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郑州槽钢:合金的晶体结构介绍

纯金属一般具有良好的导电性、导热性和金属光泽,但其种类有限,生产成本高,力学性能低。因此,通过配制各种不同成分的合金,可以有效地改变金属材料的结构、组织和性能,满足了人们对金属材料更高的力学性能和某些特殊的物理、化学性能的要求。

一、概念

1.合金

合金是由一种金属元素为主导,加入其他金属或非金属元素,经过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的材料。同纯金属相比,合金材料具有优良的综合性能,应用比纯金属要广泛得多。例如,工业上广泛使用的郑州槽钢普通钢铁就是由铁和碳组成的铁碳合金。

2.组元

组元是组成合金的最基本的独立物质,简称元。组元可以是金属或非金属元素,如铁、碳、铜和锌等元素。有时较稳定的化合物也可以构成组元,如Fe3 C、Al2 O3 等。普通黄铜是由铜和锌两种金属元素组成的二元合金。

3.相

合金中具有同一种化学成分且其晶体结构及性能相同的均匀组成部分称为相,相与相之间有明显的界面。液态物质称液相,固态物质称固相。若合金是由成分、结构都相同的同一种晶粒构成的,各晶粒之间虽有界面分开,但它们仍属于同一种相;若合金是由成分、结构都不相同的几种晶粒构成的,则它们属于不同的几种相。金属与合金的一种相在一定条件下可以变为另一种相,叫做相变。例如,金属结晶是液相变为固相的一种相变;金属在固态下的“同素异晶转变”是一种固态相变。

4.合金组织

数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金组织,组织可由单相组成,也可由多相组成。合金的性能一般由组成合金各相的成分、结构、形态、性能及各相的组合形式共同决定,组织是决定材料性能的最终关键因素。

二、合金的相结构

根据合金中晶体结构特征,合金的基本相结构分为固溶体、金属化合物和机械混合物。

1.固溶体

合金由液态结晶为固态时,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称为固溶体,其中,溶入的元素称为溶质,而基体元素(占主要地位)称为溶剂。固溶体的晶格类型仍然保持溶剂的晶格类型。例如,铜镍合金就是以铜(溶剂)和镍(溶质)形成的固溶体,固溶体具有与溶剂金属同样的晶体结构。

根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同,固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。

(1)间隙固溶体

溶质原子溶入溶剂晶格原子间隙之中而形成的固溶体,称为间隙固溶体,如图2-15(a)所示。间隙固溶体的溶质都是些原子半径很小的非金属元素,如碳、硼、氢等。由于溶剂晶格本身的间隙有限,所以间隙固溶体只能是有限的固溶体。

图2-15 固溶体类型及晶格畸变

(a)间隙固溶体;(b)置换固溶体

(2)置换固溶体

溶质原子置换溶剂晶格结点上的部分原子而形成的固溶体,称为置换固溶体,如图2-15(b)所示。置换固溶体中溶质与溶剂元素的原子半径相差越小,则溶解度越大。

无论是间隙固溶体还是置换固溶体,由于溶质原子的融入,都使晶体的晶格发生了畸变。晶格畸变使位错运动阻力增大,从而提高了合金的强度和硬度,但塑性下降,此现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。例如,在低合金钢中利用Mn、Si等元素来强化铁素体。

2.金属化合物

金属化合物是指合金各组元的原子按一定的整数比化合而成的一种新相,其晶体结构不同于组成元素的晶体结构,而且其晶格一般都比较复杂。金属化合物的熔点高、硬度高、脆性大,例如铁碳合金中的Fe3 C(渗碳体)。当合金中出现金属化合物时,能提高其强度、硬度和耐磨性,但会降低其塑性和韧性。

3.机械混合物

当组成合金的各组元在固态下既互不溶解,又不形成化合物,而是按一定的重量比例以混合方式存在,形成各组元晶体的机械混合物。组成机械混合物的物质可能是纯组元、固溶体或者是化合物各自的混合物,也可以是它们之间的混合物。

混合物中的各组成相既不溶解,也不化合,它们仍然保持各自的晶格结构,其力学性能取决于各组成相的性能,并由其各自形状、大小、数量及分布而定。它比单一的固溶体或金属化合物具有更高的综合性能。通过调整混合物中各组成相的数量、大小、形态和分布状况,可以使合金的力学性能在较大范围内变化,以满足工程上对材料的多种需要。


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