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    合金及合金的結構詳解(金湖源儀儀器儀表有限公司)

    時間:2012-06-29 10:25來源:未知 作者:eguo 點擊:
    么是合金? 由一種金屬跟另一種或幾種金屬或非金屬所組成的具有金屬特性的物質叫合金。合金一般由各組分熔合成均勻的液體,再經冷凝而制得。 根據組成合金的元素數目的多少,有二元合金、三元合金和多元合金之分;根據合金結構的不同,又可以分成以下三種基

    么是合金?

      由一種金屬跟另一種或幾種金屬或非金屬所組成的具有金屬特性的物質叫合金。合金一般由各組分熔合成均勻的液體,再經冷凝而制得。
      根據組成合金的元素數目的多少,有二元合金、三元合金和多元合金之分;根據合金結構的不同,又可以分成以下三種基本類型:
      (1)共熔混合物。當共熔混合物凝固時,各組分分別結晶而成的合金,如鉍鎘合金。鉍鎘合金最低熔化溫度是413 K,在此溫度時,鉍鎘共熔混合物中含鎘40%,含鉍60%。
      (2)固溶體。各組分形成固溶體的合金。固溶體是指溶質原子溶入溶劑的晶格中,而仍保持溶劑晶格類型的一種金屬晶體。有的固溶體合金是在溶劑金屬的晶格結點上,一部分溶劑原子被溶質原子所置換而形成的,例如,銅和金的合金;有的固溶體合金是由溶質原子分布在溶劑晶格的間隙中而形成的。
      (3)金屬互化物。各組分相互形成化合物的合金。
      一般說來,合金的熔點都低于組成它任何一種成分金屬的熔點。例如,用作電源保險絲的武德合金,熔點只有67 ℃,比組成它的四種金屬的熔點都低。合金的硬度一般都比組成它的各成分金屬的硬度大。例如,青銅的硬度比銅、錫大,生鐵的硬度比純鐵大等。合金的導電性和導熱性都比純金屬差。有些合金在化學性質方面也有很大的改變。例如鐵很容易生銹,如果在普通鋼里加入約15%的鉻和約0.5%的鎳,就成為耐酸、堿等腐蝕的不銹鋼。
      "齊"也是合金的意思。含汞的合金常叫做汞齊。例如鈉汞齊是鈉和汞組成的合金,鋅汞齊是鋅和汞組成的合金。
     

    什么是合金及合金的結構?

