工程材料网络课程 2.2 金属材料的结构 2.2.3 合金的相结构

发布日期:[13-02-13 15:18:22] 浏览人次:[]

2.2.3合金的相结构

纯金属具有良好的物理和化学性能,但机械性能很差,价格昂贵,种类有限,工程上很少使用纯金属,。为了满足各种机器零件对不同性能的要求,因此出现了合金。合金是两种或两种以上金属元素、或金属元素与非金属元素,经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。合金具有比纯金属高得多的强度、硬度、耐磨性等机械性能,是工程上使用得最多的金属材料,如机器中常用的黄铜是铜和锌的合金;钢是铁和碳的合金;焊锡是锡和铅的合金。

组成合金最基本的、独立的物质称为组元。通常,合金的组元就是组成合金的各种元素,但某些稳定的化合物也可以看成是组元。根据合金组元个数不同,把由两个组元组成的合金称为二元合金,由三个或三个以上组元组成的合金称为多元合金。

组成合金的元素相互作用会形成各种不同的相。相是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态,并以界面互相分开的、均匀的组成部分。固态金属一般是一个相,而合金则可能是几个相。由于形成条件不同,各相可以不同的数量、形状、大小组合。在显微镜下观察,可以看到不同的组织。

固态合金的相,可分成两大类:固溶体和金属化合物。若相的晶体结构与某一组成元素的晶体结构相同,这种固相称为固溶体;若相的晶体结构与组成合金元素的晶体结构均不相同,这种固相称为金属化合物。

1固溶体

组成合金的元素互相溶解,形成一种与某一元素的晶体结构相同,并包含有其它元素的合金固相,称为固溶体。其中,与合金晶体结构相同的元素称为溶剂,其它元素称为溶质。固溶体一般用α、β、γ……来表示。

(1)置换固溶体

溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体称为置换固溶体,其结构见图2-2-13。

通常,当溶剂与溶质原子尺寸相近,直径差别较小,容易形成置换固溶体;当直径差别大于15%时,就很难形成置换固溶体了。置换固溶体中原子的分布通常是任意的,称之为无序固溶体。在某些条件下,原子成为有规则的排列,称为有序固溶体。两者之间的转变称为固溶体的有序化。这时,合金的某些物理性能将发生很大的变化。

图2-2-13置换固溶体

(2)间隙固溶体

溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而形成的固溶体称为间隙固溶体,其中的溶质原子不占据晶格的正常位置,其结构见图2-2-14。

图2-2-14间隙固溶体

2金属化合物

金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。一般可用分子式大致表示其组成。金属化合物一般有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性。合金中出现化合物时,可提高强度、硬度和耐磨性,但降低塑性。根据金属化合物的形成规律及结构特点,可将其分为三大类型。

(1)正常价化合物

周期表上相距较远,电化学性质相差较大的两元素容易形成正常价化合物。其特点是符合一般化合物的原子价规律,成分固定,并可用化学式表示。如Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。

正常价化合物具有高的硬度和脆性。当其在合金中弥散分布于固溶体基体中时,将起到强化相的作用,使合金强化。

(2)电子化合物

电子化合物是由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元素结合而成的。它们不遵循原子价规律,而服从电子浓度规律。电子浓度是指合金中化合物的价电子数目与原子数目的比值。

电子化合物具有高的熔点和硬度,但塑性较低,一般只能作为强化相存在于合金特别是有色金属合金中。

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