材料化学chapter7金属及合金材料

1、 第七章 金属及合金材料7.1 认识合金认识合金定义定义：合金是由两种或两种以上：合金是由两种或两种以上金属元素金属元素或由或由金金属与非金属元素属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。例组成的具有金属特性的物质。例如，由铜和锌两种元素组成的黄铜，由铜和锡组如，由铜和锌两种元素组成的黄铜，由铜和锡组成的锡青铜，由铁和碳组成的碳钢或铸铁，由铝、成的锡青铜，由铁和碳组成的碳钢或铸铁，由铝、铜、镁组成的硬铝等等，都是合金。铜、镁组成的硬铝等等，都是合金。 组成合金的最基本的独立物质称为组元。根组成合金的最基本的独立物质称为组元。根据组成合金组元数目的多少，可将合金分为二元据组成合金组元数目的多少，可

2、将合金分为二元合金、三元合金和多元合金。合金、三元合金和多元合金。 根据合金中组成元素之间相互作用的不同，根据合金中组成元素之间相互作用的不同，一般将合金分为：一般将合金分为：混合物合金、固溶体合金和金混合物合金、固溶体合金和金属间化合物。属间化合物。7.1.1 混合物合金混合物合金定义定义：是将两种或多种金属机械的混合在一起，：是将两种或多种金属机械的混合在一起，这种混合物中组分金属在熔融状态时可完全或部这种混合物中组分金属在熔融状态时可完全或部分互溶，并不起化学作用，而在凝固时各组分金分互溶，并不起化学作用，而在凝固时各组分金属又分别独自结晶出来属又分别独自结晶出来- -就类似于一般的固体

3、混就类似于一般的固体混合物分离提纯一样。显微镜下可以观察到各组分合物分离提纯一样。显微镜下可以观察到各组分的晶体或它们的混合晶体。例如：焊锡是固体混的晶体或它们的混合晶体。例如：焊锡是固体混合物。合物。7.1.2 固溶体合金固溶体合金定义定义：类似与液体溶液一样，两种或多种金属不：类似与液体溶液一样，两种或多种金属不仅在熔融是能互溶，而且在凝固是也能保持互溶仅在熔融是能互溶，而且在凝固是也能保持互溶状态的固体溶液称为固溶体合金。状态的固体溶液称为固溶体合金。固溶体合金在液态时为均匀的溶液，固溶体合金在液态时为均匀的溶液，含量多的金属我们称之为溶剂合金，含量多的金属我们称之为溶剂合金，含量少的金

4、属为溶质合金含量少的金属为溶质合金。固溶体转。固溶体转变为固态后，仍能保持组织结构的均变为固态后，仍能保持组织结构的均匀性，保持溶剂金属的晶格类型。匀性，保持溶剂金属的晶格类型。（1）定义）定义（2）基本特）基本特征征 按照溶质原子在溶剂原子格点上所占据的位按照溶质原子在溶剂原子格点上所占据的位置不同，又可将金属固溶体分为置不同，又可将金属固溶体分为置换固溶体置换固溶体和和间间隙固溶体。隙固溶体。 （2）分类）分类a.a.置换固溶体置换固溶体: :溶质原子代替一部分溶剂溶质原子代替一部分溶剂原子占据溶剂晶格中某些格点的位置原子占据溶剂晶格中某些格点的位置cucu与与cu-nicu-ni置换置换

5、固溶体置换置换固溶体7.1.2 金属间化合物金属间化合物定义定义： 组成合金的元素如果在周期表中的位置相组成合金的元素如果在周期表中的位置相距较远，即其距较远，即其电负性相差较大电负性相差较大时，往往容易时，往往容易形成化合物。合金中化合物可分为金属化合物和形成化合物。合金中化合物可分为金属化合物和非金属化合物。金属化合物是指那些由相当程度非金属化合物。金属化合物是指那些由相当程度金属键结合的、具有明显金属特性的化合物，它金属键结合的、具有明显金属特性的化合物，它可以成为金属材料的组成相。可以成为金属材料的组成相。 金属化合物的晶格类型与组成它的组元的晶金属化合物的晶格类型与组成它的组元的晶格

