金属材料组织和性能控制

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1、三、合金的结晶工业上广泛使用的金属材料是合金。合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织和性能之间的关系，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。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。首先介绍几个概念：相：是系统中均匀的、与其它部分有界面分开的部分。所谓均匀的，是指这部分的成分和性质从给定范围或者宏观来说是相同的，或是以一种连续的方式

2、变化，也就是没有突然的变化。一个多相系统必然是不均匀的，在相界处有物理性质或者化学性质或者两者兼有的突变。例如一个包含有冰和水的两相系统。相变：相与相之间的转变就是相变。相平衡：如果系统中各相长时期共存而不相互转化，则是处于相平衡状态。实际上相平衡是一种动态平衡，从系统内部来看，分子或原子仍在相界处不停地转变，只不过同一时期内各相之间的转化速度相同。合金可以依据其所含的相的数目来分类，如果合金仅由一个相组成，就叫做单相合金。如果合金由两相或者两个以上的相组成，则叫做多相合金。处于平衡状态下的多相系统，每个组元在各相中的化学位都彼此相等，这就是合金的相平衡条件。相图的表示和试验测定方法单元

3、相图：以水为例，说明单元系相图的表示和测定方法。绘制水的相图，首先要在不同的温度和压力条件下，测出水-汽、冰-汽、水-冰两相平衡时的温度和压力，然后以温度为横坐标，压力为纵坐标，把每一个数据都在图上标出一个点，再将这些点连接起来，就成了单元相图。如图5-2（a）中有三条曲线：水与蒸汽两相平衡曲线OC，冰与蒸汽两相平衡曲线OB，水与冰两相平衡曲线OA。它们将相图分成三个区域：蒸汽区、水区、冰区。在每个区域中只有一个相可以存在，也就是说压力和温度可在一定范围内任意变动，而不产生新相。而在OA、OB、OC三条曲线上，如果任意指定一个变量如温度，那么第二个变量压力的数值则完全由曲线确定。而OA、

4、OB、OC三条曲线交于一点O，它是冰、水、汽三相平衡点，要保持三相平衡共存，温度和压力都不能变动。如果外界压力保持为一个大气压，那么单元系相图只用一个温度轴来表示，如图5-2（b）水的情况。在水、冰、汽各单相区，温度可在一定范围内变化，而不改变原来相数和状态。在熔点和沸点处，为两相共存，温度不能变动，所以相变为恒温过程。二元系相图二元系相图不同于单元系相图，它有成分的变化。此时，如果外界压力保持不变，则二元相图需要用两个坐标轴来表示：纵坐标表示温度，横坐标表示成分。如果合金由A、B两组元组成，横坐标一段表示纯组元A，而另一端表示纯组元B，那么任何一个合金都可以在横坐标上找到相应的一点。任

5、一成分的合金在任一温度下，都能在温度-成分坐标图中找出相应的一点，由此可以从相图上得知这种合金在一定温度下存在的相及各相成分。二元相图是根据各种成分合金的临界点绘出的。现以Cu-Ni二元合金为例，说明应用热分析法测定临界点及绘制二元相图的过程。首先配制一系列不同成分的Cu-Ni合金，测出从液态到室温的冷却曲线，得出各临界点。图5-4（a）给出纯铜、含镍30%、50%、70%的Cu-Ni合金及纯镍的冷却曲线。可见，纯镍和纯铜的冷却曲线都有一个水平平台，表示其凝固临界点。其他三种成分的合金没有水平阶段，但都有两次转折，代表各个临界点，温度较高的临界点是始凝温度，温度较低的点是终凝温度。这表明

6、合金是在一定温度范围内凝固的。然后，将测得的这些临界点标在以温度为纵坐标、成分为横坐标的图中，再将同类临界点连接起来，就得到图5-4(b)所示的铜-镍二元相图。在相图中，由始凝温度连接起来的相界面称为液相线，由终凝温度连接起来的叫做固相线。相图中由相界线划出的区域叫做相区，表明在此范围内存在的平衡相类型和数目。在二元相图中，有单相区和两相区。二元相图的相区最多有两个相。若是在单相区，合金在此相区范围内可独立改变温度和成分，而不破坏原来的状态。若为两相区，则温度和两相成分有着对应关系，不能各自独立地改变。若在合金中有三相共存，此时三个平衡相的成分和温度都固定不变，属于恒温转变，在相图上为水

7、平线，叫三相水平线。如图5-5中CED线。杠杆法则:某一成分的二元合金，在某温度时，如处于二元相图的两相区内，则两相之间的重量比可用杠杆法则求得。如图5-5中成分为x的合金溶液自高温缓冷下来，到温度T1时，与液相线交于1点，开始结晶出固相，其成分可由水平线与固相线之交点H来表示。进一步冷却时，液、固两相成分分别沿液相线和固相线变化。如当冷至温度T2时，液相的成分以N点表示，即浓度为x1，固相的成分用M点来表示，即浓度为x2。设此时液