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合金及合金的結(jié)構(gòu)詳解
      

      

      
           

      作者：yhhj   添加時(shí)間：2016-11-25 09:06:20   瀏覽：
      




      


      什么是合金？
      　　由一種金屬跟另一種或幾種金屬或非金屬所組成的具有金屬特性的物質(zhì)叫合金
      。合金一般由各組分熔合成均勻的液體
      ，再經(jīng)冷凝而制得
      。
      　　根據(jù)組成合金的元素?cái)?shù)目的多少
      ，有二元合金、三元合金和多元合金之分；根據(jù)合金結(jié)構(gòu)的不同，又可以分成以下三種基本類型：
      　?div   id="4qifd00"   class="flower right">
      。?）共熔混合物。當(dāng)共熔混合物凝固時(shí)
      ，各組分分別結(jié)晶而成的合金，如鉍鎘合金
      。鉍鎘合金***低熔化溫度是413 K
      ，在此溫度時(shí)，鉍鎘共熔混合物中含鎘40％
      ，含鉍60％
      。
      　　（2）固溶體
      。各組分形成固溶體的合金
      。固溶體是指溶質(zhì)原子溶入溶劑的晶格中，而仍保持溶劑晶格類型的一種金屬晶體
      。有的固溶體合金是在溶劑金屬的晶格結(jié)點(diǎn)上
      ，一部分溶劑原子被溶質(zhì)原子所置換而形成的，例如
      ，銅和金的合金
      ；有的固溶體合金是由溶質(zhì)原子分布在溶劑晶格的間隙中而形成的。
      　?div   id="4qifd00"   class="flower right">
      。?）金屬互化物
      。各組分相互形成化合物的合金。
      　　一般說來
      ，合金的熔點(diǎn)都低于組成它任何一種成分金屬的熔點(diǎn)
      。例如，用作電源保險(xiǎn)絲的武德合金
      ，熔點(diǎn)只有67 ℃
      ，比組成它的四種金屬的熔點(diǎn)都低。合金的硬度一般都比組成它的各成分金屬的硬度大
        。例如
        ，青銅的硬度比銅、錫大
        ，生鐵的硬度比純鐵大等
        。合金的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性都比純金屬差。有些合金在化學(xué)性質(zhì)方面也有很大的改變
      。例如鐵很容易生銹
      ，如果在普通鋼里加入約15％的鉻和約0.5％的鎳，就成為耐酸、堿等腐蝕的不銹鋼
      。
      　　"齊"也是合金的意思
      。含***的合金常叫做***齊。例如鈉***齊是鈉和***組成的合金
      ，鋅***齊是鋅和***組成的合金
      。
      什么是合金及合金的結(jié)構(gòu)？
      　　合金是一種金屬元素和一種或幾種其它元素（金屬或者非金屬均可）熔合后而組成的具有進(jìn)速特性的物質(zhì)
      。組成合金***基本的
      、能獨(dú)立存在的物質(zhì)稱為組元，簡稱元
      。絕大多數(shù)情況下
      ，組元即是構(gòu)成合金的元素。但也有將化合物作為組元的
      ，其條件是化合物在所研究的范圍內(nèi)
      ，既不分解也不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)組元的數(shù)量
      ，可分為二元合金
      、三元合金或多元合金、如簡單黃銅是由銅和鋅兩種元素組成的二元合金
      ；硬鋁是由鋁
      、銅、鎂三種元素組成的三元合金
      。
      　　◆銅合金分類
      　　銅合金分為黃銅
      、青銅和白銅。白銅是銅鎳合金
      ，主要用來制造精密機(jī)械
      、精密儀表中的耐蝕零件及電阻器、熱電偶等
      。
      　　機(jī)械制作中
      ，主要使用的是黃銅和青銅。
      　　●鑄造黃銅
      　　銅和鋅著稱的合金統(tǒng)稱為黃銅
      。其中銅鋅二元合金稱普通黃銅
      。除鋅外再加入其它元素所組成的多元黃銅稱為特殊黃銅。
      　　鑄造黃銅具有較高的力學(xué)性能
      ，鑄造性能較好
      ，且價(jià)格比青銅低。常用于一般用途的軸承
      、襯套
      、齒輪等耐磨件和閥門等耐蝕件
      。
      　　●鑄造青銅
      　　可分為普通青銅（錫青銅）和特殊青銅（鋁青銅、鉛青銅
      、硅青銅
      、鈹青銅等）兩大類。
      　　◆銅合金鑄造工藝
      　　各種成分的銅合金的結(jié)晶特征不同
      ，鑄造性能不同
      ，鑄造工藝特點(diǎn)也不同。
      　　1
      、錫青銅：結(jié)晶特征是結(jié)晶溫度范圍大
      ，凝固區(qū)域?qū)挕ｈT造性能方面流動(dòng)性差
