第四章合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、第四章第四章 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 一般來說，純金屬具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、塑性和美麗的金屬光澤，在人類生產(chǎn)和生活中獲得了廣泛應(yīng)用。但由于純金屬種類有限，提煉比較困難，力學(xué)性能較低，因此無法滿足人們對金屬材料提出的多品種、高性能的要求。工程上大量使用的金屬材料都是根據(jù)實(shí)際需要而配制的成分不同的合金，合金具有比純金屬更高的力學(xué)性能和某些特殊的物理、化學(xué)性能，如碳鋼、鑄鐵、黃銅等。第一節(jié) 合金的基本概念 合金是由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。 組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。組元通常是純元素，也可以是穩(wěn)定的化合物。合金可分為二

2、元合金、三元合金和多元合金。 由相同組元構(gòu)成的成分不同的合金組成了一個(gè)合金系統(tǒng)，簡稱為合金系。合金系也可以分為二元系、三元系和多元系。 純金屬可以看成是合金的一個(gè)特例，只有一個(gè)組元，稱為單元系。 合金中成分和結(jié)構(gòu)都相同的組成部分稱為相。相與相之間具有明顯的界面，稱為相界面。第二節(jié) 合金的晶體結(jié)構(gòu) 如果將合金加熱到熔化狀態(tài)，組成合金的各個(gè)組元可以相互溶解形成均勻的、單一的液相，但經(jīng)冷卻結(jié)晶后，由于各個(gè)組元之間的相互作用不同，在固態(tài)合金中將形成不同的相，其原子排列方式也不相同。相的晶體結(jié)構(gòu)稱為相結(jié)構(gòu)，合金中的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。 一、固溶體一、固溶體 當(dāng)合金由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時(shí)，組

3、元間仍能互相溶解而形成的均勻相稱為固溶體。固溶體的晶體結(jié)構(gòu)與其中某一組元的晶體結(jié)構(gòu)相同，而其它組元的晶體結(jié)構(gòu)將消失。能夠保留晶體結(jié)構(gòu)的組元稱為溶劑，晶體結(jié)構(gòu)消失的組元稱為溶質(zhì)。固溶體分為間隙固溶體和置換固溶體兩種。 1間隙固溶體 若溶質(zhì)原子在溶劑晶格中并不占據(jù)結(jié)點(diǎn)位置，而是處于各結(jié)點(diǎn)間的空隙中，則這種形式的固溶體稱為間隙固溶體，如圖41a所示。 2置換固溶體 若溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子而占據(jù)著溶劑晶格中的某些結(jié)點(diǎn)位置，則這種形式的固溶體稱為置換固溶體，如圖41b所示。 3固溶體的性能 由于溶質(zhì)原子的溶入，引起固溶體晶格畸變，如圖42所示，使位錯(cuò)移動時(shí)的阻力增大，變形抗力增加，結(jié)果金屬的強(qiáng)度、

4、硬度提高。這種通過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，從而使金屬材料的強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象，稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是提高金屬材料力學(xué)性能的一種重要途徑。對于綜合力學(xué)性能要求較高的結(jié)構(gòu)材料，幾乎都是以固溶體作為最基本的組成相的。但單純固溶強(qiáng)化的強(qiáng)化效果有限，還須在固溶強(qiáng)化的基礎(chǔ)上補(bǔ)充進(jìn)行其它的強(qiáng)化處理。 二、金屬化合物二、金屬化合物 凡是由相當(dāng)程度的金屬鍵結(jié)合，并具有明顯金屬特性的化合物，稱為金屬化合物。金屬化合物是金屬材料中的一個(gè)重要組成相，如碳鋼中的滲碳體（Fe3C）、黃銅中的相（CuZn）等都是金屬化合物。 凡是沒有金屬鍵結(jié)合，并且又沒有金屬特性的化合物，稱為非金屬化合物，如碳鋼中依靠離子鍵結(jié)合的Fe

