第三章 铁碳合金(一)

第三章铁碳合金

黑色金属：把以铁及铁碳为主的合金（钢铁）称为黑色金属。有色金属：把其他金属及其合金称为有色金属。

黑色金属钢碳素钢碳素结构钢

优质碳素结构钢

碳素工具钢

铸造碳钢

合金钢合金结构钢

合金工具钢

特殊性能钢

铸铁白口铸铁灰铸铁

灰铸铁可锻铸铁

金属材料麻口铸铁球墨铸铁

蠕墨铸铁

有色金属铜及其合金

铝及其合金

钛及其合金

轴承合金

硬质合金

§3-1 合金及其组织

一、合金的基本概念

1.合金

定义：合金是以一种金属为基础，加人其它金属元素可非金属元素，通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。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：普通黄铜是由铜锌两种金属元素组成的合金，碳素钢是由铁和碳组成的合金。

2.组元

定义：组成合金最简单的、最基本的、能够独立存在的物质称为组元或元。

硬铝是由铝、铜、镁或铝、铜、锰组成的三元合金。

组元可以是金属元素，非金属元素或稳定的化合物。

一般来说，组元就是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。举例：黄铜的组元是铜和锌，碳钢的组元是碳和铁，或者是铁和金属化合物Fe3C。

由两个组元组成的合金称为二元合金；

由三个组元组成的合金称为三元合金；

由三个以上组元组成的合金称为多元合金。

举例：黄铜是由铜和锌两个组元组成的二元合金

硬铝是由铝、铜、镁或铝、铜、锰组成的三元合金。

3.相

定义：在合金中成分、结构及性能相同的的组成部分称为相。

举例：纯金属在固态时为一个相（固相），在熔点以上为另一个相（液相）。而在熔点时，固体与液体共存，两者之间有界面分开，它们各自的结构不同，所以此时为固相和液相共存的混合物。

由一种固相组成的合金称为单相合金。

由几种不同固相组成的合金称为多相合金。

举例：锌的含量为30℅的Cu-Zn合金是单相合金，一般称为单相黄铜，它是锌溶入铜中的固溶体。当锌的含量为40℅时，则是两相合金，即除了形成固溶体外，铜和锌还形成另外一种新相，称为金属化合物，它的晶体结果与固溶体完全不同，成分和性能也不相同，相界把两种不同的相分开。

4.组织

定义：合金的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。由单一相构成的组织称为单相组织。

由不同相构成的组织称为多相组织。

由于不同相之间的性能差异很大，再加上数量、大小和分布方式不同，所以合金的组织不同，其性能也就不同。

二、合金的组织

根据合金中各组元之间结合方式的不同，合金组织可分为：固溶体、金属化合物和混合物三类。

1.固溶体

定义：固熔体是一种组元的在子深入另一组元的晶格中所形成的

均匀固相。

溶入的元素称为溶质，而基体元素称为溶剂。固溶体仍然保持溶剂的晶格类型。

明确：固溶体是一种固体状态下的融合体，它的情况与溶液相类似。

举例：我们把蔗糖溶于水，可得到蔗糖的水溶液——糖水。水是溶剂，蔗糖是溶质。如果糖水结成冰，就可得到蔗糖在固态水中的固溶体。

在合金中也存在类似的情况，在固态下，合金中组元如能相互溶解，而形成均匀的固相，这种相即为固溶体。

根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置的不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两种。

（1）、间隙固溶体

溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的固溶体称为间隙固溶体。

当溶质元素的原子直径与溶剂元素的原子直径之比较小（D质∕D剂＜0.59）时，易于形成间隙固溶体。

举例：碳、氮、硼等非金属元素溶入铁中形成的固溶体即属于这种类型。

无限固溶体：溶质与溶剂之间可以任何比例无限互相溶解形成的固溶体。

有限固溶体：溶质只能在溶剂中有限溶解的固溶体。

一般说来，有限固溶体的溶解度与温度有关，温度越高，溶解度越大。

间隙固溶体都是有限固溶体。

（2）置换固溶体

定义：溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固容体称为置换固溶体。

在置换固溶体中，溶质在溶剂中的溶解度主要取决于两者的原子半径，在化学元素周期表中的位置及晶格类型等。

当晶格类型相同，原子直径接近的溶剂与溶质元素之间形成置换固溶体时，才有可能形成无限固溶体。

举例：铜与镍，铁与镉的合金

（3）固溶强化：在固溶体中由于溶质原子的溶入而使溶剂晶格发生畸变，从而使合金对塑性变形的抗力增加。通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。举例：常用的三七黄铜就是在纯铜的基础上加人30％的锌元素，形成含锌的固溶体，使其强度提高了三分之一。

2.金属化合物

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。

举例：碳钢中的Fe3C

黄铜中的CuZn

其性能物特点是：熔点高，硬度高，脆性大。金属化合物能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。

当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。

金属化合物是许多合金的重要组成相。

三、混合物

定义：两种或两种以上的相按一定质量分类组成的物质称为混合物。

混合物不是组成合金的基本相，它是由固溶体与固溶体或固溶体与金属化合物所组成的多相组织。

混合物的各组成相保持各自原有的晶格类型。

混合物的性能取决于各组成相的性能，以及它们的形态、数量、大小及分布。