材料科學(xué)基礎(chǔ)-第3章

1、 2.5、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變v某些金屬在固態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)是不固定的，而是隨著溫度、壓力等因素的變化而變化，如鐵、鈦等，這種現(xiàn)象稱(chēng)為同素異晶轉(zhuǎn)變，也稱(chēng)為重結(jié)晶。v下面以鐵為例子來(lái)說(shuō)明同素異晶轉(zhuǎn)變：-Fe-Fe-Fe-Lv BCC （912） FCC （1492） BCCv金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變?yōu)槠錈崽幚硖峁┗A(chǔ)，鋼能夠進(jìn)行多種熱處理就是因?yàn)殍F能夠在固態(tài)下發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變。 鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 相 合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一的組成部分。 組織： 由不同形態(tài)、大小、數(shù)量和分布的相組成的綜合體。 如單相、兩相、多相合金。 金屬及的組織一般應(yīng)用顯微鏡才能看到，所以常稱(chēng)顯微組織。4 相的分類(lèi) 合金中的相按結(jié)構(gòu)可分

2、為： 固溶體和金屬化合物 。 固溶體：晶體結(jié)構(gòu)與其某一組元相同的相。 金屬化合物：組元之間形成的新相， 其結(jié)構(gòu)不同于任何組元。二、固溶體 合金組元通過(guò)溶解形成一種成分和性能均勻的、 且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱(chēng)為固溶體。與固溶體晶格相同的組元為溶劑，一般在合金中含量較多；另一組元為溶質(zhì)，含量較少。 固溶體用、等符號(hào)表示。A、B組元組成的固溶體也可表示為A(B), 其中A為溶劑, B為溶質(zhì)。例如銅鋅合金中鋅溶入銅中形成的固溶體一般用表示, 亦可表示為Cu(Zn)。 2、分類(lèi) 按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置, 固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種。按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度，固溶體可分為有限固溶體

3、和無(wú)限固溶體兩種。按溶質(zhì)原子在固溶體中分布是否有規(guī)律，固溶體分無(wú)序固溶體和有序固溶體兩種。 在一定條件(如成分、溫度等)下，一些合金的無(wú)序固溶體可轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w。這種轉(zhuǎn)變叫做有序化。二、固溶體 二、固溶體 間隙固溶體置換固溶體二、 固溶體 3、 置換固溶體（1）置換固溶體：溶質(zhì)原子位于晶格點(diǎn)陣位置的固溶體。（2）影響置換固溶體溶解度的因素a 原子尺寸因素 原子尺寸差越小，越易形成置換固溶體，且溶解度越大。 r=(rA-rB)/rA 當(dāng)r15%時(shí)，有利于大量互溶。二、 固溶體 b 晶體結(jié)構(gòu)因素 結(jié)構(gòu)相同，溶解度大，有可能形成無(wú)限固溶體。 c 電負(fù)性因素 電負(fù)性差越小，越易形成固溶體，溶解度越大

4、。 d 電子濃度因素 電子濃度e/a越大，溶解度越小。e/a有一極限值，與溶劑晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。一價(jià)面心立方金屬為1.36，一價(jià)體心立方金屬為1.48。 （上述四個(gè)因素并非相互獨(dú)立，其統(tǒng)一的理論的是金屬與合金的電子理論。）二、 固溶體 4、 間隙固溶體 （1）組成：原子半徑較小（小于0.1nm)的非金屬元素溶入金屬晶體的間隙。 （2）影響因素：原子半徑和溶劑結(jié)構(gòu)。 （3）溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶體。 二、固溶體 5、 固溶體的性能無(wú)論置換固溶體，還是間隙固溶體，由于溶質(zhì)原子的存在都會(huì)使晶格發(fā)生畸變，使其性能不同于原純金屬。二、固溶體 6、 固溶體的性能 當(dāng)溶質(zhì)元素的含量極少時(shí)，固溶體的

