在固溶体点阵中,原子之间的结合基本上是金属键。和固态纯金 属一样,固溶体内存在着各种各样的晶体缺陷,如空位、离位原子、位错、亚晶界和晶粒间界等等;这 些缺陷引起固溶体点阵的畸变。此外,由于异类原子的溶入也造成点阵的畸变。这些畸变对金属的性能 产生重大影响,如提高合金的强度和电阻率等。 按固溶度来分类:可分为有限固溶体和无限固溶体。无限固溶体只可能是置换固溶体。 按溶质原子与溶剂原子的相对分布来分;可分为无序固溶体和有序固溶体。 在讨论固溶体的概念时,认为溶质质点(原子、离子)在溶剂晶体结构中的分布是任意的、无规 则的,这便是无序固溶体的概念。例如,晶胞参数的测定,实际上是一个平均值;密度的测定也是统计 的结果。固溶体中溶质质点无规则分布的概念,和实验结果基本一致。 有些固溶体中溶质质点的分布是有序的,即溶质质点在结构中按一定规律排列,形成所谓“有序固 溶体”。例如,Au-Cu 固溶体,Au 和 Cu 都是面心立方格子,它们之间可以形成连续置换固溶体。在一 般情况下,Au 和 Cu 原子是无规则的分布在面心立方格子的结点上,这便是一般认为的固溶体(图 5-47(a))。但是,如果这个固溶体的组成为 AuCu3 和 AuCu 时,并且在适当的温度下进行较长时间退 火,则固溶体的结构可转变为“有序结构”。这表现为 AuCu3 组成中,所有的 Au 原子占有面心立方格子 的顶角位置,而 Cu 原子则占有面心立方格子的面心位置(图 5-47(b))。因而,从单位晶胞来看组成 应为 AuCu3。同理,如果 Au 原子和 Cu 原子分层相间分布(图 5-47(c)),也形成“有序结构”,其相应 的组成应为 AuCu。这种有序结构称为超结构。它除了和组成有关外,还和晶体形成时的温度、压力条 件有关。 固溶体性能 (1)固溶强化:当溶质元素含量很少时,固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含 量的增多,会使金属的强度和硬度升高,而塑性和韧性有所下降,这种现象称为固溶强化。置换固溶体 和间隙固溶体都会产生固溶强化现象。 适当控制溶质含量,可明显提高强度和硬度,同时仍能保证足够高的塑性和韧性,所以说固溶体 一般具有较好的综合力学性能。因此要求有综合力学性能的结构材料,几乎都以固溶体作为基本相。这 就是固溶强化成为一种重要强化方法,在工业生产中得以广泛应用的原因。 (2)固溶度:是金属在固体状态下的溶解度,合金元素要溶解在固态的钢中,前提是将钢加热到 奥氏体化后,奥氏体晶格间的间隙教大,能够溶解更多的合金元素。 (3)固溶热处理:将合金加热至高温单相区恒温保持,使过剩相充分溶速冷却,以得到过饱和固溶体 的热处理工艺。时效处理可分为自然时效和人工时效两种。自然时效是将铸件置于露天场地半年以上, 使其缓缓地发生形变,从而使残余应力消除或减少,人工时效是将铸件加热到 550~650℃进行去应力 退火,它比自然时效节省时间,残余应力去除较为彻底. 根据合金本性和用途确定采用何种时效方法。 高温下工作的铝合金适宜用人工时效, 室温下工作的 铝合金有些采用自然时效,有些必须人工时效。从合金强化相上来分析,含有 S 相和 CuAl2 等相的合 金,一般采用自然时效,而需要在高温下使用或为了提高合金的屈服强度时,就需要采用人工时效来强 化。 比如 LY11 和 LY12, 40 度以下自然时效可以得到高的强度和耐蚀性, 对于 150 度以上工作的 LY12 和 125-250 度工作的 LY6 铆钉用合金则需要人时效。 含有主要强化相为 MgSi, MgZn2 的 T 相的合金, 只有采用人工时效强化,才能达到它的最高强度。 (4)固溶体的电性能:固溶体的电性能随着杂质(溶质)浓度的变化,一般出现连续的甚至是线性 的变化;然而,在相界上往往出现突变。例如 PbTiO3 和 PbZrO3 都不是性能优良的压电陶瓷。PbTiO3 是铁电体, 相变时伴随着晶胞参数的剧烈变化, 冷却至室温时, 一般会发生开裂, 所以没有纯的 PbTiO3 陶瓷。PbZrO3 是反铁电体。这两个化合物结构相同,Zr4+和 Ti4+尺寸差不多,可生成连续固溶体 Pb(ZryTi1–y)O3,其中 y=0~1。 随着固溶体组成的不同, 常温下有不同的晶体结构。 在 PbZrO3–PbTiO3 系统中发生的是等价置换,形成的固溶体结构完整,电场基本均衡,电导没有显著变化,一般情况下, 介电性能也改变不大。