1. 關于合金的概念

(1) 合金

合金是指由兩種或兩種以上的元素 ( 主要是金屬元素) 熔合在一起組成的具有金屬特性的物質。例如, 鋼、鑄鐵、黃銅、硬鋁等都是合金。合金除具有純金屬的基本特性外, 還具有純金屬不具有的一些力學性能和物理化學性能指標。

(2) 組元

組成合金最基本的、獨立的物質稱為組元。組元一般是指組成合金的純元素, 或是穩定的化合物, 如鐵碳合金中的 Fe3C。

(3) 合金系

由若干個給定組元可以配制成一系列成分不同的合金稱為合金系。例如, Fe - C 合金系。根據組元數目的多少可稱為二元合金系、三元合金系。

(4) 相

在合金系中, 具有相同的物理、化學性能并與該系統的其他部分以界面分開的這部分稱為相。例如, 液態合金是一個相, 而在結晶過程中固體和液體并存, 即為兩相。合金的性能主要是由組成合金的各個相的結構、性能、形態、分布和各相的相對量所決定的。要了解合金的性能, 必須先了解合金的基本相結構。

2. 合金的基本結構

由兩種以上元素組成合金時, 在固態下合金的基本組織結構分為三類: 固溶體、化合物、機械混合物。

(1) 固溶體

1) 固溶體定義 所謂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合金晶體。根據溶質原子在溶劑晶格中所處位置不同, 固溶體又分為間隙固溶體和置換固溶體。

①間隙固溶體 溶質原子分布在溶劑晶格間隙位置而形成的固溶體叫間隙固溶體, 其結構示意圖如圖 1—7 所示。鐵能與碳、氮、硼等非金屬元素形成間隙固溶體。組成間隙固溶體的溶質組元都是一原子半徑很小的非金屬元素, 而溶劑組元多為過渡族金屬元素。

晶格畸變對金屬性能會產生很大影響, 是提高金屬材料力學性能的重要途徑之一。這種通過溶入溶質原子形成固溶體, 使金屬材料的強度、硬度提高的現象稱為固溶強化。例如,適當控制固溶體中溶質的含量, 可以使固溶體不但具有比純金屬高的強度和硬度, 同時仍具有良好的塑性和韌性。固溶體還具有比純金屬更高的電阻率、更小的電阻溫度系數和線脹系數。實際使用的金屬材料, 大多數是以固溶體作為合金中的基本相。

(2 ) 化合物

由多種元素按一定原子比數結合的物質稱為金屬化合物, 它的結構不同于組成元素的結構。金屬化合物有一定的化學成分 ( 一般可用分子式來表示其組成 ) , 并具有與組成它的任一組元素完全不同的復雜晶格, 而且組元原子在晶格中占據有固定的位置。

金屬化合物一般比純金屬熔點高, 硬而脆, 塑性、韌性差。當合金中存在有金屬化合物時, 根據金屬化合物本身的結構、性能及其在合金中的相對量、形狀、大小和分布特點, 將對合金的性能產生不同的影響。

(3 ) 機械混合物

由兩種以上的固溶體或由固溶體和化合物混合而構成的組織稱為機械混合物。

在機械混合物中各個相仍保持各自的晶格和性能。機械混合物的性能取決于各組成相的性能及各相的數量、形狀、大小及分布狀況。機械混合物構成的合金比單相固溶體具有更高的強度和硬度, 而塑性、韌性及抗腐蝕能力比單相固溶體低。