金屬學(xué)與熱處理第三章

1、二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶組元組成材料最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)合金指由兩種或兩種以上的金屬、或金屬與非金屬經(jīng)熔煉或用其他方法制成的具有金屬特性的物質(zhì)。相-是指合金中結(jié)構(gòu)相同，成分和性能均一并以界面相互分開的組成部分金屬化合物，它的晶體結(jié)構(gòu)與固溶體完全不同，成分和性能也不相同組織：所謂合金組織，是指合金中不同相之間相互組合配置的狀態(tài)固溶體以合金中某一組元作為溶劑，其它組元為溶質(zhì)，所形成的與溶劑有相同晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)稍有變化的固相。按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占位置：置換固溶體和間隙固溶體。置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體 間隙固溶體溶質(zhì)原子進(jìn)人溶劑晶格的間隙中所形成的固溶體按溶質(zhì)與

2、溶劑原子相對(duì)分布分類無(wú)序固溶體溶質(zhì)原子統(tǒng)計(jì)式地或概率地分布在溶劑的晶格中。有序固溶體溶質(zhì)原子在溶劑晶格的結(jié)點(diǎn)位或溶劑晶格的間隙中，有規(guī)律的排列。有限固溶體：在一定條件下，溶質(zhì)組元在固溶體的濃度有一定的限度，超過(guò)這個(gè)限度就不再溶解，這種限度稱為溶解度或固溶度，這種固溶體是有限固溶體無(wú)限固溶體；溶質(zhì)能以任意比例溶入溶劑，固溶度的溶解度可達(dá)100%，這種 稱為固溶體就稱為無(wú)限固溶體。無(wú)限固溶體只可能是置換固溶體影響置換固溶體溶解度的因素尺寸因素、晶體結(jié)構(gòu)、電負(fù)性差及電子濃度是影響固溶體溶解度的四個(gè)主要因素(1) 尺寸因素 組元間的原子半徑越相近，則固溶體的固溶度越大。晶格畸變（溶質(zhì)原子相鄰的溶劑原子

3、偏離其平衡位置） 溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格引起晶格的點(diǎn)陣畸變。 溶質(zhì)點(diǎn)陣的膨脹與收縮導(dǎo)致晶體能量升高，這種升高的能量稱為晶格畸變能。溶質(zhì)原子引起的點(diǎn)陣畸變能越大，固溶體的溶解度就越小。組元間的原子半徑相差越大，晶格畸變能越高，晶格便不穩(wěn)定。當(dāng)溶質(zhì)原子溶入很多時(shí)，則單位體積的晶格畸變能越高，直至溶質(zhì)晶格不能再維持時(shí)，便達(dá)到了固溶體的固溶度極限。如此時(shí)再繼續(xù)加入溶質(zhì)原子，溶質(zhì)原子將不再溶入固溶體中，只能形成其他新相(2) 晶體結(jié)構(gòu)因素 組元間晶體結(jié)構(gòu)相同時(shí)，固溶度較大，而且有可能形成無(wú)限固溶體。組元間晶體結(jié)構(gòu)不同，便只能形成有限固溶體。(3) 電負(fù)性差因素 兩元素間電負(fù)性差越小，則越易形成固溶體，而且

4、所形成的固溶體的溶解度也就越大；溶質(zhì)與溶劑的電負(fù)性差很大時(shí)，往往形成比較穩(wěn)定的金屬化合物 電子濃度因素 電子濃度的定義是合金中各組成元素的價(jià)電子數(shù)總和與原子總數(shù)的比值，記作e/a。例如，合金中含有摩爾分?jǐn)?shù)為x、原子價(jià)為VB的溶質(zhì)原子，溶劑的原子價(jià)為VA，則合金的電子濃度為e/a VA (1x) + VB x 固溶度主要受電子濃度影響的主要是以Cu、Au、Ag為基的固溶體：溶質(zhì)元素的原子價(jià)越高，在Cu、Au、Ag中的溶解度越小。極限電子濃度（約為1.4）最大固溶度時(shí)所對(duì)應(yīng)的電子濃度，超過(guò)此濃度，固溶體不穩(wěn)定，會(huì)形成新相。間隙固溶體一些原子半徑很小的溶質(zhì)原子溶入到溶劑中，不是占據(jù)溶劑晶格的正常結(jié)點(diǎn)

