機械制造基礎(chǔ)第三章金屬材料的結(jié)構(gòu)_第1頁
機械制造基礎(chǔ)第三章金屬材料的結(jié)構(gòu)_第2頁
機械制造基礎(chǔ)第三章金屬材料的結(jié)構(gòu)_第3頁
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1、機械制造基礎(chǔ)第三章 金屬材料的結(jié)構(gòu)主講:仝勖峰西安電子科技大學(xué)本章內(nèi)容金屬晶體的基礎(chǔ)知識;金屬晶體的實際結(jié)構(gòu);金屬材料的結(jié)晶過程;合金的相結(jié)構(gòu);合金相圖的基本概念。 金屬材料的化學(xué)成分不同,表現(xiàn)出來的性能是不一致的。即使同一種成分的材料,經(jīng)過不同的處理工藝,改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu),也會導(dǎo)致其性能發(fā)生變化。本章主要介紹金屬材料內(nèi)部組織及其與力學(xué)性能的關(guān)系。1 、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1)金屬鍵2)晶體的基本概念3)常見純金屬的晶格類型1) 金屬鍵 金屬元素往往失去最原子外層的價電子,而變成正離子,失去的電子形成圍繞這些離子的電子云。電子在電子云中游走,不與任何離子結(jié)合,成為與若干離子相互吸引的電子。這種結(jié)合

2、力就是金屬鍵。金屬彎曲時,原子只改變位置關(guān)系,鍵不被破壞,因此,金屬的塑性好,電子云的存在使金屬具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。其它結(jié)合鍵離子鍵 部分陶瓷材料和礦物,依賴離子鍵結(jié)合在一起。即:兩種原子通過得失電子,而通過庫侖力的作用相互吸引。如各種鹽、堿、金屬化合物等。結(jié)合力很強,因此物質(zhì)的熔點、沸點、硬度很高,膨脹系數(shù)小,脆性大。結(jié)合鍵共價鍵 一些陶瓷如金剛石、氧化硅等,依賴共價鍵結(jié)合在一起。即:兩種原子依賴共用電子對產(chǎn)生的結(jié)合力而結(jié)合在一起。屬于強鍵,所以材料硬度很高,脆性大。結(jié)合鍵分子鍵(范德華鍵) 水、陶瓷、塑料,它們的分子或原子團(tuán),自身具有極性,即分子的一部分帶正電,另一部分帶負(fù)電,這就存

3、在分子相互吸引的作用力,稱為分子鍵(范德華鍵)。結(jié)合力很弱,容易被破壞,容易變形,所以材料具有很好的塑性。2) 晶體的基本概念晶體是指基原子具有規(guī)則排列的物體晶體結(jié)構(gòu)是指晶體內(nèi)部原子規(guī)則排列的方式晶體結(jié)構(gòu)不同,其性能往往相差很大 為了便于分析研究各種晶體中原子或分子的排列情況,通常把原子抽象為幾何點,并用許多假想的直線連接起來,這樣得到的三維空間幾何格架,稱為晶格,如圖所示; 晶格中各邊線的交點稱為結(jié)點; 晶格中各種不同方位的原子面,稱為晶面。 組成晶格的最基本幾何單元稱為晶胞。晶格可以看成由晶胞堆積而成。晶胞的形狀和大小是用晶粒的棱邊長度a、b、c和棱邊的夾角、來表示的,見圖c晶胞的棱邊長度

4、a、b、c稱為晶格常數(shù),其大小以(埃)為單位(1=110-10m)當(dāng)晶格常數(shù)a=b=c,棱邊夾角=90 時,這種晶胞稱為簡單立方晶胞具有簡單立方晶胞的晶格叫做簡單立方晶格。3) 常見純金屬的晶格類型 在金屬元素中,除少數(shù)具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外,大多數(shù)具有簡單的晶體結(jié)構(gòu),常見的晶格類型有三種:體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格 (1)體心立方晶格(2)面心立方晶格 (3)密排六方晶格 (1) 體心立方晶格(Body-centred cubic lattice,簡稱b.c.c)體心立方晶格的晶胞是一個立方體,原子分布在立方體的各結(jié)點和中心處。因其晶格常數(shù)a=b=c,故只用一個常數(shù)a表示即可。屬

