合金的结构与结晶

合金的结构与结晶合金的结构与结晶第一节固态合金中的相结构合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀组成部分叫做相。合金中相与相之间有明显的界面。一、固溶体当合金由液态结晶为固态时，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。，固溶体的晶格类型与溶剂的晶格相同，而溶质以原子状态分布在溶剂的晶格中。在固溶体中，一般溶剂含量较多，溶质含量较少。1．固溶体的分类（1）间隙固溶体图3.1固溶体的两种类型（2）置换固溶体2．固溶体的性能由于固溶体的晶格发生畸变，使位错移动时所受到的阻力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成的固溶体，从而使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料机械性能的一种重要途径。例如，南京长江大桥的建筑中，大量采用的含锰为wMn=1.30%~1.60%的低合金结构钢，就是由于锰的固溶强化作用提高了该材料的强度，从而大大节约了钢材，减轻了大桥结构的自重。二、金属化合物凡是由相当程度的金属键结合，并具有明显金属特性的化合物，称为金属化合物。图3.3Fe3C的晶体结构金属化合物的熔点较高，性能硬而脆。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。金属化合物是各类合金钢、硬质合金和许多有色金属的重要组成相。1．正常价化合物如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等。2．电子化合物电子化合物不遵循原子价规律，是按照一定的电子浓度比组成一定晶格结构的化合物。3．间隙化合物间隙化合物一般是由原子直径较大的过渡族金属元素（Fe、Cr、Mo、W、V）和原子直径较小的非金属元素（H、C、N、B等）所组成。如合金钢中不同类型的碳化物（VC、Cr7C3、Cr23C6等）和钢经化学热处理后在其表面形成的碳化物和氮化物（如Fe3C、Fe4N、Fe2N等）都是属于间隙化合物。间隙化合物的晶格结构特点是：直径较大的过渡族元素的原子占据了新晶格的正常位置，而直径较小的非金属元素的原子则有嵌入晶格的空隙中，因而称为间隙化合物。间隙化合物又可分为两类，一类是具有简单晶格结构的间隙化合物，也称为间隙相，如VC、WC、TiC等。VC的晶体结构如图3.4所示。另一类是具有复杂晶格结构的间隙化合物，如Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C等。Fe3C的晶体结构就是这一类间隙化合物结构的典型例子。间隙化合物具有极高的硬度和熔点（如表3.1所示），而且十分稳定，尤其是间隙相更为突出。所以间隙化合物在钢铁材料和硬质合金中具有很大的作用。如碳钢中的Fe3C也可以提高钢的强度和硬度；工具钢中VC可以提高钢的耐磨性；高速钢中的WC、VC等可使钢在高温下保持高硬度；而WC和TiC则是硬质合金的主要组成物。第二节二元合金相图一、二元合金相图的建立合金相图又称为合金平衡图或合金状态图，它表示平衡状态下合金系中不同成分合金在不同温度下由哪些平衡相（或组织）组成，以及合金相之间平衡关系的图形。1．相图的表示方法图3.5纯铜的冷却曲线及相图图3.6Cu-Ni合金相图2．相图的建立方法（1）配制一系列成分不同的Cu-Ni合金：（2）用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线；（3）找出各冷却曲线上的临界点；图3.7用热分析法测定Cu--Ni合金相图（4）将各个合金的临界点分别标注在温度—成分坐标图中相应的合金线上；（5）连接各相同意义的临界点，所得的线称为相界线。