      ，易產(chǎn)生縮松，不易氧化
      。工藝特點(diǎn)是壁厚件采取定向凝固（順序凝固）
      ，復(fù)雜薄壁件、一般壁厚件采取同時(shí)凝固
      。
      　　2
      、鋁青銅和鋁黃銅：結(jié)晶特征是結(jié)晶溫度范圍小，為逐層凝固特征
      。鑄造性能方面流動(dòng)性較好
      ，易形成集中縮孔，極易氧化
      。工藝特點(diǎn)是鋁青銅澆注系統(tǒng)為底注式
      ，鋁黃銅澆注系統(tǒng)為敞開式。
      　　3
      、硅黃銅：結(jié)晶特征是介于錫青銅和鋁青銅之間
      。鑄造性能***好（在特殊黃銅中）。工藝特點(diǎn)是順序凝固工藝
      ，中注式澆注系統(tǒng)
      ，暗冒口尺寸較小。
      　　◆鋁合金鑄件分類
      　　鑄造鋁合金按化學(xué)成分可分為鋁硅合金
      、鋁銅合金
      、鋁鎂合金和鋁鋅合金等。
      　　●鋁合金的鑄造工藝
      　　鋁合金的鑄造性能和化學(xué)成分密切相關(guān)
      ，其中Al-Si合金處于共晶成分附近
      ，鑄造性能***好，和灰鑄鐵相似
      。Al-Cu合金遠(yuǎn)離共晶成分
      ，凝固溫度范圍大
      ，鑄造性能***差。在實(shí)際生產(chǎn)中
      ，鋁鑄件都有冒口補(bǔ)縮
      ，Al-Si類合金的凝固溫度范圍小，冒口補(bǔ)縮效率高
      ，易獲得組織致密的鑄件
      。其它類鑄鋁合金的凝固溫度范圍大，冒口補(bǔ)縮效率低
      ，鑄件致密性差
      。
      　　鋁合金極易吸氣和氧化，因此澆注系統(tǒng)須***保證鋁液較快而平穩(wěn)地流入
      ，避免攪動(dòng)
      。
      　　各種鑄造方法都適用于鋁合金鑄件。當(dāng)生產(chǎn)量較少時(shí)
      ，可用砂型鑄造
      ，應(yīng)選用細(xì)砂來造型；大量生產(chǎn)的重要鑄件
      ，則采用特種鑄造
      。金屬型鑄造效率高，鑄件質(zhì)量好
      。低壓鑄造適用于要求致密性高的耐水壓鑄件
      。壓力鑄造可用于薄壁復(fù)雜小件。
      　　●鑄造鋁合金的熔煉特點(diǎn)
      　　鋁合金在液態(tài)下極易氧化
      ，其產(chǎn)物為Al2O3
      ，熔點(diǎn)高達(dá)2050℃，密度稍大于鋁
        ，呈固態(tài)夾雜物懸浮在鋁液中
      ，很難去除，既惡化鑄造性能
      ，又降低力學(xué)性能
      ，使鑄件致密性降低。鋁液還極易吸收氫氣
      ，凝固時(shí)析出
      ，形成氣孔或針孔等缺陷。
      　　1
      、精煉方法為了減緩鋁液的氧化和吸氣
      ，鋁合金應(yīng)在熔劑層覆蓋下熔煉?div   id="jpandex"   class="focus-wrap mb20 cf">？上蜊徨亙?nèi)加入KCl
      、NaCl等作為熔劑
      ，以便將鋁液與爐氣隔離。為驅(qū)除鋁液中已吸入地氫氣
      ，防止針孔的產(chǎn)生
      ，在鋁液出爐之前應(yīng)進(jìn)行驅(qū)氫精煉。方法有多種
      ，較為簡便的是用鐘罩向鋁液中壓入氯化鋅（ZnCl2）或六氯乙烷（C2Cl6）等氯鹽或氯化物
      ，于是發(fā)生如下反應(yīng)：
      　　3ZnCl2+2Al=3Zn+2AlCl3
      　　3C2Cl6+2Al=3C2Cl4+2AlCl3
      　　反應(yīng)生成的AlCl3沸點(diǎn)為183℃，C2Cl4的沸點(diǎn)為121℃
      ，故形成氣泡
      ，在上浮過程中將鋁液中的氣體H2及Al2O3夾雜一起帶出液面。
      　　2
      、熔煉設(shè)備鋁合金熔爐種類很多
      ，一般多用焦碳坩鍋爐。也可用電阻坩鍋爐
      。此外感應(yīng)電爐（工頻
      、中頻）也有使用。
      　　合金的結(jié)構(gòu)要比純金屬復(fù)雜得多
      。因?yàn)楹辖鹩蓛煞N或多種元素組成，各元素間的相互作用
      ，會(huì)形成各種不同的相
      。我們把在金屬和合金中，凡化學(xué)成分相同
        、結(jié)構(gòu)相同并與其他部分由界面分開的均勻組成部分
        ，稱之為相。
      　　下面按照這一概念來分析純金屬和合金的結(jié)構(gòu)
        。純金屬液態(tài)時(shí)為單相
        ；固態(tài)由同一元素、同一晶格構(gòu)成
        ，故為單相
        ；結(jié)晶過程中，既有液相又有固相
        ，即為二相
        。合金在液態(tài)時(shí)，其為具有一定化學(xué)成分均勻一致的合金液體
        ，為單相
        。合金由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)后，各元素彼此相互溶解可形成固溶體
