1、1,薛小懷 副教授,合金的相結構,純金屬： 物理、化學性能良好，力學性能差。價格昂貴、種類有限。 合金： 兩種或兩種金屬與金屬或與非金屬元素組成具有金屬性質的物質。 強度、硬度、耐磨性高，是工程上使用得最多的金屬材料 。比如：黃銅（ Cu+Zn）、鋼（Fe+C）、鋁合金等。,2,薛小懷 副教授,固溶體的幾個基本概念,組元： 組成合金的元素，或穩(wěn)定化合物。根據(jù)組元的多少合金可分為二元合金、多元合金。 相：組元之間相互作用形成具有同一化學成分、同一結構和原子聚集狀態(tài)，并以界面互相分開的、均勻的組成部分 。 相可以分為固溶體和金屬化合物。,3,薛小懷 副教授,固溶體：相的晶體結構與某一組成元素的晶體

2、結構相同 。 固溶體分為間隙固溶體和置換固溶體。,4,薛小懷 副教授,置換固溶體：溶質原子占據(jù)溶劑晶格的某些結點位置而形成的固溶體 （溶劑與溶質原子尺寸相近，直徑差別較小，大于15%就很難形成置換固溶體） 。 置換固溶體中原子的分布通常是任意的，稱之為無序固溶體。在某些條件下，原子成為有規(guī)則的排列，稱為有序固溶體。兩者之間的轉變稱為固溶體的有序化。這時，合金的某些物理性能將發(fā)生很大的變化。,5,薛小懷 副教授,間隙固溶體：溶質原子進入溶劑晶格的間隙中而形成的固溶體稱為間隙固溶體，其中的溶質原子不占據(jù)晶格的正常位置 。 只有溶質原子與溶劑原子的直徑之比小于0.59時，才會形成間隙固溶體。通常，間

3、隙固溶體都是由原子直徑很小的碳、氮、氫、硼、氧等非金屬元素溶入過渡族金屬元素的晶格間隙中而形成的。,6,薛小懷 副教授,固溶體的溶解度：溶質原子溶入固溶體的極限濃度。 據(jù)此可以分為有限固溶、無限固溶 。 影響溶解度的因素有原子尺寸、晶格類型、電化學性質以及電子濃度等 。,7,薛小懷 副教授,由于溶質原子尺寸與溶劑原子不同，其晶格都會產生畸變。由于晶格畸變增加了位錯移動的阻力，使滑移變形難以進行，因此固溶體的強度和硬度提高，塑性和韌性則有所下降。 這種通過溶入某種溶質元素來形成固溶體而使金屬的強度、硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化 。,固溶體的性能,8,薛小懷 副教授,金屬化合物是合金組元間相互作用所

4、形成的一種晶格類型及性能均不同于任一組元的合金固相。 一般可用分子式大致表示其組成。金屬化合物一般有較高的熔點、較高的硬度和較大的脆性。 合金中出現(xiàn)化合物時，可提高強度、硬度和耐磨性，但降低塑性。,金屬化合物,9,薛小懷 副教授,周期表上相距較遠，電化學性質相差較大的兩元素容易形成正常價化合物。其特點是符合一般化合物的原子價規(guī)律，成分固定，并可用化學式表示。如Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。 性能特點：高的硬度和脆性。彌散分布于固溶體基體中時，將起到強化相的作用，使合金強化。,（1）正常價化合物,10,薛小懷 副教授,由第族或過渡族元素與第至第族元素結合而成的。它們不遵循原子價規(guī)

5、律，而服從電子濃度規(guī)律。電子濃度指合金中化合物的價電子數(shù)目與原子數(shù)目之比。 性能特點：高的熔點和硬度，但塑性較低，一般只能作為強化相存在于合金特別是有色金屬合金中。,（2）電子化合物,11,薛小懷 副教授,由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的金屬化合物。 根據(jù)組成元素原子半徑比值及結構特征的不同，可將間隙化合物分為間隙相和具有復雜結構的間隙化合物。,（3）間隙化合物,12,薛小懷 副教授,當非金屬原子半徑與金屬原子半徑比值小于0.59時，形成具有簡單晶格的間隙化合物，稱為間隙相，如TiC、TiN、ZrC、VC、NbC、Mo2N、Fe2N等。 性能特點：極高的熔點、硬

