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合金的结构要比纯金属复杂得多。因为合金由两种或多种元素组成,各元素间的相互作用,会形成各种不同的相。我们把在金属和合金中,凡化学成分相同、结构相同并与其他部分由界面分开的均匀组成部分,称之为相。
下面按照这一概念来分析纯金属和合金的结构。纯金属液态时为单相;固态由同一元素、同一晶格构成,故为单相;结晶过程中,既有液相又有固相,即为二相。合金在液态时,其为具有一定化学成分均匀一致的合金液体,为单相。合金由液态转变为固态后,各元素彼此相互溶解可形成固溶体;元素也可能彼此间发生反应而形成金属化合物。固溶体和金属化合物是固态合金的两个基本相。所以合金在固态时,可能是单相组织也可能是多相组织。在分析合金结构时,就是分析其相结构,看其由几种固溶体或金属化合物,即为几相。
固溶体
所谓固溶体是指溶质原子溶入金属溶剂的晶格中所组成的合金相。两组元在液态下互溶,固态也相互溶解,且形成均匀一致的物质。形成固溶体时,含量大者为溶剂,含量少者为溶质;溶剂的晶格即为固溶体的晶格。
1. 固溶体的分类
按溶质原子在晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体。
1)、置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体。当溶剂和溶质原子直径相差不大,一般在15%以内时,易于形成置换固溶体。铜镍二元合金即形成置换固溶体,镍原子可在铜晶格的任意位置替代铜原子。
2)、间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称间隙固溶体。间隙固溶体的溶剂是直径较大的过渡族金属,而溶质是直径很小的碳、氢等非金属元素。其形成条件是溶质原子与溶剂原子直径之比必须小于0.59。如铁碳合金中,铁和碳所形成的固溶体――铁素体和奥氏体,皆为间隙固溶体。
另外,按溶质元素在固溶体中的溶解度,可分为有限固溶体和无限固溶体。但只有置换固溶体有可能成为无限固溶体。
2. 固溶体的性能
当溶质元素含量很少时,固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含量的增多,会使金属的强度和硬度升高,这种现象称为固溶强化。置换固溶体和间隙固溶体都会产生固溶强化现象。
适当控制溶质含量,可明显提高强度和硬度,同时仍能保证足够高的塑性和韧性,所以说固溶体一般具有较好的综合力学性能。因此要求有综合力学性能的结构材料,几乎都以固溶体作为基本相。这就是固溶强化成为一种重要强化方法,在工业生产中得以广泛应用的原因。
金属化合物
金属化合物是两组元相互作用形成的新相,它的晶体结构与两组元都不相同,并具有金属性质。金属化合物有多种,它们的共同特点是熔点高、硬度高,一般都作为合金中的硬化相。如碳钢中的Fe3C,合金钢中的TiC、VC、W2C等。
合金中以单相的固溶体或金属化合物的形式存在的情况减少,大多以两相的机械混合物形式存在。如碳钢中的珠光体,就是由固溶体(铁素体)和金属化合物(渗碳体Fe3C)组成的机械混合物。
合金相图的测定
如前所述,纯金属的结晶是在恒温下进行的,可用冷却曲线来描述。一种合金由液态转变为固态在某一温度范围内进行,也可用一冷却曲线表示。但一个合金系的结晶过程,就需要用相图来展现才能表示清楚。
合金相图是表示合金的成分、温度和组织三者之间关系的图形,是研究合金的重要工具。合金相图一般都是由试验方法获得的。现以Pb-Sb二元合金为例,来说明二元合金相图的测定过程。
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