5、于這類晶格的金屬有-Fe、Cr、V、W、Mo(鉬)、Nb(鈮)等。(2)面心立方晶格(Face-centred cubic lattice,簡稱f.c.c)面心立方晶格的晶胞也是一個立方體,原子分布在立方體的各結(jié)點和各面的中心處。這種晶胞中,每個面的對角線上原子緊密排列。屬于這類晶格的金屬有-Fe、Al、Cu、Ni、Au(金)、Ag(銀)、Pb(鉛)等。(3)密排六方晶格(Close-packed hexagonal lattice,簡稱c.p.h)密排六方晶格的晶胞與簡單六方晶胞不同,在由12個原子所構(gòu)成的正六面體的上下兩個六邊形的中心各有一個原子,在上下底中間有三個原子。屬于這類晶格的金屬

6、有Mg、Zn、Be、Cd(鎘)等。2、 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)1)單晶體和多晶體2)晶體缺陷(1)點缺陷(2)線缺陷(3)面缺陷1)單晶體和多晶體以上研究金屬的晶體結(jié)構(gòu)時,是把晶體看成由原子按一定幾何規(guī)律作周期性排列而成,即晶體內(nèi)部的晶格位向是完全一致的,這種晶體稱為單晶體。在工業(yè)生產(chǎn)中,只有經(jīng)過持殊制作才能獲得,如半導(dǎo)體工業(yè)中的單晶硅。 實際的金屬都是由很多小晶體組成的,這些外形不規(guī)則的顆粒狀小晶體稱為晶粒。晶粒內(nèi)部的晶格位向是均勻一致的,晶粒與晶粒之間,晶格位向卻卻彼此不同。每一個晶粒相當(dāng)于一個單晶體。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。這種由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體,如圖所示。多晶體的性能在各

7、個方向基本是一致的,這是由于多晶體中,雖然每個晶粒都是各向異性的,但它們的晶格位向彼此不同,晶體的性能在各個方向相互補充和抵消,再加上晶界的作用,因而表現(xiàn)出各向同性。這種各向同性被稱偽各向同性。晶粒的尺寸很小,如鋼鐵材料的晶粒尺寸一般為10-110-3mm左右,必須在顯微鏡下才能觀察到。在顯微鏡下才能觀察到的金屬中晶粒的種類、大小、形態(tài)和分布稱顯微組織,簡稱組織。金屬的組織對金屬的力學(xué)性能有很大的影響 2) 晶體缺陷實際上每個晶粒內(nèi)部,其結(jié)構(gòu)也不是那么理想,存在著一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域,這就是晶體缺陷。(1)點缺陷點缺陷的具體形式有如下三種。(1) 空位 晶格中某個原子脫離了平衡位

8、置,形成空結(jié)點,稱為空位。當(dāng)晶格中的某些原子由于某種原因(如熱振動等)脫離其晶格節(jié)點將產(chǎn)生此類點缺陷。這些點缺陷的存在會使其周圍的晶格產(chǎn)生畸變。(2) 間隙原子 在晶格節(jié)點以外存在的原子,稱為間隙原子。在金屬的晶體結(jié)構(gòu)中都存在者間隙,一些尺寸較少的原子容易進(jìn)入晶格的間隙形成間隙原子。(3) 置換原子 雜質(zhì)元素占據(jù)金屬晶格的結(jié)點位置稱為置換原子。當(dāng)雜質(zhì)原子的直徑與金屬原子的半徑相當(dāng)或較大時,容易形成置換原子。三種點缺陷的形態(tài)如圖所示。 點缺陷的存在,使周圍原子發(fā)生靠攏或者撐開,造成晶格畸變。使材料的硬度、強度和電阻率增加。所以,金屬中點缺陷越多,它的強度、硬度越高(2)線缺陷晶體中最普通的線缺陷

9、就是位錯,它是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。這種錯徘現(xiàn)象是晶體內(nèi)部局部滑移造成的,根據(jù)局部滑移的方式不同,可形成不同類型的位錯。(2)線缺陷如圖所示為常見的一種刃型位錯。由于該晶體的右上部分相對于右下部分局部滑移,結(jié)果在晶格的上半部中擠出了一層多余的原子面EFGH,好象在晶格中額外插入了半層原子面一樣,該多余半原子面的邊緣EF便是位錯線。沿位錯線的周圍,晶格發(fā)生了畸變。位錯的移動 刃型位錯的滑移運動:在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力足夠大時,有使晶體上部向有發(fā)生移動的趨勢。假如晶體中有一刃型位錯,顯然位錯在晶體中發(fā)生移動比整個晶體移動要容易。這種移動的宏觀效應(yīng)就是塑性