5、S和MnS都是非金屬化合物。非金屬化合物對合金性能的影響較壞，故又稱為非金屬夾雜物。 金屬化合物的晶體結(jié)構(gòu)與組成化合物的各組元的晶體結(jié)構(gòu)完全不同，如圖43所示。 金屬化合物的熔點(diǎn)較高，性能硬而脆，在合金中存在時(shí)，通常能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但會使合金的塑性、韌性降低。 金屬化合物的種類很多，常見的有以下三種類型： 1正常價(jià)化合物 這類金屬化合物通常是由金屬元素與化學(xué)元素周期表中第、族元素組成的，如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等，其特點(diǎn)是成分固定不變。 2電子化合物 這類金屬化合物是按一定電子濃度形成具有一定晶格類型的化合物。如相（CuZn）、相（Cu5Zn8）、相（CuZn3）。

6、電子化合物的特點(diǎn)是成分可以在一定范圍內(nèi)變化。 3間隙化合物 間隙化合物一般是由原子直徑較大的過渡族金屬元素（鐵、鉻、鉬、鎢、釩等）與原子直徑較小的非金屬元素（氫、碳、氮、硼等）組成的。間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)特征是：直徑較大的過渡族金屬元素的原子占據(jù)了新晶格的正常結(jié)點(diǎn)位置，而直徑較小的非金屬元素的原子則有規(guī)律地嵌入晶格的空隙中，因而稱為間隙化合物。間隙化合物一般分為晶體結(jié)構(gòu)簡單的間隙化合物和晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的間隙化合物兩類。晶體結(jié)構(gòu)簡單的間隙化合物又稱間隙相，如VC、WC、TiC等，而合金鋼中的Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C等均屬于晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的間隙化合物。 三、合金的組織三、合金的組織 組織

7、和結(jié)構(gòu)是有區(qū)別的，主要表現(xiàn)在它們的尺度不同。組織是顯微尺度的，是指在金相顯微鏡下所觀察到的金屬的內(nèi)部情景；結(jié)構(gòu)是原子尺度的，是指金屬中原子的排列方式。 合金在室溫下可以同時(shí)存在幾種晶體結(jié)構(gòu)，即可以多相共存，因而合金的組織比純金屬復(fù)雜得多。 純金屬、固溶體和金屬化合物是組成合金的基本相。工業(yè)上使用的大多數(shù)合金的組織都是由固溶體和少量的金屬化合物組成的混合物，混合物中各個(gè)相仍然保持著各自的晶體結(jié)構(gòu)和性能。第三節(jié) 二元合金相圖 合金的組織及其形成過程比純金屬的復(fù)雜。那么，一定成分的合金在一定溫度下會形成什么組織呢？合金相圖是解決這個(gè)問題的一種工具。 合金相圖又稱合金平衡圖或合金狀態(tài)圖，它是表示在平衡

8、狀態(tài)下，合金組織與成分、溫度之間平衡關(guān)系的圖形。當(dāng)一定成分的合金在一定溫度下停留足夠長的時(shí)間，使所存在的各相達(dá)到幾乎互不轉(zhuǎn)化的狀態(tài)，則可以認(rèn)為是處于平衡狀態(tài)，這時(shí)的相稱為平衡相。 一、二元合金相圖的建立一、二元合金相圖的建立 1二元合金相圖的表示方法 2二元合金相圖的測定方法 現(xiàn)以CuNi二元合金為例，說明用熱分析實(shí)驗(yàn)法測定及繪制合金相圖的過程。 （1）配制CuNi二元合金，見表41。（2）用熱分析實(shí)驗(yàn)法測出各合金的冷卻曲線，如圖46a所示。（3）找出各冷卻曲線上的相變點(diǎn)。（4）將各合金的相變點(diǎn)分別標(biāo)注在溫度成分坐標(biāo)圖中相應(yīng)的合金線上。（5）連接各意義相同的相變點(diǎn)，所得的線稱為相界線。這樣就得

