第四节合金的结构与相图.ppt
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1、合金:合金:一种金属元素同另一种或几种其它元素,通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金合金。组元:元:组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元元。组元可以是金属、非金属元素或元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。定化合物。由两个由两个组元元组成的合金称成的合金称为二元合金,二元合金,例如工程上常用的例如工程上常用的铁碳合金、碳合金、铜镍合金、合金、铝铜合金等。合金等。二元以上的合金称二元以上的合金称多元合金多元合金有关合金的基本概念有关合金的基本概念合金相(相):合金相(相):金属或合金中凡金属或合金中凡成分相同成分相同、结构相同构相同,并与其它部分有并与其它部分有界面分
2、开界面分开的均匀的均匀组成部分。成部分。如果合金如果合金仅由一个相由一个相组成,称成,称为单相合金;相合金;如果合金由二个或二个以上的不同相所构成如果合金由二个或二个以上的不同相所构成则称称为多相合金多相合金1-固固态合金中的相合金中的相结构构的铜锌合金的组织由相单相组成;含38的铜锌合金的组织由和液液态物物质为液相,液相,固固态物物质为固相。固相。相与相之相与相之间的的转变称称为相相变。在固在固态下,下,物物质可以是可以是单相的,也可以是由多相相的,也可以是由多相组成的。由数量、形成的。由数量、形态、大小和分布方式、大小和分布方式不同的各种相不同的各种相组成合金的成合金的组织。组织是指用肉眼
3、或是指用肉眼或显微微镜所所观察到的材察到的材料的微料的微观形貌。由不同形貌。由不同组织构成的材料构成的材料具有不同的性能。具有不同的性能。单相相合金合金两相两相合金合金2-3-合金中有两合金中有两类基本相:基本相:固溶体固溶体和和金属化合物。金属化合物。1、固溶体:、固溶体:指溶指溶质原子溶入溶原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶晶格中而仍保持溶剂类型的型的合金相合金相,这类固相称固相称为固溶体。固溶体。习惯以以、表示。表示。与合金晶体与合金晶体结构相同的元素称构相同的元素称溶溶剂。其它元素称其它元素称溶溶质。固溶体是合金的重要固溶体是合金的重要组成相,成相,实际合金多是合金多是单相固溶体合金相固溶体
4、合金或或以固溶体以固溶体为基的合金基的合金。特征:特征:总是以一种金属元素是以一种金属元素为溶溶剂,另一种或多种元素,另一种或多种元素为溶溶质。保有溶保有溶剂的晶格的晶格结构。构。成分可在一定范成分可在一定范围内内变化,性能随成分的化,性能随成分的变化而化而变化化产生晶格畸生晶格畸变。4-(一)固溶体的(一)固溶体的结构与分构与分类:按溶按溶质原子所原子所处位置分位置分为置置换固溶体固溶体和和间隙固溶体隙固溶体。置置换固溶体:固溶体:溶溶质原子占据溶原子占据溶剂晶格某些晶格某些结点位置所形成点位置所形成的固溶体。溶的固溶体。溶质原子呈无序分布的称原子呈无序分布的称无序固溶体,无序固溶体,呈有序
