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二元合金的结构与结晶

二元合金的结构与结晶

纯金属虽然有一定的优点（举例），但它们的力学性能太低，不能作为工程材料来使用；而且它们提炼困难、价格较高。所以在工程中大量使用的金属材料是合金，合金冶炼方便、价格

摘要
二元合金的结构与结晶

关键词：二元合金,结构,结晶,电炉丝,变形共晶,机械性能,固溶,溶解,

二元合金的结构与结晶
 　 纯金属虽然有一定的优点（举例），但它们的力学性能太低，不能作为工程材料来使用；而且它们提炼困难、价格较高。所以在工程中大量使用的金属材料是合金，合金冶炼方便、价格低，能够通过合金化或热处理来改变组织结构，使性能在很大的范围内调整，从而能够满足人们对金属材料多品种、高性能的要求。
第一节 合金的相结构
一、 基本概念
1、 合金
2、 组元
3、 合金系
4、 相*
5、 组织*
  合金的性能比纯金属好，就是因为其晶体结构与纯金属不同。合金的改组是由组织结构决定的，而组织又是由相组成的，所以合金的晶体结构实际上就是相的晶体结构，简称为合金的相结构。
合金中有二种相：固溶体和金属化合物。
二、固溶体
 　 举例说明固溶体的概念。
 　 固溶体中溶剂和溶质的概念。
  　固溶体的晶体结构保持溶剂的晶体结构，如Zn溶液入Cu中形成固溶体，Cu为溶剂，为面心立方晶格，Zn为溶质，所以该固溶体的晶体结构为面心立方晶格。
　　1、分类：置换固溶体、间隙固溶体；
有限固溶体、无限固溶体；
　　2、 溶解度：简明扼要地讲。
　　3、 性能：溶质溶入后，造成晶格畴变，引起固溶强化（重要概念）；
　　固溶强化的实际意义：是金属材料最本的强化方式；
　　其它性能变化：电阻升高，耐腐蚀性下降；但在温度变化时，固溶体的电阻变化不大，所以固溶体合金适合作为电炉丝，如常用的Fe-Cr-Al电炉丝。
　　4、 用途：合金中的基本组成相；单相固溶体合金具有较好的塑性和韧性；
三、金属化合物金属化合物是组元间形成的具有复杂结构的相，它的结构不同于任何组元，具有金属性质，可用分子式表示。
　　6、 分类：正常价化合物、电子价化合物、间隙化合物，在钢中常见的是间隙化合物，如TiC、WC、Fe3C等；
　　7、 性能：熔点高，硬而脆，尤其是间隙化合物。如TiC的熔点达3410℃，硬度为2850HV；
　　8、 用途：金属化合物在钢中一般作为强化相使用，它可使强度、硬度升高，但数量不能太多，否则使力学性能下降。
四、合金中的组织类型
　　一般有两种，即单相固溶体型和多相混合物型，后一种比较多见。
第二节 二元合金相图的建立
　　相图是金属学中的一个重要的概念，又称合金状态图、平衡图；它能表示合金的状态和相组成与成分、温度之间关系的图解。利用相图可以知道：
　　1、 任何成分的合金在任何温度下所处的状态和相组成；
　　2、 在成分或温度变化时，合金状态和相组成的转变规律；
　　相图是铸、锻、焊、热处理等热加工工艺的重要理论工具。
　　一、二元合金相图的表示方法
　　平面图形，纵轴表示温度，横轴表示成分，如图所示；横坐标上任何一点表示一合金的成分，如a；图内任何一点表示一定成分合金在一定温度下的状态，如b点。
　　二、相图的测绘方法
　　相图是由实验测定的，常用的方法有热分析法、膨胀法、X-Ray法等。用幻灯讲解用热分析法测相图的步骤。同时在讲解中注意阐明相图中一些线、点的含义。
　　第三节 二元匀晶相图
　　二组元在液态无限溶解，在固态无限固溶，并形成固溶体的二元合金系所形成的相图，称为二元匀晶相图。具有这类相图的二元合金系主要有：Cu-Ni，Fe-Cr，Ag-Au，W-Mo，Nb-Ti，Cr-Mo，Cd-Mg，Pt-Rh等。这类合金在结晶过程中都是从液相中结晶出单相的固溶体，这种结晶过程称为匀晶转变。
可以这么说，几乎所有的二元合金相图都包含有匀晶转变部分，所以掌握这一类相图是学习二元相图的基础。
　　Cu-Ni合金相图是最典型的匀晶相图，以下以Cu-Ni合金为例进行讨论。
　　一、相图分析
　　该相图非常简单。组元为Cu和Ni，在成分轴的两端。相界线只有液相线和固相线，液相线以上全为液相L，固相线以下全为固相α相，液相线和固相线之间为液相和固相的两相平衡共存区。相区有L和α两个单相区，一个L+α的两相区。
 