9、到了CuNi二元合金相圖，如圖46b所示。圖中各開始結(jié)晶溫度連成的相界線稱為液相線，各結(jié)晶終了溫度連成的相界線稱為固相線。表表41 CuNi41 CuNi二元合金的成分和實(shí)驗(yàn)結(jié)果二元合金的成分和實(shí)驗(yàn)結(jié)果序號合金成分（%）相變點(diǎn)/CuNi開始結(jié)晶溫度結(jié)晶終了溫度110001083108328020117511303604012601195440601340127052080141013606010014551455 二、勻晶相圖二、勻晶相圖 凡二元合金系中兩組元在液態(tài)和固態(tài)下以任何比例均可相互溶解，即在固態(tài)下能形成無限固溶體時(shí)，其相圖屬于勻晶相圖，如CuNi、FeCr、AuAg等二元合金相圖?，F(xiàn)

10、以CuNi二元合金相圖為例，對勻晶相圖進(jìn)行分析。 CuNi二元合金相圖如圖47所示，圖中A點(diǎn)為純銅的熔點(diǎn)（1083）；B點(diǎn)為純鎳的熔點(diǎn)（1455）。ALB線為液相線，表示各成分的CuNi二元合金在冷卻過程中開始結(jié)晶或在加熱過程中熔化終了的溫度；AB線為固相線，表示各成分的CuNi二元合金在冷卻過程中結(jié)晶終了或在加熱過程中開始熔化的溫度。液相線和固相線將整個(gè)合金相圖分為三個(gè)區(qū)域，在液相線以上是單相的液相區(qū)，用符號L表示；在固相線以下是單相的固溶體相區(qū)，用符號表示；在液相線和固相線之間是液相和固溶體兩相共存區(qū)，即結(jié)晶區(qū)，用符號L+表示。 現(xiàn)以Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的CuNi二元合金為例，對其結(jié)晶過

11、程進(jìn)行分析。 由圖47可見，該合金的合金線與液相線和固相線分別相交于1點(diǎn)和2點(diǎn)，即該合金在1點(diǎn)所對應(yīng)的溫度開始結(jié)晶，在2點(diǎn)所對應(yīng)的溫度結(jié)晶終了。當(dāng)合金自高溫液態(tài)緩慢冷卻到1點(diǎn)溫度時(shí)，開始從液相中結(jié)晶出固溶體，隨著溫度的降低，固溶體的量不斷增多，剩余液相的量不斷減少。當(dāng)溫度降低到2點(diǎn)溫度時(shí)，合金結(jié)晶終了，獲得了Cu和Ni組成的單相固溶體組織，如圖48所示。 應(yīng)當(dāng)注意，在合金結(jié)晶過程中，已結(jié)晶出的固溶體和剩余液相L的成分都與原合金成分不同。若要知道上述合金在結(jié)晶過程中某一溫度t時(shí)兩相的成分，可通過該合金線上相當(dāng)于t溫度的點(diǎn)作水平線，此水平線與液相線和固相線的交點(diǎn)在橫坐標(biāo)上的投影，即相應(yīng)地表示t溫度

12、時(shí)液相和固相的成分?？梢姡倘荏w合金的結(jié)晶過程與純金屬不同，純金屬是在恒溫下進(jìn)行結(jié)晶的，結(jié)晶過程中液固兩相的成分不變，只是液固兩相的相對量隨溫度降低而改變；固溶體合金是在一個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶的，結(jié)晶過程中隨溫度降低，在液固兩相相對量發(fā)生改變的同時(shí)，液相的成分沿液相線變化，固相的成分沿固相線變化。固溶體合金和純金屬結(jié)晶后的顯微組織相似，都是由許多晶粒組成的。 固溶體合金只有在冷卻速度極其緩慢，原子能夠進(jìn)行充分?jǐn)U散的條件下，獲得與原合金成分相同的、均勻的固溶體。在實(shí)際情況下，冷卻速度一般較快，致使固溶體內(nèi)部原子擴(kuò)散來不及充分進(jìn)行，結(jié)果在固溶體中先結(jié)晶部分和后結(jié)晶部分的化學(xué)成分不同。這種在一個(gè)晶粒

