工程材料学 第2章

Cu-Ni相图 相图
Cu-Sn相图 相图
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本科学习的相图理论，管用！ 本科学习的相图理论，管用！
——再先进的制备及加工工艺，背后隐藏 再先进的制备及加工工艺， 再先进的制备及加工工艺 的基本机理，也许还要回归到经典理论。 的基本机理，也许还要回归到经典理论。 给我印象最深刻Metall. Mater. Trans. B 【给我印象最深刻 的一句评审意见】 的一句评审意见】The authors are recommended to use relevant phase diagrams to explain their results. This would be useful even if the laser sintered materials are not in equilibrium.
Fe3C的晶格 的晶格
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钢中常见间隙化合物的硬度及熔点
类型 简单结构间隙化合物 复杂结构间 隙化合物
WC MoC Cr23 C6 Fe3 C
化学式
TiC
ZrC
VC
NbC
TaC
硬度 HV 熔点/℃ 熔点 ℃
2850
2840
2010
2050
1550
1730
1480
1650
～800
3080
3472 ±20
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• 相图上所表示的组织都 是在非常缓慢冷却的条 件下获得的， 件下获得的，都是接近 平衡状态的组织， 平衡状态的组织，也称 平衡图。 为平衡图。 • 相图是用图解的方法表 相图是用图解的方法表 示合金系中各种合金状 态与温度和成分之间关 态与温度和成分之间关 温度 也称为状态图 状态图。 系，也称为状态图。 相图的意义： 相图的意义：分析合金组 织的重要参考资料； 织的重要参考资料；制定 热加工工艺的重要依据。 热加工工艺的重要依据。
图片出自： 图片出自：D. Ferro. Surf. Coat Technol. 202 (2008) 1455.
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(B)具有复杂结构的间隙化 具有复杂结构的间隙化 合物
当0.7>r非/r金>0.59时形成复杂 0.7> >0.59时形成复杂 结构间隙化合物。 结构间隙化合物。 如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其 、 、 中Fe3C称渗碳体，是钢中重要 称渗碳体， 强化相，具有复杂斜方晶格。 强化相，具有复杂斜方晶格。
VC的结构 的结构 VC面心立方晶格，V原子占 面心立方晶格， 原子占 面心立方晶格 据晶格正常位置， 据晶格正常位置，而C原子规 原子规 则分布在晶格的空隙之中。 则分布在晶格的空隙之中。
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• 间隙相具有极高 间隙相具有极高 的熔点、 的熔点、硬度和 脆性， 脆性，而且十分 稳定， 稳定，是高合金 工具钢的重要组 工具钢的重要组 成相，也是硬质 成相，也是硬质 合金和 合金和高温金属 陶瓷材料的重要 陶瓷材料的重要 组成相。 组成相。
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Ni-P/SiC
Co-P/SiC
SiC-particulate reinforced Al metal matrix composite (MMC)
图片出自： 图片出自：Ewa Rudnik. Surf. Coat Technol. 202 (2008) 2584.
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② 电子化合物
电子化合物是由第 族或过渡族元素与 电子化合物是由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元 至第Ⅴ 结合而成的。它们不遵循原子价规律， 素结合而成的。它们不遵循原子价规律，而服从电子浓 度规律。 度规律。 电子浓度是指合金中化合物的价电子数目与原子数目的 电子浓度是指合金中化合物的价电子数目与原子数目的 比值。 比值。 电子化合物具有高的熔点和硬度， 塑性较低， 电子化合物具有高的熔点和硬度，但塑性较低，一般只 能作为强化相存在于合金（特别是有色金属合金） 强化相存在于合金 能作为强化相存在于合金（特别是有色金属合金）中。 电子化合物的结构取决于电子浓度，当电子浓度为 电子化合物的结构取决于电子浓度，当电子浓度为3/2 晶体结构为体心立方晶格，称为β相 体心立方晶格 时，晶体结构为体心立方晶格，称为 相；电子浓度为 21/13时，晶体结构为复杂立方晶格，称为 相；电子浓 复杂立方晶格 时 晶体结构为复杂立方晶格，称为γ相 度为7/4时 晶体结构为密排六方晶格，称为ε相 密排六方晶格 度为 时，晶体结构为密排六方晶格，称为 相 (Epsilon)。 。 12
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(2) 金属间化合物
• 金属间化合物是合金组元相互作用而形成的具有金 属特性， 属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元 的化合物——中间相。 中间相。 的化合物 中间相 • 两组元有一定比例，可用化学式AmBn表示。 表示。 两组元有一定比例，可用化学式 • 特点：金属间化合物一般有较高的熔点、较高的硬 特点：金属间化合物一般有较高的熔点、 较大的脆性。 度和较大的脆性 合金中出现化合物时， 度和较大的脆性。合金中出现化合物时，可提高强 硬度和耐磨性， 降低塑性。 度、硬度和耐磨性，但降低塑性。
形成固溶体时的晶格畸变
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固溶强化
Fe
SCIENCE
纳米化表层 (10µm)
ε-Fe2~3N相(颗粒 颗粒) 相 颗粒 固溶强化
N2
图片出自： 图片出自：W. P. Tong, N. R. Tao, Z. B. Wang, J. Lu, K. Lu. Nitriding Iron at Lower Temperatures. SCIENCE 299 (2003) 686-688.