6、类型完全不同，具有较高的熔点，且硬而跪。格类型完全不同，具有较高的熔点，且硬而跪。金属化合物通常使合金的强度、硬度和耐磨性提金属化合物通常使合金的强度、硬度和耐磨性提高，但也使其塑性和韧性降低。高，但也使其塑性和韧性降低。（1）定义）定义（2）分类）分类1. 正常价化合物正常价化合物 组成正常价化合物的元素是严格按照原子价规组成正常价化合物的元素是严格按照原子价规律结合的，成分固定，可用化学式表示律结合的，成分固定，可用化学式表示。通常金通常金同性强的元素与非金属或类全属可形成正常价金同性强的元素与非金属或类全属可形成正常价金属化合物。例如，属化合物。例如，mg2si、mg2sn、mg2pb、

7、mg3bi2、na2sb等。等。 这类化合物的化学键介于金属键与离子这类化合物的化学键介于金属键与离子键之间，因此其导电性、导热性、韧性变差，键之间，因此其导电性、导热性、韧性变差，而熔点、硬度提高。在合金中，当其在固溶而熔点、硬度提高。在合金中，当其在固溶体基体上细小而均匀分布时，特使合金得到体基体上细小而均匀分布时，特使合金得到强化，起着强化相的作用。强化，起着强化相的作用。（2）分类）分类2.电子化合物电子化合物 电子化合物不遵循原子价规律，而是按照一定的电子化合物不遵循原子价规律，而是按照一定的电子浓度组成的一定晶格结构的化合物。这类化合电子浓度组成的一定晶格结构的化合物。这类化合物可

8、由一价金属物可由一价金属(au(au、agag、cucu、lili、nana等等) )和和viiibviiib族元素族元素(fe(fe、coco、nini、ptpt、pdpd等等) )与二价至五价的金与二价至五价的金属属(be(be、mgmg、znzn、cdcd、a1a1、gaga、gege、snsn、sbsb等等) )结合结合而成。其特点是有一定的电子浓度，且一定的电子而成。其特点是有一定的电子浓度，且一定的电子浓度一般对应于一定的晶格结构。浓度一般对应于一定的晶格结构。 这类化合物的熔点、硬度都很高，但这类化合物的熔点、硬度都很高，但塑性很差。因此，它和正常化合物一塑性很差。因此，它和正常

9、化合物一样，一般只作为强化相存在于合金之样，一般只作为强化相存在于合金之中。中。（2）分类）分类3.间隙化合物间隙化合物 间隙化合物一般由原子半径较大的过渡金属元素间隙化合物一般由原子半径较大的过渡金属元素(fe(fe、coco、momo、w w、v v等等) )和原子半径较小的非金属元和原子半径较小的非金属元素素(h(h、c c、b b、n n等等) )所组成。其晶格结构的特点是前所组成。其晶格结构的特点是前者的原子占据新晶格的结点位置，而后者的原子则者的原子占据新晶格的结点位置，而后者的原子则有规律地嵌入这一新晶格的间隙中，间隙化合物因有规律地嵌入这一新晶格的间隙中，间隙化合物因此得名。此

10、得名。 间隙化合物具有极高熔点和硬度，而且十分稳定，尤间隙化合物具有极高熔点和硬度，而且十分稳定，尤其是间隙相。因此，间隙化合物在钢铁材料和硬质合金中其是间隙相。因此，间隙化合物在钢铁材料和硬质合金中具有很大作用。例如，碳钢中的渗碳体具有很大作用。例如，碳钢中的渗碳体fe3cfe3c可提高其强度可提高其强度和硬度，工具钢中的和硬度，工具钢中的vcvc可提高其耐磨性，高速钢中的可提高其耐磨性，高速钢中的wcwc、vcvc等可使其在高温下保持高硬度、而等可使其在高温下保持高硬度、而wcwc和和tictic则是硬质合则是硬质合金的主要成分。金的主要成分。其组成和晶格存在对应关系其组成和晶格存在对应关

