合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、2024/3/31,1,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,第一節(jié) 基本概念,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,2,二種或二種以上的組元在固態(tài)下互相溶解形成的單一均勻的新相,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,固溶體 (solid solution )金屬化合物 ( metallic compound ),第二節(jié) 合金在固態(tài)下的相結(jié)構(gòu),一、固溶體 （solid solution ）,組成及結(jié)構(gòu),溶劑+溶質(zhì) =固溶體,fcc,

2、bcc,bcc,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,特點(diǎn)：,（鐵素體 ） 體心 六方 體心,2024/3/31,3,化學(xué)成分,固溶體的化學(xué)成份（二組元的相對比例）隨溫度變化可在一定范圍內(nèi)變化,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,T↓→溶解度↓,F（鐵素體 ）,性能,具有良好的綜合力學(xué)性能,固溶強(qiáng)化,,,727℃ Fe-0.0218%C,室溫下 Fe-0.0008%C,緒 論,第二章,第三章

3、,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,4,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,1）溶質(zhì)原子在固溶體中的位置劃分,1 固溶體的分類,溶質(zhì)原子,溶劑原子,溶質(zhì)原子,溶劑原子,置換固溶體,間隙固溶體,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,5,無限固溶體 有限固溶體,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2）溶質(zhì)在固溶體中的溶解度劃分,固溶體的表達(dá)：,2024/

4、3/31,6,2 固溶體的性能,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,溶質(zhì)原子對晶格畸變的影響,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,7,由于溶質(zhì)原子的加入，將引起溶劑的晶格發(fā)生不同程度的畸變，導(dǎo)致固溶體的強(qiáng)度、硬度提高（仍保持良好塑韌性）的現(xiàn)象。,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,固溶強(qiáng)化 ( solution strength ),緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,溶質(zhì)%↑→晶格畸變↑→固溶強(qiáng)化效果↑

5、,2024/3/31,8,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,二、金屬化合物（intermetallic compound）,二種或二種以上的元素按一定的結(jié)合方式形成具有金屬特性的新相。,1 金屬化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,1）可用一個化學(xué)分子式表示 如Fe3C,2）獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu),3）熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大（作為合金的強(qiáng)化相）,2024/3/31,9,2 金屬化合物的分類,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,緒

6、 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,10,3 金屬化合物與固溶體的區(qū)別1）化學(xué)成份固溶體的成份可變 隨T變化則在一定范圍內(nèi)變化金屬化合物成份不變 是按一定的原子數(shù)化合2）晶體結(jié)構(gòu) 固溶體——保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu) 化合物——具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)3）性能 固溶體的硬度＜金屬化合物 固溶體的塑性＞金屬化合物,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,緒 論,第

7、二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,11,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,三、合金中相結(jié)構(gòu)的組成方式,1 由單相固溶體構(gòu)成（F）,2 由多相構(gòu)成（機(jī)械混合物）,2） 固溶體+金屬化合物 （F+Fe3C）,機(jī)械混合物的特點(diǎn)：,結(jié)構(gòu) 有明顯的相界面成分 介于組成相之間（不是平均值）性能 取決于組成相的大小、數(shù)量及分布,1） 固溶體+固溶體,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/

8、3/31,12,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,13,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,第三節(jié) 二元合金相圖,一、概念1 相圖 ( phase diagram ),在極其緩慢地冷卻條件下，所測定的合金其成份、溫度和組織之間關(guān)系的圖形。,1）純金屬的相圖 可用一個溫度軸表達(dá) 2）二元合金的組織狀態(tài),2 相圖表達(dá)法：,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,別稱：平衡

9、圖、狀態(tài)圖等,2024/3/31,14,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,二、相圖的建立（以Cu-Ni合金為例）,1 配制不同成分的Cu-Ni合金,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,15,,,,,,,,,,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,,,,,,2 熱分析法建立相圖,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,時間,溫度,溫度,Cu,Ni,Ni%,60,40,20,80,100%N

