合金相图结构与结晶.ppt

金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶合金：两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼或烧结或用其它方法组合而成的具有金属特性的物质合金相图：用图的形式说明一个合金系的成份、温度和相态之间的关系照片为亚共晶Pb-Sn合金的显微组织照片，图中块状深色组织为先共晶相，其余黑白相间的基体为共晶组织2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶v3-1合金中的相v3-2合金的相结构v3-3二元相图的结构v3-4匀晶相图及固溶体的结晶v3-5共晶相图及其合金的结晶v3-6包晶相图及其合金的结晶v3-7其它类型的二元合金相图v3-8二元相图的分析和使用2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶3-1 3-1 合金中的相合金中的相根本概根本概念念1、组成合金最根本的、独立的物质称作组元简称元2、由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金，由三个以上组元组成的合金称为多元合金3、由给定的组元以不同的比例配制成一系列的合金系统，称为合金系，由二个组元组成的称为二元系，由三个组元组成的称为三元系，由更多组元组成的称为多元系CuZn，Cu Zn 二元合金系2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶4、相是指合金中结构相同，成分和性能均一并以界面相互分开的组成局部5、由一种固相组成的合金称为单相合金，由几种不同固相组成的合金称为多相合金。

由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金，由三个以上组元组成的合金称为多元合金3-1 3-1 合金中的相合金中的相根本概根本概念念2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶1、固溶体合金组元间以各种比例相互混合后形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种相称为固溶体，这种组元称为溶剂，其它的组元即为溶质2、金属化合物合金系中，组元间发生相互作用，形成一种具有金属性质的新相，称为金属化合物3-1 合金中的相一、相的分类2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶1、负电性因素指组成合金的组元原子，吸引电子形成负离子的倾向吸引电子负电性 负电性相差形成固溶体 负电性相差形成金属化合物相2、原子尺寸因素用组元间原子半径之差与其中一组元原子半径之比表示：若A、B间负电性相差不大，形成固溶体3-1 合金中的相一、影响相结构的因素2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶合金晶体中的价电子数与其原子数之比即为电子浓度VA、VB 溶剂、溶质的原子价 ：溶质B的物质量比在其它因素相同时，电子浓度形成固溶体 电子浓度形成金属化合物、电子浓度因素通常将直接用肉眼观察到的或借助于放大镜、显微镜观察到的微观形貌图像统称为组织用显微镜观察到的组织称为显微组织；用电子显微镜观察到的组织称为电子显微组织；用肉眼或放大镜观察到的组织称为宏观组织3-1 合金中的相一、影响相结构的因素2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶3-合金的相结构合金的相结构一、固溶体固溶体的结构特点 溶剂A+溶质B=C bcc fcc bcc例如:-Fe +C =F(铁素体)体心 六方 体心 溶质原子处于固态(金属)溶剂晶格中所形成的合金相称为固溶体2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶3-合金的相结构合金的相结构一、固溶体置 换 固 溶 体：溶 剂 质 原 子 位 于 溶 剂 晶 格 的 某 些 结 点位置间隙固溶体：溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是填入溶剂原子间的一些间隙中 按溶质原子在晶格中所占位置分类1、固溶体的分类2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶无限固溶体：溶质能以任意比例溶入溶剂，固溶体的溶解度可达100%有 限 固 溶 体：在 一 定 条 件 下，溶 质 组 元 在 固 溶 体 中 的 浓度有一定的限度，超过这个限度就不 再溶解，这一限度称为溶解度或固溶度 按固溶度分类浓度大于50%的组元称为溶剂，浓度小于50%的组元称为溶质，无限固溶体只可能是置换固溶体3-合金的相结构合金的相结构一、固溶体2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶 按溶质原子与溶剂原子的相对分布分类无序固溶体：溶质原子统计地或随机地分布于溶剂晶格中，它或占据着与溶剂原子等同的一些位置，或占据着溶剂原子间的间隙中，无明显的次序性或规律性。

有序固溶体：溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布有序既可以置换式的有序，也可以是间隙的有序3-合金的相结构合金的相结构一、固溶体2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶l溶质原子占据晶格结点位置:FeMn、Cr、Ni、Sil条件：R溶剂 R溶质2 2、置换型固溶体 置换固溶体结构示意图置换固溶体结构示意图3-合金的相结构合金的相结构一、固溶体2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶影响转换固溶体固溶度的因素r固溶度 r固溶度r晶格略变晶格畸变能晶格稳定性固溶度 原子尺寸因素 负电性相差易形成金属化合物固溶度 3-合金的相结构合金的相结构一、固溶体2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶 电子浓度因素 固溶体的电子浓度有一极限值，超过此极限值，固溶体就不稳定，形成另外新相A的原子价B的原子价B的等量比原子价数即是容纳能自由电子数 晶体结构因素同类晶体结构有利于增大固浓度至直形成无限固溶体3-合金的相结构合金的相结构一、固溶体2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶3 3、间隙固溶体、间隙固溶体 溶质：原子半径较小的H,O,N,C,B等溶剂：过渡族金属R溶质/R溶剂 0.59例如:Fe-C3-合金的相结构合金的相结构一、固溶体2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶3、间隙固溶体溶质原子通常是一些原子半径小于0.1nm的非金属元素，H、O、N、C、B等，只有当溶质与溶剂的原子半径比值才有可能形成间隙固溶体。