13、內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為晶內(nèi)偏析。由于固溶體合金的結(jié)晶一般是按樹枝狀方式進(jìn)行的，因此，這種晶內(nèi)偏析往往呈樹枝狀分布，故又稱枝晶偏析，如圖所示。 從圖中可以看出，固溶體是呈樹枝狀的，先結(jié)晶出的干枝部分，因含高熔點(diǎn)組元Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，不易侵蝕，呈白亮色；后結(jié)晶出的分枝部分，因含低熔點(diǎn)組元Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，易侵蝕，呈黑色。 一般，結(jié)晶時(shí)冷卻速度越快，偏析程度越嚴(yán)重。枝晶偏析的存在，會嚴(yán)重降低合金的力學(xué)性能和加工工藝性能，生產(chǎn)上通常是將有枝晶偏析的合金加熱到高溫，經(jīng)長時(shí)間保溫，使原子進(jìn)行充分?jǐn)U散，達(dá)到成分均勻化的目的，這種熱處理方法稱為均勻化退火。 三、共晶相圖三、共晶相圖 凡二元合金系中兩

14、組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)下形成兩種不同固相，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的，其相圖屬于共晶相圖，如PbSn、PbSb、AlSi、AgCu等二元合金相圖。 共晶轉(zhuǎn)變是指一定成分的液相在一定溫度下，同時(shí)結(jié)晶出兩種不同固相的機(jī)械混合物的轉(zhuǎn)變。現(xiàn)以PbSn二元合金相圖為例，對共晶相圖進(jìn)行分析。 1相圖分析 圖410為PbSn二元合金相圖，圖中表示Sn在Pb中溶解所形成的固溶體，表示Pb在Sn中溶解所形成的固溶體。 DCE線稱為共晶線，液相在冷卻到共晶線溫度（183）時(shí)將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成由固溶體和固溶體組成的兩相機(jī)械混合物組織，稱為共晶體或共晶組織。C點(diǎn)所對應(yīng)的溫度和成分分別稱為共晶溫度和共晶成分。DF線和EG

15、線為溶解度線，分別表示固溶體和固溶體的溶解度隨溫度變化的規(guī)律。 上述相界線將PbSn二元合金相圖分成三個(gè)單相區(qū)L、，三個(gè)兩相區(qū)L+、L+、+及一個(gè)三相區(qū)L+（共晶線DCE）。 A點(diǎn)為純鉛的熔點(diǎn)（327）；B點(diǎn)為純錫的熔點(diǎn)（232）；C點(diǎn)為共晶點(diǎn)；D點(diǎn)為固溶體的最大溶解度點(diǎn)；E點(diǎn)為固溶體的最大溶解度點(diǎn)。 AC線和BC線為液相線，液態(tài)合金在冷卻到AC線溫度時(shí)開始結(jié)晶出固溶體，冷卻到BC線溫度時(shí)開始結(jié)晶出固溶體。AD線和BE線為固相線，合金在冷卻到AD線溫度時(shí)固溶體結(jié)晶終了，冷卻到BE線溫度時(shí)固溶體結(jié)晶終了。 2結(jié)晶過程分析（1）共晶成分的合金 圖410中C點(diǎn)成分的合金為共晶合金。 （2）亞共晶成分的合金 圖410中D點(diǎn)與C點(diǎn)成分之間的合金，稱為亞共晶合金。 （3）過共晶成分的合金 圖410中C點(diǎn)與E點(diǎn)成分之間的合金，稱為過共晶合金。 （4）無共晶轉(zhuǎn)變的合金 圖410中D點(diǎn)左側(cè)和E點(diǎn)右側(cè)的合金，在冷卻過程中不會發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。 根據(jù)上述結(jié)晶過程分析，可以看出PbSn二元合金的組織中僅出現(xiàn)了、兩相，因此，、兩相稱為PbSn二元合金的相組分，圖410中各相區(qū)就是以合金的相組分填寫的。由于不同合金的結(jié)晶過程不同，各相組分以不同的數(shù)量、大小、形態(tài)相互組合，形成合金的各種組織，如PbSn二元合金中的、（+），它們各自具有一定的形態(tài)特征，在金相顯微鏡下可以明顯分