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1、1/40,二元合金与相图,本章重点:了解固态合金的相结构与相图；了解合金的性能与其组织、结构之间的关系。,2/40,合金(alloy)：通过熔炼、烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质。组元(constituent)是组成合金独立的、最基本的单元，简称元。组元可以是金属、非金属或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个或三个以上的组元组成的。合金称为多元合金。例如在铁碳合金中，纯铁和碳都是组元；上述合金中铜与锌及铝、铜与镁等元素也都是合金的组元。,合金系：是指有相同的组元，而成分比例不同的一系列合金。,3/40,在人类生活及生产中纯
2、金属的使用十分广泛。各种导电体、装饰品、工艺品、各种器皿等，其应用主要是利用了这些纯金属所具有的优良的导电性、导热性、化学稳定性及美丽的金属光泽等性能。但是几乎各种纯金属的机械性能都比较差，不宜制作对机械性能要求较高的各种机械零件和工具。另外，纯金属的种类有限(约为79种)，且提炼困难，价格昂贵，因此单靠纯金属无法满足人们对金属材料的需求。通过配制不同成分的合金，可以显著改善金属材料的结构、组织(structure)和性能。目前人们所配制的合金达数万种之多，合金的性能不仅在强度、硬度等机械性能方面比纯金属高许多，而且某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理化学性能。因此，合金材料的应用比纯
3、金属要广泛得多。,4/40,目前在合金的生产中应用得最多的是熔炼法。将按照一定配比组合在一起的合金组元加热熔化成均匀一致的合金溶液。然后把合金溶液温度降低，使其结晶。合金的结晶同样遵循生核与核长大的结晶基本规律，所不同的是，由于在合金中组元原子之间相互发生作用，使得合金结晶后生成的结晶产物是含有两种或多种元素的小晶体(晶粒)，小晶体相互之间有界面(晶界)分开。在固态合金中，这些由多种元素构成的小晶体的化学成分和晶体结构可以是完全均匀一致的，也可以是不一致的。,2.1 固态合金相结构,合金是如何生产的？,5/40,在金属或合金中，凡成分相同，结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，称之为相
4、(phase)。若合金是由成分和结构都相同的同一种晶粒构成，称合金含有一种相，为单相(图31)；,固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性，可以分为固溶体和化合物两类。,若合金是由成分、结构互不相同的几种晶粒构成，称合金含有几种相，为多相(图32)。在固态下，合金可以是单相的，也可以是多相的。,6/40,合金组元通过溶解形成的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(solid solution)。与固溶体晶格相同的组元即结构被保持的组元，称之为溶剂，一般在合金中含量较多；溶入溶剂的元素即结构被破坏的其余组元称之为溶质，一般含量较少。在合金系统中，人们习惯上常按照某种顺序(例
5、如按固溶体的浓度，或按固溶体稳定存在的温度范围等)用希腊字母、来表示不同类型的固溶体，并称为固溶体、固溶体等等。,2.1.1 固溶体,7/40,(1)固溶体的分类 按照溶质原子在溶剂原子晶格中所占有的位置，将固溶体分成置换固溶体与间隙固溶体两种类型。,间隙固溶体是指溶质元素原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点上原子的位置，而是嵌入晶格的间隙之中(右图)。,置换固溶体是指溶剂晶格的某些结点上的原子被溶质原子所代替(右图)；,8/40,按溶质原子在溶剂中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。固溶体中溶质的含量即为固溶体的浓度，一般用质量百分比表示，也可以用原子百分比表示，其具体数值(以C表
