为什么合金的熔点低,而硬度却大呢

为什么合金的熔点低,而硬度却大呢
为什么合金的熔点低,而硬度却大呢

为什么合金的熔点低,而硬度却大呢
【按语】提起“合金”,留给学生的印象一般都是“密度减小、硬度加大、熔点降低”,然而是所有的合金都符合以上特点吗?本文则就这一问题做简单的介绍.
合金是由两种或两种以上的金属元素(或金属和非金属元素)组成的,它具有金属所应有的特征.钢就是由铁和碳两种元素组成的合金.古代青铜(铜和锡的合金)的使用,可以将使用合金的年代追溯得很早.
合金的结构比纯金属的要复杂得多.根据合金中组成元素之间相互作用的情况不同,一般可将合金分为三种结构类型：相互溶解的形成金属固溶体；相互起化学作用的形成金属化合物；并不起化学作用的形成机械混合物.
1.金属固溶体
一种溶质元素(金属或非金属)原子溶解到另一种溶剂金属元素(较大量的)的晶体中形成一种均匀的固态溶液,这类合金称为金属固溶体.金属固溶体在液态时为均匀的液相,转变为固态后,仍保持组织结构的均匀性,且能保持溶剂元素的原来晶格类型.
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换固溶体和间隙固溶体.
在置换固溶体中,溶质原子部分占据了溶剂原子格点的位置,如图 (b)所示.当溶质元素与溶剂元素在原子半径、电负性以及晶格类型等因素都相近时,形成置换固溶体.例如钒、铬、锰、镍和钴等元素与铁都能形成置换固溶体.在间隙固溶体中,溶质原子占据了溶剂原子格点的间隙之中,如图(c)所示.氢、硼、碳和氮等一些原子半径特别小的元素与许多副族金属元素能形成间隙固溶体.
由于溶质原子与溶剂原子的直径不可能完全相同,因此当溶剂原子格点溶入溶质原子后,多少能使原来的格点发生畸变（如图d）,它们能阻碍外力对材料引起的形变,因而使固溶体的强度提高,同时其延展性和导电性将会下降.这种通过溶入溶质元素形成固溶体,使金属材料的变形抗力增大、强度、硬度升高的现象称为固溶强化,它是金属材料强化的重要途径之一.
图d 形成固溶体时的晶格畸变
实践证明,适当掌握固溶体中的溶质含量,可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时,仍能保持良好的塑性和韧性.例如,向铜中加入19％的镍,可使纯铜的强度极限由220Map 提高到380MPa,硬度由44HBS提高到70HBS,而伸长率仍然保持在50％左右.所以对力学性能要求较高的结构材料,几乎都是以固溶体作为最基本的组成相.
2.金属化合物
当合金中加入的溶质原子数量超过了溶剂金属的溶解度时,除能形成固溶体外,同时还会出现新的相,这第二相可以是另一种组成的固溶体,而更常见的是形成金属化合物.
金属化合物种类很多,从组成元素来说,可以由金属元素与金属元素,也可以由金属元素与非金属元素组成.前者如Mg2Pb、CuZn等；后者如硼、碳和氮等非金属元素与d区金属元素形成的化合物,分别称为硼化物、碳化物和氮化物,它们具有某些独特的性能,对金属和合金材料的应用起着重大的作用.金属型碳化物是由碳与钛、锆、钒、铌、钽、钼、钨、锰、铁等d区金属作用而形成的,例如WC、Fe3C等.这类碳化物的共同特点是具有金属光泽,能导电导热,熔点高,硬度大,但脆性也大.
金属化合物一般具有复杂的晶体结构,熔点高,硬度高,脆性大.当合金中出现金属化合物时,合金的强度、硬度和耐磨性均提高,而塑性和韧性降低.金属化合物是许多高合金的重要组成相,与固溶体适当配合可以提高合金的综合力学性能.
3、机械混合物
机械混合物是合金中的一类复相混合物组织,不同的相均可互相组合形成机械混合物.机械混合物可由纯金属之间形成,也可由纯金属和化合物、纯金属和固溶体、固溶体和固溶体以及固溶体和化合物之间形成.
在机械混合物中,构成合金的两个组元在固态下既不能相互溶解,又不能彼此反应形成化合物,各相在机械混合物中仍保持原有的晶格和性能,机械混合物的性能介于组成的相性能之间,工业上大多数合金均由混合物组成,如钢、铸铁、铝合金等.机械混合物的熔点较组元熔点降低,焊锡是机械混合物的一个例子,它是由锡和铅形成的合金.
由此可见,合金的性能是由合金的结构决定的,不同类型的合金具有不同的性能特点,简要总结如下：
类别
性能特点
固溶体
塑、韧性好,强度比纯组元高
金属化合物
熔点高,硬度高,脆性大
机械混合物
性能介于组成的相性能之间,熔点降低

比较成熟的是锌基合金

这个跟合什么金属有关，有的合金掺杂物熔点低，就会拖低总体的熔点