
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1、合金是一種金屬元素和一種或幾種其它元素(金屬或者非金屬均可)熔合后而組成的具有進(jìn)速特性的物質(zhì)。組成合金最基本的、能獨(dú)立存在的物質(zhì)稱為組元,簡(jiǎn)稱元。絕大多數(shù)情況下,組元即是構(gòu)成合金的元素。但也有將化合物作為組元的,其條件是化合物在所研究的范圍內(nèi),既不分解也不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)組元的數(shù)量,可分為二元合金、三元合金或多元合金、如簡(jiǎn)單黃銅是由銅和鋅兩種元素組成的二元合金;硬鋁是由鋁、銅、鎂三種元素組成的三元合金。銅合金分類銅合金分為黃銅、青銅和白銅。白銅是銅鎳合金,主要用來制造精密機(jī)械、精密儀表中的耐蝕零件及電阻器、熱電偶等。機(jī)械制作中,主要使用的是黃銅和青銅。1鑄造黃銅銅和鋅著稱的合金統(tǒng)稱為黃銅
2、。其中銅鋅二元合金稱普通黃銅。除鋅外再加入其它元素所組成的多元黃銅稱為特殊黃銅。鑄造黃銅具有較高的力學(xué)性能,鑄造性能較好,且價(jià)格比青銅低。常用于一般用途的軸承、襯套、齒輪等耐磨件和閥門等耐蝕件。2鑄造青銅可分為普通青銅(錫青銅)和特殊青銅(鋁青銅、鉛青銅、硅青銅、鈹青銅等)兩大類。銅合金鑄造工藝各種成分的銅合金的結(jié)晶特征不同,鑄造性能不同,鑄造工藝特點(diǎn)也不同。1、錫青銅:結(jié)晶特征是結(jié)晶溫度范圍大,凝固區(qū)域?qū)?。鑄造性能方面流動(dòng)性差,易產(chǎn)生縮松不易氧化。工藝特點(diǎn)是壁厚件采取定向凝固(順序凝固),復(fù)雜薄壁件、一般壁厚件采取同時(shí)凝固。2、鋁青銅和鋁黃銅:結(jié)晶特征是結(jié)晶溫度范圍小,為逐層凝固特征。鑄造性
3、能方面流動(dòng)性較好,易形成集中縮孔,極易氧化。工藝特點(diǎn)是鋁青銅澆注系統(tǒng)為底注式,鋁黃銅澆注系統(tǒng)為敞開式。3、硅黃銅:結(jié)晶特征是介于錫青銅和鋁青銅之間。鑄造性能最好(在特殊黃銅中)。工藝特點(diǎn)是順序凝固工藝,中注式澆注系統(tǒng),暗冒口尺寸較小。鋁合金鑄件分類鑄造鋁合金按化學(xué)成分可分為鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金和鋁鋅合金等。1鋁合金的鑄造工藝鋁合金的鑄造性能和化學(xué)成分密切相關(guān),其中Al-Si合金處于共晶成分附近,鑄造性能最好,和灰鑄鐵相似。Al-Cu合金遠(yuǎn)離共晶成分,凝固溫度范圍大,鑄造性能最差。在實(shí)際生產(chǎn)中,鋁鑄件都有冒口補(bǔ)縮,Al-Si類合金的凝固溫度范圍小,冒口補(bǔ)縮效率高,易獲得組織致密的鑄件。其
4、它類鑄鋁合金的凝固溫度范圍大,冒口補(bǔ)縮效率低,鑄件致密性差。鋁合金極易吸氣和氧化,因此澆注系統(tǒng)必須保證鋁液較快而平穩(wěn)地流入,避免攪動(dòng)。各種鑄造方法都適用于鋁合金鑄件。當(dāng)生產(chǎn)量較少時(shí),可用砂型鑄造,應(yīng)選用細(xì)砂來造型;大量生產(chǎn)的重要鑄件,則采用特種鑄造。金屬型鑄造效率高,鑄件質(zhì)量好。低壓鑄造適用于要求致密性高的耐水壓鑄件。壓力鑄造可用于薄壁復(fù)雜小件。2鑄造鋁合金的熔煉特點(diǎn)鋁合金在液態(tài)下極易氧化,其產(chǎn)物為AI2O3,熔點(diǎn)高達(dá)2050°C,密度稍大于鋁,呈固態(tài)夾雜物懸浮在鋁液中,很難去除,既惡化鑄造性能,又降低力學(xué)性能,使鑄件致密性降低。鋁液還極易吸收氫氣,凝固時(shí)析出,形成氣孔或針孔等缺陷。
5、1)、精煉方法為了減緩鋁液的氧化和吸氣,鋁合金應(yīng)在熔劑層覆蓋下熔煉。可向坩鍋內(nèi)加入KCl、NaCl等作為熔劑,以便將鋁液與爐氣隔離。為驅(qū)除鋁液中已吸入地氫氣,防止針孔的產(chǎn)生,在鋁液出爐之前應(yīng)進(jìn)行驅(qū)氫精煉。方法有多種,較為簡(jiǎn)便的是用鐘罩向鋁液中壓入氯化鋅(ZnCI2)或六氯乙烷(C2CI6)等氯鹽或氯化物,于是發(fā)生如下反應(yīng):3ZnCl2+2Al=3Zn+2AlCl33C2Cl6+2Al=3C2Cl4+2AlCl3反應(yīng)生成的AICI3沸點(diǎn)為183C,C2CI4的沸點(diǎn)為121C,故形成氣泡,在上浮過程中將鋁液中的氣體H2及AI2O3夾雜一起帶出液面。2)、熔煉設(shè)備鋁合金熔爐種類很多,一般多用焦碳坩鍋