　　二、结晶过程分析
　　就是分析合金自高温向低温冷却时状态和相组成的变化情况，先作一条成分线，并将万分线与相图的交点自上而下用阿拉伯数字标明，如上图；然后一步一步分析。上图中含Ni45%的Cu—Ni合金的结晶过程是：L-------L+α---------α，结晶后的室温平衡组织为单相α固溶体。
Cu—Ni合金的结晶与纯金属的结晶有一些不同，重要的一点，Cu—Ni合金不是在恒温下结晶的，而是在一个温度范围内完成的，在结晶过程液、固二相的含量和成分都在发生着变化 。
　　三、枝晶偏析
　　合金中万分不均匀的现象称为偏析。
　　在实际生产过程中，由于冷却速度比相图规定的大，所以造成原子扩散不充分，使先后结晶的固溶体成分不同，因为固溶体的长大一船为枝晶长大，这种不同主要表现在枝干和分枝之间，故称为枝晶偏析。例如在Cu—Ni合金中，先结晶的α含Ni多，而后结晶的α含Cu多。
　　偏析会造成合金性能的不均匀，如果发生了，就必须消除，常用的方法是扩散退火，也称均匀化退火，就是将合金在固相线以下温度长时间保温，使原子充分扩散，达到成分均匀的目的。
 
第四节 二元共晶相图
　　定义：二级元在液态下能无限溶解，在固态下只能有限溶解，并能发生共晶转变的合金相图，称为二元共晶相图，如Pb—Sb、Pb—Sn、Al—Si等合金。下面以Pb—Sn合金相图为例进行分析。
　　一、相图分析
　　先说明两个相：α和β；点：A点是Pb的熔点；B点是Sn的熔点；这两个金属的熔点都有比较低，所以常用于保险丝或钎焊丝。
　　D、E、F、G点，它们是几个溶解度点，因为固溶体的溶解度随温度发生变化 。
　　C点是共晶点，在C点含61.9%Sn的Pb—Sn合金发生共晶转变,转变式为:
　　Lc (α+β),
　　这种在一定温度下,由一定成分的液相同时结晶出两个不同固相的转变称为共晶转变,转变的产物称为共晶体或共晶组织,常用括号括起来。
　　介绍几个名词：共晶成分、共晶温度、共晶合金、亚共晶合金和过共晶合金。
　　线：（略）
　　区：（略）
　　提醒学生注意共晶相图的特征，以共晶水平线为准，上面有两个液、固双相区，中间是一个液相单相区；　　下面是一个双相区，是两个固相，就象一只海鸥在大海上飞翔。
　　二、结晶过程分析
　　1、 共晶合金（合金1）
　　Lc------------------(α+β)；
　　2、 亚共晶合金（合金2）
　　L-----L+α-------α+（α+β）；
　　3、 过共晶合金（略）
　　在这一部分中，应重点分析组织的转变是根据什么发生的，也就是相图的使用方法。
　　三、相组分和组织组分
　　组成合金基本相称为相组分；在显微镜下能够分辨的组织组成称为组织组分；比如说，在室温下的Pb—Sn合金的相组分都为α+β；而组织组分却各不相同，共晶合金的组织组分就是一部分（α+β），而亚共晶合金的组织组分三部分α、（α+β）和β。
　　四、比重偏析
　　在结晶过程中，由于各部分的比重不同引起的偏析。
　　防止方法：搅拌或加入合金元素。
 
第五节 合金性能与相图的关系
　　一、合金的使用性能与相图的关系 
　　具有匀晶相图、共晶相图的合金的机械性能和物理性能随成分而变化的一般规律见下图。 
固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关, 溶质的溶入量越多, 晶格畸变越大, 则合金的强度、硬度越高, 电阻越大。当溶质原子含量大约为50%时, 晶格畸变最大, 而上述性能达到极大值, 所以性能与成分的关系曲线具有透镜状。
　　两相组织合金的机械性能和物理性能与成分呈直线关系变化, 两相单独的性能已知后, 合金的某些性能可按组成相性能依百分含量的关系叠加的办法求出。
　　对组织较敏感的某些性能如强度等, 与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密, 强度越高(见图中虚线)。当形成化合物时， 则在性能一成分曲线上于化合物成分处出现极大值或极小值。
 
　　合金的使用性能与相图的关系
　　二、合金的工艺性能与相图的关系 
　　合金的铸造性能与相图的关系：
纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。相图中液相线和固相线之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大；同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，而降低其流动性， 增多分散缩孔。所以，铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。
　　单相合金的锻造性能好。合金为单相组织时变形抗力小，变形均匀，不易开裂，因而变 能力大。双相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有较多的化合物相时，因为它们都很脆。

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