6、度和脆性，而且十分穩(wěn)定，是高合金工具鋼的重要組成相，也是硬質合金和高溫金屬陶瓷材料的重要組成相。,間隙相,13,薛小懷 副教授,當非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值大于0.59時，形成具有復雜結構的間隙化合物。如鋼中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。Fe3C稱為滲碳體，具有復雜的斜方晶格。,具有復雜結構的間隙化合物,14,薛小懷 副教授,具有很高的熔點、硬度和脆性，但與間隙相相比要稍低一些，加熱時也易于分解。這類化合物是碳鋼及合金鋼中重要的組成相。金屬化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金屬化合物為基的固溶體。,具有復雜結構的間隙化合物性能特點：,15,薛小懷

7、副教授,純金屬的結晶,金屬由液態(tài)轉變?yōu)榫w狀態(tài)的過程稱為結晶或一次結晶。 把一種固態(tài)轉變?yōu)榱硪环N固態(tài)稱為二次結晶。 液態(tài)金屬一般為非晶態(tài)，并非完全無序排列，在很小范圍內有序，即近程有序，遠程無序。,液態(tài)金屬結構示意圖,16,薛小懷 副教授,結晶過程能量狀態(tài)與溫度的關系： 結晶過程是一個自發(fā)過程，所以該過程是高能狀態(tài)向低能狀態(tài)的轉變。,17,薛小懷 副教授,液態(tài)金屬結晶的熱力學條件,液態(tài)金屬的結晶是系統(tǒng)降低自由能的自發(fā)進行的過程。系統(tǒng)的自由能G可由下式表示：,H為焓、T為絕對溫度、S為熵,18,薛小懷 副教授,在溫度T0處GLGS，固、液兩相處于熱力學平衡狀態(tài)。T0即為純金屬的平衡結晶溫度。,純

8、金屬液、固兩相體積自由能與溫度的關系,19,薛小懷 副教授,當TT0時，GLGS，結晶才可能自發(fā)進行。這時兩相自由能的差值G就構成相變（結晶）的驅動力： GLSGLGS（HLHS）T（SLSS）。,20,薛小懷 副教授,一般結晶都發(fā)生在金屬的熔點附近，故焓與熵隨溫度的變化可以忽略不計，則有HLHSL, SLSSS，其中，L為結晶潛熱、S為熔化熵。當TT0時, GLSL-T0S0，所以有S L/T0。因此，可得：,21,薛小懷 副教授,T=T0-T，為過冷度。對于給定金屬，L與T0均為定值，故GLS僅與T有關。因此，液態(tài)金屬結晶的驅動力是由過冷提供的，過冷度越大，結晶驅動力也就越大。過冷度為零時，驅動力就不復存在。所以液態(tài)金屬不會在沒有過冷度的情況下結晶。,22,薛小懷 副教授,系統(tǒng)的自由能變化由兩部分構成，液相與固相的體積自由能之差，它是相變的驅動力；另一部分是出現(xiàn)了界面使系統(tǒng)增加了表面能，它是相變的阻力。前者與晶胚半徑的三次方成正比，后者與其平方成正比。,23,薛小懷 副教授,在液體中，由于形成不同半徑的球形 晶胚所引起的自由能變化的示意圖。,晶胚半徑r較小時，表面能占優(yōu)勢；r較大時負值的體積自由能變化占優(yōu)勢。,24,薛小懷 副教授,當溫度低于T0時，晶胚半徑r大于臨界半徑r*時，晶胚才是穩(wěn)定的。比臨界半徑更小的晶胚如果要繼續(xù)長大，則相應的自由能也要增加，不符合熱