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1、金属材料与热处理金属材料与热处理2015AprApr20th20th HeatTreatment大连理工大学出版社金属材料与热处理编写组金属材料与金属材料与热处理（第二版）热处理（第二版）2015年年月出版月出版 HeatTreatment大连理工大学出版社主编：王书田“十二五”职业教育国家规划教材高职高专焊接技术及自动化类课程规划教材模块四模块四 合金的相结构合金的相结构纯金属在实际中虽然得到了一定的应用，但由于纯金属除了具有较高的导电、导热性外，力学性能一般都比较低，且价格较高，因此，在工业上广泛应用的大多数都是合金合金的性能取决于组织，而组织又首先取决于合金中的相。因此，为了掌握合金的性
2、能，首先必须要了解合金的相结构及其性质。根据合金中各个元素的相互作用，合金的相结构大致可分为固溶体和金属化合物两大基本类型。工业上应用广泛的钢铁材料主要是由铁和碳组成的合金，黄铜则是由铜和锌组成的合金，青铜和硬铝等也都是合金。合金与组成它们的纯金属相比，除具有更高的力学性能外，有的还可能具有强磁性、耐蚀性等特殊性能。同时，还可以通过调节它们的组成比例来获得一系列性能各不相同的合金，用来满足工业生产中不同的需求。相结构的基本概念相结构的基本概念 一、基本概念合金：是指由金属元素与其他元素结合而形成的具有金属特性的物质。组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。组元就是组成合金的化学元素或其化
3、合物。例如，普通黄铜的组元就是化学元素铜和锌，铁碳合金的组元就是化学元素铁和碳。根据组元的数目不同，合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。由两个组元组成的合金叫作二元合金;由三个组元组成的合金叫作三元合金;由三个以上组元组成的合金叫作多元合金。相结构的基本概念相结构的基本概念 合金系：由给定组元按一定比例配制成一系列成分不同的合金，这一系列合金组成一个合金系统，简称合金系。由两个组元组成的为二元系;由三个组元组成的为三元系;由更多组元组成的为多元系。相结构的基本概念相结构的基本概念 相：物质中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态、同一性质，并以界面互相分开的、均匀的组成部分。相是物质微观
4、结构中的一个组成部分，只要化学成分、结构、性质有一方面不同，则分别是不同的相。例如水和冰，虽然化学成分相同，但是由于结构和性质不同，分别是不同的相，水是液相，冰是固相;石墨与金刚石也是如此，只不过两个全是固相。一种物质可以有许多相，同样，许多物质也可组成一个相，如盐水、糖水、空气等。相结构的基本概念相结构的基本概念 组织：合金中不同形状、大小、数量和分布不同的相组合而成的综合体称为组织。组织是相的综合体。在金属或合金中，由于形成条件的不同，各种相将以不同的数量、形状、大小互相组合，因而形成不同的组织。如果形成的组织由一个相构成，则称为单相组织;如果形成的组织由两个或两个以上的相构成，则称为多相
5、组织。合金的相结构合金的相结构二、合金的相结构合金的相结构：是指合金中相的晶体结构，也就是合金相中原子的具体排列规律。按合金组元间相互作用不同，合金在固态下的基本结构分为固溶体和金属化合物两类。合金的相结构合金的相结构1.固溶体及其分类我们知道，溶液是由溶质溶解到溶剂中形成的一个均匀系统，这个系统由于能够溶解溶质，因而称为溶体。由于外在形态是液体，故称为液溶体，习惯称为溶液。如果这个系统的外在形态是气态，则称为气溶体;显然，如果是外在形态是固体，则称为固溶体。固溶体：合金中的组元间在固态下溶解而形成的均匀相称为固溶体。与溶液一样，固溶体同样有溶质和溶剂，不过，由于金属和合金在固态下是晶体，因此
6、，固溶体也是晶体，并且保持着溶剂的晶格类型，而不管溶质原来是什么晶格类型。合金的相结构合金的相结构根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置，固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两类。（1）置换固溶体溶质原子以置换、替代的方式占据了部分溶剂晶格类型原子所处的位置而形成的固溶体，称为置换固溶体。（2）间隙固溶体溶质原子进入溶剂晶格类型的原子间隙位置而形成的固溶体，称为间隙固溶体。固溶体类型示意图合金的相结构合金的相结构按溶解度的不同，固溶体可分为无限固溶体和有限固溶体。由于溶剂晶格原子的间隙有限，因此间隙固溶体都是有限固溶体。此外，根据溶质原子进入溶剂晶格类型的位置是否有规律性，又分为有序固溶体和无序固溶体。
