第1章-材料基础知识培训

3. 三元相图 三元相图比二元相图更复杂一些，因为三个组元要二个坐标（平面上表示成 分范围），还要一个温度坐标（竖坐标），所以常常以成分坐标上划温度等 高线来表示，或等温切面来表示，道理是一样的；
铝合金材料基础知识培训
开发部/王海东 2009年07月
第一章 晶体与相图
一、原子
认为原子是个圆球，似乎是刚性的，又似乎是弹性的； 原子在不停的振动，温度越高越严重，振出空隙； 原子是中性的，外层带负电的电子跑掉时就成为正离子了； 原子用金属键与同类原子结合成金属； 原子用离子键或共价键与别的（同类或异类）原子结合成化合物，就是原 子结合在一起而不成为一盘散沙，就因为有“键”。这些键的能量约为 500KJ/mole；他们是释放电子、接受额外电子或共有电子造成的，还有一 些能量小于40KJ/mole的键； 因此原子与原子处于相对平衡的位置上，近了就产生排斥力，远了就产生 吸引力； 原子是有大小的，不同类别的原子大小不一样，造成性质不一样。一般说， 直径约3×10-10m，有大到5×10-10m，也有小到0.75×10-10m；
点缺陷
线缺陷
面缺陷
体缺陷
认识物质从宏观观到微观的几个层次：
物体
晶粒
晶粒
晶格
晶胞
体心立方b.c.c
面心立方f.c.c
密排六方h.c.p
小结： 晶体的特点：
①原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列；
②具有一定的熔点，如铁的熔点为1538℃；铝的熔点为660.37℃（99.99%）； ③晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性。
三、相图
1. 叫法：合金状态图，合金相图、合金平衡图。最标准的叫法为金属状态平衡图； 状态，又可称相。有气相、液相、固相、固溶体相、化合物相； 相，成分组成均匀，结构一致，性能相同，并有界面彼此分开的组成部分； 图，一种表达方式，替代繁琐的文字说明； 相图，表示状态和成分组成和温度的关系图；纵坐标为温度，横坐标为成分组成， 坐标内有若干线条分出了若干区域就是相区； 平衡，不再随时间变化的过程。但不平衡是永久的，平衡是暂时的； 相平衡，相的浓度和数量不再发生变化了，意味着相图内的线条在平衡状态时和 不平衡状态时是不一样的，线条位置会偏移。 2. 二元状态相图的类型 ☆无限固溶状态图，如Cu-Ni相图，铝合金中无此类型；
☆共晶型状态图，如Al-Si相图，Mg-Al相图的Al一侧；在共晶点处（共晶温 度和共晶成分）发生共晶转变； L（液相）=α （Al）+Si 同时凝固成混合物，成共晶 L（液相）=α （Al）+Mg2Al3
℃
1400 L 1200 1000 660.37℃ 800 AL+L 600 AL 500 12.6
非晶体的特点： ①原子在三维空间呈不规则的排列； ②没有固定的熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性的液 体，如塑胶、玻璃、沥青等； ③各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。
8. 加入别的物质（杂质或合金元素）会怎样？ 第一种：溶解，随机分布其中，任何微区浓度相同；溶解分液态溶解和固 态溶解；与溶液相似，固态时溶质原子（离子或分子）溶入溶剂的晶体点 阵中所形成的相成为固溶体； 第二种：部分溶解；饱和，溶解度； 第三种：形成第二相，两相合金一般有三种基本组织形态。第一是两相合 金中的一种典型组织，两个相（或两种组织单元）的晶粒尺度相当，两种 晶粒各自成为等轴状，两者均匀的交替分布，但是这种情况在实际中很少 很少；第二种情况，组织中两个相的晶粒尺度相差很远，其中尺寸较细的 像似球状、点状、片状或针状等形态弥散的分布于另一相晶粒的基体内。 如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著的提高材料的强度，与此同 时，塑性与韧性必将下降。增加弥散相的相对含量，或者在相对量不变的 情况下细化弥散相尺寸（即增加弥散相的个数），都会大幅度地提高材料 的强度。材料工作者常采取各种措施（如合金化、热处理等），沿着这一 思路改变组织，从而提高材料的强度水平，这种强化称为弥散强化。
1.65
WT% 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Si 1414℃
700 660.37℃ 600 500 400 300 200 200
1
2
3 WT% Si 577℃
(Al)
1.63
Al-Si中间
1
2
L+Si
3 WT% Si
577℃0 20 30 40 50 60 70 80 90 Si
