模塊四合金的相結(jié)構(gòu)

1、金屬材料與熱處理2015Apr 20th Heat Treatment大連理工大學(xué)出版社金屬材料與熱處理編寫組金屬材料與熱處理（第二版）2015年月出版 Heat Treatment大連理工大學(xué)出版社主編：王書田“十二五”職業(yè)教育國家規(guī)劃教材高職高專焊接技術(shù)及自動化類課程規(guī)劃教材模塊四 合金的相結(jié)構(gòu)純金屬在實際中雖然得到了一定的應(yīng)用，但由于純金屬除了具有較高的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性外，力學(xué)性能一般都比較低，且價格較高，因此，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的大多數(shù)都是合金合金的性能取決于組織，而組織又首先取決于合金中的相。因此，為了掌握合金的性能，首先必須要了解合金的相結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)。根據(jù)合金中各個元素的相互作用，合金的

2、相結(jié)構(gòu)大致可分為固溶體和金屬化合物兩大基本類型。 工業(yè)上應(yīng)用廣泛的鋼鐵材料主要是由鐵和碳組成的合金，黃銅則是由銅和鋅組成的合金，青銅和硬鋁等也都是合金。合金與組成它們的純金屬相比，除具有更高的力學(xué)性能外，有的還可能具有強磁性、耐蝕性等特殊性能。同時，還可以通過調(diào)節(jié)它們的組成比例來獲得一系列性能各不相同的合金，用來滿足工業(yè)生產(chǎn)中不同的需求。相結(jié)構(gòu)的基本概念 一、基本概念 合金：是指由金屬元素與其他元素結(jié)合而形成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)稱為組元。組元就是組成合金的化學(xué)元素或其化合物。例如，普通黃銅的組元就是化學(xué)元素銅和鋅，鐵碳合金的組元就是化學(xué)元素鐵和碳。根據(jù)組元

3、的數(shù)目不同，合金可分為二元合金、三元合金和多元合金。由兩個組元組成的合金叫作二元合金;由三個組元組成的合金叫作三元合金;由三個以上組元組成的合金叫作多元合金。相結(jié)構(gòu)的基本概念 合金系：由給定組元按一定比例配制成一系列成分不同的合金，這一系列合金組成一個合金系統(tǒng)，簡稱合金系。由兩個組元組成的為二元系;由三個組元組成的為三元系;由更多組元組成的為多元系。相結(jié)構(gòu)的基本概念 相：物質(zhì)中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)、同一性質(zhì)，并以界面互相分開的、均勻的組成部分。相是物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)中的一個組成部分，只要化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)有一方面不同，則分別是不同的相。例如水和冰，雖然化學(xué)成分相同，但是由于結(jié)構(gòu)

4、和性質(zhì)不同，分別是不同的相，水是液相，冰是固相;石墨與金剛石也是如此，只不過兩個全是固相。一種物質(zhì)可以有許多相，同樣，許多物質(zhì)也可組成一個相，如鹽水、糖水、空氣等。相結(jié)構(gòu)的基本概念 組織：合金中不同形狀、大小、數(shù)量和分布不同的相組合而成的綜合體稱為組織。組織是相的綜合體。在金屬或合金中，由于形成條件的不同，各種相將以不同的數(shù)量、形狀、大小互相組合，因而形成不同的組織。如果形成的組織由一個相構(gòu)成，則稱為單相組織;如果形成的組織由兩個或兩個以上的相構(gòu)成，則稱為多相組織。合金的相結(jié)構(gòu)二、合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)：是指合金中相的晶體結(jié)構(gòu)，也就是合金相中原子的具體排列規(guī)律。按合金組元間相互作用不同，合金

5、在固態(tài)下的基本結(jié)構(gòu)分為固溶體和金屬化合物兩類。合金的相結(jié)構(gòu)1.固溶體及其分類我們知道，溶液是由溶質(zhì)溶解到溶劑中形成的一個均勻系統(tǒng)，這個系統(tǒng)由于能夠溶解溶質(zhì)，因而稱為溶體。由于外在形態(tài)是液體，故稱為液溶體，習(xí)慣稱為溶液。如果這個系統(tǒng)的外在形態(tài)是氣態(tài)，則稱為氣溶體;顯然，如果是外在形態(tài)是固體，則稱為固溶體。 固溶體：合金中的組元間在固態(tài)下溶解而形成的均勻相稱為固溶體。與溶液一樣，固溶體同樣有溶質(zhì)和溶劑，不過，由于金屬和合金在固態(tài)下是晶體，因此，固溶體也是晶體，并且保持著溶劑的晶格類型，而不管溶質(zhì)原來是什么晶格類型。合金的相結(jié)構(gòu)根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占位置，固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體兩類。

