第一节 合金的结构

1. 几个基本概念：

合金：一种金属元素与另一种或几种其它元素，通过熔炼或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。

组元：组成合金独立的、最基本的单元。

二元合金：由两个组元组成的合金。

相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。

合金中有两类基本相 —— 固溶体 和 化合物

合金中有两类基本相 —— 固溶体 和 化合物

2. 固溶体

固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀、晶体结构不变的固体。

即：AB两组元，A为溶剂、B为溶质，AB相溶后形成一种成分和性能均匀的固体，其晶体结构保持A的晶体结构，这种固体就被称为固溶体。

固溶体的分类：

按原子结构分类

a、置换固溶体：溶质取代溶剂原子的位置，但整个结构仍然是溶剂的晶体结构。

b、间隙固溶体：溶质原子位于溶剂原子的间隙位置中。

按固溶度分类:

a、有限固溶体：在一定的条件下，溶质在固溶体中存在一极限浓度，如超过此浓度则有其它相形成。

b、无限固溶体：溶质可以任意比例溶入到溶剂中，最高可达100%。

固溶体的性能:

随着溶质原子的溶入，固溶体晶格发生畸变。溶质原子越多，畸变越大。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，以而提高固溶体的强度和硬度。此称为固溶强化。

3.金属化合物

合金组元形成晶格类型与任一组元的晶格类型都不相同:

正常价化合物 —— 按化合价规律形成，如，Mg2Si 。

电子化合物 —— 按电子浓度规律形成，如，Cu3Al 。

间隙化合物 —— 过渡金属+小半径非金属元素

间隙相 r非/r金0.59，如，WC、TiC、VC

复杂结构的间隙化合物 r非/r金0.59如，Fe3C、Cr23C6间隙化合物熔点高、硬度高，脆性大。

金属化合物

第二节 合金相图的建立

相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解，又称为状态图。

1.相图的相关概念

1． 组元：

通常把组成合金的最简单、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学反应的稳定化合物也可称为组元，如Fe3C看作一组元。

2． 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不同成分的合金，称为合金系。

3．相图

用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或平衡图。

4.平衡：

在一定条件下，合金系中参与相变过程的各相的成分和相对重量不再变化所达到的一种状态。

相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。

铁和碳可以形成一系列的化合物，如：Fe3C、Fe2C、FeC，因此整个相图包括Fe-Fe3C、Fe3C-Fe2C、Fe2C-FeC部分

铁和碳可以形成一系列的化合物，如：Fe3C、Fe2C、FeC，因此整个相图包括Fe-Fe3C、Fe3C-Fe2C、Fe2C-FeC几个部分。

合金的结晶与纯金属结晶的区别

二元合金状态图的建立

目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。

以Cu—Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤：

（1）配制不同成分的合金试样，如: a.纯铜； b.80%Cu+20%Ni； c.60%Cu+40%Ni；d.40%Cu+60%Ni； e.20%Cu+80%Ni; f.纯Ni。

（2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点；

（3）将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上；

（4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu、Ni合金相图。

Ni合金相图

利用相图可以知道不同成分的材料在不同温度下存在哪些相、各相的相对量、成分及温度变化时所可能发生的变化。所以，相图在生产中，可以作为制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规程的重要依据；也可以作为陶瓷材料选配原料、制定生产工艺、分析性能的重要依据。

第三节 合金的结晶

平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。

匀晶相图--相图（平衡图、状态图）

铜-镍合金匀晶相图

匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。

匀晶合金的结晶过程

杠杆定律

例：求30%Ni合金在1280 时相的相对量

Cu-Ni合金枝晶偏析示意图

共晶相图

共晶转变分析

一、共晶反应要点:

1、共晶转变在恒温下进行。

2、转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。

3、存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。

4、成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。

共晶反应要点

X1合金结晶过程分析

X1合金结晶特点

X2合金结晶过程分析 （共晶合金）

X3合金结晶过程分析 （亚共晶合金）

包晶相图--铂-银合金包晶相图

共析相图

合金系中两组元之间还可能形成稳定的金属化合物，其组成可用通式AmBn表示，它具有固定的成分和一定的熔点，可把它看成独立的组元。它的分析可作为两个简单相图进行。

二、相图与性能的关系

1、合金的使用性能与相图的关系

固溶体中溶质浓度↑ → 强度、硬度↑，组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。

合金的使用性能与相图的关系

2、铸造性能

　　液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分散缩孔。

锻造、轧制性能、单相固溶体合金，变形抗力小，变形均匀，不易开裂。

合金的工艺性能与相图的关系

铁碳合金的结晶

铁碳相图

1.铁碳合金的组元

Fe：熔点1538℃,密度7.87×103/m3 ，具有同素异构转变： δ-Fe= γ-Fe = α-Fe

纯Fe机械性能：强度、硬度低，塑性好。

Fe3C：渗碳体，Fe与C形成的一种间隙化合物。 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。

纯Fe 和Fe3C的机械性能

2. 铁与碳相互作用构成的基本相

铁素体 ( F, α)