☆包析型状态图，在固态下发生时叫包析转变，铝合金无此现象； ☆偏晶型状态图，如Al-Bi相图和Al-Pb相图，在偏晶点上发生偏晶转变； L1（液相）=α （Al）+L2（液相） ☆要求看相图时：知道各定点的坐标（温度、成分），知道各线条的名称： 液相线、固相线、固溶度线、共晶线、包晶线等；
☆用途： ①可估计某成分的合金在某温度下的相组成，其每一相的成分和每一相的比 例；办法：杠杆定律； ②可估计合金的性能，因为固溶态相、化合物相、混合相对应的性能不同； 力学性能：强度和脆性； 工艺性能：铸造性能，变形性能，热处理性能，焊接性，切削性； ③估计工艺参数，如：铸造温度、均匀化处理温度、热加工起始和结束温度、 固溶处理温度）；
☆共析型状态图，如Fe-C相图中的共析反应，是固溶体在共析点上分解成二 个东西（在固态下进行），铝合金无此情况；
☆包晶型状态图，如Al-Ti、Al-Cr相图的Al一侧都是这种类型，在包晶点处 （包晶温度和包晶成分）发生包晶转变： L（液相）+Al3Ti= α （Al） L（液相）+Al7Cr= α （Al）
7. 晶体缺陷：10万个原子为一边的方阵阵列（晶粒）只能基本排齐，会有缺 陷的，缺陷的种类主要分点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷； 点缺陷： 空位：这是影响原子扩散均匀化的重要通道。有人测得Cu的原子每mm3 为5×1019个，其中空位每mm3为5×1015个（1000℃）时； 间隙原子：异类或同类原子； 置换原子：异类原子； 线缺陷： 位错：107根/mm2～1011根/mm2 层错： 面缺陷：晶界可认为是面缺陷； 体缺陷：空洞、夹杂物； 混乱不规则程度比较严重的情况为：气态时、液态时（短程不规则），严 重变形（位错1011根/mm2）；
9. 金属的强化途径 因为纯铝的强度很低，为了提高铝的强度，达到自己想要的强度，需要 往铝中添加别的金属元素，形成铝合金。按添加元素种类的不同，强化的 途径可以分为三种：①固溶强化、②加工硬化、③析出硬化。不论哪种强 化机理，其基本原理都是增加晶格的位错能，阻碍着结晶内的转位。固溶 强化是溶质原子固溶于基本金属中，使基体产生晶格畸变和位错，从而达 到强化作用，合金比原金属具有更强的性能。例如5000系铝合金，随着镁 含量的增加，强度提高。3000系合金也具有相同的强化作用。固溶强化的 原理可以类比为混凝土，只有沙子和水泥的混凝土强度不高，在里面添加 一些碎石子，可以提高强度。这就如同在纯金属里面添加别的合金元素形 成固溶体一样，固溶体会比纯金属的强度高；加工硬化（在我厂即抽管） 是使晶格间的位错增加，随着塑性变形量的增加，变形应力相应增加的强 化机制。析出硬化也称为时效硬化，它需要以固溶强化为前提。一般来说， 固溶强化的机能要比时效强化的机能低很多（例如刚刚挤压出来的6000系 合金已经完成了固溶强化，硬度比纯铝肯定高一些，但经过时效过后，硬 度会大幅度上升）。2000、6000、7000系合金都可以时效强化。
二、晶体与晶粒
1. 原子按规则地堆聚成晶体（晶粒）； 2. 由互相接触的晶粒组合成金属块（晶粒如同石榴子，晶粒的接触面叫做晶 界）； 3. 晶粒的大小：通常20～300um，光学显微镜放大后可见，但也有大的肉 眼可见（如粗晶环）； 4. 晶粒的形状：大都为球粒状，也有柱状的、针状的、其它不规则形状； 一块30mm的金属（30×10-3m有100-1000个晶粒排成） 一粒30um的晶粒（30×10-6m有10×104个原子排成） 5. 原子堆聚的方式：对于金属主要有三种（b.c.c\f.c.c\h.c.p）； 堆法不同或处的方位不同，性质不同，这因原子排列的紧密性不同； 方位不同，性质不同称作晶体的各向异性； 对于多晶体金属，各晶粒在其中随机取向，因而金属是各向同性；但由于 加工变形、退火或铸造，可能造成各晶粒取向“趋”同，造成金属材料 （板、线）的各向异性，这种现象称为织构； 6. 晶格常数：正因为原子有大小，原子有弹性，键力有大小。所以堆成晶体 的晶格（单位晶体/晶胞）有一定尺寸，叫晶格常数；
第三种情况是第二相在基体相的晶界上分布，如果第二相非连续地分布 于晶界，它对性能的影响并不大；一旦第二相连续分布于晶界并呈网状， 将对材料性能产生明显的不良影响。当第二相很脆时，那么不管基体相的 塑性有多好，材料将完全表现为脆性；如果第二相的熔点低于材料的热变 形温度，则热变形时将由于晶界溶化，使晶粒失去联系，导致“热脆性”。 从上述组织特征的分析中可以归纳出：所谓组织就是指材料中两个相 （或多个相）的体积分数为多少，各个相的尺寸、形状及分布特征如何。 总之：晶体内的缺陷和第二组元的进入破坏了堆聚的规则性（当然程度 有大小），造成金属性质的改变；