最新第三讲固溶体及液态金属凝固课件ppt.ppt

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1、第三讲固溶体及液态金属凝固薛小怀副教授固溶体的几个基本概念组元：组成合金的元素，或稳定化合物。根据组元的多少合金可分为二元合金、多元合金。相：组元之间相互作用形成具有同一化学成分、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。相可以分为固溶体和金属化合物。薛小怀副教授固溶体：相的晶体结构与某一组成元素的晶体结构相同。固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体。薛小怀副教授由于溶质原子尺寸与溶剂原子不同，其晶格都会产生畸变。由于晶格畸变增加了位错移动的阻力，使滑移变形难以进行，因此固溶体的强度和硬度提高，塑性和韧性则有所下降。这种通过溶入某种溶质元

2、素来形成固溶体而使金属的强度、硬度提高的现象称为固溶强化。固溶体的性能薛小怀副教授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。金属化合物薛小怀副教授周期表上相距较远，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。性能特点：高的硬度和脆性。弥散分布于固溶体基体中时

3、，将起到强化相的作用，使合金强化。（1）正常价化合物薛小怀副教授由第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。电子浓度指合金中化合物的价电子数目与原子数目之比。性能特点：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。（2）电子化合物薛小怀副教授由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的金属化合物。根据组成元素原子半径比值及结构特征的不同，可将间隙化合物分为间隙相和具有复杂结构的间隙化合物。（3）间隙化合物薛小怀副教授当非金属原子半径与金属原子半径比值小

4、于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相，如TiC、TiN、ZrC、VC、NbC、Mo2N、Fe2N等。性能特点：极高的熔点、硬度和脆性，而且十分稳定，是高合金工具钢的重要组成相，也是硬质合金和高温金属陶瓷材料的重要组成相。间隙相薛小怀副教授当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。如钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。Fe3C称为渗碳体，具有复杂的斜方晶格。具有复杂结构的间隙化合物薛小怀副教授具有很高的熔点、硬度和脆性，但与间隙相相比要稍低一些，加热时也易于分解。

5、这类化合物是碳钢及合金钢中重要的组成相。金属化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金属化合物为基的固溶体。具有复杂结构的间隙化合物性能特点：薛小怀副教授纯金属的结晶金属由液态转变为晶体状态的过程称为结晶或一次结晶。把一种固态转变为另一种固态称为二次结晶。液态金属一般为非晶态，并非完全无序排列，在很小范围内有序，即近程有序，远程无序。液态金属结构示意图薛小怀副教授结晶过程能量状态与温度的关系：结晶过程是一个自发过程，所以该过程是高能状态向低能状态的转变。薛小怀副教授液态金属结晶的热力学条件液态金属的结晶是系统降低自由能的自发进行的过程。系统的自由能G可

6、由下式表示：H为焓、T为绝对温度、S为熵薛小怀副教授在温度T0处GL＝GS，固、液两相处于热力学平衡状态。T0即为纯金属的平衡结晶温度。纯金属液、固两相体积自由能与温度的关系薛小怀副教授当T>T0时，GLGS，结晶才可能自发进行。这时两相自由能的差值ΔG就构成相变（结晶）的驱动力：△GL→S＝GL－GS＝（HL－HS）－T（SL－SS）。薛小怀副教授一般结晶都发生在金属的熔点附近，故焓与熵随温度的变化可以忽略不计，则有HL－HS＝L,SL－SS＝△S，其中，L为结晶潜热、△

7、S为熔化熵。当T＝T0时,△GL→S＝L-T0△S＝0，所以有△S＝L/T0。因此，可得：薛小怀副教授△T=T0-T，为过冷度。对于给定金属，L与T0均为定值，故△GL→S仅与△T有关。因此，液态金属结晶的驱动力是由过冷提供的，过冷度越大，结晶驱动力也就越大。过冷度为零时，驱动力就不复存在。所以液态金属不会在没有过冷度的情况下结晶。薛小怀副教授系统的自由能变化由两部分构成，液相与固相的体积自由能之差，它是相变的驱动力；另一部分是出现了界面使系统增加了表面能，它是相变的阻力。前者与晶胚半径的三次方成正比，后者与其平方成正比。薛小怀副教授在液体中，由于形

8、成不同半径的球形晶胚所引起的自由能变化的示意图。晶胚半径r较小时，表面能占优势；r较大时负值的体积自由能变化