工程材料學(xué)

1、工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,固溶體的幾個(gè)基本概念：,組元： 組成合金的元素，或穩(wěn)定化合物。根據(jù)組元多 少合金可分為二元合金、多元合金。相：組元之間相互作用形成具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，并以界面互相分開的、均勻的組成部分 。相可以分為固溶體和金屬化合物。,工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,固溶體：相的晶體結(jié)構(gòu)與某一組成元素的晶體結(jié)構(gòu)相同 。固溶體分為間隙固溶體和置換固溶體。,工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶

2、格的某些結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體 （溶劑與溶質(zhì)原子尺寸相近，直徑差別較小 ，大于15%就很難形成置換固溶體） 。置換固溶體中原子的分布通常是任意的，稱之為無(wú)序固溶體。在某些條件下，原子成為有規(guī)則的排列，稱為有序固溶體。兩者之間的轉(zhuǎn)變稱為固溶體的有序化。這時(shí)，合金的某些物理性能將發(fā)生很大的變化。,工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,間隙固溶體：溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙中而形成的固溶體稱為間隙固溶體，其中的溶質(zhì)原子不占據(jù)晶格的正常位置 。只有溶質(zhì)原

3、子與溶劑原子的直徑之比小于0.59時(shí)，才會(huì)形成間隙固溶體。通常，間隙固溶體都是由原子直徑很小的碳、氮、氫、硼、氧等非金屬元素溶入過(guò)渡族金屬元素的晶格間隙中而形成的。,工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,固溶體的溶解度：溶質(zhì)原子溶入固溶體的極限濃度。據(jù)此可以分為有限固溶、無(wú)限固溶 。影響溶解度的因素有原子尺寸、晶格類型、電化學(xué)性質(zhì)以及電子濃度等 。,工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,固溶體的性能： 由于溶質(zhì)原子尺寸與溶劑原子不同，其晶格都會(huì)產(chǎn)生

4、畸變。由于晶格畸變?cè)黾恿宋诲e(cuò)移動(dòng)的阻力，使滑移變形難以進(jìn)行，因此固溶體的強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性則有所下降。 這種通過(guò)溶入某種溶質(zhì)元素來(lái)形成固溶體而使金屬的強(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化 。,工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,金屬化合物 金屬化合物是合金組元間相互作用所形成的一種晶格類型及性能均不同于任一組元的合金固相。 一般可用分子式大致表示其組成。金屬化合物一般有較高的熔點(diǎn)、較高的硬度和較大的脆性

5、。 合金中出現(xiàn)化合物時(shí)，可提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。,工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,（1）正常價(jià)化合物 周期表上相距較遠(yuǎn)，電化學(xué)性質(zhì)相差較大的兩元素容易形成正常價(jià)化合物。其特點(diǎn)是符合一般化合物的原子價(jià)規(guī)律，成分固定，并可用化學(xué)式表示。如Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。性能特點(diǎn)：高的硬度和脆性。彌散分布于固溶體基體中時(shí)，將起到強(qiáng)化相的作用，使合金強(qiáng)化。,工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,（2）電子化合物 由第Ⅰ

6、族或過(guò)渡族元素與第Ⅱ至第Ⅴ族元素結(jié)合而成的。它們不遵循原子價(jià)規(guī)律，而服從電子濃度規(guī)律。電子濃度指合金中化合物的價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目之比。性能特點(diǎn)：高的熔點(diǎn)和硬度，但塑性較低，一般只能作為強(qiáng)化相存在于合金特別是有色金屬合金中。,工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,（3）間隙化合物 由過(guò)渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的金屬化合物。 根據(jù)組成元素原子半徑比值及結(jié)構(gòu)特征的不同，可將間隙化合物

7、分為間隙相和具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。,工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,間隙相當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑比值小于0.59時(shí)，形成具有簡(jiǎn)單晶格的間隙化合物，稱為間隙相，如TiC、TiN、ZrC、VC、NbC、Mo2N、Fe2N等。性能特點(diǎn)：極高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，而且十分穩(wěn)定，是高合金工具鋼的重要組成相，也是硬質(zhì)合金和高溫金屬陶瓷材料的重要組成相。,工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物 當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值大

8、于0.59時(shí)，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。如鋼中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。Fe3C稱為滲碳體，具有復(fù)雜的斜方晶格。,工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物性能特點(diǎn)： 具有很高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，但與間隙相相比要稍低一些，加熱時(shí)也易于分解。這類化合物是碳鋼及合金鋼中重要的組成相。金屬化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金屬化合物為基的固溶體。,工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,純金屬的