        ；元素也可能彼此間發(fā)生反應(yīng)而形成金屬化合物
        。固溶體和金屬化合物是固態(tài)合金的兩個(gè)基本相
        。所以合金在固態(tài)時(shí)，可能是單相組織也可能是多相組織
        。在分析合金結(jié)構(gòu)時(shí)
        ，就是分析其相結(jié)構(gòu)，看其由幾種固溶體或金屬化合物
      ，即為幾相
      。
      　　◆固溶體
      　　所謂固溶體是指溶質(zhì)原子溶入金屬溶劑的晶格中所組成的合金相。兩組元在液態(tài)下互溶
      ，固態(tài)也相互溶解
      ，且形成均勻一致的物質(zhì)。形成固溶體時(shí)
      ，含量大者為溶劑
      ，含量少者為溶質(zhì)；溶劑的晶格即為固溶體的晶格
      。
      　　●固溶體的分類
      　　按溶質(zhì)原子在晶格中的位置不同可分為置換固溶體和間隙固溶體
      。
      　　1、置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格中的結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體稱置換固溶體
      。當(dāng)溶劑和溶質(zhì)原子直徑相差不大
      ，一般在15％以內(nèi)時(shí)，易于形成置換固溶體
      。銅鎳二元合金即形成置換固溶體
      ，鎳原子可在銅晶格的任意位置替代銅原子。
      　　2
      、間隙固溶體溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱間隙固溶體
      。間隙固溶體的溶劑是直徑較大的過渡族金屬，而溶質(zhì)是直徑很小的碳
      、氫等非金屬元素
      。其形成條件是溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑之比須***小于0.59。如鐵碳合金中
      ，鐵和碳所形成的固溶體--鐵素體和奧氏體
      ，皆為間隙固溶體。
      　　另外
      ，按溶質(zhì)元素在固溶體中的溶解度
        ，可分為有限固溶體和無限固溶體。但只有置換固溶體有可能成為無限固溶體
        。
      　　●固溶體的性能
      　　當(dāng)溶質(zhì)元素含量很少時(shí)
        ，固溶體性能與溶劑金屬性能基本相同。但隨溶質(zhì)元素含量的增多
        ，會(huì)使金屬的強(qiáng)度和硬度升高
        ，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化
        。置換固溶體和間隙固溶體都會(huì)產(chǎn)生固溶強(qiáng)化現(xiàn)象。
      　　適當(dāng)控制溶質(zhì)含量
        ，可明顯提高強(qiáng)度和硬度
        ，同時(shí)仍能保證足夠高的塑性和韌性，所以說固溶體一般具有較好的綜合力學(xué)性能
        。因此要求有綜合力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)材料
        ，幾乎都以固溶體作為基本相。這就是固溶強(qiáng)化成為一種重要強(qiáng)化方法
        ，在工業(yè)生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用的原因
        。
      　　◆金屬化合物
      　　金屬化合物是兩組元相互作用形成的新相，它的晶體結(jié)構(gòu)與兩組元都不相同
        ，并具有金屬性質(zhì)
        。金屬化合物有多種，它們的共同特點(diǎn)是熔點(diǎn)高
      、硬度高
      ，一般都作為合金中的硬化相。如碳鋼中的Fe3C
      ，合金鋼中的TiC
      、VC、W2C等
      。
      　　合金中以單相的固溶體或金屬化合物的形式存在的情況減少
      ，大多以兩相的機(jī)械混合物形式存在。如碳鋼中的珠光體
      ，就是由固溶體（鐵素體）和金屬化合物（滲碳體Fe3C）組成的機(jī)械混合物
      。
      　　◆合金相圖的測定
      　　如前所述
      ，純金屬的結(jié)晶是在恒溫下進(jìn)行的
      ，可用冷卻曲線來描述。一種合金由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)在某一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行
      ，也可用一冷卻曲線表示
      。但一個(gè)合金系的結(jié)晶過程，就需要用相圖來展現(xiàn)才能表示清楚
      。
      　　合金相圖是表示合金的成分
      、溫度和組織三者之間關(guān)系的圖形，是研究合金的重要工具
      。合金相圖一般都是由試驗(yàn)方法獲得的?div   id="4qifd00"   class="flower right">
