了解合金及其成分组成

【情境导入】

合金中组成相的结构和性质对合金的性能起决定性的作用，合金车刀如图6-19所示。同时，合金组织的变化即合金中相的相对数量、各相的晶粒大小、形状和分布的变化，对合金的性能也有很大的影响。利用各种元素的结合以形成各种不同的合金相，再经过合适的处理可能满足各种不同的性能要求。合金组织如何分类?不同组织又具有哪些不同性能呢?

图6-19　合金车刀

【讲一讲】

一、合金组织的分类

合金组织按结合方式分为如下几类，如图6-20所示。

图6-20　合金组织类型

二、固溶体

一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。

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。固溶体中含量较多的组元称为溶剂，含量较少的组元称为溶质，固溶体的晶格类型与溶剂组元的晶格类型相同。

1.固溶体的分类

·间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格中而形成的固溶体。

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半径很小而溶剂晶格间隙较大，一般溶质原子与溶剂原子直径之比必须小于0.59，如图6-21(a)所示。例如铁碳合金中，铁和碳所形成的固溶体——铁素体和奥氏体，皆为间隙固溶体。

·置换固溶体：溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。

置换固溶体是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，元素周期表位置相近，易于形成置换固溶体，如图6-21(b)所示。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。

图6-21　固溶体

(a)间隙固溶体；(b)置换固溶体

形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于两者的晶格类型、原子直径及它们的负电性因素。

2.固溶体的特性

①保持溶剂的晶格特征。

②溶质原子溶入导致固溶体的晶格畸变(图6-22)而使金属强度、硬度提高，即固溶强化，同时有较好的塑性和韧性。因此常作为结构材料的基本相。

③在物理性能方面，随溶质原子浓度的增加，固溶体的电阻率下降，电阻升高，电阻温度系数减小。

3.固溶体的应用

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。形变强化、固溶强化、热处理都是强化金属的手段。

图6-22　晶格

三、金属化合物

1.金属化合物的定义

合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。金属化合物的组成一般可用化学式表示。例如：碳钢中的Fe3C。

2.金属化合物的晶格类型

金属化合物不同于任一组元，一般具有复杂的晶格结构。

3.金属化合物的性能特点

金属化合物具有“三高一稳定”的性能，即熔点高、硬度高、脆性大和良好的化学稳定性。

4.金属化合物的应用

当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但也会使其塑性和韧性降低，根据这一特性，绝大多数的工程材料都将金属化合物作为重要的强化相，而不作为基体相。

四、混合物

1.混合物的定义

两种或两种以上的相按一定的质量百分数组成的物质称为混合物。

混合物是由两种或多种物质混合而成的，无固定组成和性质，而其中的每种单质或化合物都保留着各自原有的性质，没有经化学合成而组成，属于多相组织。

2.混合物的晶格类型

混合物保持原来各相的晶格类型。(www.xing528.com)

3.混合物的性能特点

混合物的性能取决于原来各组成相的性能，以及它们分布的形态、数量及大小。

五、3种合金组织的特点

3种合金组织的性能特点见表6-2。

表6-2　3种合金组织的性能特点

【议一议】

活动一：记一记合金组织按照结构可以分为哪几种。

活动二：识记间隙固溶体、置换固溶体晶体结构。

【做一做】

简答题

1.列举3种常见合金并说明其组织相。

2.分别列举固溶体、金属化合物、混合物合金材料。

【评一评】

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学生自评：______________________________

小组互评：______________________________

老师点评：______________________________

【拓展阅读】

合金的基本概念1.合金

合金是以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。即合金是由两种或两种以上的元素所组成的金属材料。例如：

①钢、铸铁都是铁与碳组成的合金。

②普通黄铜是铜与锌组成的合金。

③硬铝是铝、铜、镁组成的合金。

2.组元

组元是指组成合金最简单的、最基本的、能够独立存在的元物质，简称元。大多数情况下是金属或非金属元素，但在研究范围内既不发生分解也不发生任何化学反应的稳定的化合物也可称为组元。根据组成合金组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。例如：

①普通黄铜就是由铜和锌2种组元组成的，称为二元合金。

②硬铝是由铝、铜、镁3种组元组成的，称为三元合金。

3.相

相是指合金中成分、结构及性能相同的组成部分。

体系内部物理和化学性质完全均匀的部分称为相。体系中相的总数称为相数，用P表示。

·气体：一般是一个相。

·液体：视其混溶程度而定，可有1，2，3，…个相。

·固体：有几种物质就有几个相，如水泥生料；但如果是固溶体和金属化合物时为一个相。

相和组元的区别是相和组元不是一个概念，相是合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分；组元是组成合金的基本的独立物质，可以是金属和非金属，也可以是化合物。

例如，同时存在水蒸气、液态的水和冰的系统是三相系统，尽管这个系统里只有一个组分——水。

4.组织

组织是指合金中不同相之间相互组合配置的状态。换言之，数量、大小和分布方式不同的相构成了合金不同的组织。

·单相组织：单一相构成的组织。

·多相组织：不同相构成的组织。

组织是材料中的直观形貌，可以用肉眼观察到，也可以借助于放大镜、显微镜观察微观形貌。分为：

·宏观组织：肉眼或是30倍放大镜所呈现的形貌。

·显微组织：显微镜观察而呈现的形貌。