由于溶剂晶格中的间隙位置是有一定限度的，所以间隙固溶体只能是有限固溶体3-合金的相结构合金的相结构一、固溶体2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶、固溶体的结构与溶剂的晶体结构相比 晶格畸变晶格畸变的大小可由晶格常数的变化反映置换固溶体：间隙固溶体：a 3-合金的相结构合金的相结构一、固溶体2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶 偏聚与有序F溶剂溶剂F溶剂溶质溶质原子倾于成群聚集偏聚F溶剂溶剂F溶质溶质 F溶剂，溶剂溶质，溶剂原子倾向于按一定的规那么呈有序分布近程有序 3-合金的相结构合金的相结构一、固溶体2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶有序固溶体具有短程有序的固溶体，当低于某一温度时，可能使溶质和溶剂原子在整个晶体中都按一定的顺序排列起来，即由短程有序转变为长程有序，称为有序固溶体有序固溶体无序固溶体TCr发生有序化的临界温度称为固溶体的有序化温度注：严格讲，有序固溶体实质上是介于固溶体和化合物之间的一种相，便更接近于金属化合物3-合金的相结构合金的相结构一、固溶体2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶5、固溶体的性能溶质原子晶格畸变硬度，屈服强度故固溶体的硬度，屈服强度等总是比组成它的纯金属的平均值高3-合金的相结构合金的相结构一、固溶体溶质原子对晶格畸变影响示意图2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶一、金属化合物金属化合物是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相又称中间相。

金属化合物中，除离子键，共价键外，金属键也参予作用，因而具有一定的金属性质，故称之为金属化合物金属化合物作为新型材料，正在开发如：GaAs砷化镓，半导体材料NiTi，CuZn：形状记忆合金材料Zr2Al：核反响堆材料LaNis：能源储氢材料影响金属化合物形成及结构的主要因素如负电性、电子浓度、原子尺寸等都应有一系化合物3-合金的相结构合金的相结构二、金属化合物2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶结构特点:典型成分可用化学分子式表示具有与组成组元不同的结构类型组元独立成晶大局部可以化合物为基，形成固溶体，成分可变性能:一般较硬、脆3-合金的相结构合金的相结构二、金属化合物2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶1、正常价化合物具有严格的化合比，成分固定不变，可用化学式表示Mg2Si Mg2Sn Mg2Pb MgS MnS2、电子化合物不遵守原子价规律，按照一定电子浓度的比值形成的化合物电子浓度比值：3/2体心立方晶格相 CuZn,CU5Sn,CU3A/21/13复杂立方晶格相 CU5Zn8,Cu31Sn8,Cu9A/4 21/12密排六方晶格相 CuZn3,Cu5A/3,Cu3Si3-合金的相结构合金的相结构二、金属化合物2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶3、间隙相和间隙化合物由过渡族金属与原子半径很小的非金属元素H、N、C、B所组成 /rM0.59形成具有简单结构的化合物称为简隙相。

/rM0.59形成具有复杂晶体结构的化合物称为间隙化合物过渡族金属的氢化物和氮化物都是间隙相过渡族金属的硼化物都是间隙化合物3-合金的相结构合金的相结构二、金属化合物2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶1、间隙相具有简单的晶体结构面心立方、体心立方、密排六方等，金属原子位于晶格的正常结点上，非金属原子那么位于晶格的间隙位置晶格中的间隙可出现空位间隙相的化学成分可在一定范围内变动相当于以间隙相为基的固溶体，缺位固溶体间隙相、间隙固溶体的区别间隙相是一种化合物，具有与其组元完全不同的晶体结构间隙固溶体仍保持着溶剂组元的晶格类型3-合金的相结构合金的相结构二、金属化合物2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶2、间隙化合物一般具有复杂的晶体结构，如渗碳体熔点，硬度比间隙相低，加热易分解3-合金的相结构合金的相结构二、金属化合物2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶3-3 二元合金相图的建立相成分温度相图是表示合金系中合金的状态与温度、成分间的关系的图解，是表示合金系在平衡条件下，在不同温度、成分下的各相关系的图解，又称之为状态图或平衡图确定相相图相的成分及相对含量加热、冷却发生哪些转变2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶3-3 二元合金相图的建立2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶3-3 二元合金相图的建立建立相图的方法有两种。

一种是利用已有的热力学参数，通过热力学计算和分析建立相图；另一种是依靠实验的方法建立相图目前，计算法还在开展之中，实际使用的相图都是实验法建立的测量冷却曲线的实验装置及过程2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶根据冷却曲线建立相图2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶一、二元相图的表示方法成分成分合金存在状态 温度常压下P=const压力温度3-3 二元合金相图的建立2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶二、二元合金相图的测定方法实验测定：配制一系列成分合金测定相变临界点标注在温度成分理论计算：坐标图上联结成线确定相区3-3 二元合金相图的建立2022/7/11金属学和热处理第三章二元合金相图结构与结晶三、相律及杠杆定律1、相律及其应用相律是表示在平衡条件下系统的自由数，组元数和相数之间的关系，是系统平衡条件的数学表达式，表示为：常压下：C：组元数 P：相数 f：自由度在保持合金系的相的数目不变的条件下，合金中可以独立改变、影响合金状态的内部及外部因素的数目纯金属：温度二元合金：成分、温度三元合金：成分1、成分2、温度四元合金：成分1、成分。