6、 （1）置換固溶體溶質(zhì)原子以置換、替代的方式占據(jù)了部分溶劑晶格類型原子所處的位置而形成的固溶體，稱為置換固溶體。（2）間隙固溶體溶質(zhì)原子進入溶劑晶格類型的原子間隙位置而形成的固溶體，稱為間隙固溶體。固溶體類型示意圖合金的相結(jié)構(gòu)按溶解度的不同，固溶體可分為無限固溶體和有限固溶體。由于溶劑晶格原子的間隙有限，因此間隙固溶體都是有限固溶體。此外，根據(jù)溶質(zhì)原子進入溶劑晶格類型的位置是否有規(guī)律性，又分為有序固溶體和無序固溶體。合金的相結(jié)構(gòu)2.固溶體的性能固溶體形成后，雖然保持著溶劑原子的晶格類型，但是由于溶質(zhì)原子的溶入，將會使溶劑原子的晶格常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致溶劑原子的晶格發(fā)生扭曲變形，這種晶格發(fā)生扭

7、曲變形的現(xiàn)象稱為晶格畸變晶格畸變會增大金屬材料的變形抗力，導(dǎo)致材料強度、硬度提高，而塑性、韌性下降。固溶體隨著溶質(zhì)溶解度的增加，合金的強度、硬度升高，而塑性、韌性下降。通過溶入溶質(zhì)元素形成固溶體，而使金屬材料的強度增加的強化方法，稱為固溶強化。固溶強化是提高金屬材料力學(xué)性能的重要方法之一。只要適當(dāng)控制固溶體中溶質(zhì)的含量，就可在顯著提高金屬材料強度的同時，仍能保持材料具有較高的塑性和韌性。合金的相結(jié)構(gòu)3.金屬化合物 在合金中，當(dāng)溶質(zhì)的含量超過其溶解度時，合金組元之間會發(fā)生相互作用而形成一種新相。如果新相的晶體結(jié)構(gòu)與溶質(zhì)相同，則形成的這種新相是以原溶質(zhì)為溶劑的新的固溶體; 如果這種新相的晶格類型和

8、性能完全不同于任一合金組元，并且具有金屬特性，則這個新相稱為金屬化合物金屬化合物一般可用化學(xué)分子式來大致表示其組成。金屬化合物一般都具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)、高熔點、高硬度、高脆性的特點。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時，將會使合金材料的強度、硬度以及耐磨性提高，但也會使材料的塑性和韌性降低。金屬化合物是許多合金材料的重要組成相。合金的相結(jié)構(gòu)根據(jù)金屬化合物的形成條件和結(jié)構(gòu)特點，金屬化合物可分為正常價化合物、電子化合物、間隙相和間隙化合物。(1).正常價化合物正常價化合物的特點:遵循一般化合物的原子價規(guī)律，成分固定，具有很高的硬度和脆性，可用化學(xué)分子式表示。如果能夠彌散分布于固溶體中，可以起到強化相的作用。如

9、鋁鎂硅合金中的強化相Mg2Si就是正常價化合物。(2).電子化合物電子化合物是按照一定價電子數(shù)與原子數(shù)的比值，即電子濃度形成的具有某種晶體結(jié)構(gòu)的化合物。電子化合物也具有很高的硬度和脆性，可用化學(xué)分子式表示，但成分卻可以在一定范圍內(nèi)變化。電子化合物也是合金、特別是非鐵合金中的重要強化相。如黃銅中的CuZn、Cu5Zn8就是電子化合物。合金的相結(jié)構(gòu)(3).間隙相當(dāng)原子半徑較小的非金屬原子與金屬原子形成化合物時，如果非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59，形成具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的化合物稱為間隙相。間隙相有M4X、M2X、MX、MX2四類化學(xué)分子式，其中M代表金屬原子，X代表非金屬原子。間隙相具有

10、極高的硬度和熔點，是合金鋼、硬質(zhì)合金、高溫金屬陶瓷材料的重要組成相。 應(yīng)特別注意的是:間隙相與間隙固溶體是完全不同的相，間隙相是一種金屬化合物，晶體結(jié)構(gòu)不同于其組元，而間隙固溶體是固溶體，保持著溶劑的晶格類型，兩者不能混淆。合金的相結(jié)構(gòu) (4).間隙化合物當(dāng)原子半徑較小的非金屬原子與金屬原子形成化合物時，若非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59，形成具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的化合物稱為間隙化合物間隙化合物具有很高的硬度和熔點，是合金中的強化相。如鐵碳合金中的Fe3C;合金鋼中的Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C、Fe2B;高速鋼中的WC、VC等都是間隙化合物。金屬化合物是合金中的重要強化相，其作用與金屬化合物的形狀、大小、數(shù)量以及分布有關(guān)。當(dāng)金屬化合物呈細小顆粒狀均勻分布在固溶體基體上時，將會使合金的強度、硬度和耐磨性得到明顯提高，這一現(xiàn)象叫作彌散強化。合金的相結(jié)構(gòu)材料的化學(xué)成分（組元）決定了合金中可能形成的相，相的晶體結(jié)構(gòu)決定了相的性能特點，而相是構(gòu)成組織的最基本的組