二、二元匀晶相图凡是二元合金系中两组元在液态和固态下以任何比例均匀可相互溶解，即在固态下能形成无限固溶体时，其相图属于二元匀晶相图。1．相图分析2．合金结晶过程分析由图3.8a可见，该合金的合金线与相图上液相线、固相线分别在t1、t3温度时相交，这就是说，该合金是在t1温度时开始结晶，t3温度时结晶结束。合金结晶终了，获得了Cu与Ni组成的α固溶体。图3.8Cu-Ni合金相图结晶过程分析3．杠杆定律及应用图3-10杠杆定律的应用设合金总重量为Q，液相重量为QL，固相重量为Qα。则：QL+Qα=Q（1）QL·x1+Qα·x2=Q·x（2）将（1）式代入（2）式得：QL·x1+Qα·x2=（QL+Qα）·xQL（x2-x）=QL(x-x1)由图3.10可见：(x2-x)=bc(x-x1)=ac代入上式即得：Qα·bc=QL·ac或bcacQQL=α设液相的相对重量为L，固相的相对重量为α，则：%100?==abbcQQLL%100?==abacQQaa以上所得的两相重量之间的相对关系同力学中的杠杆定律相似，因此也称为杠杆定律。必须指出，杠杆定律不仅适用于匀晶相图两相区中两平衡相的相对重量计算，对其他类型的二元合金相图两相区中两平衡相的相对重量计算也同样适用。第三节二元共晶相图与共析相图凡二元合金系中两组元在液态下能完全互溶，在固态下形成两种不同固相，并发生共晶转变的，其相图属于二元共晶相图。所谓共晶转变，是指一定成分的液相，在一定温度下同时结晶出两种不相同的固相的转变。一、相图分析1．简单共晶相图两组元在液态下能完全互溶，在固态下彼此互不溶解的共晶相图，称为简单共晶相图。图3.11简单共晶相图2．一般共晶相图两组元在液态下能完全互溶，在固态下互相有限溶解的共晶相图，称为一般共晶相图。图3.12一般共晶相图二、合金的结晶过程分析图3.14Pb-Sn合金相图1．含Sn量小于D点的合金的结晶过程L→α+L→α→α+βⅡ图3.15合金I的冷却曲线及结晶过程图3.16＜19.2Sn的Sn--Pb组织(200×)合金I在室温时，α与βⅡ的相对重量，可用杠杆定律计算：%1004?=FGGa%1004?=FGFβ×100%2．含Sn量为C点的合金的结晶过程L→(α+β)图3.17合金Ⅱ的冷却曲线及结晶过程LcαD+βE这时所获得的（αD+βE）的细密机械混合物，就是共晶组织或共晶体。共晶体中αD与βE的相对重量可用杠杆定律计算如下：%100?=DECEaDβE=(1-αD)×100%图3.18Pb--Sn共晶合金的室温组织(100×)3．含Sn量在C、D点间的合金的结晶过程L→α→α+（α+β）图3.19合金Ⅲ的冷却曲线及结晶过程图3.20Pb--Sn亚共晶合金的室温组织(100×)4．含Sn量在C、E点间的合金的结晶过程图3.21合金Ⅳ的冷却曲线及结晶过程图3.22Pb--Sn过共晶合金的室温组织(100×)图3.23以组织组成物填写的Pb-Sn合金相图第四节相图与合金性能之间的关系1．形成单相固溶体的合金形成单相固溶体的合金相图是匀晶相图。图3.24固溶体合金的物理及力学性能与其成分的关系单相固溶体合金具有较好的塑性，所以它的压力加工性能良好。但它在切削加工时由于切屑不易剥落、不易断屑、加工表面光洁度较差等原因，使其切削加工性能差。另外它的铸造性能也不好。2．形成两相混合物的合金图3.26合金形成两相混合物时的物理及力学性能与其成分的关系图3.27合金形成两相混合物时的铸造性能与其成分的关系当合金形成两相混合物时，合金压力加工性能不如单相固溶体的好。但其切削加工性能较好。形成两相混合物时合金铸造性能与合金成分间的关系，如图3.27所示。由图可见，合金的铸造性能也取决于合金结晶区间的大小，因此，就铸造性能来说，共晶合金最好，因为它在恒温下进行结晶，同时熔点又最低，具有较好的流动性，在结晶时易形成集中缩孔，铸件的致密性好。故在其它条件许可的情况下，铸造用金属材料尽可能选用共晶合金。