5、位置，而是填入到溶劑晶格的間隙中，形成間隙固溶體溶劑過(guò)渡族元素溶質(zhì)原子半徑小于0.l nm的非金屬元素，如氫 (0.046 nm)、氧 (0.061 nm)、氮 (0.071 nm)、碳 (0.077 nm)、硼 (0.097 nm)只有當(dāng)溶質(zhì)與溶劑的原子半徑比值<0.59時(shí)，才能形成間隙固溶體間隙固溶體的固溶度與溶質(zhì)原子的大小及溶劑的晶格類型有關(guān)。當(dāng)溶質(zhì)原子溶入溶劑后，將使溶劑的晶格常數(shù)增加，并使晶格發(fā)生畸變，溶入的溶質(zhì)原子越多，引起的晶格畸變?cè)酱螅?dāng)畸變量達(dá)到一定數(shù)值后，溶劑晶格將變得不穩(wěn)定。當(dāng)溶質(zhì)原子較小時(shí)，他所引起的晶格畸變也較小，因此就可以溶入更多的溶質(zhì)原子，固溶度也較大。晶格

6、類型不同，則其中的間隙形狀，大小也不同。例：面心立方晶格的最大間隙是八面體間隙，所以溶質(zhì)原子都位于八面體間隙中。體心立方晶格的致密度雖然比面心立方晶格的低，但因他的間隙數(shù)量最多，每個(gè)間隙的直徑都比面心立方晶格的小，所以他的固溶度要比面心立方晶格的小C.N形成的間隙固溶體是鋼中的重要合金相，都存在于八面體間隙中主要表現(xiàn)晶格結(jié)構(gòu)變化的方面1. 晶格畸變晶格畸變的大小可以由晶格常數(shù)的變化所反映對(duì)于置換固溶體，當(dāng)溶質(zhì)原子較溶劑原子大時(shí)，晶格常數(shù)增加；反之當(dāng)溶質(zhì)原子較溶劑原子小時(shí)，則晶格常數(shù)減小。形成間隙固溶體時(shí)，晶格常數(shù)總是隨著溶質(zhì)原子的溶入而增大2. 偏聚與有序同類原子間結(jié)合能大于異類原子間結(jié)合能：

7、溶質(zhì)原子聚集同類原子間結(jié)合能小于異類原子間結(jié)合能：溶質(zhì)原子傾向有序排列短程有序(部分有序)溶質(zhì)原子的有序分布只在短距離或小范圍內(nèi)存在長(zhǎng)程有序(完全有序) 溶質(zhì)原子全部都達(dá)到有序排列 有序固溶體(超結(jié)構(gòu)、超點(diǎn)陣) 溶質(zhì)原子呈完全有序分布的固溶體有序化轉(zhuǎn)變無(wú)序固溶體在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變成有序固溶體的過(guò)程有序化溫度發(fā)生有序化轉(zhuǎn)變的溫度有序固溶體實(shí)質(zhì)是介于固溶體和化合物之間的一種相，更接近于金屬化合物。有序化對(duì)性能的影響電阻降低有序化使晶格周期場(chǎng)的破壞減少鐵磁性轉(zhuǎn)變?nèi)鏝i3Mn在無(wú)序狀態(tài)是順磁的，在有序狀態(tài)變?yōu)殍F磁的，飽合磁矩比純鎳還大 。力學(xué)性能有序化后，強(qiáng)度、硬度上升，塑性明顯下降。從許多方面來(lái)看，它

