合金及合金的结构

合金是一种金属元素和一种或几种其它元素（金属或者非金属均可）熔合后而组成的具有进速特性的物质。组成合金最基本的、能独立存在的物质称为组元，简称元。绝大多数情况下，组元即是构成合金的元素。但也有将化合物作为组元的，其条件是化合物在所研究的范围内，既不分解也不发生任何化学反应。根据组元的数量，可分为二元合金、三元合金或多元合金、如简单黄铜是由铜和锌两种元素组成的二元合金；硬铝是由铝、铜、镁三种元素组成的三元合金。　　◆铜合金分类　　铜合金分为黄铜、青铜和白铜。白铜是铜镍合金，主要用来制造精密机械、精密仪表中的耐蚀零件及电阻器、热电偶等。　　机械制作中，主要使用的是黄铜和青铜。　　●铸造黄铜　　铜和锌着称的合金统称为黄铜。其中铜锌二元合金称普通黄铜。除锌外再加入其它元素所组成的多元黄铜称为特殊黄铜。　　铸造黄铜具有较高的力学性能，铸造性能较好，且价格比青铜低。常用于一般用途的轴承、衬套、齿轮等耐磨件和阀门等耐蚀件。　　●铸造青铜　　可分为普通青铜（锡青铜）和特殊青铜（铝青铜、铅青铜、硅青铜、铍青铜等）两大类。　　◆铜合金铸造工艺　　各种成分的铜合金的结晶特征不同，铸造性能不同，铸造工艺特点也不同。　　1、锡青铜：结晶特征是结晶温度范围大，凝固区域宽。铸造性能方面流动性差，易产生缩松，不易氧化。工艺特点是壁厚件采取定向凝固（顺序凝固），复杂薄壁件、一般壁厚件采取同时凝固。　　2、铝青铜和铝黄铜：结晶特征是结晶温度范围小，为逐层凝固特征。铸造性能方面流动性较好，易形成集中缩孔，极易氧化。工艺特点是铝青铜浇注系统为底注式，铝黄铜浇注系统为敞开式。　　3、硅黄铜：结晶特征是介于锡青铜和铝青铜之间。铸造性能最好（在特殊黄铜中）。工艺特点是顺序凝固工艺，中注式浇注系统，暗冒口尺寸较小。　　◆铝合金铸件分类　　铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金等。　　●铝合金的铸造工艺　　铝合金的铸造性能和化学成分密切相关，其中Al-Si合金处于共晶成分附近，铸造性能最好，和灰铸铁相似。Al-Cu合金远离共晶成分，凝固温度范围大，铸造性能最差。在实际生产中，铝铸件都有冒口补缩，Al-Si类合金的凝固温度范围小，冒口补缩效率高，易获得组织致密的铸件。其它类铸铝合金的凝固温度范围大，冒口补缩效率低，铸件致密性差。　　铝合金极易吸气和氧化，因此浇注系统必须保证铝液较快而平稳地流入，避免搅动。　　各种铸造方法都适用于铝合金铸件。当生产量较少时，可用砂型铸造，应选用细砂来造型；大量生产的重要铸件，则采用特种铸造。金属型铸造效率高，铸件质量好。低压铸造适用于要求致密性高的耐水压铸件。压力铸造可用于薄壁复杂小件。　　●铸造铝合金的熔炼特点　　铝合金在液态下极易氧化，其产物为Al2O3，熔点高达2050℃，密度稍大于铝，呈固态夹杂物悬浮在铝液中，很难去除，既恶化铸造性能，又降低力学性能，使铸件致密性降低。铝液还极易吸收氢气，凝固时析出，形成气孔或针孔等缺陷。　　1、精炼方法为了减缓铝液的氧化和吸气，铝合金应在熔剂层覆盖下熔炼。可向坩锅内加入KCl、NaCl等作为熔剂，以便将铝液与炉气隔离。为驱除铝液中已吸入地氢气，防止针孔的产生，在铝液出炉之前应进行驱氢精炼。方法有多种，较为简便的是用钟罩向铝液中压入氯化锌（ZnCl2）或六氯乙烷（C2Cl6）等氯盐或氯化物，于是发生如下反应：　　3ZnCl2+2Al=3Zn+2AlCl3　　3C2Cl6+2Al=3C2Cl4+2AlCl3　　反应生成的AlCl3沸点为183℃，C2Cl4的沸点为121℃，故形成气泡，在上浮过程中将铝液中的气体H2及Al2O3夹杂一起带出液面。　　2、熔炼设备铝合金熔炉种类很多，一般多用焦碳坩锅炉。也可用电阻坩锅炉。此外感应电炉（工频、中频）也有使用。　　合金的结构要比纯金属复杂得多。因为合金由两种或多种元素组成，各元素间的相互作用，会形成各种不同的相。我们把在金属和合金中，凡化学成分相同、结构相同并与其他部分由界面分开的均匀组成部分，称之为相。　　下面按照这一概念来分析纯金属和合金的结构。纯金属液态时为单相；固态由同一元素、同一晶格构成，故为单相；结晶过程中，既有液相又有固相，即为二相。合金在液态时，其为具有一定化学成分均匀一致的合金液体，为单相。合金由液态转变为固态后，各元素彼此相互溶解可形成固溶体；元素也可能彼此间发生反应而形成金属化合物。固溶体和金属化合物是固态合金的两个基本相。所以合金在固态时，可能是单相组织也可能是多相组织。在分析合金结构时，就是分析其相结构，看其由几种固溶体或金属化合物，即为几相。　　◆固溶体　　所谓固溶体是指溶质原子溶入金属溶剂的晶格中所组成的合金相。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。形成固溶体时，含量大者为溶剂，含量少者为溶质；溶剂的晶格即为固溶体的晶格。　　●固溶体的分类　　按溶质原子在晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体。　　1、置换固溶体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，易于形成置换固溶体。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。　　