材料化學(xué)chapter7-金屬及合金材料.ppt

1、第七章 金屬及合金材料,7.1 認(rèn)識合金,定義：合金是由兩種或兩種以上金屬元素或由金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。例如，由銅和鋅兩種元素組成的黃銅，由銅和錫組成的錫青銅，由鐵和碳組成的碳鋼或鑄鐵，由鋁、銅、鎂組成的硬鋁等等，都是合金。 組成合金的最基本的獨立物質(zhì)稱為組元。根據(jù)組成合金組元數(shù)目的多少，可將合金分為二元合金、三元合金和多元合金。 根據(jù)合金中組成元素之間相互作用的不同，一般將合金分為：混合物合金、固溶體合金和金屬間化合物。,7.1.1 混合物合金,定義：是將兩種或多種金屬機械的混合在一起，這種混合物中組分金屬在熔融狀態(tài)時可完全或部分互溶，并不起化學(xué)作用，而在凝固時各組分金屬

2、又分別獨自結(jié)晶出來-就類似于一般的固體混合物分離提純一樣。顯微鏡下可以觀察到各組分的晶體或它們的混合晶體。例如：焊錫是固體混合物。,7.1.2 固溶體合金,定義：類似與液體溶液一樣，兩種或多種金屬不僅在熔融是能互溶，而且在凝固是也能保持互溶狀態(tài)的固體溶液稱為固溶體合金。,固溶體合金在液態(tài)時為均勻的溶液，含量多的金屬我們稱之為溶劑合金，含量少的金屬為溶質(zhì)合金。固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)后，仍能保持組織結(jié)構(gòu)的均勻性，保持溶劑金屬的晶格類型。,（1）定義,（2）基本特征,按照溶質(zhì)原子在溶劑原子格點上所占據(jù)的位置不同，又可將金屬固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體。,（2）分類,a.置換固溶體:溶質(zhì)原子代替一部分溶

3、劑原子占據(jù)溶劑晶格中某些格點的位置,Cu與Cu-Ni置換置換固溶體,7.1.2 金屬間化合物,定義： 組成合金的元素如果在周期表中的位置相距較遠，即其電負(fù)性相差較大時，往往容易 形成化合物。合金中化合物可分為金屬化合物和非金屬化合物。金屬化合物是指那些由相當(dāng)程度金屬鍵結(jié)合的、具有明顯金屬特性的化合物，它可以成為金屬材料的組成相。 金屬化合物的晶格類型與組成它的組元的晶格類型完全不同，具有較高的熔點，且硬而跪。金屬化合物通常使合金的強度、硬度和耐磨性提高，但也使其塑性和韌性降低。,（1）定義,（2）分類,正常價化合物 組成正常價化合物的元素是嚴(yán)格按照原子價規(guī)律結(jié)合的，成分固定，可用化學(xué)式表示。通

4、常金同性強的元素與非金屬或類全屬可形成正常價金屬化合物。例如，Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、Mg3Bi2、Na2Sb等。,這類化合物的化學(xué)鍵介于金屬鍵與離子鍵之間，因此其導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、韌性變差，而熔點、硬度提高。在合金中，當(dāng)其在固溶體基體上細小而均勻分布時，特使合金得到強化，起著強化相的作用。,（2）分類,2.電子化合物 電子化合物不遵循原子價規(guī)律，而是按照一定的電子濃度組成的一定晶格結(jié)構(gòu)的化合物。這類化合物可由一價金屬(Au、Ag、Cu、Li、Na等)和VIIIB族元素(Fe、Co、Ni、Pt、Pd等)與二價至五價的金屬(Be、Mg、Zn、Cd、A1、Ga、Ge、Sn、Sb等)結(jié)合而