8、更接近于中間相。固溶強(qiáng)化在固溶體中，隨著溶質(zhì)濃度的增加，固溶體的強(qiáng)度，硬度提高，而塑性韌性有所下降，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差別越大，所引起的晶格畸變也越大，強(qiáng)化效果則越好間隙原子造成的晶格畸變比置換原子的大，所以其強(qiáng)化效果好在物理性能，隨著溶質(zhì)原子的增加，固溶度的電阻率升高，電阻溫度系數(shù)下降中間相（化合物）處于相圖的中間區(qū)域而得名，其晶體結(jié)構(gòu)不同于此相中的任一組元。中間相的性能：強(qiáng)化作用具有較高的熔點(diǎn)及硬度，可使合金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性及耐熱性提高；特殊性能形狀記憶：NiTi、CuZn；儲(chǔ)氫材料：LaNi5中間相分類：正常價(jià)化合物、電子化合物、尺寸因素化合物。金屬化合物的

9、原子間結(jié)合方式取決于元素的電負(fù)性差值，是金屬鍵與離子鍵或共價(jià)鍵相混合的方式。正常價(jià)化合物組元間電負(fù)性差起主要作用而形成的化合物，通常是由金屬元素與周期表中第、V、族元素組成。符合化合的原子價(jià)規(guī)律，可用化學(xué)式表示，故稱正常價(jià)化合物，如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、MgS、MnS、AIN、SiC等。Mg2Si：鋁合金中常見(jiàn)的增強(qiáng)相SiC：顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中常用的增強(qiáng)粒子MnS：則是鋼鐵材料中有害的夾雜物電負(fù)性差較大離子鍵或共價(jià)鍵特征 (Mg2Si) (SiC)電負(fù)性差較小金屬鍵特征 (Mg2Pb)。正常價(jià)化合物的性能；硬度較高，脆性較大。 電子化合物按電子濃度規(guī)律來(lái)進(jìn)行化合所形成和化合物

10、。電子濃度為21/14時(shí)，大多具有體心立方結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱b相(也有少數(shù)出現(xiàn) 復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu))；電子濃度為21/13時(shí)為復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)，或稱g黃銅結(jié)構(gòu)；電子濃度為時(shí)21/12，為密排六方結(jié)構(gòu)，或稱e 黃銅結(jié)構(gòu)。尺寸因素及電負(fù)性對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響電子濃度為21/14的電子化合物組元原子尺寸差較小時(shí)，傾向于形成密排六方結(jié)構(gòu)；當(dāng)尺寸差較大時(shí)，傾向于形成體心立方結(jié)構(gòu)；電負(fù)性差較大， 傾向于形成復(fù)雜立方及密排六方結(jié)構(gòu)。性能；成分在一定范圍內(nèi)變化，可以看作是以化合物為基的固溶體，結(jié)合鍵為金屬鍵，熔點(diǎn)及硬度較高，脆性較大。尺寸因素化合物由尺寸因素作為主要控制條件而形成的中間相。形成因素；由于溶質(zhì)與溶劑間原

11、子的尺寸差別較大，晶格畸變?cè)龈呤乖瓉?lái)的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，而重新組合形成新相間隙化合物 (間隙相)組成：過(guò)渡族金屬原子與半徑小于0.1 nm的非金屬元素如C、N、B、H等所組成結(jié)構(gòu)：金屬原子構(gòu)成晶格，非金屬原子處于結(jié)構(gòu)的間隙中。簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu) rx/rm<0.59 M4X, M2X, MX, MX2 具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的化合物稱為間隙相復(fù)雜結(jié)構(gòu) rx/rm>0.59 M23C6, M7C3, M3C 具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的化合物，稱為間隙化合物H，N-間隙相，C-一部分間隙相，一部分間隙化合物，B間隙化合物間隙相和間隙化合物中的原子結(jié)合鍵為金屬鍵與共價(jià)鍵相混合間隙相，金屬原子位于晶格的正常結(jié)點(diǎn)上，非金屬原子則

