工程材料学 第2章.ppt

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1、第2章合金的相结构与二元合金相图1§2-1固态合金中的相结构合金：由两种或以上金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。组元：组成合金的独立的最基本的单元（一般是一种元素或一种稳定的化合物）。相：具有相同化学成分、相同晶体结构和相同的物理或化学性能，并与该合金系统其它部分有明显分界的均匀组成部分。组织：用显微镜观察到的材料的微观形貌。2组织相1：Ni相2：Cu-10Sn明显的分界合金组元1：Cu组元2：Sn图片出自：胥橙庭,沈以赴,顾冬冬.稀有金属材料与工程,2005,34:341-344.3按照合金中组元原子的存

2、在方式，合金可分为两类基本的相结构：固溶体和金属间化合物。(1)固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A（B）。A：溶剂；B：溶质。4①固溶体的分类——无序固溶体——有序固溶体分布有序度——无限固溶体——有限固溶体溶解度原子半径较小间隙固溶体晶格类型相同，原子半径相差不大，电化学性质相近置换固溶体溶质原子的位置5置换固溶体示意图间隙固溶体示意图6②固溶强化由于溶质原子溶入溶剂晶格中产生晶格畸变，以及对位错的钉扎作用，阻碍了位错的运动，而造成材料强度、硬度升高，塑性和韧性没有明显降

3、低。溶质原子溶入→晶格畸变→位错运动阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。形成固溶体时的晶格畸变7图片出自：W.P.Tong,N.R.Tao,Z.B.Wang,J.Lu,K.Lu.NitridingIronatLowerTemperatures.SCIENCE299(2003)686-688.固溶强化SCIENCE纳米化表层(10μm)FeN2ε-Fe2~3N相(颗粒)固溶强化8(2)金属间化合物金属间化合物是合金组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物——中间相。两组元有一定

4、比例，可用化学式AmBn表示。特点：金属间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。9①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，SiC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。10SiC-particulatereinforcedAlmetalmat

5、rixcomposite(MMC)Ni-P/SiCCo-P/SiC图片出自：EwaRudnik.Surf.CoatTechnol.202(2008)2584.11②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。电子化合物的结构取决于电子浓度，当电子浓度为3/2时，晶体结构为体心立方晶格，称为β相；电子浓度为

6、21/13时，晶体结构为复杂立方晶格，称为γ相；电子浓度为7/4时，晶体结构为密排六方晶格，称为ε相(Epsilon)。1213③间隙化合物间隙化合物是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两类：14(A)间隙相：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。如：M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)等。VC的结构VC面心立方晶格，V原子占据晶格正常位置，而C原子规则分布在晶

7、格的空隙之中。这类化合物还可相互溶解，结构相同的两种化合物之间甚至可以形成无限互溶，如ZrC-TiC，TiC-VC，ZrC-NbC。15间隙相具有极高的熔点、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。抛光WC断口WC抛光WC-1VC断口WC-1VC抛光WC-4VC抛光WC-12VC图片出自：S.G.Huang.Int.J.RefractoryMetalHardMater.26(2008)256.16纯Ti表面合成TiC-ZrC涂层图片出自：D.Ferro.Surf.

8、CoatTechnol.202(2008)1455.17(B)具有复杂结构的间隙化合物当0.7>r非/r金>0.59时形成复杂结构间隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其中Fe3C称渗碳体，是钢中重要强化相，具有复杂斜方晶格。Fe3C的晶格18类型简单结构间隙化合物复杂结构间隙化合物化学式TiCZrCVCN