9、結(jié)晶：,金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w狀態(tài)的過(guò)程稱為結(jié)晶（或一次結(jié)晶）。把一種固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固態(tài)稱為二次結(jié)晶。液態(tài)金屬一般為非晶態(tài)，并非完全無(wú)序排列，在很小范圍內(nèi)有序，即近程有序，遠(yuǎn)程無(wú)序。,液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)示意圖,工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,結(jié)晶過(guò)程能量狀態(tài)與溫度的關(guān)系： 結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)自發(fā)過(guò)程，所以該過(guò)程是高能狀態(tài)向低能狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。,工程材料,液態(tài)金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件,金屬基礎(chǔ)理論,液態(tài)金屬的結(jié)晶是系統(tǒng)降低自由能的自發(fā)進(jìn)行的過(guò)程。系

10、統(tǒng)的自由能G可由下式表示：,,H為焓、T為絕對(duì)溫度、S為熵,工程材料,,純金屬液、固兩相體積自由能與溫度的關(guān)系,在溫度T0處GL＝GS，固、液兩相處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。T0即為純金屬的平衡結(jié)晶溫度。,金屬基礎(chǔ)理論,工程材料,當(dāng)T>T0時(shí)，GLGS，結(jié)晶才可能自發(fā)進(jìn)行。這時(shí)兩相自由能的差值ΔG就構(gòu)成相變（結(jié)晶）的驅(qū)動(dòng)力：△GL→S＝GL－GS＝（HL－HS）－T（SL－SS）。,金屬基礎(chǔ)理論,工程材料,一般結(jié)晶都發(fā)生在金屬的熔點(diǎn)附

11、近，故焓與熵隨溫度的變化可以忽略不計(jì)，則有HL－HS＝L, SL－SS＝△S，其中，L為結(jié)晶潛熱、△S為熔化熵。當(dāng)T＝T0時(shí), △GL→S＝L-T0△S＝0，所以有△S ＝L/T0。因此，可得：,,金屬基礎(chǔ)理論,工程材料,△T=T0-T，為過(guò)冷度。對(duì)于給定金屬，L與T0均為定值，故△GL→S僅與△T有關(guān)。因此，液態(tài)金屬結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力是由過(guò)冷提供的，過(guò)冷度越大，結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力也就越大。過(guò)冷度為零時(shí)，驅(qū)動(dòng)力就不復(fù)存在。所以液態(tài)金屬不會(huì)在沒(méi)有過(guò)冷度

12、的情況下結(jié)晶。,金屬基礎(chǔ)理論,工程材料,系統(tǒng)的自由能變化由兩部分構(gòu)成，液相與固相的體積自由能之差，它是相變的驅(qū)動(dòng)力；另一部分是出現(xiàn)了界面使系統(tǒng)增加了表面能，它是相變的阻力。前者與晶胚半徑的三次方成正比，后者與其平方成正比。,金屬基礎(chǔ)理論,工程材料,晶胚半徑r較小時(shí)，表面能占優(yōu)勢(shì)；r較大時(shí)負(fù)值的體積自由能變化占優(yōu)勢(shì)。,在液體中，由于形成不同半徑的球形晶胚所引起的自由能變化的示意圖。,工程材料,當(dāng)溫度低于T0時(shí)，晶胚半徑r大于臨界半徑r*

13、時(shí)，晶胚才是穩(wěn)定的。比臨界半徑更小的晶胚如果要繼續(xù)長(zhǎng)大，則相應(yīng)的自由能也要增加，不符合熱力學(xué)條件所以是不可能的。即小于r*的晶胚要分解，大于r*的晶胚可以繼續(xù)長(zhǎng)大。 下面來(lái)求出臨界半徑r* ：,金屬基礎(chǔ)理論,工程材料,對(duì)r求導(dǎo)數(shù)，并令其等于0，即可得出臨界形核半徑r*:,金屬基礎(chǔ)理論,工程材料,表明臨界半徑r*與過(guò)冷度成反比，即過(guò)冷度越大，形成晶核的晶胚的臨界半徑越小。,金屬基礎(chǔ)理論,工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,過(guò)冷度愈大，液

14、態(tài)和固態(tài)之間能量狀態(tài)差就愈大，促使液體結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力就愈大。只有當(dāng)結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力達(dá)到一定值時(shí)，結(jié)晶過(guò)程才能進(jìn)行。所以，結(jié)晶的必要而且充分條件是具有一定的過(guò)冷度，冷速越大，過(guò)冷度越大。,精品課件！,精品課件！,工程材料,金屬基礎(chǔ)理論,在液態(tài)物質(zhì)的冷卻過(guò)程中，可以用熱分折法來(lái)測(cè)定其溫度的變化規(guī)律，即冷卻曲線。在T0溫度以上時(shí)．液態(tài)金屬的溫度是均勻下降的。當(dāng)冷卻到低于T0的某一個(gè)溫度時(shí)，液態(tài)物質(zhì)開始結(jié)晶，并不斷放出結(jié)晶潛熱，保持系統(tǒng)溫度不變，即在