但在三方(rhombohedral)结构和四方(tetragonal)结构的晶型边界(MPB)处,获得 的固溶体 PZT 的介电常数和压电性能皆优于纯粹的 PbTiO3 和 PbZrO3 其烧结性能也很好。异价置换 会产生离子性缺陷,引起材料导电性能的重大变化,而且,这个改变是与杂质缺陷浓度成比例的。 5. 二元相图基本类型 ? 二元匀晶相图:二元合金系中两组元在液态和固态下均能无限互溶,并由液相结晶出 单相固溶体的相图称为二元匀晶相图 ? 二元共晶相图:通常把在一定温度下,由一定成分的液体相同时结晶出成分一定的两 个固相的过程称为共晶转变。合金系的两组元在液态下无限互溶,在固态下有限互溶, 在凝固过程中发生共晶转变的相图称为二元共晶相图。 ? 二元包晶相图:通常把在一定温度下,已结晶的一定成分的固相与剩余的一定成分的 液相发生转变生成另一固相的过程称为包晶转变。两组元在液态下无限互溶,固态下 有限互溶,并发生包晶转变构成的相图,称为二元包晶相图。 ? 共析转变相图:在恒定的温度下,一个特定成分的固相分解成另外两个成分不同的固 相的转变称为共析转变,发生共析转变的相图称为共析相图 合金的使用性能取决于它们的成分和组织,而合金的某些工艺性能取决于其结晶特 点,可以通过相图判断合金的性能和工艺性,为正确地配制合金、选材和制定相应的工艺 提供依据。 ? 合金的使用性能与相图关系 固溶体合金与作为溶剂的纯金属相比,其强度、硬度升高,到点率降低,并在某一成 分存在极限。 因固溶强化对强度与硬度的提高有限, 不能满足工程结构对材料性能的要求, 所以工程上经常将固溶体作为合金的基体。 ? 合金的工艺性能与相图的关系 相图中的液相与固相的水平和垂直距离越大,合金的流动性就越差,合金成分偏析也 月严重,使铸件性能变差。共晶合金的铸造性能最好,故在其他条件许可的情况下,铸造 合金尽量选用共析成分的合金。 单相固溶体合金具有较好的塑性,其压力加工性能良好,但其切削性能较差。当合金 形成两相混合物时, 合金的加工性能要好于单相合金, 但压力加工性能却不如单相固溶体。 6. 机械混合物:是由固溶体、化合物及纯金属按照固定比例构成的组织。工业生产中大多 数合金是由机械混合物组成,如碳钢,黄铜、铝合金等。一种固溶体不是混合物,两种或 多种固溶体混合在一起才组成混合物。 7. 组织:用金相(显微镜)观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多 种相构成的总体,以及各种材料的缺陷和损伤。 8. 储氢合金:是合金,一定有固溶体相,是否有化合物相,则要看它是什么合金。如:奥 氏体不锈钢只有固溶体相。而低碳钢则有固溶体和化合物两相。储氢合金是不是指储存氢 的容器用材料,如果是指材料,那储氢合金就是合金。储氢合金具体是由一种固溶体构成, 还是由两种或两种以上的固溶体构成,或者是由固溶体和化合物构成,要看它的成分(牌 号也行) 、热处理等。 9. 金属的晶体结构 ? 固态物质按其原子(或分子)的聚集状体进行分类,可分为晶体和非晶体两大类。 ? 晶体与非晶体根本区别在于原子(或分子)在三维空间的排列是否有规则。 ? 晶体:原子(或分子)按一定的几何规律作周期性地排列 ? 非晶体:原子(或分子)是无规则地堆积在一起 性能上的区别: ? 晶体由固态变为液态或液态变为固态时,总是在固定的温度下发生的,即具有固定的 熔点或凝固点;而非晶体则没有固定的熔点。 ? 晶体表现出各项向异性;非晶体物质则沿任何方向测得的性能则因方向不同而异,所 得的结构是一致的,称为各向同性。 ? 晶体在一定的条件下可以转换为非晶体 单晶体:原子从一个核心(称为晶核)按同一方向进行排列生长而成的晶体称为单晶体。 一些天然的晶体,如金刚石、水晶等均为单晶体。 金属材料通常是由许多不同方位的小晶体组成,称为多晶体。虽然多晶体中每个晶体 都呈各向异性,但是整个金属的性能则是多晶体性能的平均值。所以多晶体材料一般不显 示各向异性,这种情况称为假等向性。 金属的性能不仅决定于其组成原子的本性和原子之间结合类型,同时也取决于规则排 列的方式。 10. 晶体结构 阵点:通常把原子(正离子)在晶体中呈有规则的重复排列的队形称为空间阵点,点阵中 结点称为阵点。 晶体点阵:用一些假想的几何体线条将阵点的中心线连接起来构成空间格子称为晶体点 阵。