第2章 二元合金的相图及结晶
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第二章二元合金相图纯金属在工业上有一定的应用,通常强度不高,难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求;尤其是在特殊环境中服役的零件,有许多特殊的性能要求,例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等,纯金属更无法胜任,因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。
合金的组织要比纯金属复杂,为了研究合金组织与性能之间的关系,就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。
合金相图正是研究这些规律的有效工具。
一种金属元素同另一种或几种其它元素,通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。
其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。
组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。
由两个组元组成的合金称为二元合金,例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。
二元以上的合金称多元合金。
合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多,这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。
合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。
利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相,各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。
掌握相图的分析和使用方法,有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能,也可按要求来研究新的合金。
在生产中,合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。
本章先介绍二元相图的一般知识,然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图,讨论合金的凝固过程及得到的组织,使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。
2.1 合金中的相及相图的建立在金属或合金中,凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。
液态物质为液相,固态物质为固相。
相与相之间的转变称为相变。
在固态下,物质可以是单相的,也可以是由多相组成的。
由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。
组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。
由不同组织构成的材料具有不同的性能。
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有三种类型:
①正常价化合物
组成元素严格按原子价规律结合,成分固定,用分子式表示。
如:Mg2Si、Mg2Sn、Mg3Sb2等。
一般都是金属元素与4、5、6族元素组成,在元素周期表中相距较远,
电负性差较大。
以金属键或离子键结合。
②电子化合物
= 价电子数/ 原子数)组成的具有一定晶根据一定的电子浓度比(C
电
体结构的化合物,不遵守原子价规律,成分可变。
=21/14,β相(b.c.c. 结构);
C
电
=21/13,γ相(复杂立方结构);
C
电
=21/12,ε相(h.p.c.结构)。
C
电
③间隙相与间隙化合物
一般是直径较大的过渡族元素(Fe、Cr、Mo、W、V)和原子直径小的
非金属元素(H、C、N、O、B)组成。
间隙相:r x/r M<0.59,具有简单晶体结构,如:WC、Ti、VC等。
间隙化合物:r x/r M>0.59,具有复杂晶体结构,如:Fe3C、Cr23C6、
Cr7C3等
金属间化合物的性能:熔点高,硬且脆,一般作强化相。
二、二元合金相图
1、合金的结晶特点
也是形核与长大,但有自己的特点:
(1)不是恒温下进行的,有一定的结晶温度范围。
(2)结晶过程中不只有一个固相和液相,而是在不同范围内有不同的相,各相成分也变化。
因此,合金的结晶过程要复杂些,单用一条冷却曲线难以说清楚。
为了
研究合金的结晶过程及合金组织的变化规律,需借用一个工具——相图。