10、變形。金屬晶體中的位錯很多,相互連結(jié)成網(wǎng)狀分布。位錯線的密度可用單位體積內(nèi)位錯線的總長度表示,位錯密度愈大,塑性變形抗力愈大,因此,目前通過塑性變形,提高位錯密度,是強化金屬的有效途徑之一考慮一下,上節(jié)課我們介紹的拉伸特性曲線中,哪個現(xiàn)象與線缺陷有關(guān)?(3)面缺陷面缺陷包括晶界和亞晶界。如前所述,晶界是晶粒與晶粒之間的界面,由于晶界原子需要同時適應(yīng)相鄰兩個晶粒的位向,就必須從一種晶粒位向逐步過渡到另一種晶粒位向,成為不同晶粒之間的過渡層,因而晶界上的原子多處于無規(guī)則狀態(tài)或兩種晶粒位向的折衷位置上。另外,晶粒內(nèi)部也不是理想晶體,而是由位向差很小的稱為嵌鑲塊的小塊所組成,稱為亞晶粒,尺寸為10-4

11、10-6cm。亞晶粒的交界稱為亞晶界。晶界的作用晶界處原子排列雜亂,處于高能量狀態(tài),劃移變形和位錯運動受阻。所以,晶粒越細(xì),晶界越多,對變形的抗力越大,屈服強度越高。隨著外力的持續(xù)作用,有利于劃移和能參加劃移的晶粒增多,塑性變形由更多的晶粒承擔(dān),同時也不會造成不均勻變形而引起的應(yīng)力集中,因此,不會開裂。所以,晶粒越細(xì),塑性變形能力越好。實際金屬中的缺陷對材料力學(xué)性能的影響如下:點缺陷的存在,提高了材料的硬度和強度,降低了材料的塑性和韌性增加位錯密度可提高金屬強度,但塑性隨之降低(冷作硬化), 且存在殘余應(yīng)力面缺陷能提高金屬材料的強度和塑性細(xì)化晶粒是改善金屬力學(xué)性能的有效手段3、金屬的結(jié)晶過程

12、物質(zhì)從一種原子排列狀態(tài)(晶態(tài)或非晶態(tài))過渡為另一種原子規(guī)則排列的狀態(tài)(晶態(tài))的轉(zhuǎn)變過程稱為結(jié)晶。通常把液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)稱為一次結(jié)晶;把一種固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固態(tài)稱為二次結(jié)晶。1)金屬結(jié)晶時的過冷現(xiàn)象圖中的T0為理論結(jié)晶溫度,它是液態(tài)金屬在無限緩慢冷卻條件下的結(jié)晶溫度。而實際生產(chǎn)中,液態(tài)金屬都是以較快的速度冷卻的,液態(tài)金屬只能在理論結(jié)晶溫度以下才開始結(jié)晶,這種實際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱為過冷,與T0之差為過冷度T,即TT0T1。冷卻速度越快,T越大。特定金屬的過冷度不是一個定值,它隨冷卻速度的變化而變化,冷卻速度越大,過冷度越大,金屬的實際結(jié)晶溫度也就越低。1)金屬結(jié)晶時的過冷現(xiàn)象 過冷現(xiàn)象

13、產(chǎn)生的原因是:在理論結(jié)晶溫度下,液態(tài)金屬和固態(tài)金屬處于平衡狀態(tài),自由能相等,可以長期共存。高于理論結(jié)晶溫度時,液態(tài)金屬自由能低,金屬處于液態(tài)才是穩(wěn)定的,低于理論結(jié)晶溫度時,固態(tài)金屬自由能低,金屬的穩(wěn)定狀態(tài)是固態(tài)。因此,液態(tài)金屬如果要結(jié)晶,就必須低于理論結(jié)晶溫度。使金屬在液態(tài)與固態(tài)之間存在一個自由能差,這個能力差就是金屬結(jié)晶的驅(qū)動力。2) 結(jié)晶的過程液態(tài)金屬的結(jié)晶過程分為晶核形成和晶核的成長兩個階段。晶核的形成,一是由液態(tài)金屬中一些原子自發(fā)地聚集在一起,按金屬晶體的固有規(guī)律排列起來稱為自發(fā)晶核。二是由液態(tài)金屬中一些外來的微細(xì)固態(tài)質(zhì)點而形成的,稱為外來晶核。圖為金屬結(jié)晶過程示意圖當(dāng)液體冷卻到結(jié)晶溫