12、位于晶格的間隙位置間隙相和間隙固溶體的本質(zhì)區(qū)別是 間隙相是一種化合物，他具有與組元完全不同的晶體結(jié)構(gòu)，而間隙固溶體則保持著溶劑組元的晶格類型間隙相具有極高的熔點(diǎn)和硬度，具有明顯的金屬特性，還具有金屬光澤和較好的導(dǎo)電性。間隙化合物也具有很高的熔點(diǎn)和硬度，但與間隙相相比，他們的熔點(diǎn)和硬度要低些，而且加熱時(shí)也較易分解。這類化合物是碳鋼及合金鋼中的重要組成相相圖描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力與成分之間關(guān)系的一種圖解。相律描述材料在不同條件下相平衡狀態(tài)所遵循的規(guī)律相律描述系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度間關(guān)系的法則。吉布斯(Gibbs)相律： f C - P + 2 式中：C組元數(shù)；P平衡共存相的數(shù)目；f自由度。

13、 一元系： Cl，P2，即最多可以兩相平衡共存。純金屬結(jié)晶時(shí)，溫度不變，同時(shí)共存的平衡相為液相和固相。二元系： C2，P3，最多可以三相平衡共存；三元系： C3，P4，最多可以四相平衡共存；n元系： 最多可以 n +1相平衡共存。相律的應(yīng)用限制：1) 相律只適用于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)下各相的溫度應(yīng)相等 (熱量平衡)；各相的壓力應(yīng)相等 (機(jī)械平衡)；每一組元在各相中的化學(xué)位必須相同 (化學(xué)平衡)。2) 相律只能表示體系中組元和相的數(shù)目，不能確定組元或相的類型和含量。3) 相律不能預(yù)告反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 。4) 自由度的值不得小于零。勻晶相圖：兩組元不僅在液態(tài)無(wú)限互溶，而且在固態(tài)也無(wú)限互溶的二元合金所

14、組成的相圖合金結(jié)晶時(shí)，結(jié)晶時(shí)都是從液相結(jié)晶出單相的固溶體，這種結(jié)晶過(guò)程稱為勻晶轉(zhuǎn)變固溶體合金的結(jié)晶過(guò)程也是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過(guò)程，形核的方式可以是均勻形核，也可以是依靠外質(zhì)點(diǎn)的非均勻形核。和純金屬相同，固溶體在形核時(shí)，即需要結(jié)構(gòu)起伏，已滿足其晶核大小超過(guò)一定臨界值的要求，又需要能量起伏，以滿足形成新相對(duì)形核功的要求。此外由于固溶體結(jié)晶時(shí)所結(jié)晶出固相成分與液相成分不同，因此他還需要濃度（成分）起伏成分起伏：在任一瞬間，液相中總會(huì)有某些微小體積可能偏離液相的平均成分，這些微小體積的成分，大小和位置都是在不斷變化著，這就是成分起伏。固溶體合金的形核地點(diǎn)便是在那些結(jié)構(gòu)起伏能量起伏和成分起伏都能滿足要求的地方。結(jié)晶時(shí)過(guò)冷度越大，臨界晶核半徑越小，形核時(shí)所需的能量起伏越小，同時(shí)結(jié)晶出來(lái)的固相成分和原液相成分也越接近，即越容易滿足對(duì)成分起伏的要求?？梢?jiàn)，過(guò)冷度越大，固溶體合金的形核率越大，越容易獲得細(xì)小的晶粒組織晶內(nèi)偏析在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象枝晶偏析固溶體是以樹枝狀結(jié)晶并長(zhǎng)大，枝干與枝間出現(xiàn)成分差別擴(kuò)散退火或均勻化退火為了降低或和消除晶內(nèi)偏析，將鑄件