10、i,40%Ni,60%Ni,80%Ni,100%Cu,20%Ni,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,16,,二組元在液態(tài)和固態(tài)下均無限互溶時所構(gòu)成的相圖。,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,三、二元相圖的基本類型,1 勻晶相圖,,,,,,溫度,Cu,Ni,A,B,Cu-Ni二元合金相圖,1）圖形分析,兩個點(diǎn)兩條線三個相區(qū),液相線,固相線,液相區(qū) L,,固相區(qū)α,,兩相平衡共存區(qū) L+α,緒 論,第

11、二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,17,,2）結(jié)晶過程分析（b合金）,,,,,Cu,Ni,Ni%,,溫度,,,,,b,2,1,,,,,,,時間,b合金的成分垂線,垂線與相線的交點(diǎn),做出冷卻速度曲線,,2024/3/31,18,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,（1）單相區(qū)中，不論溫度怎么變化單相的成份=合金的成份，單相的重量=合金的重量。（2）兩相區(qū)中的兩個相隨溫度變化會發(fā)生兩個變化：,,①兩個相的成分隨溫度變化分別

12、沿各自的相界線變化（水平溫度線）②兩個相的相對重量隨溫度變化也要發(fā)生變化（杠桿定律）,（3）相區(qū)的填寫用“差1”法、接觸法則,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,19,,,,,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,,,,,Cu,溫度,,K,2,1,,,,,兩相區(qū)中T溫度下的兩個相的成分確定,Ni,1’,,,,,,2’,3’,3,,,,,K合金的成分垂線,過垂線的水平溫度線與相線的交點(diǎn),交點(diǎn)在成分軸上的

13、投影,,,T1,T2,T3,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,20,,,Tn,,b,,a,,K,杠桿定理,,,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,求K合金在Tn溫度下兩個相的相對重量,K,,,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,兩相區(qū)中某溫度下的兩個相的相對重量確定,2024/3/31,21,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,2 共晶相圖,,,二組元在液態(tài)下無限互溶，在固態(tài)下只能有限溶解并發(fā)生共晶反

14、應(yīng)的相圖（Pb-Sb合金）,,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,22,,,,,,,固相線,液相線,,,,,,,,溫度,600,500,400,300,200,100,Pb,Sb,C,E,B,D,F,G,A,Sb%,,1）圖形分析,α,β,L,三個單相,三個單相區(qū)、三個兩相區(qū)、一個三相區(qū),相線與特性點(diǎn),相對量有多少？（杠桿定律）,,,L+β,α+β,L+α+β,,,共晶點(diǎn)（T、C）,,共晶線

15、,,,共晶合金,亞共晶合金,,,,過共晶合金,,,當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小的顆粒彌散的分布在固溶體的基本上，使合金的強(qiáng)度和硬度升高的現(xiàn)象---彌散強(qiáng)化,2024/3/31,23,1,2）結(jié)晶過程分析,L+α,,β,L+β,α+β,300,200,,,,,,,,,,600,500,400,300,200,Pb,Sb,C,E,B,D,F,G,A,Sb%,,α,L,100,溫度,（1）共晶合金Ⅰ,,,,,,,,1,1’,室溫平衡組織,Ⅰ,,,時間,,（

16、α+β）,,,,,,,2024/3/31,24,,Ⅱ,1,2,,（2）亞共晶合金Ⅱ,α+（α+β）+βⅡ,,,,,,時間,,,,,,,,1,2,2’,,,,,,,,,,,α+（α+β）+βⅡ,（α+β）,β+（α+β）+αⅡ,,,,,α+βⅡ,,,β+αⅡ,,,,,,2024/3/31,25,,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,1 相圖=組織圖,2 求相組成物和組織組成物的方法,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/

