第三章 合金的结构与二元状态图 工程材料教案.doc

第三章 合金的结构与二元状态图 【重点内容】1.合金中相的类型：固溶体、化合物 二元合金相图的分析方法，熟悉几种最基本的二元合金相图 杠杆定律及其应用固溶体化合物二元合金相图的分析方法杠杆定律应用 在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度，叫做溶质元素在固溶体中的溶解度。 通常溶质元素在固溶体中所能达到的极限浓度不可能是100%，即其溶解度是有一定限制的——这种固溶体为有限固溶体。 相反，在某些元素之间可以形成任何成分比例的固溶体，即无论这些元素怎样配比，都能形成均匀一致的单相固溶体，不存在极限浓度的限制，这种固溶体——无限固溶体。 置换固溶体的溶解度变化范围较大，影响因素也比较多，如：尺寸因素、电化学因素、电子浓度因素、晶体结构等等。总之，只有两组元的原子大小相近，晶体结构相同，才能形成无限置换固溶体。 （2）间隙固溶体： 溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体，间隙固溶体仍保持着溶剂金属的晶格类型。 已有研究表明，当溶质元素的原子直径与溶剂元素的原子直径之比小于0.59时，易于形成间隙固溶体，而在直径大小差不多的元素之间易于形成置换固溶体。且溶质原子在间隙固溶体中只能呈统计分布，形成无序固溶体，而且当溶剂晶格间隙被溶质原子填充到一定程度后就不能再继续溶解，多余的溶质原子将以新相出现，因此，间隙固溶体的溶解总是有限的，间隙固溶体总是有限固溶体。 （3）固溶体的性能 无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不同于原纯金属。 当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。 置换固溶体 间隙固溶体 图3-1 两种类型的固溶体 通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。可见，固溶强化的产生是由于溶质原子溶入后，要引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时受到阻力增大的缘故。因此固溶强化是材料的一种主要的强化途径。 前面提到强度硬度提高的同时，塑性韧性下降，只有掌握好固溶体中溶质的含量，才可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，使其仍保持相当的塑性和韧性。 2．化合物 在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将出现新相，若新相的晶格结构与合金中另一组成元素相同，则新相是以另一组成元素为溶剂的固溶体。若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相将是组成元素间相互作用而生成的一种新物质，属于化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的β相（CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等，都是化合物。 在这些化合物中，Fe3C和β相均具有相当程度的金属键及一定的金属性质，是一种金属物质，称为金属化合物，而FeS、MnS具有离子键，没有金属性质，属于一般的化合物，因而又称为非金属化合物。在合金中，金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，而非金属化合物是合金原料或熔炼过程带来的，数量少且对合金性能影响很坏，因而一般称为非金属夹杂。 金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。当合金中出现金属间化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。金属间化合物是各类合金钢、硬质合金及许多有色金属的重要组成相。 金属化合物的种类很多，也比较复杂，大纲没要求，我们不一一介绍。 §2二元合金状态图 【相图的意义及有关几个名词的含义】 合金的炼制通常是用不同的金属熔化在一起形成的合金溶液，再冷却结晶而得到。在合金溶液冷却结晶过程中，会形成什么样的组织呢？利用相图可以回答这一问题，即利用合金的相图，可以知道，某一定成分的合金在某一定温度下能形成什么样的组织。 1． 组元： 通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的物质称为组元。组元在大多数情况下都是元素，如Cu、Ni合金的组元，Cu、Ni在所研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可称为组元，如Fe3C看作一组元。 2． 合金系 由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系。一个合金系指组元相同的一系列不同成分的合金。如：Cu、Ni系。 3．相图 用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或平衡图。 相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。 【二元合金状态图的建立】 目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态图的方法很多，但应用最多的是热分析法。 这种方法是将合金加热熔化后缓慢冷却，绘制其冷却曲线。当合金发生结晶或固态相变时，由于相变潜热放出，抵消或部分抵消外界的