合金中的相及相結(jié)構(gòu).ppt

1、1,第3章 二元合金的相結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,2,本章知識結(jié)構(gòu),二元合金相圖的建立,相圖分析,二元相圖的分析和使用,勻晶相圖及固溶體的凝固,共晶相圖及合金的凝固,包晶相圖及合金的凝固,其他類型的二元合金相圖,合金中的相及相結(jié)構(gòu),3,為何工業(yè)上很少使用純金屬,而多使用合金?,3.1 合金中的相及相結(jié)構(gòu),4,雖然純金屬在工業(yè)上獲得了一定的應(yīng)用，但由于純金屬的性能有一定的局限性，特別是強度等重要性能指標(biāo)往往不能滿足要求，因此它的應(yīng)用范圍也受到了限制。實際使用的金屬材料絕大部分是合金，合金化后純金屬的性能得到大大的提高，合金化是提高純金屬性能的最主要的途徑。 所謂合金是由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬，經(jīng)過

2、熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。,5,工業(yè)純Fe、Al、Cu合金化前后b的變化,6,合金,兩種或兩種以上金屬元素，或金屬元素與非金屬元素，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。,組元,組成合金最基本的獨立的物質(zhì)，通常組元就是組成合金的元素。,相,是合金中具有同一聚集狀態(tài)、相同晶體結(jié)構(gòu)，成分和性能均一，并以界面相互分開的組成部分 。,7,固溶體,中間相(金屬化合物),間隙固溶體,置換固溶體,合金相,8,（1）固溶體,一種組元(溶質(zhì))溶解在另一種組元(溶劑，一般是金屬)中，其特點是溶劑（或稱基體）的點陣類型不變。,9,溶質(zhì)和溶劑原子占據(jù)一個共同的布拉菲點陣，且此點陣

3、類型和溶劑點陣類型相同。 有一定的成分范圍，也就是說，組元的含量可在一定范圍內(nèi)改變而不會導(dǎo)致固溶體點陣類型的改變。由于固溶體的成分范圍是可變的，而且有一個溶解度極限，故通常固溶體不能用一個化學(xué)式來表示。 具有比較明顯的金屬性質(zhì)，例如，具有一定的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和一定的塑性等等。固溶體中的結(jié)合鍵主要是金屬鍵。,固溶體的特點,10,固溶體的分類,按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置，固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種。,置換固溶體,間 隙 固 溶 體,11,按溶質(zhì)原子在固體中的溶解度，固溶體可分為有限固溶體和無限固溶體兩種。,按溶質(zhì)原子在固溶體內(nèi)分布是否有規(guī)則，固溶體分為有序固溶體和無序固溶體兩種。,12

4、,置換固溶體的固溶度,絕大多數(shù)金屬元素之間都能形成置換固溶體，但是只有少部分金屬元素之間，可以形成無限固溶體，即不同溶質(zhì)元素在不同溶劑中的固溶度大小是不相同的。固溶度的大小，主要受以下一些因素的影響： （a）組元的晶體結(jié)構(gòu)類型 （b）原子尺寸因素 （c）電負(fù)性因素（化學(xué)親和力） （d）電子濃度因素,13,晶體結(jié)構(gòu)相同是組元間形成無限固溶體的必要條件，組元間要無限互溶，晶體結(jié)構(gòu)類型必須要相同。因為只有這樣，組元之間才可能連續(xù)不斷地置換而不改變?nèi)軇┑木Ц耦愋汀?形成有限固溶體時，如果溶質(zhì)與溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型相同，則溶解度通常也較不同結(jié)構(gòu)時為大；否則，反之。,（a）組元的晶體結(jié)構(gòu)類型,14,所謂原子