7、合金的相结构合金的相结构2.固溶体的性能固溶体形成后，虽然保持着溶剂原子的晶格类型，但是由于溶质原子的溶入，将会使溶剂原子的晶格常数发生变化，从而导致溶剂原子的晶格发生扭曲变形，这种晶格发生扭曲变形的现象称为晶格畸变晶格畸变会增大金属材料的变形抗力，导致材料强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。固溶体随着溶质溶解度的增加，合金的强度、硬度升高，而塑性、韧性下降。通过溶入溶质元素形成固溶体，而使金属材料的强度增加的强化方法，称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料力学性能的重要方法之一。只要适当控制固溶体中溶质的含量，就可在显著提高金属材料强度的同时，仍能保持材料具有较高的塑性和韧性。合金的相结构合金的
8、相结构3.金属化合物在合金中，当溶质的含量超过其溶解度时，合金组元之间会发生相互作用而形成一种新相。如果新相的晶体结构与溶质相同，则形成的这种新相是以原溶质为溶剂的新的固溶体; 如果这种新相的晶格类型和性能完全不同于任一合金组元，并且具有金属特性，则这个新相称为金属化合物金属化合物一般可用化学分子式来大致表示其组成。金属化合物一般都具有复杂的晶体结构、高熔点、高硬度、高脆性的特点。当合金中出现金属化合物时，将会使合金材料的强度、硬度以及耐磨性提高，但也会使材料的塑性和韧性降低。金属化合物是许多合金材料的重要组成相。合金的相结构合金的相结构根据金属化合物的形成条件和结构特点，金属化合物可分为正常
9、价化合物、电子化合物、间隙相和间隙化合物。(1).正常价化合物正常价化合物的特点:遵循一般化合物的原子价规律，成分固定，具有很高的硬度和脆性，可用化学分子式表示。如果能够弥散分布于固溶体中，可以起到强化相的作用。如铝镁硅合金中的强化相Mg2Si就是正常价化合物。(2).电子化合物电子化合物是按照一定价电子数与原子数的比值，即电子浓度形成的具有某种晶体结构的化合物。电子化合物也具有很高的硬度和脆性，可用化学分子式表示，但成分却可以在一定范围内变化。电子化合物也是合金、特别是非铁合金中的重要强化相。如黄铜中的CuZn、Cu5Zn8就是电子化合物。合金的相结构合金的相结构(3).间隙相当原子半径较小
10、的非金属原子与金属原子形成化合物时，如果非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59，形成具有简单晶体结构的化合物称为间隙相。间隙相有M4X、M2X、MX、MX2四类化学分子式，其中M代表金属原子，X代表非金属原子。间隙相具有极高的硬度和熔点，是合金钢、硬质合金、高温金属陶瓷材料的重要组成相。应特别注意的是:间隙相与间隙固溶体是完全不同的相，间隙相是一种金属化合物，晶体结构不同于其组元，而间隙固溶体是固溶体，保持着溶剂的晶格类型，两者不能混淆。合金的相结构合金的相结构(4).间隙化合物当原子半径较小的非金属原子与金属原子形成化合物时，若非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59，形成具有复杂
11、晶体结构的化合物称为间隙化合物间隙化合物具有很高的硬度和熔点，是合金中的强化相。如铁碳合金中的Fe3C;合金钢中的Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C、Fe2B;高速钢中的WC、VC等都是间隙化合物。金属化合物是合金中的重要强化相，其作用与金属化合物的形状、大小、数量以及分布有关。当金属化合物呈细小颗粒状均匀分布在固溶体基体上时，将会使合金的强度、硬度和耐磨性得到明显提高，这一现象叫作弥散强化。合金的相结构合金的相结构材料的化学成分（组元）决定了合金中可能形成的相，相的晶体结构决定了相的性能特点，而相是构成组织的最基本的组成部分，当相的种类、大小、形态、数量与分布不同时就会构成不同的组织，组织是相的综合体。金属材料的最终组织决定了其性能，因此，我们可以通过控制金属材料的化学成分来控制形成的相，通过控制相的种类、大小、形态、数量与分布来控制组织，通过控制组织来改变金属材料的性能，这就是热处理可以改变金属材料性能的本质。
