的状态，即tt的液的液相线上的点的成分，即相线上的点的成分，即b点成分点成分C Cb b，而刚结晶出来，而刚结晶出来的固相即的固相即tt的固相线上的固相线上的的a点的成分点的成分C Ca a。（）由相图可知，）由相图可知，C点点存在存在L+两相区两相区你现在浏览的是第十一页，共19页（）利用引例的思路，问题转化为：）利用引例的思路，问题转化为：浓度为浓度为C的合金，分成浓度为的合金，分成浓度为Ca、Cb两份，所以有两份，所以有:MaCa+MbCb=C(Ma+Mb)即即 Ma（C-Ca）=Mb(Cb-C)由此可知，两相的相对含量为：由此可知，两相的相对含量为：Ma/Mb=(Cb-C)/（C-Ca）若若M=Ma+Mb为已知量，那么，为已知量，那么，两相的绝对含量为：两相的绝对含量为：Ma=(Cb-C)（Ma+Mb）/（Cb-Ca）Mb=(C-Ca)（Ma+Mb）/（Cb-Ca）L +LC Cb bC Ca a a ab bC C c cC Ca aC CC Cb b M Ma aM Mb b你现在浏览的是第十二页，共19页C Ca aC CC Cb b M Ma aM Mb b总结：由质量分数的计算式总结：由质量分数的计算式 Ma（C-Ca）=Mb(Cb-C)并结合相图，可知，此式类似与杠杆定律的应用，并结合相图，可知，此式类似与杠杆定律的应用，所以这种方法又称杠杆定律。所以这种方法又称杠杆定律。注意：使用条件：只适合平衡结晶的两相区解决问题：（1）确定二平衡相的成分 （2）确定二平衡相的数量你现在浏览的是第十三页，共19页 平衡结晶：平衡结晶：在结晶过程中，原子的扩散在固在结晶过程中，原子的扩散在固相、液相及固液相之间非常充分，能跟得上相变相、液相及固液相之间非常充分，能跟得上相变的速度，最终形成成分均匀的固溶体。的速度，最终形成成分均匀的固溶体。L +Lt1t2t3t1t3t2你现在浏览的是第十四页，共19页 非平衡结晶：非平衡结晶：合金结晶较快，原子的扩散来不及合金结晶较快，原子的扩散来不及充分进行，结果使先结晶出来的固溶体和后结晶的固充分进行，结果使先结晶出来的固溶体和后结晶的固溶体成分不均匀。溶体成分不均匀。晶内偏析：一个晶内偏析：一个晶粒内部化学成分不均匀晶粒内部化学成分不均匀的现象。的现象。后结晶出来的，含后结晶出来的，含A元素少元素少先结晶出来的，含先结晶出来的，含A元素多元素多五、非平衡结晶过程五、非平衡结晶过程你现在浏览的是第十五页，共19页富富Ni富富CuCu-Ni合金晶内偏析的组织合金晶内偏析的组织你现在浏览的是第十六页，共19页非平衡结晶非平衡结晶晶内偏析晶内偏析塑性、韧性下降，易引起晶内塑性、韧性下降，易引起晶内腐蚀，热加工困难腐蚀，热加工困难 将铸件加热到低于固相线将铸件加热到低于固相线100200的温度，的温度，进行长时间保温，使偏析元素充分进行扩进行长时间保温，使偏析元素充分进行扩散，以达到成分均匀化。散，以达到成分均匀化。扩散退火扩散退火L +L加热温度范围加热温度范围你现在浏览的是第十七页，共19页六、性能与成分的关系六、性能与成分的关系由相图可大致推断出合金在平衡状态下的力学由相图可大致推断出合金在平衡状态下的力学 性能和物理性能。对于二元匀晶相图来说，合性能和物理性能。对于二元匀晶相图来说，合金金 形成了单相的固溶体，合金的性能与组元几形成了单相的固溶体，合金的性能与组元几溶质溶质 元素的溶入量有关。对于一定的溶质和溶元素的溶入量有关。对于一定的溶质和溶剂，溶剂，溶 质的溶入量越多，则合金的强度、硬度质的溶入量越多，则合金的强度、硬度提高越多提高越多（即产生了（即产生了固溶强化固溶强化），同时电阻增），同时电阻增大，电导率大，电导率 越低。越低。铸造性能取决于相图中的液相线与固相线之铸造性能取决于相图中的液相线与固相线之间的水平间隔，间隔越大，合金的铸造性能间的水平间隔，间隔越大，合金的铸造性能越差；压力加工性能好的合金通常是单相固越差；压力加工性能好的合金通常是单相固溶体。而两相混合物组成的合金，压力加工溶体。而两相混合物组成的合金，压力加工性能就比较差；固溶体的切削性能不够好。性能就比较差；固溶体的切削性能不够好。你现在浏览的是第十八页，共19页你现在浏览的是第十九页，共19页