《金属材料与热处理》单元2　金属的晶体结构与结晶 教学课件.pptVIP

一、基本概念合金所谓合金就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）经过冶炼、烧结或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。合金不仅具有较好的综合机械性能，而且价格比纯金属低廉，故应用更为广泛。给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，构成一个合金系。组元组成合金最基本的、独立的单元称为组元。由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金，以此类推。相合金中的相是指具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分。固态下只有一个相的合金称为单相合金，由两个或两个以上相组成的合金称为多相合金。4.组织合金的相可以以不同数量、形状、大小和分布方式组合，构成在显微镜下观察到的不同组织。所谓组织，指的是肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布和各相之间的组合状态。二、固溶体一组元（溶剂）保留自己的晶格类型，另外的组元（溶质）以原子形式进入其中形成的相称为固溶体。按照溶质原子在溶剂晶格中的配置情况即所占位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两类，如图2-18所示。1.置换固溶体置换固溶体是指溶质原子占据了部分溶剂原子晶格中的某些结点位置而形成的固溶体，如图2-18（a）所示。置换固溶体通常是溶质原子任意分布的无序固溶体；在一定条件下少数合金（如Cu-Au合金）的溶质原子会以一定的比例按一定规律分布在溶剂晶格结点上，这种固溶体称为有序固溶体（或称超结构）。金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但固溶能力相差悬殊。根据溶质原子在溶剂中的溶解能力，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。通常固溶体的溶解度是有限的，这类固溶体称为有限固溶体；而不存在极限浓度限制的固溶体为无限固溶体，也称为连续固溶体，这类固溶体中各组元可按任意比例相互溶解。大量试验表明，大多数合金只能有限固溶，只有两组元的晶格类型相同，原子半径相差很小，原子结构相同时，才可以无限互溶，形成无限固溶体。此外，固溶度还与温度有关，温度越高，固溶度越大。2.间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格中各结点之间的间隙所形成的固溶体为间隙固溶体，如图2-18（b）所示。实践证明只有当溶质原子半径与溶剂原子半径之比r质/r剂＜0.59时，才可能形成间隙固溶体，两者大小相当时则易形成置换固溶体。无论是置换固溶体，还是间隙固溶体，溶质原子的溶入必然导致溶剂晶格的畸变，增加位错运动的阻力，提高合金的强度和硬度，这就是典型的固溶强化现象。只要能适当控制固溶体中溶质的含量，固溶体能在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。可见固溶强化是金属材料，特别是有色金属材料的主要强化手段之一。在物理性能方面，随着溶质原子浓度的增加，固溶体的电阻率下降，电阻升高，电阻温度系数减小。因此工业上应用的精密电阻或电热材料，如铁铬铝电阻丝等都广泛采用单相固溶体合金。三、金属化合物金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的具有金属特性的一种新相，又称中间相，金属化合物的熔点一般较高，性能硬且脆。当金属化合物在固溶体上弥散分布时能阻碍位错的运动，使合金的强度、硬度耐磨性等得到很大的提高，但同时也降低了合金的塑性和韧性，这就是所谓的弥散强化现象。金属化合物是各类合金钢、硬质合金及其他有色金属的重要组成相。相比纯金属，合金的凝固过程趋于复杂，合金的结晶在遵守结晶的基本规律的基础上，具有的特点主要包括两方面：一方面合金的结晶基本上是在一定温度范围内完成的，而不是在恒温下进行的。在一个合金系中，不同成分的合金的结晶温度的起止点是不同的。合金的组织不仅随成分的不同而不同，还会随温度的变化而发生变化。显然，仅用简单的冷却曲线已经无法清楚地表达合金的结晶过程，因此我们引入了相图的概念。相图是指合金系在平衡条件（等温、等压、等容）下，合金的状态与成分、温度与相之间相互关系的图形。一、二元合金相图的建立二元合金相图可以看成是由合金系中若干不同成分的合金的冷却曲线合并而成的，通常用热分析法建立。现以Ni-Cu二元合金为例说明合金相图的建立方法与步骤。配置若干组成分不同的Ni-Cu合金并将其熔化。图2-19（a）给出的是100%Ni、80%Ni+20%Cu、60%Ni+40%Cu、40%Ni+60%Cu、20%Ni+80%Cu以及100%Cu的冷却曲线。由图2-19（a）可见，合金的凝固是在一定温度范围内进行的，温度较高的转折点（临界点）表示结晶的开始温度，而温度较低的转折点对应的是结晶的终结温度。二、杠杆定律二元合金相图中，为了方便称呼，往往在各自区域写