第十章常用金属材料的种类、性能特点及应用(1)合金化原理.pptVIP

中南大学 金属材料热处理 MSE___材料科学与工程学院 第十章 常用金属材料的种类、 性能特点及应用（1） 10.1.1 金属材料合金化原理引论 在实际应用中，多数场合下纯金属无法满足所要求的性能。为此，向金属基体中添加合金组元以改善材料性能。由于合金中各组元间存在着复杂的物理和化学作用，会出现许多成分、结构各异的合金相。绝大多数实用的合金是固溶体或以固溶体为基。 合金元素加入后，在合金中的存在形式或者作用（不同相图） 10.1 金属材料合金化原理 Ti3Al: hp8 TiAl: tP4 Al3Ti: tI8 三者均为有序结构相 1.合金相形成规律 合金相的形成与相应相的能量有关，取决于多种因素： 所有元素的原子尺寸 不同类型原子间的化学性质 每种原子的电子数目等。 没有一种理论可以全面解释所有合金中相的形成规律。 对于1价的Cu、Ag、Au等基体与高价溶质元素形成的合金系，Hume- Rothery的电子浓度规则能很好地揭示合金相的形成规律，如Cu-Zn中： 电子浓度e/a 1.4 1.5(3/2) 1.615(21/13) 1.75(7/4) 合金相 ? ?黄铜 ?黄铜 ε黄铜 相结构 fcc bcc 复杂立方 hcp 举例： ?-AgZn, ?-CdZn等 不同温度不同结构 Cu3Al，Cu9Al4等为电子化合物，有成分范围，为固溶体 δ-Cu31Sn8，?-Cu5Sn也为电子化合物固溶体，复杂立方 电子浓度并不是决定合金相结构的唯一因素。 2. 电负性的影响： 当两种元素间，电负性差较大时，易形成化合物。这种差别越大，每个原子获得8个异类近邻原子的机会越大，越易形成等原子数的体心立方结构。 例：Ag-Cd, Ag-Mg, Au-Cd, Au-Mg等体系 3. 元素的原子尺寸差异的影响： Hume-Rothery指出，对于简单的合金体系，液相线的降低（共晶温度的降低）取决于溶剂与溶质间的原子尺寸差。该差值越大，温降越大，共晶温度就越低，如： Ag-RE, Au-RE中富Ag, Au端的共晶温度随稀土原子半径增大线性降低，直到稀土原子半径达到1.75埃（此时溶剂与溶质原子尺寸差达到21%），共晶温度才近乎不变。 此外，原子尺寸因素同样影响中间相的稳定性。 4. 对于B族金属，其合金化过程由于d电子参与反应，它们的化合价不明确，因而上述电子浓度规则不再适合，应以平均族数规则代替。 10.1.2 合金相结构 从组元原子冶金结合前后结构的变化分为溶体相、中间化合物相； 按在相图上所在位置分：端际固溶体相、中间相 常规相 另外：准晶相（Cu-Al-Fe-Co系等）、非晶相（Cu-Zr-Ti系等） 1 固溶体（Solid-Solution） a. 置换式固溶体Substitution及其影响因素： 连续固溶体和有限固溶体，有序固溶体和无序固溶体。 影响固溶度的因素： 温度是最重要的因素； 结构因素：元素结构相同是形成无限固溶体的先决条件 尺寸因素：晶格畸变 电子浓度因素：高价元素易溶于低价元素；低价较不易溶于高价。注意：电负性差不能太大。 Hume-Rothery总结Ag, Cu基固溶体的数据，提出了尺寸因素对固溶度影响的经验规律：当溶剂原子与溶质原子半径相差大于14-15%时，不利于大溶解度范围固溶体形成。 b 间隙式（Interstitial Solid-Solution） 当溶质与溶剂原子半径之比小于59%时才有可能形成间隙式固溶体。 但该规律不适用于稀土元素。 一般来说，N、O、H、C、B 易作为溶质原子融入过渡族金属中，形成间隙式固溶体。间隙式固溶体产生非对称性畸变，其固溶强化大于置换式固溶体中的强化效果。 2 中间化合物相（通常称为金属间化合物） 影响相结构稳定性的主要因素可归纳为以下五种： 原子尺寸因素 原子序数因素 结合能因素 电化学因素 价电子因素（电子浓度因素） 另外，Peceifor认为还应加上一个因素：角价电子因素。 其中，结合能因素决定形成金属间化合物的倾向，形成焓为负才可能形成金属间化合物，越负，化合物熔点越高；原子尺寸、电负性、价电子不仅影响化合物的形成倾向，还对晶体结构产生影响。 除固溶体以外的固态合金相，结构不同于组成该相的任何组元的结构，位于相图中间。按化学配比分可变成分和计量比化合物；按形成条件和结构特征分正常价（电负性起主导作用）、电子化合物（电子浓度起主导作用，如：? 黄铜相）、 间隙相和间隙化合物、拓扑结构化合物（原子半径其主导作用，如： Laves相、σ相）。 价电子化合物：组元具有正常的原子价，组元间以离子键或共价键结合，