5、成。其特點是有一定的電子濃度，且一定的電子濃度一般對應(yīng)于一定的晶格結(jié)構(gòu)。,這類化合物的熔點、硬度都很高，但塑性很差。因此，它和正?；衔镆粯樱话阒蛔鳛閺娀啻嬖谟诤辖鹬?。,（2）分類,3.間隙化合物 間隙化合物一般由原子半徑較大的過渡金屬元素(Fe、Co、Mo、W、V等)和原子半徑較小的非金屬元素(H、C、B、N等)所組成。其晶格結(jié)構(gòu)的特點是前者的原子占據(jù)新晶格的結(jié)點位置，而后者的原子則有規(guī)律地嵌入這一新晶格的間隙中，間隙化合物因此得名。,間隙化合物具有極高熔點和硬度，而且十分穩(wěn)定，尤其是間隙相。因此，間隙化合物在鋼鐵材料和硬質(zhì)合金中具有很大作用。例如，碳鋼中的滲碳體Fe3C可提高其強度和

6、硬度，工具鋼中的VC可提高其耐磨性，高速鋼中的WC、VC等可使其在高溫下保持高硬度、而WC和TiC則是硬質(zhì)合金的主要成分。,其組成和晶格存在對應(yīng)關(guān)系,7.2 形狀記憶合金,材料在某一溫度下受外力而變形，當(dāng)外力去除后，仍保持其變形后的形狀，但當(dāng)溫度上升到某數(shù)值，材料會自動恢復(fù)到變形前原有的形狀，似乎對以前的形狀保持記憶，這種材料稱為形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)。,7.2.1 有“記憶”的金屬的特征,材料在某一溫度下受外力而變形，當(dāng)外力去除后，仍保持其變形后的形狀，但當(dāng)溫度上升到某數(shù)值，材料會自動恢復(fù)到變形前原有的形狀，似乎對以前的形狀保持記憶，這種材料稱為形狀記憶

7、合金(shape memory alloy，SMA)。,7.2.2 形狀記憶合金的原理,單程記憶效應(yīng)： 形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后回復(fù)到變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。,雙程記憶效應(yīng)： 某些合金加熱時回復(fù)高溫相形狀，冷卻時回復(fù)低溫相形狀。,全程記憶效應(yīng)： 某些合金加熱時回復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏匦螤畹默F(xiàn)象。一般加熱時的恢復(fù)力比冷卻時的回復(fù)力大的多。,（1）電阻,7.2.3 形狀記憶合金相變過程的表征,相對電阻,溫度,（2）磁化率,7.2.3 形狀記憶合金相變過程的表征,NiTi合金的馬氏體和奧氏體相的磁化率之間有很大的不同

8、，這是判斷相變溫度的又一個精確的方法。低溫相的磁化率大約是高溫相的2/3。,（3）相變熱,7.2.3 形狀記憶合金相變過程的表征,相變熱普遍采用的表征方法是微分掃描量熱法（DSC）。在該方法中，采取樣品和參考物對比的方法進行能量的比較，確定相變。在冷卻過程中，奧氏體和馬氏體的轉(zhuǎn)變是放熱的，大約釋放2.1kJ/mol，R相存在時，冷卻過程中奧氏體到R相的轉(zhuǎn)變和R相到馬氏體的轉(zhuǎn)變均為放熱，分別為0.5和1.6kJ/mol的能量。 另外組成對相變也有一定的作用。如書中圖7-7,7.2.4 記憶合金的應(yīng)用,-續(xù)表,（1）航天航空技術(shù)中的應(yīng)用,7.2.3 形狀記憶合金相變過程的表征,人類登月中探月天線。,（2）制作工程零件,形狀記憶合金是連接零件和管道的能手。如制作鉚釘,（3）制作熱能發(fā)動機,7.2.3 形狀記憶合金相變過程的表征,利用雙程形狀記憶合金變形的動力作為推動力，這種發(fā)動機能在較低的溫度下運轉(zhuǎn)，固可利用地?zé)崮?、太陽能及工廠余熱，不需要燒油燒煤也不耗電，不排廢氣不排廢液又沒