工程材料学3合金的相结构与二元合金相图.ppt
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第二章二元合金相图纯金属在工业上有一定的应用,通常强度不高,难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求;尤其是在特殊环境中服役的零件,有许多特殊的性能要求,例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等,纯金属更无法胜任,因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。
合金的组织要比纯金属复杂,为了研究合金组织与性能之间的关系,就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。
合金相图正是研究这些规律的有效工具。
一种金属元素同另一种或几种其它元素,通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。
其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。
组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。
由两个组元组成的合金称为二元合金,例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。
二元以上的合金称多元合金。
合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多,这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。
合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。
利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相,各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。
掌握相图的分析和使用方法,有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能,也可按要求来研究新的合金。
在生产中,合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。
本章先介绍二元相图的一般知识,然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图,讨论合金的凝固过程及得到的组织,使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。
2.1 合金中的相及相图的建立在金属或合金中,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叫做相。
液态物质为液相,固态物质为固相。
相与相之间的转变称为相变。
在固态下,物质可以是单相的,也可以是由多相组成的。
由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。
组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。
由不同组织构成的材料具有不同的性能。
3金属的凝固与相图¾概述¾纯金属的结晶¾材料的相结构¾二元合金相图•一、凝固与结晶§3-1概述一、凝固与结晶引子:自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。
并且在一定的条件下,它们可以发生互相转变。
凝固:一切物质从液态到固态的转变过程的统称。
结晶:晶体的形成形成过程。
凝结-蒸发凝固-熔化凝华-升华晶体的形成过程包括,原始相可以是气体(凝华)、液态、非晶态的固体或从一种晶体转变未另一种晶体。
意义:材料中使用较广泛的有金属材料,金属材料绝大多数用冶炼来方法生产出来,即首先得到的是液态,经过冷却后才得到固态,固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过程有关,从而也影响材料的性能。
二、凝固状态的影响因素引子:固体状态下原子的排列方式有无规则排列的非晶态,也可以成为规则排列的晶体。
决定因素有三方面。
1.物质的本质:原子以那种方式结合使系统吉布斯自由能更低。
温度高时原子活动能力强排列紊乱能量低,而低温下按特定方式排列结合能高可降低其总能量。
这是热力学的基本原则。
2.熔融液体的粘度:粘度表征流体中发生相对运动的阻力,随温度降低,粘度不断增加,在到达结晶转变温度前,粘度增加到能阻止在重力作用物质发生流动时,即可以保持固定的形状,这时物质已经凝固,不能发生结晶。
例如玻璃、高分子材料。
3.熔融液体的冷却速度:冷却速度快,到达结晶温度原子来不及重新排列就降到更低温度,最终到室温时难以重组合成晶体,可以将无规则排列固定下来。
金属材料需要达到106℃/s才能获得非晶态。
在一般生产过程的冷却条件下,金属材料凝固为晶体,这时的凝固过程也是结晶过程。
一、结晶的能量条件吉布斯自由能G和温度T的曲线总是凹向下的下降形式,并且液体的曲线下降的趋势更陡。
两曲线相交处的温度Tm ,当温度T= Tm时,液相和固相的自由能相等,处于平衡共存,所以称Tm 为临界点,也就是理论凝固温度。
当T< Tm 时,从液体向固体的转变使吉布斯自由能下降,是自发过程,发生结晶过程;反之,当T> Tm 时,从固体向液体的转变使吉布斯自由能下降,是自发过程,发生熔化过程。