5、尺寸因素，是指形成固溶體的溶質(zhì)原子半徑與溶劑原子半徑的相對差值大小，常以 R表示。 r （rArB）/rA100% R越大，固溶度越小，這是因為溶質(zhì)原子溶入將引起溶劑晶格產(chǎn)生畸變。 隨著溶質(zhì)原子溶入量的增加，引起的晶格畸變亦越嚴(yán)重，畸變能越高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越低。所以 R的大小限制了固溶體中的固溶度。顯然，溶入同量溶質(zhì)原子時， R越大，引起的晶格畸變越大，畸變能越高，極限溶解度就越小。,（b）原子尺寸因素,15,形成置換固溶體時的點陣畸變,16,元素的原子直徑 （虛線表示與鐵的原子直徑相差的上下限）,17,元素間化學(xué)親和力的大小顯著影響它們之間的固溶度。如果它們之間的化學(xué)親和力很強，則傾向于形成化

6、合物而不利于形成固溶體；即使形成固溶體，固溶度亦很小。 電負(fù)性是指元素吸引電子的能力，即表示該元素的原子在化學(xué)反應(yīng)中或和異類原子形成合金時，能夠得到電子成為負(fù)離子的能力。 元素的電負(fù)性具有周期性，同一周期的元素，其電負(fù)性隨原子序數(shù)的增大而增大；而在同一族元素中，電負(fù)性隨原子序數(shù)增大而減小。,（c）電負(fù)性因素,18,人們在研究以Cu、Ag、Au為基的固溶體時，發(fā)現(xiàn)隨著溶質(zhì)原子價的增大，其溶解度極限減少。 如果將濃度坐標(biāo)以電子濃度來表示，則它們的溶解度極限是近似重合的。 所謂電子濃度是指固溶體中價電子數(shù)目e與原子數(shù)目a之比。 除此之外，固溶度還與溫度有密切關(guān)系。在大多數(shù)情況下溫度越高，固溶度越大。

7、而對少數(shù)含有中間相的復(fù)雜合金系(例Cu-Zn)，則隨溫度升高，固溶度減小。,（d）電子濃度因素,19,當(dāng)一些原子半徑比較小的非金屬元素作為溶質(zhì)溶入金屬或化合物的溶劑中時，這些小的溶質(zhì)原子不占有溶劑晶格的結(jié)點位置，而存在于間隙位置，形成間隙固溶體。形成間隙固溶體的溶劑元素大多是過渡族元素，溶質(zhì)元素一般是原子半徑小于0.1nm的一些非金屬元素，即氫、硼、碳、氮、氧等。 溶質(zhì)原子存在于間隙位置上引起點陣畸變較大，所以它們不可能填滿全部間隙，而且一般固溶度都很小。固溶度大小除與溶質(zhì)原子半徑大小有關(guān)以外，還與溶劑元素的晶格類型有關(guān)，因為它決定了間隙的大小。,間隙固溶體,20,溶質(zhì)原子的分布通常會偏離完全

8、無序狀態(tài)，呈現(xiàn)微觀的不均勻性。若同類原子結(jié)合力較強，會產(chǎn)生溶質(zhì)原子的偏聚；若異類原子結(jié)合力較強，則溶質(zhì)原子趨于以異類原子為鄰的短程有序分布。,（）完全無序（）偏聚（）短程有序 固溶體中溶質(zhì)原子分布示意圖,固溶體的微觀不均勻性,21,25Au75Cu合金的晶體結(jié)構(gòu),CuAu型超結(jié)構(gòu)，半周期 M5,22,固溶體的點陣畸變 固溶體的強度和硬度 固溶體的強度和硬度往往高于各組元，而塑性則較低，這種現(xiàn)象就稱為固溶強化。 間隙式溶質(zhì)原子的強化效果般要比置換式溶質(zhì)原子更顯著。 溶質(zhì)和溶劑原子尺寸相差越大或固溶度極限越小，固溶強化越顯著，則單位濃度溶質(zhì)原子所引起的強化效果越大。,固溶體的性質(zhì),23,24,固溶