14、度后,一些短程有序的原子團(tuán)開始變得穩(wěn)定,成為極細(xì)小的晶體,稱之為晶核。隨后,液態(tài)金屬的原子就以它為中心,按一定的幾何形狀不斷地排列起來,形成晶體。晶體在各個方向生長的速度是不一致的,在長大初期,小晶體保持規(guī)則的幾何外形,但隨著晶核的長大,晶體逐漸形成棱角,由于棱角處散熱條件比其它部位好,晶體將沿棱角方向長大,從而形成晶軸,稱為一次晶軸;晶軸繼續(xù)長大,且長出許多小晶軸,二次晶軸、三次晶軸、,成樹枝狀,當(dāng)金屬液體消耗完時,就形成晶粒。由每個晶核長成的晶體稱為晶粒,晶粒之間的接觸面稱為晶界。晶粒的外形是不規(guī)則的。因此,金屬實際上是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所組成的多晶體。晶粒的大小

15、對金屬的性能影響很大。因為晶粒小則晶界就多,而晶界增強了金屬的結(jié)合力。因此,一般金屬的晶粒越小,強度、塑性和韌性就越好。生產(chǎn)上常用增加冷卻速度或向液態(tài)金屬加入某些難熔質(zhì)點,以增加晶核數(shù)目,而細(xì)化晶粒。過冷度的影響金屬結(jié)晶時的冷卻速度愈大,其過冷度便愈大,不同過冷度T對晶核的形成率N(晶核形成數(shù)目/smm3)和成長率G(mm/s)的影響如圖所示在圖中,我們還從晶核的形成率與成長率之間的相對關(guān)系示意地表達(dá)出了幾種不同過冷度下所得到的晶粒度的對比,從中可以得到一個十分重要的結(jié)論即在一般工業(yè)條件下(圖中曲線的前半部實線部分),結(jié)晶時的冷卻速度愈大或過冷度愈大時,金屬的晶粒度便愈細(xì)圖中曲線的后半部分,因

16、為在工業(yè)實際中金屬的結(jié)晶一般達(dá)不到這樣的過冷度,故用虛線表示,但近年來通過對金屬液滴施以每秒上萬度的高速冷卻發(fā)現(xiàn),在高度過冷的情況下,其晶核的形成率和成長率確能再度減小為零,此時金屬將不再通過結(jié)晶的方式發(fā)生凝固,而是形成非晶質(zhì)的固態(tài)金屬未熔雜質(zhì)的影響任何金屬中總不免含有或多或少的雜質(zhì),有的可與金屬一起熔化,有的則不能,而是呈未熔的固體質(zhì)點懸浮于金屬液體中。這些未熔的雜質(zhì),當(dāng)其晶體結(jié)構(gòu)在某種程度上與金屬相近時,??娠@著地加速晶核的形成,使金屬的晶粒細(xì)化。因為當(dāng)液體中有這種未熔雜質(zhì)存在時,金屬可以沿著這些現(xiàn)成的固體質(zhì)點表面產(chǎn)生晶核,減小它暴露于液體中的表面積,使表面能降低,其作用甚至?xí)h(yuǎn)大于加速冷

17、卻增大過冷度的影響在金屬結(jié)晶時,從為向液態(tài)金屬中加入某種難溶雜質(zhì)來有效地細(xì)化金屬的晶粒,以達(dá)到提高其力學(xué)性能的目的,這種細(xì)化晶粒的方法叫做“變質(zhì)處理”,所加入的難溶雜質(zhì)叫“變質(zhì)劑”或“人工晶核”。細(xì)化晶粒的方法增大過冷度變質(zhì)處理附加振動3)金屬鑄錠組織液態(tài)金屬注入鑄型模腔并在其中凝固,獲得鑄件。一般鑄件的晶體組織分為三個區(qū)域:(1)表面細(xì)晶粒區(qū)(2)柱狀晶粒區(qū)(3)中心等軸晶粒區(qū)3)金屬鑄錠組織4)金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 有些金屬在固態(tài)可以有兩種或兩種以上的晶體結(jié)構(gòu),如鐵、鈦等。如果固態(tài)金屬在外界條件改變時,其晶體結(jié)構(gòu)隨之改變,這一現(xiàn)象稱為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,也叫金屬的多形性轉(zhuǎn)變。最常見的鐵的同素