5、分呈有序分布的称布的称有序固溶体。有序固溶体。黄黄铜置置换固溶体固溶体组织5-ZXY置置换固固溶溶体体置置换原子原子6-间隙固溶体隙固溶体溶溶质原子嵌入溶原子嵌入溶剂晶格晶格间隙所形成的固溶体。隙所形成的固溶体。形成形成间隙固溶体的溶隙固溶体的溶质元素是原子半径元素是原子半径较小的非金属元素,小的非金属元素,如如C、N、B等,而溶等,而溶剂元素一般是元素一般是过渡族元素。渡族元素。形成形成间隙固溶体的一般隙固溶体的一般规律律为r质/r剂0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。隙固溶体都是无序固溶体。7-固溶体固溶体类型型间隙原子隙原子间隙隙固固溶溶体体YXZ8-根据溶根据溶质元素在固溶体中的溶解度
6、,可把固溶体分元素在固溶体中的溶解度,可把固溶体分为:有限固溶体:有限固溶体:溶溶质元素在固溶体中的溶解度有一定限制元素在固溶体中的溶解度有一定限制(100%)。)。无限固溶体:无限固溶体:溶溶质在溶在溶剂可以任何比例形成置可以任何比例形成置换固溶体,固溶体,溶溶质元素在固溶体中的溶解度没有有限制元素在固溶体中的溶解度没有有限制只有在溶只有在溶质与溶与溶剂元素元素间形成形成置置换固溶体固溶体时,才有可能形,才有可能形成成无限固溶体无限固溶体;而而对于于间隙固溶体,隙固溶体,则只能形成只能形成有限固溶体有限固溶体。如如铜和和锌、铜和和锡都能形成有限固溶体。都能形成有限固溶体。9-1、晶体晶体结构
7、构一般情况下,晶格一般情况下,晶格结构相同的元素之构相同的元素之间具有具有较大的溶解度,而晶格大的溶解度,而晶格结构不同的元素之构不同的元素之间溶解度溶解度较小。小。影响固溶体影响固溶体结构形式和溶解度的因素构形式和溶解度的因素10-2、原子大小、原子大小 d溶溶剂-d溶溶质溶溶剂与溶与溶质的原子直径差的原子直径差别:100%d溶溶剂当二者差当二者差别较小小时,即溶,即溶剂与溶与溶质的原子直径相近,易形的原子直径相近,易形成置成置换固溶体,且二者的尺寸差固溶体,且二者的尺寸差别越小,所形成的固溶体越小,所形成的固溶体的溶解度越大,当的溶解度越大,当尺寸差尺寸差别小于某一数小于某一数值时,而且溶
8、,而且溶质与与溶溶剂的晶格的晶格结构也相同,将形成无限固溶体。如构也相同,将形成无限固溶体。如铁和和铬、铜和和镍便能形成无限固溶体。便能形成无限固溶体。而当原子而当原子尺寸差尺寸差别大于大于15%时,不大可能形成置,不大可能形成置换固溶体。固溶体。11-溶溶质的原子比溶的原子比溶剂原子大,将周原子大,将周围溶溶剂原子将向四周原子将向四周挤出,出,在固溶体的晶格在固溶体的晶格结构中引起构中引起正畸正畸变。溶溶质的原子比溶的原子比溶剂原子小,周原子小,周围溶溶剂原子将向溶原子将向溶质原子靠原子靠拢,在固溶体的晶格在固溶体的晶格结构中引起构中引起负畸畸变。12-因因为原子尺寸差原子尺寸差别较大大时,
9、形成固溶体所造成的晶格畸,形成固溶体所造成的晶格畸变(无(无论是正畸是正畸变还是是负畸畸变)较大,晶格畸大,晶格畸变能也能也较大,大,固溶体晶格固溶体晶格结构的构的稳定性定性较差。差。同同样,形成,形成间隙固溶体隙固溶体时,只能引,只能引起固溶体晶格起固溶体晶格产生生正畸正畸变,显然,然,溶溶质原子的尺寸越小原子的尺寸越小,溶溶剂晶格的晶格的间隙尺寸越大隙尺寸越大,形成,形成间隙固溶体隙固溶体时所造成的晶格畸所造成的晶格畸变和畸和畸变能越小,能越小,间隙固溶体越容易形成,其溶解度隙固溶体越容易形成,其溶解度也就越大。也就越大。13-反之,不易形成反之,不易形成间隙固溶体。当溶隙固溶体。当溶质原