      ，F(xiàn)以Pb-Sb二元合金為例，來說明二元合金相圖的測定過程
      。
      　?div   id="4qifd00"   class="flower right">
      。?）配制不同成分的若干合金
      ，并分別做出它們的冷卻曲線。
      　?div   id="4qifd00"   class="flower right">
      。?）分別找出各個(gè)合金的結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度
      ，即結(jié)晶開始溫度和結(jié)晶終了溫度。
      　?div   id="4qifd00"   class="flower right">
      。?）把各合金的結(jié)晶開始溫度和結(jié)晶終了溫度
      ，分別標(biāo)注在溫度－成分的坐標(biāo)系中。
      　?div   id="4qifd00"   class="flower right">
      。?）把各合金的結(jié)晶開始溫度點(diǎn)連結(jié)起來
      ，即為液相線；把結(jié)晶終了溫度點(diǎn)連結(jié)起來
      ，即為固相線
      。這樣就構(gòu)成了Pb-Sb二元合金相圖。其它合金相圖也可照此方法測定
      。
      　　Pb-Sb合金構(gòu)成的是二元共晶相圖
      。其他合金還可構(gòu)成二元共析相圖、形成穩(wěn)定化合物的二元相圖
      、二元?jiǎng)蚓鄨D等
      。
      　　◆鐵碳合金
      　　鐵碳合金是鋼和鐵的總稱，是工業(yè)上應(yīng)用***廣泛的合金
      。鐵碳合金是以鐵為基本元素
      ，以碳為主加元素組成的合金。在液態(tài)時(shí)
      ，鐵和碳可以無限互溶
      。在固態(tài)時(shí)，碳溶于鐵中形成固溶體
      。當(dāng)含碳量超過碳在鐵中的固態(tài)溶解度時(shí)
      ，則出現(xiàn)金屬化合物。此外
      ，還可以形成由固溶體和金屬化合物組成的機(jī)械混合物
      。
      　　下面分述鐵碳合金在固態(tài)下出現(xiàn)的幾種基本組織。
      　　●鐵素體
      　　鐵素體是碳溶解在a－Fe中的間隙固溶體
      ，常用符號(hào)F表示
      。它仍保持的體心立方晶格，其溶碳能力很小
      ，常溫下僅能溶解為0.0008％的碳
      ，在727℃時(shí)***大的溶碳能力為0.02％。
      　　由于鐵素體含碳量很低，其性能與純鐵相似
      ，塑性
      、韌性很好，伸長率δ＝45％～50％
      。強(qiáng)度
      、硬度較低，σb≈250MPa
      ，而HBS＝80
      。
      　　●奧氏體
      　　奧氏體是碳溶解在γ－Fe中的間隙固溶體，常用符號(hào)A表示
      。它仍保持γ－Fe的面心立方晶格
      。其溶碳能力較大，在727℃時(shí)溶碳為ωc＝0.77％
      ，1148℃時(shí)可溶碳2.11％
      。奧氏體是在大于727℃高溫下才能穩(wěn)定存在的組織。奧氏體塑性好
      ，是絕大多數(shù)鋼種在高溫下進(jìn)行壓力加工時(shí)所要求的組織
      。奧氏體是沒有磁性的。
      　　●滲碳體
      　　滲碳體是鐵與碳形成的金屬化合物
      ，其化學(xué)式為Fe3C
      。滲碳體的含碳量為ωc＝6.69％，熔點(diǎn)為1227℃
      。其晶格為復(fù)雜的正交晶格
      ，硬度很高HBW＝800，塑性
      、韌性幾乎為零
      ，脆性很大。
      　　在鐵碳合金中有不同形態(tài)的滲碳體
      ，其數(shù)量
      、形態(tài)與分布對(duì)鐵碳合金的性能有直接影響。
      　　●珠光體
      　　珠光體是奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體
      。其形態(tài)為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復(fù)相物
      ，也稱片裝珠光體
      。用符號(hào)P表示
      ，含碳量為ωc＝0.77％。其力學(xué)性能介于鐵素體與滲碳體之間
      ，決定于珠光體片層間距
      ，即一層鐵素體與一層滲碳體厚度和的平均值。
      　　●萊氏體
      　　萊氏體是液態(tài)鐵碳合金發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成的奧氏體和滲碳體所組成的共晶體
      ，其含碳量為ωc＝4.3％
      。當(dāng)溫度高于727℃時(shí)
      ，萊氏體由奧氏體和滲碳體組成，用符號(hào)Ld表示
      。在低于727℃時(shí)
      ，萊氏體是由珠光體和滲碳體組成，用符號(hào)Ld‘表示