金属材料的结构与组织（4）在线视频

下面我们学习第一章

第一节的第二大部分

合金的晶体结构

所谓合金是指由两种组元以上的

这样一个金属材料

那么当一种金属元素

同另外一种

或者几种其他金属元素

通过熔化或者是其他的方法

结合在一起

所形成的具有金属特性的

这样一种物质

就叫做合金

组成合金的独立的

最基本的单元就是组元

组元可以是金属元素

也可以是非金属元素

或者是稳定的化合物

由两个组元组成的合金

我们把它叫做二元合金

好比说铁碳合金

铜镍合金

铝铜合金等等都是二元合金

合金的强度硬度耐磨性能等

力学性能都比纯金属要高

而且一些合金

它还有一些特殊的电 磁

耐热 耐腐蚀等物理化学性能

所以实际的使用中

合金的应用量

比纯金属要多得多

要广泛的多

我们下面介绍一个

非常重要的概念 相

什么是相呢

相是指金属或者合金中

凡化学成分相同 晶体结构相同

并有界面与其他部分分隔开的

这样一个均匀的组成部分

我们就把它叫做相

那好比说液态物质

我们可以说是液相

固态物质可以说是固相

那固态的合金中

它有两类基本的相

一个是固溶体

一个是金属化合物

我们先介绍一下固溶体

固溶体是指合金

通过溶解形成一种成分均匀

性能均匀

且结构与其组元之一相同的

这样一个固相

那么与固溶体晶格相同的组元

我们称之为溶剂

另外一个组元叫做溶质

一般它的含量少一些

固溶体它的表示方法

常常是用α β γ等等

这样一些符号来表示

或者在二维组元中

用A括弧里面B来表示

这个时候A是溶剂 B是溶质

好比说我们的铜锌合金

形成这样一个固溶体

我们用α来表示

我们也可以用铜括弧里面锌

这样来表示

那固溶体它是怎么样

来进行分类的呢

实际上固溶体它有三个类型

第一种是按溶质原子

在溶剂晶格中的位置

来进行分类

那么这有两种

一种是置换型的

或者替换型的固溶体

一种是间隙的固溶体

当溶质原子替换了溶剂晶格中

某些结点上的原子时

所形成的固溶体

我们叫做置换型固溶体

或者叫替代型固溶体

如这个图所示 镍

它替代了铜的位置

形成了置换型的固溶体

我们当溶质原子

它进入溶质晶格的间隙中的时候

这个时候形成的固溶体

我们就叫做间隙固溶体

如这个图所示

碳它处于铁的晶格间隙的位置

所以这个时候我们叫间隙固溶体

第二点是看溶质原子

在溶剂中的溶解度进行分类

分为有限固溶体

和无限固溶体两种

溶剂中的溶质的含量

即为固溶体的浓度

用质量分数或者摩尔分数

来进行表示

在一定的温度和压力条件下

溶质在固溶体中的极限浓度

称为溶质在固溶体中的溶解度

有限固溶体是指超过溶解度以后

就会有其他的相生成

这种就是有限固溶体

好比说铁碳合金中的α相

铅锌合金中的α相都是这样

所谓无限固溶体

就是溶质可以任意的进行溶入

即便是溶质的溶解度

达到100%都可以

利用铜镍合金中的α相

就是这种无限固溶体

三 按溶质原子在固溶体中的

分布规律进行分类

可以分为两类

一种是无序固溶体

一种是有序固溶体

所谓无序固溶体

就是溶质原子的分布没有规则

如这个图所示

镍它是随机的替换铜原子的位置

没有规律

所以是无序固溶体

有序固溶体是指溶质原子

成规则分布的

这样一种固溶体

我们看看这个金银合金

银的原子它是规则的替换

金原子的位置

它的分布非常有规律

所以它是有序的固溶体

在一定的条件下

一些合金中的无序固溶体

可以转变为有序固溶体

这样一种转变

我们叫做有序化转变

二 固溶体的性能

固溶体随着溶质原子的溶入

晶格发生畸变

晶格畸变变大

就会增大位错的运动阻力

就会使金属的滑移变形变的困难

这样就会提高合金的强度和硬度

通过形成固溶体

