工程材料及热处理3 二元合金的相结构与结晶

3二元合金的相结构与结晶3.1合金的相结构

3.2二元合金相图

纯金属虽然在工业上获得了一定的应用，但它强度、硬度较低，而且冶炼成本高，因此在使用上受到限制，实际工业生产中使用的金属材料绝大多数是合金。合金的强度、硬度、耐磨性等力学性能高于纯金属，某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理、化学性能，而且合金还能够通过改变化学成分、组织结构获得不同的性能，满足不同的使用要求。3.1.1合金的概念合金：由两种或两种以上的金属、或金属与非金属，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质称为合金。例如，钢铁材料是以铁和碳为主组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称元。一般说来，组元就是组成合金的金属元素或非金属元素，也可以是稳定的化合物。的合金，普通黄铜是铜和锌的合金。给定组元按不同比例配制的一系列成分不同的合金称为合金系。3.1合金的相结构当不同的组元经熔炼或烧结组成合金时，组元间相互作用，形成具有一定晶体结构和一定成分的相。相是指在金属或合金中，化学成分相同、具有同一晶体结构、并有明显的界面与其它部分分开的均匀组成部分。由一种固相组成的合金称为单相合金，由几种不同固相组成的合金称为多相合金。相液态合金结晶时，由于各组元之间相互作用不同，结晶后固态合金中可形成两类基本相：固溶体和金属化合物。3.1.2合金相结构的类型合金中的组元在固态下互相溶解形成的均匀固相，称为固溶体。形成的固溶体其晶格类型与组成它的一个组元是相同的。在固溶体中晶格保持不变的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；晶格消失的组元，称为溶质，一般在合金中含量较少。形成固溶体是溶质组元溶入溶剂组元晶格中，根据溶质组元溶入溶剂组元晶格中的位置不同，固溶体分为置换固溶体与间隙固溶体。（1）固溶体

图3-1置换固溶体示意图图3-2间隙固溶体示意图当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随着溶质含量的升高，固溶体的强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化的原因是，溶质原子溶入溶剂晶格导致溶剂晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，塑性变形抗力增加，从而提高合金的强度和硬度。固溶体的性能通过合理控制固溶体中溶质元素的含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，保持较高的塑性、韧性。固溶体的综合力学性能良好，常作为结构合金的基体相，生产实际中综合力学性能要求高的结构材料几乎都是以固溶体为基体的合金。固溶体与纯金属相比，物理性能也有较大的变化，如电阻率上升，导电率下降，磁矫顽力增大。固溶体的性能

图3-4合金元素含量对铁素体性能的影响组成合金的各组元间除了相互溶解而形成固溶体外，还可能相互化合形成金属化合物。金属化合物的晶格类型和特性完全不同于组成它的任一组元，常有复杂的晶体结构，一般可用分子式表示。金属化合物一般具有高熔点、高硬度并且脆性很大，常作为强化相分布在固溶体基体上，提高合金的强度、硬度和耐磨性，但同时会使合金的塑性、韧性下降。金属化合物通常分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三类。（2）金属化合物合金的组织是指合金中相的综合体，即合金中不同形状、尺寸、数量和分布的各相组合而成的综合体。通常我们可以借助金相显微镜等手段观察合金内部各相的形貌和特征等，故也称显微组织。组织和结构是两个不同的概念，表现在它们所涉及的尺度范围不同。组织是在显微镜下观察到的合金内部的形貌和特征，尺度范围较大。而晶体结构指的是金属晶体中原子排列的方式，尺度范围小。固溶体和金属化合物是组成合金组织的基本部分。工业生产中大多数合金是由固溶体与少量的金属化合物组成的，通常是多种相混合物。合金的组织合金的性能与化学成分和组织有关，而合金的组织取决于合金的成分和温度等因素，要研究合金的组织形成及变化规律，常以合金相图作为研究的工具。合金相图是表示在平衡状态下，合金的状态（组成相）与温度、成分之间关系的图解，也称为合金状态图。3.2二元合金相图（1）以Cu-Ni合金相图为例，说明二元合金相图的表示方法。图3-7为Cu-Ni合金相图，纵坐标表示合金的温度，横坐标表示合金的成分，横坐标从左到右Ni的含量逐渐增大，而Cu的含量逐渐减小。例如，横坐标的最左端0点，表示合金含Ni量为0%即为纯组元Cu；最右端100点，表示合金含Ni量为100%，即为纯组元Ni；60点表示合金含量Ni量为60%，含Cu量为40%。图中任意一点都表示一定成分、温度的合金。3.2.1二元合金相图的基础知识图3-7二元相图的表示

合金相图都是通过实验方法得到的，建立一个合金系的相图的最主要的工作是测出一系列不同成分合金的熔点和固态转变温度，即相变临界点。A配制一系列成分不同的Cu-Ni合金B测出各合金的冷却曲线C找出冷却曲线上的临界点D标注各临界点E连接临界点（2）二元合金相图的建立图3-8用热分析法建立Cu-Ni相图当组成合金的各组元在液态和固态都能按任意比例相互溶解形成固溶体，这类合金的相图为匀晶相图。能形成这类相图的合金系有Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Cr、Au-Pt等。下面以图3-9所示的Cu-Ni相图为例介绍匀晶相图的分析方法。3.2.2匀晶相图图3-9Cu-Ni合金的平衡结晶过程合金在结晶过程中，液相和固相的成分以及它们的相对数量都在不断发生变化。利用杠杆定律，不但能够确定两相区内任一成分的合金在任一温度下处于平衡时的两相成分，而且可以确定两相的相对数量。杠杆定律的应用共晶相图是二元合金相图的又一种基本类型。当组成合金的两组元在液态无限溶解，在固态有限溶解，并发生共晶转变的二元合金相图，称为共晶相图。这类合金有

Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si等，铁碳合金相图的铸铁部分也是共晶型的相图。3.2.3共晶相图Pb-Sn合金有三个基本相，L液相、α相和β相。α相是Sn溶于Pb中形成的固溶体，β相是Pb溶于Sn中形成的固溶体。由相图可见，相图中有三个单相区，分别是L相、α相和β相相区；三个双相区，L+α、L+β和α+β相区；一个三相区，在dce水平线上是L+α+β三相共存。相图中a点、b点分别为纯组元Pb、Sn的熔点；d点、e点分别为α和β固溶体的最大溶解度点；f点、g点分别为α和β固溶体的室温溶解度点；c点为共晶点。Pb-Sn

二元共晶相图图3-13Pb-Sn合金相图合金的性能主要取决于合金的化学成分与组织，而合金的某些工艺性能则与合金的结晶特点有关。合金的化学成分与组织之间的关系，合金的结晶特点都能体现在合金相图上，因此合金相图与合金性能之间必然存在着一定的联系，我们可以利用相图大致判断出不同合金的性能特点，作为选用合金和制定加工工艺的参考。3.2.4合金性能与相图的关系强度、硬