机械制造工程_2.3合金的组织和结晶(图文教程)

第三节合金的组织和结晶

一、合金的概念

纯金属大都具有较好的物理﹑化学性能，但由于机械性能一般

合金是指由一种金属元素与一种或几种其它元素经熔炼﹑烧结或其它方法结合在一起而形成的具有金属特性的物质。组成合金的最基本、最简单且能独立存在的物质称为组元，或简称为元。一般来说，组元就是组成合金的元素,如Cu-Zn合金(黄铜)中的Cu和Zn就是组元，但化合物也可以看作组元，如Fe-C合金中的Fe3C。

与纯金属相比，合金除具有更高的机械性能外，而且在电、磁、化学稳定性等物理化学性能方面也可以与纯金属相媲美或者更好，如有的合金就具有强磁性、耐蚀性等特殊的物理化学性能。同时，还可以通过调节合金组元的比例获得一系列性能各不相同的合金，以满足工业上对材料的不同性能要求。

合金中含有两种或两种以上元素的原子，这些原子之间必然相互发生作用，使得结晶形成的小晶体（晶粒）中也含有两种或两种以上的元素。由多种元素构成的这些小晶体的化学成分和晶格类型可以是完全均匀一致的，也可以是不一致的，组成了合金中的相和组织。所谓相，是指合金中化学成分、晶体结构相同，并以界面互相分开的均匀的组成部分。所谓组织，是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，包含合金中不同形状、大小、数量和分布的相，又称为显微组织。合金的组织可以由一种相组成也可以由多种相组成，而纯金属的显微组织，一般都由一种相组成。

二、合金的相结构

液态时，大多数合金的组元均能相互溶解，成为成分均匀的液体，因而可以认为只具有一个液相。固态时，组成合金的基本相按晶体结构特点可分为两大类：固溶体和金属化合物。

(一)固溶体

固溶体是溶质原子溶入固态的溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成的相。如果合金的组元在固态下能彼此相互溶解，则在液态合金凝固时，组元的原子将共同地结晶成一种晶格的晶粒，晶格内包含有各组元的原子，晶格类型与一种组元相同，这样，这些组元就形成了固溶体。固溶体的晶格类型与溶剂相同。

1.固溶体的类型

根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，可将固溶体分为置换式固溶体与间隙式固溶体。

(1)间隙式固溶体当溶质原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点位置，而是嵌入各结点之间的空隙中所形成的固溶体称为间隙式固溶体，如图2-11所示。

形成这类固溶体的溶质都是原子半径很小的一些非金属元素如C、N、B等，而且晶格空隙总是有限的，所以间隙式固溶体的溶解度一般比较小，如室温下碳在铁中的溶解度仅为0.0008％。

图2-11 间隙式固溶体结构示意图 图2-12 置换式固溶体结构示意图

(2)置换式固溶体当溶质与溶剂的电化学性质相近，且原子半径相差不多时，溶质原子不可能进入溶剂晶格空隙，但能够占据某些晶格结点而替代溶剂原子，以这种方式形成的固溶体称为置换式固溶体，如图2-12所示。例如，黄铜中的α固溶体是Zn原子替代某些Cu原子所形成的置换式固溶体。根据溶解度的不同，置换式固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。

2.固溶体的特点

(1)固溶体的晶体结构与溶剂的晶体结构相同。

(2)某些元素相互间具有很大的溶解能力，可以形成无限互溶的固溶体。如Cu与Ni、Fe与Cr等。图2-13就是Cu-Ni合金的匀晶相图。说明Cu与Ni无论以任何比例配成合金，室温下都可以得到单相固溶体。

图2-13Cu-Ni合金的匀晶相图及冷却曲线

大部分元素之间的溶解能力较差，只能形成有限固溶体。通常溶质在溶剂中的溶解度随温度的升高而增大，随温度的降低而减小。

(3)溶质原子的溶入会使溶剂晶格产生畸变。当形成间隙式固溶体时，只可能产生正畸变；但当形成置换式固溶体时，如果溶质原子半径大于溶剂原子半径则产生正畸变，如果溶质原子半径小于溶剂原子半径则将产生负畸变，如图2-14所示。晶格畸变导致金属塑性变形

图2-14晶格畸变示意图

3.固溶体的性能

作为溶剂的纯金属一般来说强度和硬度较低，而塑性和韧性较高。当溶质元素含量较少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随着溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，一般情况是：强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率逐渐升高，导电性逐渐下降等等。

需要指出的是，固溶强化是一种优异的强化方式，但单纯的固溶强化所能达到的最高强度指标仍然是有限的，往往还需配合其它的一些强化措施，才能达到性能要求。

（二）金属化合物

如前所述，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，多余的溶质从固溶体中析出，但大多是与合金其它组元间发生相互作用，从而可能会形成新相，又称中间相，其晶格类型及性能不同于任一组元。金属化合物就是一种中间相，其中，除离子键、共价键外，金属键也参与作用，因而具有一定的金属性质，故称之为金属化合物。

金属化合物一般具有复杂的结合键及晶体结构，并表现出有高熔点、高硬度及高脆性。当它以细小的尺寸、弥散地分布在合金中固溶体基体内时，可使合金得到强化，有效地提高其强度、耐磨性及高速切削性能，这种强化称为析出强化或弥散强化。

根据金属化合物形成规律及结构特点，可以分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物。

三、合金的结晶

合金的结晶过程本质上与纯金属一样，也是在过冷情况下通过形核与长大而进行的。但是，合金的结晶凝固过程和纯金属又有所不同，如纯金属的结晶是在某一温度下进行的，而合金往往是在某一温度范围内进行的。合金的结晶过程比较复杂，要用状态图才能表示清楚。合金状态图就是表示合金系结晶过程的简明图解。

合金状态图是用实验方法得到的。首先在极其缓慢冷却的条件，即平衡条件下作出该合金系中一系列不同成分合金的冷却曲线，并确定冷却曲线上的结晶转变温度（又叫做临界点），然后把这些临界点标在温度－成分坐标图上，最后将各相应点连接起来，就可得到该合金系的状态图。如图2-13所示，铜镍合金的匀晶相图就是如此得到的。