6、示)为：,质量百分比：,在一定条件下，溶质在固溶体中的极限浓度即为溶质在固溶体中的溶解度。 通常溶质元素在固溶体中所能达到的极限浓度不可能是100%，即其溶解度是有一定限制的，这种固溶体称为有限固溶体；但在某些元素之间可以形成任何成分比例的固溶体，即溶质的溶解度可以达到100%，这种固溶体称为无限固溶体。,原子百分比：,9/40,按溶质原子在固溶体中分布是否有规律，,在一定条件(如成分、温度等)下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体，这种转变称为有序化。,无序固溶体：有序固溶体：,固溶体分类,溶质原子无规则地分布在溶剂晶格中，称为无序固溶体；如：铜镍置换固溶体,某些合金中，由于缓冷或在某一
7、温度下长时间停留，溶质原子有规则地分布在固溶体中，称为有序固溶体。如铜金合金在缓冷后，一组晶面上分布着铜原子，而另一组晶面上分布着金原子，在每个晶胞中有二个铜原子二个金原子且按层有序分布。,10/40,只有当两种金属的原子数成一定的比例，如 1:1(CuAu)或3:1(Cu3Au)时，才有可能形成这种有序排列，有序固溶体实际上是无序固溶体与金属间化合物的过渡相，当固溶体从无序转变为有序排列时，合金的硬度、脆性将显著地增加。 根据组元相互之间的溶解能力，可形成无限固溶体，也可形成有限固溶体。只有当组元之间的原子能够无限地相互代替时才能形成无限固溶体。 因此形成无限固溶体主要取决于下列条件：,11
8、/40,形成固溶体的各组元应具有相同类型的晶体结构。表3-1列出了能形成无限固溶体的金属。 两组元应具有相近的原子结构，相差不超过一个价电子，并且在元素周期表中的位置相距很近。 两组元的原子半径(或晶格常数)之差不超过15%；而铁基合金中，只有当它们的原子半径之差不超过8%时，才形成无限固溶体。,影响固溶体类型和溶解度的主要因素有组元的原子半径、电化学特性和晶格类型等。 原子半径、电化学特性接近、晶格类型相同的组元，容易形成置换固溶体，并有可能形成无限固溶体。当组元原子半径相差较大时，容易形成间隙固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体，并且一定是无序固溶体。无限固溶体和有序固溶体一定是置换固溶体。,
9、12/40,(2)固溶体的性能 固溶体中随着溶质原子的溶入，不论是置换固溶体还是间隙固溶体，都会产生一定程度的晶格畸变。,晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度、硬度提高的现象，称为固溶强化(solution strength)。固溶强化是金属强化的一种重要形式。,13/40,固溶体的机械性能很好，常被用作结构合金的基本相。在工业上大量应用的耐腐蚀材料、高电阻的电工材料、高磁导率的软磁材料等都采用固溶体合金。单纯的固溶强化所达到的最高强度指标仍然有限，常常不能满足人们对于结构材料的要求，因而不得不在固溶强化的基础上再补充进
10、行其它强化处理。,14/40,合金组元相互作用形成的晶格结构和特性完全不同于任一组元的新相称为化合物(compound)，或称中间相。 例如碳钢中的Fe3C，黄铜中的相(CuZn)。 具有相当程度的金属键及一定的金属性质的化合物称为金属化合物，是一种金属物质； 具有离子键，没有金属性质的化合物，称为非金属化合物，如：钢中FeS及MnS属于一般化合物。 在合金中，金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，而非金属化合物是合金原料或熔炼过程中带来的杂质，它们数量虽少，对合金性能影响却很坏，因而是不希望有的，一般称为非金属杂质，需要去除。,3.1.2金属化合物：,15/40,金属化合物一般具有复杂的晶
11、格结构，熔点高，硬而脆。合金中含有金属化合物时，合金强度、硬度和耐磨性提高，而塑性、韧性降低。金属化合物是各类合金钢、硬质合金和许多有色金属的重要组成相。金属化合物种类很多，常见的金属化合物根据其形成条件及结构特点，主要有以下几类。 (1)正常价化合物,正常价化合物(valence compound)的特点是：严格遵守化合物的原子价规律，成分固定并可用化学式表示。 它们是由元素周期表中相距较远、电化学性质相差较大的两种元素组成。正常价化合物具有很高的硬度和脆性，当它在固溶体基体上合理分布时，将使合金得到强化，起着强化相的作用。,16/40,(2)电子化合物电子化合物(electron comp