来使金属的强度和硬度提高

这样一种现象

我们叫做固溶强化

这是我们金属材料的一种

非常重要的强化方法

我们看一个例子

纯铜它的最大的强度为220兆帕

它的硬度为40个HB

这些参量我们后面会介绍

它的断面收缩率为70%

当它固溶入1%的镍原子时

那么它形成的一个单相固溶体

它的强度呢

可以升高到390个兆帕

它的硬度可以升高到70个HB

它的断面收缩率降为50%

也就是说强度和硬度会提高

塑性变形能力会有所下降

固溶体它的综合力学性能也好

所以它常为我们

结构材料的基体相

固溶体与纯金属相比

它的电阻率会上升导电率下降

矫顽力增加

这些功能性能会受到一定的影响

下面我们学习合金的

第二种基本相 金属化合物

所谓金属化合物

它是指合金组元相互作用以后

形成的晶格类型和特性

完全不同于任一组元的一个新相

这个相称为金属化合物

又叫中间相

金属化合物它一般熔点很高

硬度高脆性大

合金中含有金属化合物时

它的强度硬度和耐磨性能

都会提高

塑性和韧性会降低

金属化合物有三种基本类型

第一种是正常价化合物

它严格遵守化合价规律

一般由元素周期表中

相距较远

电负性相差较大的两个组元组成

可用确定的化学式进行表述

我们看看这里面

像镁二硅 镁二锡等等

都是正常化合价化合物

这种化合物它的性能特点是

硬度高 脆性大

第二种是电子化合物

电子化合物它不遵守

化合价的规律

但符合一定的电子浓度的

这样一个规律

什么是电子浓度呢

电子浓度是指化合物中

价电子数与原子数之比

一定电子浓度的化合物

它有确定的晶体结构

它可以溶解其他组元

形成以电子化合物为基的固溶体

生成电子化合物时

元素每个原子所贡献的价电子数

是固定的

好比说金 银 铜

它为一个电子

铍 镁 锌为两个电子

铝为三个电子

铁 镍为零个电子

我们看看铜锌合金中

它的电子化合物

铜锌它为体心立方晶格

它的电子浓度是多少呢

它的电子浓度是21/14

或者说二分之三

这种情况下

它常常为体心立方结构

我们再看看另外一个

铜五锌八

它为复杂的立方结构

根据它的电子数和它的原子数

我们可以算出

它的电子浓度是21/13

那我们再看看铜锌三

它为密排六方结构

它的电子浓度为21/12

所以不同的电子浓度

它的结构是不一样的

这种化合物它的性能特征是

它以金属键进行结合

所以它有明显的金属特性

它导电

它的熔点和硬度较高

但是塑性较差

常常是有色金属中的

重要的强化相

第三种为间隙化合物

通常由过渡族金属元素

与碳 氮 氢 硼等原子半径较小的

非金属元素形成的化合物

第一种是间隙相

当非金属原子的半径

与金属原子的半径之比

小于0.59时

它就形成具有简单晶格的

间隙化合物

称为间隙相

我们看看碳化钛就是这样的

钛原子它的结构为一个

面心立方的结构

中间的绿色的碳原子

处于每条棱的棱边上

这样形成一个具有简单结构的

间隙化合物

它的性能特征是

具有金属的特性

具有极高的熔点和硬度

非常稳定

当这些相在钢中存在的时候

它会提高钢的强度

热强性 红硬性和耐磨性

是合金钢和硬质合金中的

重要的组成相

第二种是复杂结构的间隙化合物

当非金属原子的原子半径

与金属原子

原子半径之比大于0.59时

它就形成具有复杂结构的

间隙化合物

例如钢中的铁三碳

铁四钨二碳

铬七碳三 铁硼等等

我们看看这个图

是具有复杂结构的铁三碳的

间隙化合物

铁原子它成一个八面体的

这样一个结构

碳原子它位于它的间隙位置

所以这是一个非常复杂的

这个具有复杂结构的间隙化合物

这也是我们钢中的主要的组成相

它的性能特征

是具有很高的熔点和硬度

比间隙相的硬度稍低一点

在钢中起重要的强化作用