第3章 合金的结构与二元状态图PPT讲稿.ppt
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1、第第3章章 合金的结构与合金的结构与二元状态图二元状态图第1页,共65页,编辑于2022年,星期二1 合金中的相结构合金中的相结构 一、合金的基本概念一、合金的基本概念合金合金:通过熔炼,烧结或其它方法,将一种金属元素同一通过熔炼,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,称为合金。物质,称为合金。组元组元:组成合金的最基本的、独立的物质称为组元组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。相相:在金属或合金中,凡:在金属或合金中,凡成分相同成分相同、结构相同结构相同并与其它部并与其它部分分有界面分开有
2、界面分开的的均匀组成部分均匀组成部分,均称之为相,均称之为相组织组织:在金属和合金中,在显微镜下能观察到的:在金属和合金中,在显微镜下能观察到的微观形貌微观形貌、图象图象称为组织,它是由单相物质或多相物质组合成的,具称为组织,它是由单相物质或多相物质组合成的,具有一定形态特征的有一定形态特征的聚合体聚合体。第2页,共65页,编辑于2022年,星期二二、合金中的相结构二、合金中的相结构固态合金中的相结构根据晶体结构的不同特点分为:固态合金中的相结构根据晶体结构的不同特点分为:1.固溶体固溶体:在合金结晶时所形成的固相的晶格结构与合金:在合金结晶时所形成的固相的晶格结构与合金的某一种组元的晶格结构
3、相同。的某一种组元的晶格结构相同。(或以合金中某一组元为溶剂,其他组元为溶质,所形成的(或以合金中某一组元为溶剂,其他组元为溶质,所形成的保持溶剂晶体结构的固相称为固溶体)保持溶剂晶体结构的固相称为固溶体)1.间隙化合物间隙化合物:形成合金的组元相互作用并且所形成合金:形成合金的组元相互作用并且所形成合金的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新物质。的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新物质。第3页,共65页,编辑于2022年,星期二1.固溶体固溶体固溶体分类:固溶体分类:按溶质原子在溶剂点阵中的位置分按溶质原子在溶剂点阵中的位置分:置换固溶体置换固溶体、间隙固溶体间隙固溶体按溶解度分按溶解度分
4、:无限固溶体、有限固溶体无限固溶体、有限固溶体按原子在点阵中排列的秩序性分按原子在点阵中排列的秩序性分:无序固溶体无序固溶体、有序固溶体有序固溶体第4页,共65页,编辑于2022年,星期二 1)1)置换固溶体:置换固溶体:溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。有序固溶体在加热到某一临界温度时会转化为无序固溶体;而在极有序固溶体在加热到某一临界温度时会转化为无序固溶体;而在极缓慢冷却至这一缓慢冷却至这一温度温度时可以向有序固溶体转化。称时可以向有序固溶体转化。称有序转化有序转化2)间隙固溶体:间隙固溶体:原子半径小于原子半径小于0.1nm的的非金属元素非金属元素溶入
5、到溶入到溶剂金属晶溶剂金属晶体点阵体点阵的间隙中形成的固溶体。的间隙中形成的固溶体。非金属元素:非金属元素:H,N,C,B,O置换固溶体置换固溶体 间隙固溶体间隙固溶体 第5页,共65页,编辑于2022年,星期二l溶质元素在固溶体中的溶解度溶质元素在固溶体中的溶解度固溶体的浓度:固溶体的浓度:溶质原子溶于固溶体中的量。用重量百分比表示或原子百分比表示。溶质原子溶于固溶体中的量。用重量百分比表示或原子百分比表示。溶质元素在固溶体中的溶解度:溶质元素在固溶体中的溶解度:在一定条件下溶质元素在固溶体中的极限浓在一定条件下溶质元素在固溶体中的极限浓度。度。通常不可能是通常不可能是100%100%,是有