第2章 合金的相结
• 合金：由两种或以上金属元素或金属与非金属 合金： 组成的具有金属特性的物质。 组成的具有金属特性的物质。 具有金属特性的物质 • 组元：组成合金的独立的最基本的单元（一般 组元：组成合金的独立的最基本的单元（ 是一种元素或一种稳定的化合物）。 是一种元素或一种稳定的化合物）。 • 相： 具有相同化学成分、相同晶体结构和相同 具有相同化学成分 相同化学成分、 的物理或化学性能， 的物理或化学性能，并与该合金系统其它部分 明显分界的均匀组成部分 的均匀组成部分。 有明显分界的均匀组成部分。 • 组织：用显微镜观察到的材料的微观形貌。 组织：用显微镜观察到的材料的微观形貌。
抛光 WC
抛光 WC-1VC
断口 WC
断口 WC-1VC
图片出自： 图片出自：S.G. Huang. Int. J. Refractory Metal Hard Mater. 26 (2008) 256.
抛光 WC-4VC
抛光 WC-12VC
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纯Ti表面合成 表面合成TiC-ZrC涂层 涂层 表面合成
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现代激光加工工艺 中涉及的冶金机理
借助传统合金相图 作合理解释
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§2-2-2 相图的建立
相图用纵坐标表示温度变化，横坐标表示成分变化。 相图用纵坐标表示温度变化，横坐标表示成分变化。 纵坐标表示温度变化 一般采用热分析法 原理是凝固时释放凝固潜热。 热分析法。 一般采用热分析法。原理是凝固时释放凝固潜热。 合金为例， 以Cu-Ni合金为例，说明热分析法建立相图的步骤： 合金为例 说明热分析法建立相图的步骤： 1）配制不同成分的Cu-Ni合金。 不同成分的 合金。 ）配制不同成分 合金 2）将合金熔化后，测定它们的冷却曲线，并找出 冷却曲线， ）将合金熔化后，测定它们的冷却曲线 曲线上临界点 临界点（ 转折点和停歇点）。 曲线上临界点（即转折点和停歇点）。 3）将上述数据引入相应成分的温度 成分坐标图中。 成分坐标图中。 ）将上述数据引入相应成分的温度-成分坐标图中 4）将物理意义相同的临界点连成曲线，即得 ）将物理意义相同的临界点连成曲线，即得Cu-Ni 合金相图。 合金相图。
—— —— —— ——
间隙固溶体
溶解度 有限固溶体 无限固溶体 分布有序度 有序固溶体 无序固溶体
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置换固溶体示意图
间隙固溶体示意图
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②固溶强化
由于溶质原子溶入溶剂晶格中产生晶格畸变， 及对位错的钉 由于溶质原子溶入溶剂晶格中产生晶格畸变，以及对位错的钉 晶格畸变 扎作用，阻碍了位错的运动，而造成材料强度、硬度升高， 扎作用，阻碍了位错的运动，而造成材料强度、硬度升高， 塑性和韧性没有明显降低。 塑性和韧性没有明显降低。 溶质原子溶入→晶格畸变 位错运动阻力上升 溶质原子溶入 晶格畸变→位错运动阻力上升 金属塑性变 晶格畸变 位错运动阻力上升→金属塑性变 形困难→强度 硬度升高。 强度、 形困难 强度、硬度升高。
2650
3680 ±50
3980
2785 ±5
2527
1577
1227
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§2-2 二元合金相图的建立
§2-2-1 名词涵义
组元：组成合金的独立的最基本的单元。 组元：组成合金的独立的最基本的单元。一般是 一种元素（ 合金中的Pb和 ） 一种元素（如Pb-Sn合金中的 和Sn） 或一种稳 合金中的 定的化合物（ 定的化合物（如Fe3C） 。 ） 合金系： 由两个或两个以上组元按不同比例配制 合金系： 成的一系列不同成分的合金（ 成的一系列不同成分的合金（如Pb-Sn系，Fe系 Fe3C 系） 。 相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的 相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的 结晶过程 简明图。 简明图。
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组织
明显的分界
相2： ： Cu-10Sn
合金 组元1： 组元 ：Cu 组元2： 组元 ：Sn
相1： ： Ni
图片出自：胥橙庭 沈以赴 顾冬冬. 沈以赴,顾冬冬 图片出自：胥橙庭,沈以赴 顾冬冬 稀有 金属材料与工程, 金属材料与工程 2005, 34: 341-344.
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按照合金中组元原子的存在方式， 按照合金中组元原子的存在方式，合金可分为两 类基本的相结构：固溶体和金属间化合物。 类基本的相结构：固溶体和金属间化合物。