工程材料及热处理3 二元合金的相结构与结晶.ppt

3二元合金的相结构与结晶纯金属虽然在工业上获得了一定的应用，但它强度、硬度较低，而且冶炼成本高，因此在使用上受到限制，实际工业生产中使用的金属材料绝大多数是合金。合金的强度、硬度、耐磨性等力学性能高于纯金属，某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理、化学性能，而且合金还能够通过改变化学成分、组织结构获得不同的性能，满足不同的使用要求。3.1.1合金的概念合金：由两种或两种以上的金属、或金属与非金属，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质称为合金。例如，钢铁材料是以铁和碳为主组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称元。一般说来，组元就是组成合金的金属元素或非金属元素，也可以是稳定的化合物。的合金，普通黄铜是铜和锌的合金。给定组元按不同比例配制的一系列成分不同的合金称为合金系。当不同的组元经熔炼或烧结组成合金时，组元间相互作用，形成具有一定晶体结构和一定成分的相。相是指在金属或合金中，化学成分相同、具有同一晶体结构、并有明显的界面与其它部分分开的均匀组成部分。由一种固相组成的合金称为单相合金，由几种不同固相组成的合金称为多相合金。液态合金结晶时，由于各组元之间相互作用不同，结晶后固态合金中可形成两类基本相：固溶体和金属化合物。合金中的组元在固态下互相溶解形成的均匀固相，称为固溶体。形成的固溶体其晶格类型与组成它的一个组元是相同的。在固溶体中晶格保持不变的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；晶格消失的组元，称为溶质，一般在合金中含量较少。形成固溶体是溶质组元溶入溶剂组元晶格中，根据溶质组元溶入溶剂组元晶格中的位置不同，固溶体分为置换固溶体与间隙固溶体。图3-1置换固溶体示意图图3-2间隙固溶体示意图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。随着溶质含量的升高，固溶体的强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降。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。固溶强化的原因是，溶质原子溶入溶剂晶格导致溶剂晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，塑性变形抗力增加，从而提高合金的强度和硬度。通过合理控制固溶体中溶质元素的含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，保持较高的塑性、韧性。固溶体的综合力学性能良好，常作为结构合金的基体相，生产实际中综合力学性能要求高的结构材料几乎都是以固溶体为基体的合金。固溶体与纯金属相比，物理性能也有较大的变化，如电阻率上升，导电率下降，磁矫顽力增大。图3-4合金元素含量对铁素体性能的影响组成合金的各组元间除了相互溶解而形成固溶体外，还可能相互化合形成金属化合物。金属化合物的晶格类型和特性完全不同于组成它的任一组元，常有复杂的晶体结构，一般可用分子式表示。金属化合物一般具有高熔点、高硬度并且脆性很大，常作为强化相分布在固溶体基体上，提高合金的强度、硬度和耐磨性，但同时会使合金的塑性、韧性下降。金属化合物通常分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三类。合金的组织是指合金中相的综合体，即合金中不同形状、尺寸、数量和分布的各相组合而成的综合体。通常我们可以借助金相显微镜等手段观察合金内部各相的形貌和特征等，故也称显微组织。组织和结构是两个不同的概念，表现在它们所涉及的尺度范围不同。组织是在显微镜下观察到的合金内部的形貌和特征，尺度范围较大。而晶体结构指的是金属晶体中原子排列的方式，尺度范围小。固溶体和金属化合物是组成合金组织的基本部分。工业生产中大多数合金是由固溶体与少量的金属化合物组成的，通常是多种相混合物。合金的性能与化学成分和组织有关，而合金的组织取决于合金的成分和温度等因素，要研究合金的组织形成及变化规律，常以合金相图作为研究的工具。合金相图是表示在平衡状态下，合金的状态（组成相）与温度、成分之间关系的图解，也称为合金状态图。（1）以Cu-Ni合金相图为例，说明二元合金相图的表示方法。图3-7为Cu-Ni合金相图，纵坐标表示合金的温度，横坐标表示合金的成分，横坐标从左到右Ni的含量逐渐增大，而Cu的含量逐渐减小。例如，横坐标的最左端0点，表示合金含Ni量为0%即为纯组元Cu；最右端100点，表示合金含Ni量为100%，即为纯组元Ni；60点表示合金含量Ni量为60%，含Cu量为40%。图中任意一点都表示一定成分、温度的合金。图3-7二元相图的表示合金相图都是通过实验方法得到的，建立一个合金系的相图的最主要的工作是测出一系列不同成分合金的熔点和固态转变温度，即相变临界点。A配制一系列成分不同的Cu-Ni合金B测出各合金的冷却曲线C找出冷却曲线上的