18、異構(gòu)轉(zhuǎn)變,即:-Fe體心立方-Fe面心立方-Fe體心立方13949124)金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變是金屬從一種晶格類型的固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型的固態(tài)。它也是一個結(jié)晶過程,只不過這個結(jié)晶過程是固態(tài)下進(jìn)行的。因此,稱之為重結(jié)晶或二次結(jié)晶。4)金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變重結(jié)晶具備這樣的特點: (1)需要較大的過冷度 重結(jié)晶的過程遵循結(jié)晶規(guī)律:有一定的轉(zhuǎn)變溫度,轉(zhuǎn)變時需要過冷、有潛熱發(fā)生。轉(zhuǎn)變過程也是由晶核的形成和晶核的長大來完成的。但由于同素異晶轉(zhuǎn)變實在固態(tài)下進(jìn)行的,其原子擴散要比液態(tài)下困難的多,因此,轉(zhuǎn)變需要較大的過冷度。 (2)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力 當(dāng)晶體從一種晶格類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格類型時

19、,有致密度的變化,則會引起晶體體積的變化,而產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。例如, -Fe轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe時,鐵的體積會膨脹約1,產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,嚴(yán)重時導(dǎo)致工件的變形和開裂。鐵碳合金的基本組織(1)鐵素體(2)奧氏體(3)滲碳體(4)珠光體(5)萊氏體(1)鐵素體碳溶解在-Fe中形成的間隙固溶體,以符號“F”或“”表示。由于-Fe間隙小,所以鐵素體中溶解碳的能力很小,最大溶解度在727時,為0.0218%,隨著溫度的降低,其溶解度逐漸減小,室溫時鐵素體中只能溶解0.0008%的碳。鐵素體的力學(xué)性能以及物理、化學(xué)性能與純鐵極相近,塑性、韌性很好(=30%50%),強度、硬度很低(b=180280Mpa)。在770以下

20、有磁性,超過這個溫度,磁性消失。 (2)奧氏體碳溶解在-Fe形成的間隙固溶體,以符號“A”或“”表示。奧氏體的溶碳能力比鐵素體大,在1148時,碳在-Fe中的最大溶解度為2.11%,隨著溫度降低,其溶解度也減小,在727時,為0.77%。奧氏體的強度、硬度低,塑性、韌性高。在鐵碳合金平衡狀態(tài)時,奧氏體為高溫下存在的基本相,也是絕大多數(shù)鋼種進(jìn)行鍛壓、軋制等加工變形所要求的組織。 (3)滲碳體滲碳體是具有復(fù)雜晶格的鐵與碳的間隙化合物,每個晶胞中有一個碳原子和三個鐵原子。滲碳體一般以“Fe3C”表示,其含碳量為6.69%。滲碳體的硬度很高,為800HB,塑性、韌性很差,幾乎等于零,所以滲碳體的性能特

21、點是硬而脆。滲碳體在鋼與鑄鐵中,一般呈片狀、網(wǎng)狀或球狀存在。滲碳體是鋼中重要的硬化相,它的數(shù)量、形狀、大小和分布對鋼的性能有很大的影響。滲碳體是一個亞穩(wěn)定化合物,它在一定的條件下,可以分解而形成石墨狀態(tài)的自由碳:Fe3C3Fe+C(石墨),這種反應(yīng)在鑄鐵中有重要意義。(4)珠光體珠光體是鐵素體與滲碳體的機械混合物,用符號“P”表示。其含碳量為0.77%。珠光體由滲碳體片和鐵素體片相間組成,其性能介于鐵素體和滲碳體之間,強度、硬度較好、脆性不大 (5)萊氏體萊氏體是奧氏體和滲碳體的機械混合物,用符號“Ld”表示,其含碳量為4.3%萊氏體由含碳量為4.3%的金屬液體在1148時發(fā)生共晶反應(yīng)時生成。

