第3章 二元合金

第3章二元合金

纯金属的强度和硬度较低，塑性较好，通常利用其制作承载较小，以冷变形加工成型的各类板材。但对于承载较大的，要求耐磨的部件，纯金属的力学性能就达不到使用要求。为了提高金属材料的强度和硬度，工业上广泛采用的方法是合金化。

在纯金属中加入一种或多种其它元素，形成具有金属特性的物质叫合金。合金中包含的元素称组元。如Fe-C合金中的组元是Fe和C。由两个组元构成的合金称二元合金。同理，还有三元合金、多元合金等。本章讨论二元合金。3-1相及组织的概念

相是指：结构相同，成分和性能无突变，与其它部分有界面分开的部分。

例1：冰水混合物中，水是一个相，冰是另一个相，它们结构不同，性能有突变，有界面。

例2：往水中逐渐加盐，在达到溶解度之前，不论水中的含盐量多少，我们都认为只有一个盐水相。但是，当超过溶解度时，会有固体盐沉淀。这时，盐水是一个相，固体盐是另一个相。此时，二者的结构不同，成分和性能有突变，有界面。

例3：有一棒状固溶体，若使固溶体的一端到另一端成分连续线性增大（梯度材料），但未达到过饱和状态。此时，只有一个相，因为无界面。相反，当液体的不同区域成分有突变时，存在两个相。有界面。

纯金属在固态下，当温度一定时只有一个相。在不同温度下，有的固态纯金属可能有不同的结构，即同素异构体，当温度变化时，会发生相转变，称固态相变。结晶也属于相变。

在合金中，有的室温下中只有一个相，称单相合金；有的有两种相，称两相合金；有的为多相合金。

在合金中，由于成分或形成条件不同，可能有不同的相，相的数量、形态及分布也可能不同，形成不同的组织。通常，将用肉眼或放大镜观察到的图象称宏观组织，用显微镜观察到的图象称显微组织。

组织由组织组成物构成。组织组成物是一个与相、相分布和相形态有关的概念。一个相由于形成条件不同，使其形态和分布不同，可被看作是不同的组织组成物；不同的相机械地混合在一起也可被看作是一个组织组成物。

3-2 合金相结构

合金中，相的种类很多，按结构特点可分为两类：固溶体、金属化合物。

一、固溶体

定义：溶质原子溶入到溶剂的晶格中所形成的固态相称固溶体。固溶体的结构就是溶剂的结构，溶质原子属于点缺陷。

（一）固溶体的分类

⎪⎩⎪⎨

⎧

⎩⎨⎧间隙固溶体有序固溶体无序固溶体置换固溶体

按溶质原子的位置

⎩⎨⎧无限互溶固溶体有限互溶固溶体

按溶解度

有序固溶体中，溶质原子不在属于点缺陷，即结构发生变化，也可看作是金属化合物。

（二）置换固溶体

固溶体中溶质原子置换了溶剂原子时称置换固溶体。很多元素之间都能形成，但溶解度不同。影响溶解度的因素很多，大致有如下规律：

1、组元的晶体结构

晶体结构相同的形成无限固溶体的必要条件（P62图2）。形成有限固溶体时，溶质与溶剂的结构相同，溶解度通常也较大。

2、原子尺寸因素

溶质与溶剂原子大小差异越大，晶格畸越大，溶解度越小。一般认为直径相对差值大于15%的溶解度较小，反之较大。

3、电负性（化学亲和力）

电负性表征原子得电子的能力。溶质与溶剂原子之间的电负性相差越大，它们之间的化学亲和力就越大，越容易形成化合物。反之越容易形成固溶体。

在同一周期，电负性自左向右增大；在同一族，电负性从上到下减小。

4、电子浓度因素

电子浓是指合金中价电子数目与原子数目的比值e /a 。设溶剂和溶质的原子价为A 和B ，溶质的含量为x %（原子），则

100)100(Bx

x A a e

+-=

研究发现，固溶体的电子浓度有其极限值，极限电子浓度与固溶体结构有关。如一价面心立方金属Cu 、Ag 、Au 为溶剂的固溶体，极限电子浓度约为

1.4。显然，溶质的原子价越高，溶解度越小。

（三）间隙固溶体

有些原子的半径很小，与溶剂原子半径相差很大，不能形成置换固溶体。但是，若这些小原子的尺寸接近溶剂结构的间隙时，可形成间隙固溶体。

形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径小于0.1nm的一些非金属元素，如H（0.046nm）、B（0.097）、C（0.077）、N（0.071）、O（0.06）等。而溶剂都是过渡族元素。