2、间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称间隙固溶体。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与溶剂原子直径之比必须小于0.59。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。　　另外，按溶质元素在固溶体中的溶解度，可分为有限固溶体和无限固溶体。但只有置换固溶体有可能成为无限固溶体。　　●固溶体的性能　　当溶质元素含量很少时，固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含量的增多，会使金属的强度和硬度升高，这种现象称为固溶强化。置换固溶体和间隙固溶体都会产生固溶强化现象。　　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。　　◆金属化合物　　金属化合物是两组元相互作用形成的新相，它的晶体结构与两组元都不相同，并具有金属性质。金属化合物有多种，它们的共同特点是熔点高、硬度高，一般都作为合金中的硬化相。如碳钢中的Fe3C，合金钢中的TiC、VC、W2C等。　　合金中以单相的固溶体或金属化合物的形式存在的情况减少，大多以两相的机械混合物形式存在。如碳钢中的珠光体，就是由固溶体（铁素体）和金属化合物（渗碳体Fe3C）组成的机械混合物。　　◆合金相图的测定　　如前所述，纯金属的结晶是在恒温下进行的，可用冷却曲线来描述。一种合金由液态转变为固态在某一温度范围内进行，也可用一冷却曲线表示。但一个合金系的结晶过程，就需要用相图来展现才能表示清楚。　　合金相图是表示合金的成分、温度和组织三者之间关系的图形，是研究合金的重要工具。合金相图一般都是由试验方法获得的。现以Pb-Sb二元合金为例，来说明二元合金相图的测定过程。　　（1）配制不同成分的若干合金，并分别做出它们的冷却曲线。　　（2）分别找出各个合金的结晶转变温度，即结晶开始温度和结晶终了温度。　　（3）把各合金的结晶开始温度和结晶终了温度，分别标注在温度－成分的坐标系中。　　（4）把各合金的结晶开始温度点连结起来，即为液相线；把结晶终了温度点连结起来，即为固相线。这样就构成了Pb-Sb二元合金相图。其它合金相图也可照此方法测定。　　Pb-Sb合金构成的是二元共晶相图。其他合金还可构成二元共析相图、形成稳定化合物的二元相图、二元匀晶相图等。　　◆铁碳合金　　铁碳合金是钢和铁的总称，是工业上应用最广泛的合金。铁碳合金是以铁为基本元素，以碳为主加元素组成的合金。在液态时，铁和碳可以无限互溶。在固态时，碳溶于铁中形成固溶体。当含碳量超过碳在铁中的固态溶解度时，则出现金属化合物。此外，还可以形成由固溶体和金属化合物组成的机械混合物。　　下面分述铁碳合金在固态下出现的几种基本组织。　　●铁素体　　铁素体是碳溶解在a－Fe中的间隙固溶体，常用符号F表示。它仍保持的体心立方晶格，其溶碳能力很小，常温下仅能溶解为0.0008％的碳，在727℃时最大的溶碳能力为0.02％。　　由于铁素体含碳量很低，其性能与纯铁相似，塑性、韧性很好，伸长率δ＝45％～50％。强度、硬度较低，σb≈250MPa，而HBS＝80。　　●奥氏体　　奥氏体是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体，常用符号A表示。它仍保持γ－Fe的面心立方晶格。其溶碳能力较大，在727℃时溶碳为ωc＝0.77％，1148℃时可溶碳2.11％。奥氏体是在大于727℃高温下才能稳定存在的组织。奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。奥氏体是没有磁性的。　　●渗碳体　　渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，其化学式为Fe3C。渗碳体的含碳量为ωc＝6.69％，熔点为1227℃。其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高HBW＝800，塑性、韧性几乎为零，脆性很大。　　在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，其数量、形态与分布对铁碳合金的性能有直接影响。　　●珠光体　　珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片装珠光体。用符号P表示，含碳量为ωc＝0.77％。其力学性能介于铁素体与渗碳体之间，决定于珠光体片层间距，即一层铁素体与一层渗碳体厚度和的平均值。　　●莱氏体　　莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量为ωc＝4.3％。当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示。在低于727℃时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld‘表示，称为变态莱氏体。因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳体，所以硬度高，塑性很差。