金属材料与热处理 教学课件 作者 李炜新第四章 合金的晶体结构与结晶.ppt

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1、第四章合金的晶体结构与结晶一般来说，纯金属具有良好的导电性、导热性、塑性和美丽的金属光泽，在人类生产和生活中获得了广泛应用。但由于纯金属种类有限，提炼比较困难，力学性能较低，因此无法满足人们对金属材料提出的多品种、高性能的要求。工程上大量使用的金属材料都是根据实际需要而配制的成分不同的合金，合金具有比纯金属更高的力学性能和某些特殊的物理、化学性能，如碳钢、铸铁、黄铜等。第一节合金的基本概念合金是由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。组元通常是纯元素，也

2、可以是稳定的化合物。合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。由相同组元构成的成分不同的合金组成了一个合金系统，简称为合金系。合金系也可以分为二元系、三元系和多元系。纯金属可以看成是合金的一个特例，只有一个组元，称为单元系。合金中成分和结构都相同的组成部分称为相。相与相之间具有明显的界面，称为相界面。第二节合金的晶体结构如果将合金加热到熔化状态，组成合金的各个组元可以相互溶解形成均匀的、单一的液相，但经冷却结晶后，由于各个组元之间的相互作用不同，在固态合金中将形成不同的相，其原子排列方式也不相同。相的晶体结构称为相结构，合金中的

3、相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。一、固溶体当合金由液态结晶为固态时，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。固溶体的晶体结构与其中某一组元的晶体结构相同，而其它组元的晶体结构将消失。能够保留晶体结构的组元称为溶剂，晶体结构消失的组元称为溶质。固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体两种。1．间隙固溶体若溶质原子在溶剂晶格中并不占据结点位置，而是处于各结点间的空隙中，则这种形式的固溶体称为间隙固溶体，如图4–1a所示。2．置换固溶体若溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格中的某些结点位置，则这种形式的固溶体称为置换固溶体，

4、如图4–1b所示。3．固溶体的性能由于溶质原子的溶入，引起固溶体晶格畸变，如图4–2所示，使位错移动时的阻力增大，变形抗力增加，结果金属的强度、硬度提高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，从而使金属材料的强度和硬度提高的现象，称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料力学性能的一种重要途径。对于综合力学性能要求较高的结构材料，几乎都是以固溶体作为最基本的组成相的。但单纯固溶强化的强化效果有限，还须在固溶强化的基础上补充进行其它的强化处理。二、金属化合物凡是由相当程度的金属键结合，并具有明显金属特性的化合物，称为金属化合物。金属化合物是

5、金属材料中的一个重要组成相，如碳钢中的渗碳体（Fe3C）、黄铜中的β相（CuZn）等都是金属化合物。凡是没有金属键结合，并且又没有金属特性的化合物，称为非金属化合物，如碳钢中依靠离子键结合的FeS和MnS都是非金属化合物。非金属化合物对合金性能的影响较坏，故又称为非金属夹杂物。金属化合物的晶体结构与组成化合物的各组元的晶体结构完全不同，如图4–3所示。金属化合物的熔点较高，性能硬而脆，在合金中存在时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会使合金的塑性、韧性降低。金属化合物的种类很多，常见的有以下三种类型：1．正常价化合物这类

6、金属化合物通常是由金属元素与化学元素周期表中第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ族元素组成的，如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等，其特点是成分固定不变。2．电子化合物这类金属化合物是按一定电子浓度形成具有一定晶格类型的化合物。如β相（CuZn）、γ相（Cu5Zn8）、ε相（CuZn3）。电子化合物的特点是成分可以在一定范围内变化。3．间隙化合物间隙化合物一般是由原子直径较大的过渡族金属元素（铁、铬、钼、钨、钒等）与原子直径较小的非金属元素（氢、碳、氮、硼等）组成的。间隙化合物的晶体结构特征是：直径较大的过渡族金属元素的原子占据了新晶格的正常结点位

7、置，而直径较小的非金属元素的原子则有规律地嵌入晶格的空隙中，因而称为间隙化合物。间隙化合物一般分为晶体结构简单的间隙化合物和晶体结构复杂的间隙化合物两类。晶体结构简单的间隙化合物又称间隙相，如VC、WC、TiC等，而合金钢中的Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C等均属于晶体结构复杂的间隙化合物。三、合金的组织组织和结构是有区别的，主要表现在它们的尺度不同。组织是显微尺度的，是指在金相显微镜下所观察到的金属的内部情景；结构是原子尺度的，是指金属中原子的排列方式。合金在室温下可以同时存在几种晶体结构，即可以多相共存，因而合金的组

8、织比纯金属复杂得多。纯金属、固溶体和金属化合物是组成合金的基本相。工业上使用的大多数合金的组织都是由固溶体和少量的金属化合物组成的混合物，混合物中各个相仍然保持着各自的晶体结构和性能。第三节二元合金相图合金的组织及其形成过程比纯金属的复杂。那么，一定成分的合金在一定温度下会形