金属学与热处理第三章(1)笔记1.pdf

第三章 合金：两种或两种以上金属，或金属与非金属，经熔炼、烧结，或着其他方法组 合而成具有金属特性的物质 合金相图：用来研究合金的化学成分、晶体结构、组织状态和性能之间的变化规律的有效工具 组元/元：组成合金最基本、独立的物质 合金系统/合金系：由给定的组元按不同比例所配制成的一系列成分不同的合金 相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分 ???= 30%的 Cu-Zn 合金是单相合金，???= 40%的 Cu-Zn 合金是两相合金 相可以按其晶体结构分为固溶体和金属化合物 固溶体：相的晶体结构和组成该相的某一组元相同，相为固溶体，该组元为溶剂 固溶体分类 按溶质原子在晶格中所占位置 置换固溶体 溶质原子置换溶剂晶格结点 间隙固溶体 溶质原子占据溶剂晶格间隙（只能是有限固溶体） 按固溶度分 有限固溶体 具有一定的溶解度 无限固溶体 能够无限互溶（只可能是置换固溶体） 按溶质原子和溶剂原子的相对分布 无序固溶体 溶质原子统计或随机分布于溶剂晶格中 有序固溶体 溶质原子按一定比例、顺序、方向绕溶剂原子分布 一次固溶体 以纯金属为基（端际固溶体） 二次固溶体 以化合物为基 当?溶质/?溶剂溶剂原子，晶格常数↑ 间隙固溶体 晶格常数总随溶质原子的溶入而增大 偏聚与有序 偏聚 同种原子结合力大于异种，溶质原子倾向于聚集 有序 异种原子间结合力大，溶质原子倾向于短程有序 有序固溶体（超结构、超点阵） 低于某一温度，短程有序固溶体变为长程有序 有序化：有序固溶体加热至某一温度转变为无序固溶体，又冷却至这一温度转变为有序固溶体 固溶强化：固溶体中，随溶质浓度增加，固溶体强度、硬度提高而塑性、韧性下降的现象 金属化合物/中间相：组元互溶时，超过固溶体的固溶度极限而形成 金属化合物种类： 1.服从原子价规律的正常价化合物 由电负性相差较大的元素组成，具有严格的化合比，成分固定不变，可用化学式 2.晶体结构取决于电子浓度的电子化合物 由ⅠB 族或过渡金属元素与ⅡB、ⅢA、ⅣA 族金属元素形成，不遵循原子价规律，按一定电子浓度比值形成 电子浓度 21/14=3/2 21/13 21/12 晶体结构 体心立方结构（β相） 复杂立方结构（γ相） 密排六方结构（ε相） 3.小尺寸原子与过渡族金属之间形成的间隙相和间隙化合物 由过渡族金属和原子半径很小的非金属元素 H、N、C、B 组成，受组元的原子尺寸因素控制（非金属 X 和金属 M 原子半径比） 原子半径比 ????0.59 晶体结构 简单结构（间隙相） 复杂晶体结构（间隙化合物） 间隙相：金属原子位于晶格正常结点，非金属原子位于晶格间隙位置 缺位固溶体：间隙相中晶格间隙未被非金属原子填满，以缺位方式形成的固溶体 间隙相和间隙固溶体的本质区别： 间隙相是一种化合物，具有与组元完全不同的晶体结构 间隙化合物保持溶剂组元的晶格类型 间隙化合物具有复杂的晶体结构（????渗碳体） 合金渗碳体：????中??被其他金属原子替换，形成以间隙化合物为基的固溶体 相图/状态图/平衡图： 表示平衡条件下，合金系中合金状态与温度、成分间的关系图解 建立相图的方法：试验测定，理论计算 试验法：配制一系列成分不同的合金，测定相变临界点，把这些点标在温度-成 分坐标图上，连接相同意义的临界点，连线划分出来的区域即为相区。