6、限度的,称,是有限度的,称有限固溶体,有限固溶体,但是在有些元素间无论怎样配比但是在有些元素间无论怎样配比都能形成均匀一致的单相固溶体,称为都能形成均匀一致的单相固溶体,称为无限固溶体。无限固溶体。l只有在溶剂与溶质元素之间形成置换固溶体时,才有可能形成无限固溶体,只有在溶剂与溶质元素之间形成置换固溶体时,才有可能形成无限固溶体,而对于间隙固溶体只能形成有限固溶体。而对于间隙固溶体只能形成有限固溶体。第6页,共65页,编辑于2022年,星期二l 影响固溶体溶解度的因素影响固溶体溶解度的因素1.原子尺寸因素:原子半径差越小,易形成置换固溶体且固溶度越大。2.晶体结构因素:组元间结构相同,溶解度大
7、,有可能形成无限固溶体;3.负电性因素(化学亲和力):负电性差越大(在周期表中远),溶解度大。(负电性差很大时,形成化合物)4.电子浓度因素:电子浓度e/a越大,溶解度越小。c=e/a=xu+(1-x)v(电子浓度:合金中两个组元的价电子总数和原子总数之比。)第7页,共65页,编辑于2022年,星期二 固溶体的性能固溶体的性能当溶质元素的含量极少时,固溶体的性能与溶剂金属基本相当溶质元素的含量极少时,固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随溶质含量的升高,固溶体的性能将发生明显改变,其同。随溶质含量的升高,固溶体的性能将发生明显改变,其一般情况下,一般情况下,强度、硬度强度、硬度逐渐逐渐升高升高,而
8、,而塑性、韧性塑性、韧性有所有所下降下降,电阻率升高,导电性逐渐下降等,即电阻率升高,导电性逐渐下降等,即固溶强化固溶强化。固溶强化:固溶强化:通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度和硬度升高的现象。度和硬度升高的现象。原因原因:溶质原子溶入后,引起溶剂金属的晶格产生畸变,进:溶质原子溶入后,引起溶剂金属的晶格产生畸变,进而使位错移动时所受到的阻力增大。而使位错移动时所受到的阻力增大。第8页,共65页,编辑于2022年,星期二2.金属间化合物金属间化合物金属间化合物金属间化合物:在合金中,当溶质含量超过固溶体的溶解:在合金中,当溶质含量超过固溶体
9、的溶解度时,将析出新相,若新相的晶格结构不同于任一组成元度时,将析出新相,若新相的晶格结构不同于任一组成元素,则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质,素,则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质,称为化合物称为化合物力学性能:力学性能:高硬度高硬度、高熔点高熔点、低塑性低塑性类型:类型:正常价化合物:符合原子价规则的化合物,AmBn电子化合物(电子相):按照一定电子浓度值形成。间隙化合物:受原子尺寸因素控制。第9页,共65页,编辑于2022年,星期二2 二元合金状态图二元合金状态图 一一.相图的相关概念相图的相关概念组元组元:通常把组成合金的最简单、最基本,能够独立存在的:通常把组成
10、合金的最简单、最基本,能够独立存在的物质称为组元。在所研究的范围内既不分解也不发生任何化物质称为组元。在所研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可称为组元,如学反应的稳定化合物也可称为组元,如Fe3C。合金系合金系:由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金,称为合金系。如不同成分的合金,称为合金系。如Pb-Sn系系,Fe3C-Fe系系相相图图:用用来来表表示示合合金金系系中中各各个个合合金金的的结结晶晶过过程程的的简简明明图图解解,又又称称状状态态图图或或平平衡衡图图。相相图图上上所所表表示示的的组组织织都都是是十十
11、分分缓缓慢慢冷冷却却的条件下获得的,都是接近平衡状态的组织。的条件下获得的,都是接近平衡状态的组织。第10页,共65页,编辑于2022年,星期二相图:用来表示合金系中成分、温度与相之间的相图:用来表示合金系中成分、温度与相之间的关系。是表示合金系在平衡条件下,在不同温关系。是表示合金系在平衡条件下,在不同温度、成分下各种关系的图解。度、成分下各种关系的图解。根据相图可以给出不同温度时合金的组织状态根据相图可以给出不同温度时合金的组织状态及其随成分改变的规律,因此相图是研究金属及其随成分改变的规律,因此相图是研究金属材料的一个重要依据。材料的一个重要依据。第11页,共65页,编辑于2022年,星
