合金的晶体结构与结晶过程

第八节合金的晶体结构与结晶过程

一、基本概念

●组成合金最基本的、独立的物质称为组元。

●由两种或两种以上的组元按不同比例配制而成的一系列不同化学成分的所有合金，称为合金系。

●相是指在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开的部分。

●组织是指用金相观察方法，在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。

二、合金的晶体结构

根据合金中各组元之间的相互作用，合金中的晶体结构可分为固溶体、金属化合物及机械混合物三种类型。

（一）固溶体

●合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一种原子而形成的晶体相，称为固溶体。

根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。

1．置换固溶体

●溶质原子代替一部分溶剂原子，占据溶剂晶格的部分结点位置时，所形成的晶体相，称为置换固溶体。

按溶质溶解度的不同，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。

a) 置换固溶体 b) 间隙固溶体

图1-32 固溶体的类型

2．间隙固溶体

●溶质原子在溶剂晶格中不占据溶剂晶格的结点位置，而是嵌入溶剂晶格的各结点之间的间隙内时，所形成的晶体相，称为间隙固溶体。

无论是置换固溶体，还是间隙固溶体，异类原子的插入都将使固溶体晶格发生畸变，增加位错运动的阻力，使固溶体的强度、硬度提高。这种通过溶入溶质原子形成固溶体，使合

金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化是强化金属材料的重要途径之一。

a）间隙固溶体 b）置换固溶体（大溶质原子） c）固溶体（小溶质原子）

图1-33 形成固溶体时产生的晶格畸变

（二）金属化合物

●金属化合物是指合金中各组元之间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相。

金属化合物具有与其构成组元晶格截然不同的特殊晶格，熔点高，硬而脆。

（三）机械混合物

●由两相或两相以上组成的多相组织，称为机械混合物。

在机械混合物中各组成相仍保持着它原有晶格的类型和性能，而整个机械混合物的性能则介于各组成相的性能之间，并与各组成相的性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等密切相关。

三、合金结晶过程

合金的结晶过程与纯金属一样，也是晶核形成和晶核长大两个过程。同时结晶时也需要一定的过冷度，结晶后形成由多晶体。合金的结晶过程中具有如下特点： （1）纯金属的结晶是在恒温下进行，只有一个结晶温度。而绝大多数合金是在一个温度范围内进行结晶的，一般结晶的开始温度与终止温度是不相同，一般有两个结晶温度。

（2）合金在结晶过程中，在局部范围内相的化学成分（即浓度）有差异，当结晶终止后，整个晶体的平均化学成分与原合金的化学成分相同。

（3）合金结晶后一般有三种情况：第一种情况是形成单相固溶体；第二种情况是形成单相金属化合物或同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)；第三种情况是结晶开始时形成单相固溶体，剩余液体又同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)。

四、合金结晶冷却曲线

合金结晶过程比纯金属复杂得多，但其结晶过程仍可用结晶冷却曲线来描述。一般合金的结晶冷却曲线有以下三种形式：

图1-34 合金的结晶冷却曲线

Ⅰ—形成单相固溶体Ⅱ—形成单相金属化合物或析出共晶体Ⅲ—形成机械混合物

●从一定化学成分的液体合金中同时结晶出两种固相物质，则该转变过程称为共晶转变(或称共晶反应)，其结晶产物称为共晶体。共晶转变是在恒温下进行的。

●在固态下由一种单相固溶体同时析出两相固体物质，称为共析转变(或称共析反应)。

共析转变与共晶转变一样，也是在恒温条件下进行的。