      合金是一種金屬元素和一種或幾種其它元素(金屬或者非金屬均可)熔合后而組成的具有進速特性的物質。組成合金最基本的、能獨立存在的物質稱為組元,簡稱元。絕大多數情況下,組元即是構成合金的元素。但也有將化合物作為組元的,其條件是化合物在所研究的范圍內,既不分解也不發生任何化學反應。根據組元的數量,可分為二元合金、三元合金或多元合金、如簡單黃銅是由銅和鋅兩種元素組成的二元合金;硬鋁是由鋁、銅、鎂三種元素組成的三元合金。
      ◆銅合金分類
      銅合金分為黃銅、青銅和白銅。白銅是銅鎳合金,主要用來制造精密機械、精密儀表中的耐蝕零件及電阻器、熱電偶等。
      機械制作中,主要使用的是黃銅和青銅。
      ●鑄造黃銅
      銅和鋅著稱的合金統稱為黃銅。其中銅鋅二元合金稱普通黃銅。除鋅外再加入其它元素所組成的多元黃銅稱為特殊黃銅。
      鑄造黃銅具有較高的力學性能,鑄造性能較好,且價格比青銅低。常用于一般用途的軸承、襯套、齒輪等耐磨件和閥門等耐蝕件。
      ●鑄造青銅
      可分為普通青銅(錫青銅)和特殊青銅(鋁青銅、鉛青銅、硅青銅、鈹青銅等)兩大類。
      ◆銅合金鑄造工藝
      各種成分的銅合金的結晶特征不同,鑄造性能不同,鑄造工藝特點也不同。
      1、錫青銅:結晶特征是結晶溫度范圍大,凝固區域寬。鑄造性能方面流動性差,易產生縮松,不易氧化。工藝特點是壁厚件采取定向凝固(順序凝固),復雜薄壁件、一般壁厚件采取同時凝固。
      2、鋁青銅和鋁黃銅:結晶特征是結晶溫度范圍小,為逐層凝固特征。鑄造性能方面流動性較好,易形成集中縮孔,極易氧化。工藝特點是鋁青銅澆注系統為底注式,鋁黃銅澆注系統為敞開式。
      3、硅黃銅:結晶特征是介于錫青銅和鋁青銅之間。鑄造性能最好(在特殊黃銅中)。工藝特點是順序凝固工藝,中注式澆注系統,暗冒口尺寸較小。
      ◆鋁合金鑄件分類
      鑄造鋁合金按化學成分可分為鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金和鋁鋅合金等。
      ●鋁合金的鑄造工藝
      鋁合金的鑄造性能和化學成分密切相關,其中Al-Si合金處于共晶成分附近,鑄造性能最好,和灰鑄鐵相似。Al-Cu合金遠離共晶成分,凝固溫度范圍大,鑄造性能最差。在實際生產中,鋁鑄件都有冒口補縮,Al-Si類合金的凝固溫度范圍小,冒口補縮效率高,易獲得組織致密的鑄件。其它類鑄鋁合金的凝固溫度范圍大,冒口補縮效率低,鑄件致密性差。
      鋁合金極易吸氣和氧化,因此澆注系統必須保證鋁液較快而平穩地流入,避免攪動。
      各種鑄造方法都適用于鋁合金鑄件。當生產量較少時,可用砂型鑄造,應選用細砂來造型;大量生產的重要鑄件,則采用特種鑄造。金屬型鑄造效率高,鑄件質量好。低壓鑄造適用于要求致密性高的耐水壓鑄件。壓力鑄造可用于薄壁復雜小件。
      ●鑄造鋁合金的熔煉特點
      鋁合金在液態下極易氧化,其產物為Al2O3,熔點高達2050℃,密度稍大于鋁,呈固態夾雜物懸浮在鋁液中,很難去除,既惡化鑄造性能,又降低力學性能,使鑄件致密性降低。鋁液還極易吸收氫氣,凝固時析出,形成氣孔或針孔等缺陷。
      1、精煉方法為了減緩鋁液的氧化和吸氣,鋁合金應在熔劑層覆蓋下熔煉。可向坩鍋內加入KCl、NaCl等作為熔劑,以便將鋁液與爐氣隔離。為驅除鋁液中已吸入地氫氣,防止針孔的產生,在鋁液出爐之前應進行驅氫精煉。方法有多種,較為簡便的是用鐘罩向鋁液中壓入氯化鋅(ZnCl2)或六氯乙烷(C2Cl6)等氯鹽或氯化物,于是發生如下反應:
      3ZnCl2+2Al=3Zn+2AlCl3
      3C2Cl6+2Al=3C2Cl4+2AlCl3
      反應生成的AlCl3沸點為183℃,C2Cl4的沸點為121℃,故形成氣泡,在上浮過程中將鋁液中的氣體H2及Al2O3夾雜一起帶出液面。
      2、熔煉設備鋁合金熔爐種類很多,一般多用焦碳坩鍋爐。也可用電阻坩鍋爐。此外感應電爐(工頻、中頻)也有使用。
      合金的結構要比純金屬復雜得多。因為合金由兩種或多種元素組成,各元素間的相互作用,會形成各種不同的相。我們把在金屬和合金中,凡化學成分相同、結構相同并與其他部分由界面分開的均勻組成部分,稱之為相。
      下面按照這一概念來分析純金屬和合金的結構。純金屬液態時為單相;固態由同一元素、同一晶格構成,故為單相;結晶過程中,既有液相又有固相,即為二相。合金在液態時,其為具有一定化學成分均勻一致的合金液體,為單相。合金由液態轉變為固態后,各元素彼此相互溶解可形成固溶體;元素也可能彼此間發生反應而形成金屬化合物。固溶體和金屬化合物是固態合金的兩個基本相。所以合金在固態時,可能是單相組織也可能是多相組織。在分析合金結構時,就是分析其相結構,看其由幾種固溶體或金屬化合物,即為幾相。
      ◆固溶體
      所謂固溶體是指溶質原子溶入金屬溶劑的晶格中所組成的合金相。兩組元在液態下互溶,固態也相互溶解,且形成均勻一致的物質。形成固溶體時,含量大者為溶劑,含量少者為溶質;溶劑的晶格即為固溶體的晶格。
      ●固溶體的分類
      按溶質原子在晶格中的位置不同可分為置換固溶體和間隙固溶體。
      1、置換固溶體溶質原子占據溶劑晶格中的結點位置而形成的固溶體稱置換固溶體。當溶劑和溶質原子直徑相差不大,一般在15%以內時,易于形成置換固溶體。銅鎳二元合金即形成置換固溶體,鎳原子可在銅晶格的任意位置替代銅原子。