间隙固溶体的溶解度不仅与溶质原子大小有关，也与溶剂结构中的间隙形状和大小有关。

（四）固溶体的性能

固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性下降。称固溶强化。间隙原子造成的晶格畸变比置换原子大，所以其强化效果也好。

固溶体的强度和硬度比纯金属（溶剂）高，塑性比纯金属低。与化合物比较，固溶体的强度和硬度低，塑性好。

二、金属化合物

合金中，当组元的含量超过溶解度时，还可形成金属化合物。化合物的种类很多，但在相图中都处在中间位置（固溶体在两边），又称中间相。化合物的特点是结构与组元均不同。

金属化合物的结合键通常是混合键，具有一定的金属性质。

金属化合物的种类很多，下面介绍三种。

（一）正常价化合物

正常价化合物由电负性差较大的元素构成。这类化合物符合化合的原子价规律，成分固定不变，可用分子式表示。例子见P67。

电负性差越大，化合物越稳定，熔点越高。

正常价化合物具有较高的硬度，脆性较大。

（二）电子化合物

研究发现，贵金属（Au、Ag、Cu）或一些过渡族金属与B次族元素之间形成合金时，随着成分变化，可形成一系列化合物。如Cu-Zn 、Cu-Al系合金，随着溶质含量增加，可依次形成下列化合物：

进一步研究发现，对应的化合物都具有相同的电子浓度和结构类型，依次

称β相、γ相、ε相。即这类化合物的形成取决于电子浓度，称电子化合物。电子化合物的结构与电子浓度有关。

电子化合物不遵循原子价规律，虽然可以用分子式表示，但成分可以在一定范围变化（电子浓度也是一个范围），可看作是以化合物为基的固溶体，称第二类固溶体。

电子化合物的结合以金属键为主，具有明显的金属特性。

（三）间隙相和间隙化合物

这类化合物通常由过渡族金属与原子半径较小的非金属组成。当原子半径比59.0/ M X r r 时，化合物的结构简单，称间隙相。当59.0/ M X r r 时，结构

复杂，称间隙化合物。

间隙相和间隙化合物的结合为金属键与共价键混合，具有金属性质。

1、间隙相

间隙相的结构比较简单，金属原子多位于A1或A3结构的位置上，非金属原子位于该结构的间隙处。例如，间隙相VC 中，V 原子构成A1结构，C 原子规则分布在其八面体间隙位置。

间隙相可以用分子式表示，但成分可在一定范围变化。如间隙未被填满时出现空位，这种以缺位方式形成的固溶体称缺位固溶体。

间隙相具有极高的熔点和硬度，是硬质合金的重要组成相，也是合金工具钢的重要强化相。

2、间隙化合物

间隙化合物的结构很复杂，类型也很多。在合金中经常遇到的有M 3C 型、M 7C 3型、M 23C 6型、M 6C 型。其中，最常见的是Fe 3C ，是钢铁中的基本组成相，称渗碳体，属于正交晶系。Fe 3C 中，Fe 原子可以被其它金属原子置换，形成第二类固溶体，称合金渗碳体。

间隙化合物具有很高的熔点和硬度，但比间隙相的要低一些，而且加热时容易分解。P69表3为钢中常见的碳化物及其性能。

3-3 二元匀晶相图及固溶体的结晶

一、相律

我们知道，三个变量需要有三个独立的方程才能得到唯一的解，我们称这三个独立的方程为这三个变量的约束方程。此时，这三个变量都是确定的，不能改变，我们说这个系统的自由度为0。若只有两个独立方程，则三个变量有无穷解，但只要其中一个变量指定，则其它两个变量就有确定值。即其中只有