6、爐。也可用電阻坩鍋爐。此外感應(yīng)電爐(工頻、中頻)也有使用。合金的結(jié)構(gòu)要比純金屬復(fù)雜得多。因?yàn)楹辖鹩蓛煞N或多種元素組成,各元素間的相互作用,會(huì)形成各種不同的相。我們把在金屬和合金中,凡化學(xué)成分相同、結(jié)構(gòu)相同并與其他部分由界面分開的均勻組成部分,稱之為相。下面按照這一概念來分析純金屬和合金的結(jié)構(gòu)。純金屬液態(tài)時(shí)為單相;固態(tài)由同一元素、同一晶格構(gòu)成,故為單相;結(jié)晶過程中,既有液相又有固相,即為二相。合金在液態(tài)時(shí),其為具有一定化學(xué)成分均勻一致的合金液體,為單相。合金由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)后,各元素彼此相互溶解可形成固溶體;元素也可能彼此間發(fā)生反應(yīng)而形成金屬化合物。固溶體和金屬化合物是固態(tài)合金的兩個(gè)基本相。所以
7、合金在固態(tài)時(shí),可能是單相組織也可能是多相組織。在分析合金結(jié)構(gòu)時(shí),就是分析其相結(jié)構(gòu),看其由幾種固溶體或金屬化合物,即為幾相。固溶體所謂固溶體是指溶質(zhì)原子溶入金屬溶劑的晶格中所組成的合金相。兩組元在液態(tài)下互溶,固態(tài)也相互溶解,且形成均勻一致的物質(zhì)。形成固溶體時(shí),含量大者為溶劑,含量少者為溶質(zhì);溶劑的晶格即為固溶體的晶格。1固溶體的分類按溶質(zhì)原子在晶格中的位置不同可分為置換固溶體和間隙固溶體。1)、置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格中的結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體稱置換固溶體。當(dāng)溶劑和溶質(zhì)原子直徑相差不大,一般在15以內(nèi)時(shí),易于形成置換固溶體。銅鎳二元合金即形成置換固溶體,鎳原子可在銅晶格的任意位置替代銅原子
8、。2)、間隙固溶體溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱間隙固溶體。間隙固溶體的溶劑是直徑較大的過渡族金屬,而溶質(zhì)是直徑很小的碳、氫等非金屬元素。其形成條件是溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑之比必須小于0.59。如鐵碳合金中,鐵和碳所形成的固溶體一一鐵素體和奧氏體,皆為間隙固溶體。另外,按溶質(zhì)元素在固溶體中的溶解度,可分為有限固溶體和無限固溶體。但只有置換固溶體有可能成為無限固溶體。2固溶體的性能當(dāng)溶質(zhì)元素含量很少時(shí),固溶體性能與溶劑金屬性能基本相同。但隨溶質(zhì)元素含量的增多,會(huì)使金屬的強(qiáng)度和硬度升高,這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。置換固溶體和間隙固溶體都會(huì)產(chǎn)生固溶強(qiáng)化現(xiàn)象。適當(dāng)控制溶質(zhì)含量,可明顯提高強(qiáng)度和
9、硬度,同時(shí)仍能保證足夠高的塑性和韌性,所以說固溶體一般具有較好的綜合力學(xué)性能。因此要求有綜合力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)材料,幾乎都以固溶體作為基本相。這就是固溶強(qiáng)化成為一種重要強(qiáng)化方法,在工業(yè)生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用的原因。金屬化合物金屬化合物是兩組元相互作用形成的新相,它的晶體結(jié)構(gòu)與兩組元都不相同,并具有金屬性質(zhì)。金屬化合物有多種,它們的共同特點(diǎn)是熔點(diǎn)高、硬度高,一般都作為合金中的硬化相。如碳鋼中的Fe3C,合金鋼中的TiC、VC、W2C等。合金中以單相的固溶體或金屬化合物的形式存在的情況減少,大多以兩相的機(jī)械混合物形式存在。如碳鋼中的珠光體,就是由固溶體(鐵素體)和金屬化合物(滲碳體Fe3C)組成的機(jī)械混合