17、31,26,,例題：求Pb-5%Sb的合金在共晶反應(yīng)剛剛結(jié)束時的組織組成物的相對量？,,杠桿定律僅適用于兩相區(qū)??！,解：由條件可知組織組成物為,1 確定杠桿所處的位置（T、C、端點(diǎn)）,,,,,5,2 計算,或：,問題：相組成物的相對量？,2024/3/31,27,3 共析相圖,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,28,四.二元相圖與性能之間的關(guān)系,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,緒

18、論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,29,普通的碳鋼和鑄鐵均屬于鐵碳合金，合金鋼和合金鑄鐵也是在鐵碳合金的基礎(chǔ)上，有意的加進(jìn)某些合金元素而得到的，因此鐵和碳是組成鋼鐵材料的最基本的二個組元。 由鐵和碳二個組元構(gòu)成的相圖—鐵碳合金相圖。,,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,Fe3C,,Fe2C,,FeC,,C%→,,,6.69,,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/3

19、1,30,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,31,一、相圖分析,,,,,,,,二條水平線,構(gòu)成合金中的所有組織,四個基本相,2024/3/31,32,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,1 鐵碳合金的基本相結(jié)構(gòu)與性能,1）鐵素體 F,C原子 R=0.077nm間 隙 R=0.0182nm,（3）性能 和純鐵性能相近（軟相）,C在a-Fe中的有限固溶體（bcc）,（1）結(jié)構(gòu),（2）成份

20、 Max C%→727℃的P點(diǎn) 0.0218%C Min C%→室溫的Q點(diǎn) 0.0008%C T↓→C%↓（有溶解度變化）,,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,33,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,2）奧氏體 A,C原子 R=0.077nm間 隙 R=0.0535nm,（2）成份 max C%→1148℃ 的E點(diǎn) 2

21、.11%C 727℃為0.77%C S點(diǎn) T↓→C%↓（有溶解度變化）,C在γ-Fe中的有限固溶體（fcc）,（1）結(jié)構(gòu),（3）性能 在Fe-C合金中屬于高溫相δ↑、HB↓→鍛造性↑,,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,34,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,（1）結(jié)構(gòu),金相形態(tài)：,根據(jù)形成條件不同有五種,（2）成分,化學(xué)成份一定 6.69%C,（3）性能,高熔點(diǎn)、高硬度、高脆性（三高）

22、 其形態(tài)、大小及分布對合金的性能產(chǎn)生重大影響,復(fù)雜的鈄方晶格,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,35,,,,2 相圖中重要的點(diǎn)和線,,,,,,A,C,D,G,S,1148℃,727℃,L,A,L+A,L+ Fe3C,F,A+F,A+ Fe3C,K,E,P,F,Q,C%→,Fe3C,Fe,F+ Fe3C,,,,,,,4.3,0.77,

23、2.11,6.69,℃,,,,,,,,1）二條水平線,2）三條斜線,T↓→A C%↓ A→Fe3CⅡ,T↓→F C%↓ F→Fe3CⅢ,T↓ A→F,,萊氏體,珠光體,2024/3/31,36,,A+F,,L+ Fe3C,,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,,,,,,A,C,D,G,1148℃,727℃,L,A,L+A,F,A+ Fe3C,K,E,P,F,Q,C%→,Fe,F+ Fe3C,,,,,4.3,0.77,2.11,6.69,℃,,,,,3

24、 填相區(qū)及合金分類,,,,,鋼,,白口鑄鐵,,S,,,亞共析鋼,過共析鋼,共析鋼,,,,亞共晶白口鐵,過共晶白口鐵,共晶白口鐵,0.0218,,Fe3C,差“1”法相區(qū)接觸法,合金的分類,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,37,1,3’,2,二、結(jié)晶過程分析,1 共析鋼(eutectoid steel) Ⅰ,,Ⅰ,,,,3,,,,,,,,1,,,,,2,3,,,,,,A,A,A,A,P,P