      2、間隙固溶體溶質原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱間隙固溶體。間隙固溶體的溶劑是直徑較大的過渡族金屬,而溶質是直徑很小的碳、氫等非金屬元素。其形成條件是溶質原子與溶劑原子直徑之比必須小于0.59。如鐵碳合金中,鐵和碳所形成的固溶體--鐵素體和奧氏體,皆為間隙固溶體。
      另外,按溶質元素在固溶體中的溶解度,可分為有限固溶體和無限固溶體。但只有置換固溶體有可能成為無限固溶體。
      ●固溶體的性能
      當溶質元素含量很少時,固溶體性能與溶劑金屬性能基本相同。但隨溶質元素含量的增多,會使金屬的強度和硬度升高,這種現象稱為固溶強化。置換固溶體和間隙固溶體都會產生固溶強化現象。
      適當控制溶質含量,可明顯提高強度和硬度,同時仍能保證足夠高的塑性和韌性,所以說固溶體一般具有較好的綜合力學性能。因此要求有綜合力學性能的結構材料,幾乎都以固溶體作為基本相。這就是固溶強化成為一種重要強化方法,在工業生產中得以廣泛應用的原因。
      ◆金屬化合物
      金屬化合物是兩組元相互作用形成的新相,它的晶體結構與兩組元都不相同,并具有金屬性質。金屬化合物有多種,它們的共同特點是熔點高、硬度高,一般都作為合金中的硬化相。如碳鋼中的Fe3C,合金鋼中的TiC、VC、W2C等。
      合金中以單相的固溶體或金屬化合物的形式存在的情況減少,大多以兩相的機械混合物形式存在。如碳鋼中的珠光體,就是由固溶體(鐵素體)和金屬化合物(滲碳體Fe3C)組成的機械混合物。
      ◆合金相圖的測定
      如前所述,純金屬的結晶是在恒溫下進行的,可用冷卻曲線來描述。一種合金由液態轉變為固態在某一溫度范圍內進行,也可用一冷卻曲線表示。但一個合金系的結晶過程,就需要用相圖來展現才能表示清楚。
      合金相圖是表示合金的成分、溫度和組織三者之間關系的圖形,是研究合金的重要工具。合金相圖一般都是由試驗方法獲得的。現以Pb-Sb二元合金為例,來說明二元合金相圖的測定過程。
      (1)配制不同成分的若干合金,并分別做出它們的冷卻曲線。
      (2)分別找出各個合金的結晶轉變溫度,即結晶開始溫度和結晶終了溫度。
      (3)把各合金的結晶開始溫度和結晶終了溫度,分別標注在溫度-成分的坐標系中。
      (4)把各合金的結晶開始溫度點連結起來,即為液相線;把結晶終了溫度點連結起來,即為固相線。這樣就構成了Pb-Sb二元合金相圖。其它合金相圖也可照此方法測定。
      Pb-Sb合金構成的是二元共晶相圖。其他合金還可構成二元共析相圖、形成穩定化合物的二元相圖、二元勻晶相圖等。
      ◆鐵碳合金
      鐵碳合金是鋼和鐵的總稱,是工業上應用最廣泛的合金。鐵碳合金是以鐵為基本元素,以碳為主加元素組成的合金。在液態時,鐵和碳可以無限互溶。在固態時,碳溶于鐵中形成固溶體。當含碳量超過碳在鐵中的固態溶解度時,則出現金屬化合物。此外,還可以形成由固溶體和金屬化合物組成的機械混合物。
      下面分述鐵碳合金在固態下出現的幾種基本組織。
      ●鐵素體
      鐵素體是碳溶解在a-Fe中的間隙固溶體,常用符號F表示。它仍保持的體心立方晶格,其溶碳能力很小,常溫下僅能溶解為0.0008%的碳,在727℃時最大的溶碳能力為0.02%。
      由于鐵素體含碳量很低,其性能與純鐵相似,塑性、韌性很好,伸長率δ=45%~50%。強度、硬度較低,σb≈250MPa,而HBS=80。
      ●奧氏體
      奧氏體是碳溶解在γ-Fe中的間隙固溶體,常用符號A表示。它仍保持γ-Fe的面心立方晶格。其溶碳能力較大,在727℃時溶碳為ωc=0.77%,1148℃時可溶碳2.11%。奧氏體是在大于727℃高溫下才能穩定存在的組織。奧氏體塑性好,是絕大多數鋼種在高溫下進行壓力加工時所要求的組織。奧氏體是沒有磁性的。
      ●滲碳體
      滲碳體是鐵與碳形成的金屬化合物,其化學式為Fe3C。滲碳體的含碳量為ωc=6.69%,熔點為1227℃。其晶格為復雜的正交晶格,硬度很高HBW=800,塑性、韌性幾乎為零,脆性很大。
      在鐵碳合金中有不同形態的滲碳體,其數量、形態與分布對鐵碳合金的性能有直接影響。
      ●珠光體
      珠光體是奧氏體發生共析轉變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體。其形態為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復相物,也稱片裝珠光體。用符號P表示,含碳量為ωc=0.77%。其力學性能介于鐵素體與滲碳體之間,決定于珠光體片層間距,即一層鐵素體與一層滲碳體厚度和的平均值。
      ●萊氏體
      萊氏體是液態鐵碳合金發生共晶轉變形成的奧氏體和滲碳體所組成的共晶體,其含碳量為ωc=4.3%。當溫度高于727℃時,萊氏體由奧氏體和滲碳體組成,用符號Ld表示。在低于727℃時,萊氏體是由珠光體和滲碳體組成,用符號Ld‘表示,稱為變態萊氏體。因萊氏體的基體是硬而脆的滲碳體,所以硬度高,塑性很差。
     

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