12、期二二、二元相图的表示方法二、二元相图的表示方法第12页,共65页,编辑于2022年,星期二 二元合金相图的坐标二元合金相图的坐标第13页,共65页,编辑于2022年,星期二三、二元合金相图的测定方法三、二元合金相图的测定方法建立相图的方法:实验法、理论计算法建立相图的方法:实验法、理论计算法具体做法:具体做法:热分析法热分析法,以,以CuNi合金为例合金为例1.首先配制一系列不同成分的首先配制一系列不同成分的CuNi合金;合金;2.用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线;用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线;3.找出各冷却曲线上的相变点;找出各冷却曲线上的相变点;4.将各个合金的相变点分别
13、标注在温度将各个合金的相变点分别标注在温度成分坐标图中相成分坐标图中相应的合金垂线上。应的合金垂线上。5.连接各相同意义的相变点,所得的线称为相界线,这样就连接各相同意义的相变点,所得的线称为相界线,这样就得到得到CuNi合金相图合金相图第14页,共65页,编辑于2022年,星期二上临界点:温度较上临界点:温度较高的临界点(转变高的临界点(转变开始的温度)开始的温度)下临界点:温度较低下临界点:温度较低的临界点(转变结束的临界点(转变结束的温度)的温度)第15页,共65页,编辑于2022年,星期二第16页,共65页,编辑于2022年,星期二相图分析相图分析液相线:上临界点液相线:上临界点 的连
14、线的连线abc固相线:下临界点的固相线:下临界点的 连线连线abc相区:液相区(相区:液相区(L)、)、固相区(固相区()、)、液固两相共存区液固两相共存区 (L+)第17页,共65页,编辑于2022年,星期二相律相律第18页,共65页,编辑于2022年,星期二自由度:自由度:指在保持合金系中相的数目不变的条件下,使合金指在保持合金系中相的数目不变的条件下,使合金系中可以独立改变的、影响合金状态的内部及外部因素的数目。系中可以独立改变的、影响合金状态的内部及外部因素的数目。这些因素可以在一定范围内任意独立改变却不会影响到原这些因素可以在一定范围内任意独立改变却不会影响到原有的共存相数和状态,即
15、不会影响原有的平衡状态。有的共存相数和状态,即不会影响原有的平衡状态。自由度自由度f不能为负值,即不能为负值,即f0第19页,共65页,编辑于2022年,星期二利用相律可以解决一些问题利用相律可以解决一些问题如确定系统中最多存在的平衡相数:如确定系统中最多存在的平衡相数:l对于单元系,对于单元系,组元组元c=1,当当f=0时,时,p=c-f+1=1-0+1=2;即单元系中同时共存的平衡相数不超过两个;即单元系中同时共存的平衡相数不超过两个;l对于二元系合金,对于二元系合金,组元组元c=2,当当f=0时,时,p=c-f+1=2-0+1=3;即二元系中同时即二元系中同时共存的平衡相数不超过共存的平
16、衡相数不超过3个;个;第20页,共65页,编辑于2022年,星期二三、二元状态图的基本类型分析三、二元状态图的基本类型分析1.1.二元匀晶相图二元匀晶相图 2.2.二元共晶相图二元共晶相图3.3.二元包晶相图二元包晶相图4.4.具有共析转变的相图具有共析转变的相图第21页,共65页,编辑于2022年,星期二二元匀晶相图二元匀晶相图:两组元在液态下无限互溶,固态下也无限互溶的合金相图。两组元在液态下无限互溶,固态下也无限互溶的合金相图。二元合金系有:二元合金系有:Cu-Ni,Au-Ag,Cr-Mo等等特点:结晶时发生特点:结晶时发生匀晶转变匀晶转变,从液相结晶出单相的固溶体。,从液相结晶出单相的
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