第5讲-金属材料组织和性能控制-2

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1、金属材料组织和性能控制原理和方法v加工(应变)硬化和退火处理v凝固原理及其应用三、合金的结晶v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。v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。v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:v相:是系统中均匀的、与其它部分有界面分开的部

2、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。v相变:相与相之间的转变就是相变。v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

3、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v单元相图: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O

4、A、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、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。v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、

5、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。v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

6、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。这表明合金是在一定温度范围内凝固的。v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

7、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,在相图上为水平线,叫三相水平线。如图5-5中CED线。v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

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