10、子尺寸原子尺寸较大大时,完,完全不能形成全不能形成间隙固溶体。隙固溶体。3、负电性性负电性性是指原子从其他原子是指原子从其他原子夺取取电子子变为负离子的能力。离子的能力。当两种元素在周期表中的位置相距越当两种元素在周期表中的位置相距越远,其,其负电性相差越性相差越大,它大,它们之之间的化学的化学亲和力越和力越强,越,越倾向于形成化合物,向于形成化合物,而不利于形成固溶体,所形成的固溶体的溶解度也越小。而不利于形成固溶体,所形成的固溶体的溶解度也越小。4、电子子浓度度合金中,价合金中,价电子数目子数目e与原子数目与原子数目a之比,称之比,称为电子子浓度度e/a。14-当溶当溶质原子原子对固溶体固
11、溶体贡献的价献的价电子数与溶子数与溶剂不同不同时,随着溶,随着溶质原子的原子的进入,将使固溶体晶格中的入,将使固溶体晶格中的电子子浓度度以及以及电子云子云结构构发生生变化,化,显然溶然溶质原子所占的比率越高,固溶体晶格的原子所占的比率越高,固溶体晶格的电子子浓度改度改变越大,达到一定程度越大,达到一定程度时,固溶体晶格就不,固溶体晶格就不稳定,定,易形成新的相。易形成新的相。因此,因此,固溶体只能固溶体只能稳定在一定的定在一定的电子子浓度范度范围内内,如,如对于溶于溶剂为1价金属的固溶体,若固溶体具有价金属的固溶体,若固溶体具有面心立方晶格面心立方晶格,则极极限限电子子浓度度值为1.36;若固
12、溶体具有;若固溶体具有体心立方晶格体心立方晶格,则极限极限电子子浓度度值为1.48。15-5、温度、温度固溶体的溶解度受温度的影响固溶体的溶解度受温度的影响较大,一般大,一般温度越高,固溶体的溶解度越大。如,奥氏体温度越高,固溶体的溶解度越大。如,奥氏体在在727能溶解能溶解0.77%的碳,而在的碳,而在1148则能能溶解溶解2.11%的碳。的碳。16-(四四)固溶体的性能固溶体的性能当溶当溶质元素的含量极少元素的含量极少时,固溶体的性能与溶固溶体的性能与溶剂金属基金属基本相同。本相同。随着溶随着溶质元素含量的升高,元素含量的升高,固溶体的性能固溶体的性能发生明生明显变化,表化,表现在在强度、
13、硬度升高,塑性、度、硬度升高,塑性、韧性有所下降,性有所下降,固固溶溶强化。化。固溶固溶强化的机理:化的机理:溶溶质原子溶入后,引起溶原子溶入后,引起溶剂金属的晶金属的晶格畸格畸变,使位,使位错运运动受到阻碍。受到阻碍。固溶固溶强化是材料的一种主要的化是材料的一种主要的强化途径。化途径。实践表明:践表明:适当掌握固溶体中的溶适当掌握固溶体中的溶质含量,可以在提高含量,可以在提高金属材料的金属材料的强度、硬度的同度、硬度的同时,使其仍能保持相当好的塑性,使其仍能保持相当好的塑性和和韧性。性。例如,向例如,向铜中加入中加入19%镍,可使合金的,可使合金的强度极限由度极限由220MN/m2升高至升高
14、至380400MNm2,硬度由,硬度由HB44升高至升高至HB70,而塑性仍然保持,而塑性仍然保持=50%。若将。若将铜通通过其它途径其它途径(例如例如冷冷变形形时的加工硬化的加工硬化)获得同得同样的的强化效果,其塑性将几乎完化效果,其塑性将几乎完全全丧失。失。17-二、金属二、金属间化合物化合物合金合金组元之元之间发生化学反生化学反应,形成晶体,形成晶体结构不同于任一构不同于任一组元的新相,称元的新相,称为化合物。化合物。如:如:Fe3C,CuZn,Cu5Sn,FeS,MnS 等等金属金属间化合物化合物一般化合物一般化合物离子离子键金属金属键金属金属间化合物可以作化合物可以作为合金的合金的组
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