25、,,,,,,,時間,,P,,2024/3/31,38,1,4,2 亞共析鋼(hypoeutectoid steel ) Ⅱ,,1,2,3,,,,,Ⅱ,,,時間,,,,,,,,,,,,2,3,4,4’,,,,,,A,A,A,,,,P,P,F,A,F,F,A,A,,F,,,,,,,,,,F+P,P,,F+P,2024/3/31,39,,F+P,1,4,3 過共析鋼(hypereutectoid steel ) Ⅲ,,1,2,3,,,,,Ⅲ,

26、,,時間,,,,,,,,,,,,2,3,4,4’,,,,,A,A,A,,,,Fe3CⅡ,P,A,A,P,A,,Fe3CⅡ,,,P+Fe3CⅡ,P,,,,Fe3CⅡ,Fe3CⅡ,,,,,,2024/3/31,40,P+Fe3CⅡ,,P,例題：求1.2%C鋼在共析反應(yīng)剛剛結(jié)束時的組織組成物和相組成物的相對量？,解：1 組織組成物,∵ P+Fe3CⅡ←A+Fe3CⅡ,∴ A 和 Fe3CⅡ為所求,1.2,,,,2 相組成物,∵ 727℃以

27、下，所有合金的組織均由F+Fe3C構(gòu)成的。,∴ F和Fe3C為所求,問題：室溫下如何求？,F+P,,,,,,,,2024/3/31,41,（P+Fe3CⅡ +Fe3C）Ld’,Ld’,1,1,4 共晶白口鐵(eutectoid white iron ) Ⅳ,,,,時間,,,,,,,2,,1’,,2’,,L→（A+Fe3C）,,2,,Ⅳ,,,L,,Ld,,A,,Fe3CⅡ網(wǎng),,A→（F+Fe3C)P,,,P+Fe3CⅡ+Ld’,Ld’ +

28、Fe3CⅠ,,A+Fe3CⅡ,A+Fe3CⅡ+Ld,Ld+Fe3CⅠ,Ld,,,Ⅰ,,,,,2024/3/31,42,Fe3CⅡ,P,F,,Fe3C,,,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,,,,,,,,,F,Ld’,Fe3CⅠ,相組成物,組織組成物,,,,,,,,,,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,43,四、含碳量對鋼的力學(xué)性能的影響,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,成分-組織-性能的關(guān)系,1.4,1）δ↑、 ↑（

29、F%↑） 低碳鋼（0.10-0.25%C）2）良好綜合機(jī)性（P%↑） 中碳鋼（0.25-0.6%C）3）HB↑耐磨性↑（Fe3C%↑） 高碳鋼（0.6-1.4%c）,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,44,合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,五、Fe - Fe3C相圖的應(yīng)用,1 選材,2 熱加工藝,,,,,熱處理,鍛 造,鑄 造,淬火溫度,鍛軋溫度,澆注溫度

30、,緒 論,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,第一章,2024/3/31,45,精品課件！,2024/3/31,46,精品課件！,2024/3/31,47,本章小結(jié),一、合金在固態(tài)下的基本相結(jié)構(gòu),（固溶體和金屬化合物）,二、合金的結(jié)晶可以用相圖來分析,1 相圖的分析法,1） 相圖結(jié)構(gòu) 差“1”法 相區(qū)接觸法 相組成物 組織組成物,2） 結(jié)晶過程,結(jié)晶過程分析 冷卻速度曲線法

31、 桿杠定律,滿足三個條件（起伏）,基本反應(yīng) 勻晶反應(yīng)、共晶（共析）反應(yīng)、脫溶反應(yīng)（析出）,2 非平衡結(jié)晶,枝晶（晶內(nèi)）偏析 離異共晶 偽共晶 偽共析,三、鐵碳合金相圖,1 鐵碳合金的基本相結(jié)構(gòu)及性能 F A Fe3C,2 鐵碳合金相圖分析 圖形分析 結(jié)晶過程分析,（勻晶相圖、共晶相圖和共析相圖）,考點(diǎn): 1）默寫相圖并用相組成物或組織組成物填相區(qū)