是碳在α-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格，912℃以下存在，727℃时溶解碳量最大，为0.0218%, 室温仅为.0008%,其性能是强度低，硬度低，塑性好。

奥氏体 ( A ,γ)

是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,面心立方晶格，在1495--727℃范围内存在，1148℃溶解碳量最大为2.11%。其性能是强度低，硬度低，塑性好。

渗碳体 Fe3C

渗碳体是铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物，分子式Fe3C，是铁碳相图中的另一个组元 。根据其形成条件的不同有条状、网状、粒状、片状等形态。

网状、粒状、片状

3. 相图中重要的点和线

ABCD 液相线。

AHJECFD 固相线。

ES 碳在γ-Fe中的固溶度曲线，又叫作Acm线。

PQ 碳在α-Fe中的固溶度曲线。

GS 冷却过程中，由奥氏体中析出铁素体的开始线，或者是加热时，铁素体溶入奥氏体的终止线，GS线又叫作A3线 。

PSK 共析线，碳含量为0.0218—6.69%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生共析反应。通常称A1。

ECF 共晶线,碳含量为2.11—6.69%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生共晶反应。

HJB 包晶线，碳含量为0.09—0.53%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。

相图中重要的点和线

铁碳合金的平衡结晶过程

Fe-C 合金分类：工业纯铁 —— C % ≤ 0.0218 %，钢 —--0.0218 % ＜ C % ≤ 2.11 %，

亚共析钢 ＜ 0.77 % ， 共析钢　 ＝ 0.77 % ，，过共析钢 ＞ 0.77 %；

Fe-C 合金分类

Fe-C 合金分类：白口铸铁 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 %，

亚共晶白口铁 ＜ 4.3 % ，共晶白口铁＝ 4.3 % ，过共晶白口铁 ＞ 4.3 %；

Fe-C 合金分类

1、工业纯铁 ( C % ≤ 0.0218 % )结晶过程

工业纯铁 ( C % ≤ 0.0218 % )结晶过程

室温组织 F + Fe3CⅢ (微量) 500倍显微镜

2、共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程

共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程

P中各相的相对量：

Fe3C % = ( 0.77 – xF ) / ( 6.69 – xF )≈ 0.77 / 6.69 = 12 %

F % ≈ 1 – 12 % = 88 %

珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C 和 F 之间

室温组织: 层片状 P ( F + 共析 Fe3C ) 500倍显微镜

(3)亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程

亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程

各组织组成物的相对量：

P % = ( 0.4 – 0.0218 ) / ( 0.77 – 0.0218 )≈ 51 %，F % ≈ 1 – 51 % = 49 %

各相的相对量：

Fe3C % ≈ 0.4 / 6.69 = 6 %，F % ≈ 1 – 6 % = 94 %

室温组织: F + P，500倍显微镜图像

(4)过共析钢 ( C % = 1.2 % )结晶过程

过共析钢 ( C % = 1.2 % )结晶过程

各组织组成物的相对量：

Fe3CII % = ( 1.2 – 0.77 ) / ( 6.69 – 0.77 )≈ 7 %，P % ≈ 1 – 7 % = 93 %

各相的相对量：

Fe3CII % ≈ 1.2 / 6.69 = 18 %，F % ≈ 1 – 18 % = 82 %

室温组织:P + Fe3CII 400倍显微镜

(5)共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )结晶过程

共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )结晶过程

莱氏体 Le′的性能：硬而脆

室温组织: （低温）莱氏体 Le′ （P + Fe3CII + 共晶 Fe3C ）, 500倍显微镜图像

(６)亚共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程

亚共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程

室温组织:Le′+ P + Fe3CII 200倍显微镜图像

(7)过共晶白口铁 ( C % = 5 % )结晶过程

过共晶白口铁 ( C % = 5 % )结晶过程

室温组织:Le′+ Fe3CI 500倍显微镜图像

标注了组织组成物的相图

3、铁碳合金的成分-组织-性能关系：

含碳量与相的相对量关系：C %↑→F %↓，Fe3C %↑

含碳量与组织关系：图（a）和（b）

含碳量与组织关系

含碳量与性能关系

　HB：取决于相及相对量

　强度：C%=0.9% 时最大

塑性、韧性：随C%↑而↓