机械工程材料及选用 第三章结晶与相图1.ppt

31 3.2.1 固溶体 固溶体的分类： 按溶质在溶剂晶格中的位置, 固溶体分为置换固溶体与间隙固溶体。 按溶质在溶剂中的溶解度,固溶体分为有限固溶体和无限固溶体。 按溶质在固溶体中分布是否规则，固溶体分无序固溶体和有序固溶体 32 3.2.1 固溶体 间隙固溶体 形成间隙固溶体的必要条件是溶质与溶剂原子的大小要有足够的差异，当d溶质/d溶剂 0.59时才能形成间隙固溶体 。 形成间隙固溶体的溶质元素，都是一些原子半径小的非金属元素，而溶剂元素多是过渡族元素。 溶质原子溶入，溶剂晶格将产生畸变。溶质原子越多畸变越大。超过一定数值时，溶质原子就不能继续溶解，间隙固溶体均为有限固溶体。 间隙固溶体示意图 面心立方晶格中的间隙 四面体间隙 八面体间隙 35 3.2.1 固溶体 置换固溶体 溶质原子代替一部分溶剂原子，占据溶剂晶格某些结点位置，称置换固溶体。 置换固溶体的溶解度决定于原子直径差、电负性和晶格类型。 原子直径差愈小、电负性越接近，溶解度也愈大。 直径差小、电负性接近、晶格类型也相同的组元通常能无限互溶，形成无限固溶体，如铁和铬、铜和镍。反之形成有限固溶体，如铜和锌、铜和锡。 置换固溶体示意图 37 3.2.1 固溶体 固溶体的性能 随着溶质原子的溶入，固溶体的晶格发生畸变。晶格畸变增大位错滑移的阻力，提高了合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。 固溶强化是金属强化的重要形式。溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。 38 3.2.1 固溶体 固溶体的电阻率大，导电率低，磁矫顽力大。通常固溶体溶质分布是无序的，但在一定条件下，一些合金的固溶体可变为有序，称为有序化。 性能 抗拉强度 硬度 断面收缩率 纯铜 220MPa 40HB 70% Cu+1%Ni 390MPa 70HB 50% 变化率 +77% +75% -29% 39 第二节 合金的相结构 3.2.1 固溶体 3.2.2 金属化合物 3.2.3 非晶相 40 3.2.2 金属化合物 金属化合物：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物， 或称中间相。 金属化合物熔点高，硬度高，脆性大。合金中含有金属化合物时，其强度、硬度和耐磨性提高，而塑性和韧性则降低。 金属化合物常见的有三种：正常价化合物、电子化合物、间隙化合物。 41 3.2.2 金属化合物 正常价化合物 严格遵守化合价规律，由元素周期表中相距较远、电负性差较大的两元素组成，成分固定，可用确定的化学式表示。 例如 Mg2Si、Mg2Sb3、Mg2Sn、Cu2Se、ZnS等，这类化合物的性能特点是硬度高、脆性大。 42 3.2.2 金属化合物 电子化合物 不遵循原子价规律，而是按照一定的电子浓度比值，组成一定晶体结构的化合物。 电子浓度：化合物中价电子数与原子数之比。 电子浓度 3/2 21/13 7/4 晶体结构 体心立方 复杂立方 密排六方 相名称 ?相 ?相 ?相 电子化合物有明显的金属特性，可导电，熔点、硬度较高，塑性较差，是有色金属中重要的强化相。 43 3.2.2 金属化合物 间隙化合物 由过渡族金属与碳、氮、硼等半径较小的非金属形成的化合物。尺寸较大的过渡族元素原子占据晶格结点，尺寸较小的非金属原子有规则地嵌入晶格的间隙中。分间隙相和间隙化合物两种。 间隙相：d非金属/d金属0.59时形成具有简单晶格的间隙相。具有极高的熔点和硬度，结构非常稳定。 44 3.2.2 金属化合物 间隙相可有效提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。 复杂结构的间隙化合物：d非金属/d金属0.59时形成具有复杂结构的间隙化合物。 碳钢中渗碳体Fe3C就是间隙化合物，铁可以部分地被锰、铬、钼等原子所置换，生成(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C等合金渗碳体。间隙化合物的熔点和硬度也很高，但比间隙相低，也起强化相作用。 间隙相VC的晶体结构 间隙化合物Fe3C的晶体结构 46 第二节 合金的相结构 3.2.1 固溶体 3.2.2 金属化合物 3.2.3 非晶相 47 3.2.3 非晶相 将某些金属或合金熔液以足够高的冷却速度（105 K/s）冷却到某一温度以下，就会使熔液来不及形核结晶而直接保持液态的原子排列方式凝固，形成非晶态金属或合金，也称为金属玻璃。 固溶体和金属化合物是合金中的结晶相，而金属玻璃则是合金中的非晶相。 48 3.2.3 非晶相 非晶态结构的基本特征： 原子的排列短程有序、长程无序。 非晶态结构在热力学上不稳定，有向晶态转化的趋势。 非晶态材料加热到某一温度时开始出现晶化，这一温度称为晶化温度。 49 3.2.3 非晶相 非