10、物。合金相圖的測(cè)定如前所述,純金屬的結(jié)晶是在恒溫下進(jìn)行的,可用冷卻曲線來描述。一種合金由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)在某一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行,也可用一冷卻曲線表示。但一個(gè)合金系的結(jié)晶過程,就需要用相圖來展現(xiàn)才能表示清楚。合金相圖是表示合金的成分、溫度和組織三者之間關(guān)系的圖形,是研究合金的重要工具。合金相圖一般都是由試驗(yàn)方法獲得的?,F(xiàn)以Pb-Sb二元合金為例,來說明二元合金相圖的測(cè)定過程。(1)配制不同成分的若干合金,并分別做出它們的冷卻曲線。(2)分別找出各個(gè)合金的結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度,即結(jié)晶開始溫度和結(jié)晶終了溫度。(3)把各合金的結(jié)晶開始溫度和結(jié)晶終了溫度,分別標(biāo)注在溫度成分的坐標(biāo)系中。(4)把各合金的結(jié)晶開始溫度點(diǎn)
11、連結(jié)起來,即為液相線;把結(jié)晶終了溫度點(diǎn)連結(jié)起來,即為固相線。這樣就構(gòu)成了Pb-Sb二元合金相圖。其它合金相圖也可照此方法測(cè)定。Pb-Sb合金構(gòu)成的是二元共晶相圖。其他合金還可構(gòu)成二元共析相圖、形成穩(wěn)定化合物的二元相圖、二元?jiǎng)蚓鄨D等。鐵碳合金鐵碳合金是鋼和鐵的總稱,是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的合金。鐵碳合金是以鐵為基本元素,以碳為主加元素組成的合金。在液態(tài)時(shí),鐵和碳可以無限互溶。在固態(tài)時(shí),碳溶于鐵中形成固溶體。當(dāng)含碳量超過碳在鐵中的固態(tài)溶解度時(shí),則出現(xiàn)金屬化合物。此外,還可以形成由固溶體和金屬化合物組成的機(jī)械混合物。下面分述鐵碳合金在固態(tài)下出現(xiàn)的幾種基本組織。1鐵素體鐵素體是碳溶解在a-Fe中的間隙固
12、溶體,常用符號(hào)F表示。它仍保持的體心立方晶格,其溶碳能力很小,常溫下僅能溶解為0.0008%的碳,在727°C時(shí)最大的溶碳能力為0.02%。由于鐵素體含碳量很低,其性能與純鐵相似,塑性、韌性很好,伸長(zhǎng)率6=45%50%。強(qiáng)度、硬度較低,ob250MPa,而HBS=80。2奧氏體奧氏體是碳溶解在Y-Fe中的間隙固溶體,常用符號(hào)A表示。它仍保持y-Fe的面心立方晶格。其溶碳能力較大,在727C時(shí)溶碳為c=0.77%,1148C時(shí)可溶碳2.11%。奧氏體是在大于727C高溫下才能穩(wěn)定存在的組織。奧氏體塑性好,是絕大多數(shù)鋼種在高溫下進(jìn)行壓力加工時(shí)所要求的組織。奧氏體是沒有磁性的。3滲碳體滲碳體是鐵與碳形成的金屬化合物,其化學(xué)式為Fe3C。滲碳體的含碳量為wc=6.69%,熔點(diǎn)為1227°C。其晶格為復(fù)雜的正交晶格,硬度很高HBW=800,塑性、韌性幾乎為零,脆性很大。在鐵碳合金中有不同形態(tài)的滲碳體,其數(shù)量、形態(tài)與分布對(duì)鐵碳合金的性能有直接影響。4珠光體珠光體是奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體。其形態(tài)為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復(fù)相物,也稱片裝珠光體。用符號(hào)P表示,含碳量為c=0.77%。其力學(xué)
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