测定临界点的方法：金相法、X 射线结构分析法； 热分析法、膨胀法、磁性法、电阻法（利用合金状态变化引起合金性质突变来测定临界点） 相律：检验、分析和使用相图的重要工具 相律（系统平衡条件）表达式：? = ? − ? + 2，F自由度数，C组元数，P相数 相律含义：在只受外界温度和压力影响的平衡系统中，其自由度数等于系统组元数与相数之差再加上 2 自由度数：平衡系统中独立可变的因素的数目（温度、压力、成分等） 当系统压力为常数时，? = ? − ? + 1，合金状态由成分和温度确定 纯金属自由度数最多为 1，二元系合金最多为 2…以此类推 n 元系合金为 n 可能存最多平衡相数： 单元系，C=1，F≥0，P=C-F+1≤2，即温度不变时，最多有两相共存 二元系，C=2，F≥0，P=C-F+1≤3，即温度不变时，最多有三相共存 相律解释纯金属与二元合金结晶时的差别： 两相共存时，纯金属 F=0,没有独立可变因素，结晶只能在恒温下进行；二元合金 F=1,存在一个独立可变因素温度，合金成分随温度改变，结晶在一定温度范围内 三相共存时，二元合金 F=0，没有独立可变因素，结晶只能在恒温下进行。

杠杆定律：杠杆定律适用于两相区 匀晶相图：两组元在液态和固态都无限互溶的二元合金系相图（Gu-Ni） 匀晶转变：从液相结晶出单相固溶体的结晶过程 平衡结晶：合金在极缓慢冷却条件下进行结晶的过程 不平衡结晶：偏离平衡结晶条件下的结晶 固溶体形核条件： 结构起伏 （晶核大小） ， 能量起伏 （形核功） ， 成分起伏 （浓度） 成分起伏：偏离液相平均成分的微小体积，其成分、大小、位置在不断变化 固溶体结晶过程：晶核形成（原晶体长大）→相内浓度梯度→相内扩散→破坏相界平衡→晶体长大→重新平衡 固溶体晶体长大过程是平衡→不平衡→平衡→不平衡的辩证发展过程 固溶体结晶和纯金属的显著不同： 1.异分结晶/选择结晶：固溶体结晶出的与母相化学成分不同的结晶 溶质原子在固液相之间重新分配，分配系数??= ??/??（固液相平衡浓度之比） 1.当液相线和固相线随溶质浓度增加而降低，?? 1，??越大，液相线和固相线水平距离越大 3.分配系数反映溶质组元重新分配的强弱程度 2.固溶体合金结晶需要一定温度范围 每一温度下只能结晶出来一定数量固相，随温度降低，固相数量增加，固相成分 和液相成分分别沿固相线和液相线变化，直至相同，结晶完毕 不平衡结晶极端情况，液体中充分混合，液相完全均匀化，固相来不及扩散 t1温度，L0→L1+α1 t2温度，L1→α2’(α1+α2)+L2 t3温度，L2→α3’(α1+α2+α3)+L3 t4温度，L3→α4’ 1.虚线为固相平均成分线 2.固相线与冷却速度无关， 位置确定；固相平均成分线与冷却速度有关，冷却速度越大，偏离固相线程度越大 晶内偏析：在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象，由于固溶体晶体通常呈树枝状，使枝干和枝间化学成分不同，所以又称枝晶偏析 影响因素： 1.分配系数??，?? 1，??越大，偏析越大 2.溶质原子扩散能力，结晶温度高，扩散能力大，偏析程度小 消除晶内偏析方法： 均匀化退火 （加热至低于固相线 100~200℃， 长时间保温） 区域偏析：大范围内化学成分不均匀现象 区域提纯：依据原理区域偏析， 熔区长度越短、??越小、搅拌越激烈提纯效果越好 固溶体合金结晶，在正温度梯度下，也呈树枝状生长、胞状生长的原因： 固溶体结晶时，溶质组元重新分配，在界面处形成溶质浓度梯度，产生成分过冷 成分过冷：由于界面前沿液相中成分差别引起的过冷度 形成成分过冷的临界条件：??=??????????G 为实际温度梯度，R 为晶体长大速度，m 为液相线斜率，D 为溶质扩散系数 当??