22、在室溫時變?yōu)樽儜B(tài)萊氏體,用稱號“Ld”表示。萊氏體硬度很高,塑性很差。思考題表1 灰鑄鐵牌號及力學(xué)性能牌號鑄件壁厚抗拉強度sbHT1002.5101301020100203090305080為什么壁厚越大,強度反而越小?4、 合金的結(jié)構(gòu)純金屬在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用十分廣泛。主要的應(yīng)用都是利用了純金屬的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性等性能但由于純金屬種類有限,而且?guī)缀跛械募兘饘俚膹姸?、硬度、耐磨性等力學(xué)物理性能都比較差,不能滿足人們對材料多樣性的需要通過合金化過程,可以顯著地改變金屬材料的結(jié)構(gòu)、組織和性能,從而極大地提高了金屬材料的力學(xué)、物理性能,同時其電、磁、耐蝕性等物理化學(xué)性能也得到了保持或提高

23、。因此,同純金屬相比,合金的應(yīng)用更為廣泛。由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金1)合金中的相結(jié)構(gòu)合金的結(jié)晶與純金屬一樣,也是通過形核及長大來完成的。由于合金中含有兩種或兩種以上的元素的原子,使生成的結(jié)晶物中往往含有不只一種組元的晶粒在材料中,凡是化學(xué)成分相同、結(jié)構(gòu)相同并與其他部分以界面分開的均勻組成部分稱為相合金結(jié)晶后可以是一種相,也可以是由若干種相所組成合金中的組織是指合金中用肉眼或顯微鏡所觀察到的材料的微觀形貌,也稱為顯微組織不同的相形成不同的顯微組織,不同的顯微組織導(dǎo)致合金不同的性質(zhì)固態(tài)合金中的相,按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性來分,可以分為固溶體和化

24、合物兩大類。2)固溶體固溶體的分類(1)置換固溶體 (2)間隙固溶體 固態(tài)合金中,在一種元素的晶格結(jié)構(gòu)中包含有其它元素的合金相稱為固溶體前一種元素稱為溶劑元素,后一種元素稱為溶質(zhì)元素溶質(zhì)原子溶于固溶體中的量,稱為固溶體的濃度在一定條件下溶質(zhì)元素在固溶體中的極限濃度叫做溶質(zhì)在固溶體中的溶解度(1)固溶體的分類置換固溶體 當(dāng)溶質(zhì)原子代替了一部分溶劑原子而占據(jù)溶劑晶格的某些結(jié)點位置時,所形成的固溶體稱為置換固溶體,如圖所示。 間隙固溶體 若溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格各結(jié)點之間的空隙中,所形成的固溶體稱為間隙固溶體,如圖所示。 (2) 固溶體的性能由于溶質(zhì)原子與溶劑原子的半徑不同,會使固溶體的晶格發(fā)生畸變

25、,如圖所示這就使得位錯移動阻力增大,表現(xiàn)為固溶體的強度和硬度升高、塑性和韌性有所下降通過形成固溶體而使金屬強度和硬度增加的現(xiàn)象稱為固溶強化固溶強化是提高合金機械性能的一種重要途徑,在金屬材料的生產(chǎn)和研究中得到了極為廣泛的應(yīng)用(3)金屬化合物及其性能金屬化合物是合金組元間發(fā)生相互作用而生成的一種新固相,其晶格類型和性質(zhì)完全不同于原來的任一組元金屬化合物的特點是,除有離子鍵和共價鍵作用外,還有一定程度的金屬鍵參與作用,從而使化合物具有明顯的金屬特性。金屬化合物可以成為合金的組成相,如碳鋼中的滲碳體Fe3C。 金屬化合物的性能 由于金屬化合物一般具有復(fù)雜的化合鍵和晶格結(jié)構(gòu),其熔點高,硬而脆。合金中的