12、ound)不遵守化合价规律，而是服从电子浓度(化合物中价电子数与原子数之比)规律，它们由B族或过渡族元素与B族、A族、A族、A族元素所组成。一定电子浓度的化合物相应具有确定的晶体结构。,例如：强金属元素与非金属或类金属元素(Sb、 Bi、 Sn、 Pb等)形成的化合物 Mg2Si、 Mg2Sn、 Mg2Pb等。正常价化合物化学成分固定，一般不会形成以化合物为基的固溶体。它常被用作铝合金、青铜等材料的强化相。,当电子浓度为21/14、21/13、21/12时，则分别形成体心立方的电子化合物(相)、复杂体心立方的电子化合物(相)，密排立方体(相)。,17/40,这类化合物的主导因素是合金的电子浓度
13、，故称为电子化合物。应当指出，电子浓度并不是决定电子化合物结构的唯一因素，组成元素的原子大小及其电化学性质对其结构也有影响。,可用化学式表示，实际上是一个成分可以在一定范围内变动的相，可以溶解一定的组元，形成以电子化合物为基的固溶体。因此，电子化合物的成分通常不是一个固定值，而是具有一个成分范围。例如在Cu-Zn合金中，相(CuZn)的含Zn量可以从36.8%到56.5%。电子化合物的原子之间为金属键结合，具有明显的金属特性，它的熔点和硬度都很高，但塑性较低，不适合作合金的基体，但却是合金特别是有色金属中的重要组成相，与固溶体适当配合，可以使合金获得良好的机械性能。,18/40,(3)间隙化合
14、物间隙化合物(interstitial compound)是过渡族金属元素与氢、氮、碳、硼等原子半径较小的元素形成的金属化合物。形成间隙化合物的尺寸条件是：形成间隙化合物的非金属原子半径与金属原子半径的比值应0.59。应当指出：间隙化合物与间隙固溶体是两个完全不同的概念，间隙化合物是一种化合物，它具有与其组元完全不同的晶体构造。,19/40,间隙化合物通常都用下列分子式表示：Me4X(Fe4N，Nb4C)，Me2X(Ta2C，W2C，Mo2C)，MeX(WC，TiC，TiN)，MeX2(TiH2，ZrH2)等。Me表示金属原子，X表示非金属原子。通常间隙化合物的分子式与其所具有的晶格类型之间有
15、一定的对应关系，见表35。间隙化合物Me2X(如W2C等)内的金属原子大多形成密排六方结构；间隙化合物MeX中的金属原子形成面心立方结构(如TiC)，体心立方结构(如TaH、NbH)或简单立方结构(WC、MoN)；间隙化合物MeX2(如ZrH2)中的金属原子形成面心立方结构。,间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度，非常稳定，它们的合理存在，可有效地提高合金的强度、热硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金的重要组成相。,20/40,(4)复杂晶格金属化合物(intermetallic compound)许多常见的金属化合物如Fe3C，Mn3C等既不符合正常价化合物的化合条件，也不符合电子化合物或间
16、隙化合物的形成规律，它们是结构比较复杂的金属化合物。,Fe3C是钢中最重要的一种具有复杂结构的间隙化合物，其碳原子直径与铁原子直径之比为0.61。渗碳体具有复杂的斜方晶格，如图所示。在渗碳体中Fe原子C原子的比例为3:1，因而这种金属化合物用Fe3C来表示。铁原子可以部分地被锰、铬、钼、钨等金属原子所置换，形成以渗碳体为基的固溶体，如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C等等，称为合金渗碳体。,21/40,绝大多数工业合金，其组织如果仅由一种固溶体组成，往往由于强度不够而很少使用；如果仅由一种化合物构成，则会造成硬度太高，脆性太大而无法使用。实际上工业合金绝大多数是以固溶体为基体加上化合物(一种或多种)所构成的机械混合物。通过调整固溶体的溶解度和分布于其中的化合物的数量、大小和分布可以使合金的机械性能在一个相当大的范围内发生变化，从而满足不同的要求。那么，某种成分的合金在某一温度下会形成何种相，相的数量、大小和分布情况如何，合金系随着成分、温度的变化，它的组织和性能会发生什么样的变化等等，了解了相图就可以回答这些问题。, 2.2 二元合金相图的建立,