9、體的物理性能 固溶體的電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)等物理性質(zhì)也隨成分而連續(xù)變化，但般都不是線性關(guān)系。 固溶體的電阻率是隨溶質(zhì)濃度的增加而增加的，而且在某中間濃度時電阻率最大。,Cu-Au合金的電阻率與成分 的關(guān)系(a)淬火合金 (b)退火合金,25,構(gòu)成合金的各組元間除相互溶解形成固溶體外，還可發(fā)生化學(xué)相互作用，形成晶體結(jié)構(gòu)不同于組元元素的新相。 它們在二元相圖上所處的位置總是在兩個端際固溶體之間的中間部位，所以將它們統(tǒng)稱為中間相。 中間相大多數(shù)是由不同的金屬或金屬與亞金屬組成的化合物，故這類中間相又稱為金屬間化合物。 中間相通常按一定或大致一定的原子比組成，可以用化學(xué)分子式來表示，但是除正常價化合物外，

10、大多數(shù)中間相的分子式不遵循化學(xué)價規(guī)則。,（2）中間相,26,中間相的性能明顯不同于各組元的性能，一般是硬而脆的。中間相是許多合金中重要的第二相，其種類、數(shù)量、大小、形狀和分布決定了合金的顯微組織和性能。 中間相的形成也受原子尺寸、電子濃度、電負(fù)性等因素的影響。許多中間相是在原子尺寸有利的條件下形成的，常稱為幾何因素決定的金屬間化合物；而另一些中間相如電子化合物則決定于電子濃度。,27,金屬與化學(xué)元素周期表中一些電負(fù)性較強的 A、A、A族元素，按照化學(xué)上的原子價規(guī)律所形成的化合物，稱為正常價化合物。它們的成分可以用分子式來表達，如Mg2Si、Mg2Sn、ZnS、ZnSe等。 這些化合物的穩(wěn)定性與

11、組元間電負(fù)性差有關(guān)，電負(fù)性差越大，化合物越穩(wěn)定，越趨于離子鍵結(jié)合。電負(fù)性差越小，化合物越不穩(wěn)定，越趨于金屬鍵結(jié)合。 正常價化合物通常具有較高的硬度和脆性。在合金中彌散分布在基體上，?？善饛浬娀饔?。,正常價化合物,28,一些正常價化合物及其晶體結(jié)構(gòu)類型,29,電子化合物,指按照一定價電子濃度的比值組成一定晶格類型的化合物。電子化合物的熔點和硬度都很高，而塑性較差，是有色金屬中的重要強化相。,形成：電子濃度起主要作用，不符合原子價規(guī)則。 鍵型：金屬鍵（金屬金屬）。 貴金屬Cu、Ag、Au與Zn，Al，Sn所形成的合金。,Pb基軸承合金中的電子化合物,30,電子化合物的特點是：凡具有相同的電子濃

12、度，則該相的晶體結(jié)構(gòu)類型相同。亦即結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，主要取決于電子濃度因素（休姆-羅塞里定律）。 電子化合物晶體結(jié)構(gòu)與合金的電子濃度有如下關(guān)系： 當(dāng)電子濃度為21/14時，電子化合物（一般稱為相）多數(shù)是體心立方結(jié)構(gòu)。 當(dāng)電子濃度為21/13時的電子化合物具有復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)。 當(dāng)電子濃度為21/12時，形成具有密排六方結(jié)構(gòu)的電子化合物，稱為相。,31,某些銅合金 銀合金的相區(qū),32,過渡族金屬能與原子半徑比較小的非金屬元素C、N、H、O、B等形成化合物，它們具有金屬的性質(zhì)、很高的熔點和極高的硬度。 當(dāng)金屬（M）與非金屬（X）的原子半徑比值RX/RM0.59且電負(fù)性差較大時，化合物具有比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)，