26、金屬化合物使合金的強度、硬度和耐磨性提高,但會降低塑性和韌性。因此,它是碳鋼、合金鋼、硬質(zhì)合金和許多有色合金的重要強化相。與固溶體適當(dāng)配合,可以滿足材料所需要的性能要求。如碳鋼中的Fe3C、工具鋼中的VC、高速鋼中的W2C、硬質(zhì)合金中的WC和TiC等,提高了材料的強度、硬度、耐磨性和熱硬性等。5、鐵碳合金相結(jié)構(gòu)在下面的討論中將用到以下這些概念:相圖:表示合金系在平衡條件下,合金的狀態(tài)與成分、溫度之間相互關(guān)系的圖形。所謂平衡,也稱為相平衡。是指合金在相變過程中,原子能充分?jǐn)U散,各相的成分相對質(zhì)量保持穩(wěn)定,不隨時間改變的狀態(tài)。在實際的加熱或冷卻過程中,控制十分緩慢的加熱或冷卻速度,就可以認(rèn)為是接近

27、了相平衡條件。利用相圖可以表示不同成分的合金、在不同溫度下,由哪些相組成、相的成分和相的相對量如何,以及合金在加熱或冷卻過程中可能發(fā)生的轉(zhuǎn)變等目前使用的相圖幾乎都是通過實驗測定的。實驗的方法很多,有熱分析法、膨脹法、X射線結(jié)構(gòu)分析法等1)測定二元合金相圖的步驟:以銅鎳合金為例:(1)配制幾組成分不同的Cu-Ni合金;(2)分別將它們?nèi)刍?,然后極緩慢冷卻,同時測定其從液態(tài)到室溫的冷卻曲線;(3)找出各冷卻曲線上開始結(jié)晶的溫度點TNi、l、2、3、4、TCu及結(jié)晶終了的溫度點(稱為臨界點) TNi、1、2、3、 4、 TCu;(4)將各臨界點標(biāo)在以溫度為縱坐標(biāo),以成分為橫坐標(biāo)軸的圖形中相應(yīng)合金的成

28、分垂線上,并將意義相同的臨界點連接起來,即得到Cu-Ni合金相圖,如圖所示。合金結(jié)晶的偏析現(xiàn)象 在實際生產(chǎn)條件下,液態(tài)合金的冷卻速度是很快的,在結(jié)晶過程中先后結(jié)晶出來的固溶體的成分是不同的。由于原子在固相中的擴散過程落后于固溶體的析出過程,導(dǎo)致成分均勻化過程來不及進(jìn)行,使先結(jié)晶出的固溶體與隨后結(jié)晶出的固溶體之間的成分差異保持在凝固之后的合金中,這種晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象,稱為晶內(nèi)偏析。合金結(jié)晶的偏析現(xiàn)象 在銅鎳合金的結(jié)晶過程中,先結(jié)晶出的形成樹狀晶體的晶軸含高熔點的組元鎳多,而后結(jié)晶出的分枝及枝間空隙含低熔點組元銅多。由于枝晶成分上下不均勻分布,反映在內(nèi)部組織出現(xiàn)不同的顏色。如圖所示:含

29、鎳高的呈現(xiàn)白色,含銅高的呈現(xiàn)黑色。合金結(jié)晶的偏析現(xiàn)象 偏析的存在,嚴(yán)重降低了合金的力學(xué)性能、工藝性能和耐腐蝕性能。因此,生產(chǎn)中常將帶有偏析的合金加熱到較高的溫度,并進(jìn)行長時間的保溫,使原子進(jìn)行充分?jǐn)U散,以達(dá)到成分均勻的目的。這種方法稱為退火。 2)鐵碳合金狀態(tài)圖(1)鐵碳合金狀態(tài)圖中的各特性點的意義(2)鐵碳合金狀態(tài)圖中各特性線的意義(3)鐵碳合金狀態(tài)圖中的相區(qū) (1)鐵碳合金狀態(tài)圖中的各特性點的意義FeFe3C相圖中14個特性點及具體意義如下:A純鐵的熔點。溫度為1538,wC100為0。B包晶轉(zhuǎn)變時液態(tài)合金的成分。溫度為1495,wC100為0.53。C共晶點LCA+Fe3C。溫度為1148,wC100為4.3。DFe3C的熔點。溫度為1227,wC100為6.6900。E碳在Fe中的最大溶解度。溫度為1148,wC100為2.11。FFe3C的成分。溫度為1148,wC100為6.69。GFeFe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(A3)。溫度為912,wC100為0。H碳在Fe中的最大溶解度。溫度為1495,wC100為0.09。J包晶點LB+HAJ。溫度為1495,

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