5、性能與溶劑金屬基本相同。隨溶質(zhì)含量的升高，固溶體的性能將發(fā)生明顯改變，其一般情況下，強(qiáng)度、硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降，電阻率升高，導(dǎo)電性逐漸下降等。 這種通過(guò)形成固溶體使金屬?gòu)?qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱(chēng)為固溶強(qiáng)化。 固溶強(qiáng)化是金屬?gòu)?qiáng)化的一種重要形式。在溶質(zhì)含量適當(dāng)時(shí)，可顯著提高材料的強(qiáng)度和硬度，而塑性和韌性沒(méi)有明顯降低。三、 金屬化合物 若新相的晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組成元素，則新相是組成元素間相互作用而生成的一種新物質(zhì)，屬于化合物，如碳鋼中的Fe3C，黃銅中的相（CuZn）以及各種鋼中都有的FeS、MnS等等。在這些化合物中，F(xiàn)e3C和相均具有相當(dāng)程度的金屬鍵及一定的金屬性質(zhì)，是一種金屬物質(zhì)，

6、稱(chēng)為金屬化合物。三、 金屬化合物v而FeS、MnS具有離子鍵，沒(méi)有金屬性質(zhì)，屬于一般的化合物，因而又稱(chēng)為非金屬化合物。v在合金中，金屬化合物可以成為合金材料的基本組成相，而非金屬化合物是合金原料或熔煉過(guò)程帶來(lái)的，數(shù)量少且對(duì)合金性能影響很壞，因而一般稱(chēng)為非金屬夾雜。v包括：正常價(jià)化合物、電子化合物（電子相）、 間隙化合物 。三、 金屬化合物三、金屬化合物 1 正常價(jià)化合物 正常價(jià)化合物符合原子價(jià)規(guī)律，一般由金屬元素與、 、族元素組成，例如鋼中夾雜物MnS、鋁中Mg2Si。 正常價(jià)化合物一般硬度較高，脆性較大。 （1）形成：電負(fù)性差起主要作用，符合原子價(jià)規(guī)則。 （2）鍵型：隨電負(fù)性差的減小，分別形

7、成離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵。 （3）組成：AB或AB2。 v2 電子化合物（電子相）v電子化合物不遵守原子價(jià)規(guī)律，但其晶體結(jié)構(gòu)與電子濃度（即價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目之比，用N價(jià)表示）有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。v 當(dāng)N價(jià)=21/14時(shí)，形成體心立方結(jié)構(gòu)的相，例如CuZn， Cu3Al等等；v 當(dāng)N價(jià)=21/13時(shí)，形成復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)的相，例如Cu5Zn8， Cu31Sn8等等；v 當(dāng)N價(jià)=21/12時(shí)，形成密排六方結(jié)構(gòu)的相，例如CuZn3， Cu3Sn等等。v 電子化合物具有很高的熔點(diǎn)和硬度，脆性大。v （1）形成：電子濃度起主要作用，不符合原子價(jià)規(guī)則。v （2）鍵型：金屬鍵（金屬金屬）。v （3）組成：電子濃

8、度對(duì)應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)，可用化學(xué)式表示，可形成以化合物為基的固溶體。三、金屬化合物 3）間隙相和間隙化合物）間隙相和間隙化合物 由過(guò)渡族金屬元素與原子半徑較小的非金屬元素氫、氮、碳、硼等所形成。 間隙相 間隙相是簡(jiǎn)單晶格的間隙化合物，如圖所示為釩與碳形 成的間隙相結(jié)構(gòu)。A 間隙相中元素的比例是簡(jiǎn)單的化學(xué)式：M4X、M2X、MX、 MX2，并與晶格類(lèi)型有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。B 間隙相有明顯的金屬特性，極高熔點(diǎn)和硬度，例如TiC、VC、 ZrC、TaC、NbC等等。 間隙化合物 間隙化合物具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)，其熔點(diǎn)、硬度高（比間隙相低，也較易分解）。例如Fe3C、Cr23C6等等。三、 金屬化合物 4 金屬化合物的特性 （1）力學(xué)性能：金屬化合