11、系7.2 形状记忆合金形状记忆合金 材料在某一温度下受外力而变形，当外力去材料在某一温度下受外力而变形，当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到某数值，材料会自动恢复到变形前原有的形状，某数值，材料会自动恢复到变形前原有的形状，似乎对以前的形状保持记忆，这种材料称为形状似乎对以前的形状保持记忆，这种材料称为形状记忆合金记忆合金(shape memory alloy(shape memory alloy，sma)sma)。7.2.1 有有“记忆记忆”的金属的特的金属的特征征 材料在某一温度下受外力而变形，当外力去材料在某一温度下受外力而变形，当

12、外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到某数值，材料会自动恢复到变形前原有的形状，某数值，材料会自动恢复到变形前原有的形状，似乎对以前的形状保持记忆，这种材料称为形状似乎对以前的形状保持记忆，这种材料称为形状记忆合金记忆合金(shape memory alloy(shape memory alloy，sma)sma)。7.2.2 形状记忆合金的原理形状记忆合金的原理单程记忆效应单程记忆效应： 形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后回复到变形前的形状，这种只在加热过程中存在回复到变形前的形状，这种只在加热过程

13、中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。的形状记忆现象称为单程记忆效应。双程记忆效应双程记忆效应： 某些合金加热时回复高温相形状，冷却时回某些合金加热时回复高温相形状，冷却时回复低温相形状。复低温相形状。全程记忆效应全程记忆效应： 某些合金加热时回复高温相形状，冷却时变某些合金加热时回复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温形状的现象。一般为形状相同而取向相反的低温形状的现象。一般加热时的恢复力比冷却时的回复力大的多。加热时的恢复力比冷却时的回复力大的多。（1 1）电阻）电阻7.2.3 形状记忆合金相变过程的表征形状记忆合金相变过程的表征相相对对电电阻阻温度温度（2 2）磁化率）磁化率7

14、.2.3 形状记忆合金相变过程的表征形状记忆合金相变过程的表征nitiniti合金的马氏体和奥氏体相的磁化率之间有很合金的马氏体和奥氏体相的磁化率之间有很大的不同，这是判断相变温度的又一个精确的方大的不同，这是判断相变温度的又一个精确的方法。低温相的磁化率大约是高温相的法。低温相的磁化率大约是高温相的2/32/3。（3 3）相变热）相变热7.2.3 形状记忆合金相变过程的表征形状记忆合金相变过程的表征 相变热普遍采用的表征方法是微分扫描量热相变热普遍采用的表征方法是微分扫描量热法（法（dscdsc）。在该方法中，采取样品和参考物对比）。在该方法中，采取样品和参考物对比的方法进行能量的比较，确定

15、相变。在冷却过程的方法进行能量的比较，确定相变。在冷却过程中，奥氏体和马氏体的转变是放热的，大约释放中，奥氏体和马氏体的转变是放热的，大约释放2.1kj/mol2.1kj/mol，r r相存在时，冷却过程中奥氏体到相存在时，冷却过程中奥氏体到r r相相的转变和的转变和r r相到马氏体的转变均为放热，分别为相到马氏体的转变均为放热，分别为0.50.5和和1.6kj/mol1.6kj/mol的能量。的能量。 另外组成对相变也有一定的作用。如书中图另外组成对相变也有一定的作用。如书中图7-77-77.2.4 记忆合金的应用记忆合金的应用-续表续表（1 1）航天航空技术中的应用）航天航空技术中的应用7

16、.2.3 形状记忆合金相变过程的表征形状记忆合金相变过程的表征人类登月中探月天线。人类登月中探月天线。（2 2）制作工程零件）制作工程零件 形状记忆合金是连接零件和管道的能手。形状记忆合金是连接零件和管道的能手。如制作铆钉如制作铆钉（3 3）制作热能发动机）制作热能发动机7.2.3 形状记忆合金相变过程的表征形状记忆合金相变过程的表征 利用双程形状记忆合金变形的动力作为推利用双程形状记忆合金变形的动力作为推动力，这种发动机能在较低的温度下运转，动力，这种发动机能在较低的温度下运转，固可利用地热能、太阳能及工厂余热，不需固可利用地热能、太阳能及工厂余热，不需要烧油烧煤也不耗电，不排废气不排废液又要烧油烧煤也不耗电，不排废气不排废液