13、稱為間隙相（若RX/RM0.59且電負(fù)性差較小時，可形成間隙固溶體）； 而當(dāng)RX/RM0.59且電負(fù)性差較大時，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的化合物，稱為間隙化合物。,間隙相與間隙化合物,33,間隙相的主要特點 在間隙相中金屬原子組成簡單點陣類型的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)與其為純金屬時的結(jié)構(gòu)不相同。 間隙相的一般可以用簡單的化學(xué)式來表達，而且一定的化學(xué)表達式對應(yīng)著一定的晶體結(jié)構(gòu)類型。 盡管間隙相可以用簡單的化學(xué)式表示，但大多數(shù)間隙相的成分可以在一定范圍內(nèi)變化。 間隙相具有極高硬度和熔點，但很脆。許多間隙相具有明顯的金屬特性：金屬的光澤、較高的導(dǎo)電性、正的電阻溫度系數(shù)。 結(jié)合鍵為共價鍵和金屬鍵。,34,間隙相,35,V

14、在純金屬時為體心立方點陣，而在間隙相VC中，金屬V的原子形成面心立方點陣，C原子存在于其間隙位置。,間隙相VC的晶體結(jié)構(gòu),36,間隙化合物 間隙化合物具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，它的類型較多。一般在合金鋼中，常出現(xiàn)的間隙化合物有M3C型、M7C3型、M23C6、M6C等。 式中M可表示一種元素，也可以表示有幾種金屬元素固溶在內(nèi)。例如，在滲碳體Fe3C中，一部分Fe原子若被Mn原子置換，則形成合金滲碳體(Fe,Mn)3C；而Cr23C6中往往溶入Fe、Mo、W等元素，或?qū)懗?Cr,Fe,Mo,W)23C6；同樣，F(xiàn)e3W3C中能溶入Ni、Mo等元素，成為(Ni,Fe)3(W,Mo)3C。,37,Fe3C

15、晶體結(jié)構(gòu),38,拓?fù)涿芏严嗍怯纱笮〔煌脑舆m當(dāng)配合，得到全部或主要是四面體間隙的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。空間利用率及配位數(shù)均很高，由于具有拓?fù)鋵W(xué)特點，故稱之為拓?fù)涿芏严?，簡稱TCP相。 許多合金系能形成拉弗斯相如ZrFe2、TiFe2、TiFe2、MoFe、NbCo2、TiCo2、TiC2、ZrCr2等。一般講拉弗斯相往往呈針狀析出于基體，有時是有害的，但也有個別耐熱鐵基合金以為其強化相。,拓?fù)涿芏严?39,具有超導(dǎo)性質(zhì)的金屬間化合物，如Nb3Ge，Nb3Al，Nh3Sn，V3Si，NbN等； 具有特殊電學(xué)性質(zhì)的金屬間化合物，如InTe-PbSe，GaAs-ZnSe等在半導(dǎo)體材料用； 具有強磁性的金屬間化

16、合物，如稀土元素（Ce，La，Sm，Y等）和Co的化合物，具有特別優(yōu)異的永磁性能； 具有奇特吸釋氫本領(lǐng)的金屬間化合物（常稱為貯氫材料），如 LaNi5，F(xiàn)eTi，R2Mg17和R2Ni2Mg15。(R等僅代表稀土 La，Ce，Pr，Nd或混合稀土）是一種很有前途的儲能和換能材料；,金屬間化合物的性質(zhì)和應(yīng)用,40,具有耐熱特性的金屬間化合物，如Ni3Al，NiAl，TiAl，Ti3Al，F(xiàn)eAl，F(xiàn)e3Al，MoSi2，NbBe12，ZrBe12等不僅具有很好的高溫強度，并且，在高溫下具有比較好的塑性； 耐蝕的金屬間化合物，如某些金屬的碳化物，硼化物、氮化物和氧化物等在侵蝕介質(zhì)中仍很耐蝕，若通過表面涂覆方法，可大大提高被涂覆件的耐蝕性能； 具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性和消震性的金屬間化合物，如 TiNi，CuZn，CuSi，MnCu，Cu3Al等已在工業(yè)上得到應(yīng)用。,金屬間化合物的性質(zhì)和應(yīng)用,41,42,合