第二章固態(tài)合金相結(jié)構(gòu)講義

第二章固態(tài)合金相結(jié)構(gòu)講義《材料科學(xué)基礎(chǔ)》

§2-1固溶體一.固溶體特性第一頁

第一節(jié)合金：由兩種或兩種以上的元素（至少一種金屬元素）經(jīng)熔煉、燒結(jié)等組合而成的具有的物質(zhì)。保持溶劑晶體結(jié)構(gòu)；

成分可變結(jié)構(gòu)不變,在相圖中為一個相區(qū)；保持金屬鍵結(jié)合；

產(chǎn)生固溶強(qiáng)化

。二、固溶體分類1.按溶質(zhì)在溶劑中的位置劃分：置換固溶體間隙固溶體2.按溶質(zhì)在溶劑中的溶解度劃分：有限固溶體無限固溶體3.按溶質(zhì)在溶劑中分布規(guī)律劃分：有序固溶體無序固溶體第2頁

第一節(jié)第3頁置換固溶體-溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑陣點(diǎn)位置所形成的。固溶體.

Cu（Ni）或Ni（Cu）三、置換固溶體

分類無限固溶體：Cu-Ni、Au-Ag…有限固溶體：Cu-Zn(39%)、Cu-Sn(9%)

無序固溶體：Cu-Ni、Au-Ag、Cu-Zn

有序固溶體：Cu-25%Au（Cu3Au）..

形成無限固溶體時兩組元原子連續(xù)置換示意圖第一節(jié)第4頁原子半徑相近兩類原子相互溶解Cu-Ni、Cu-Zn；

保持溶劑晶體結(jié)構(gòu)；溶劑原子占據(jù)陣點(diǎn)位置；產(chǎn)生固溶強(qiáng)化-隨著溶質(zhì)原子的溶入導(dǎo)致固溶體的晶格畸變增加,從而使σb、HB↑、δ及αk稍↓現(xiàn)象特性無序置換固溶體結(jié)構(gòu)示意圖有序固溶體Cu3Au

置換固溶體點(diǎn)陣畸變示意圖第5頁第一節(jié)晶體結(jié)構(gòu)因素原子尺寸因素影響置換固溶體溶解度因素負(fù)電性因素電子濃度因素晶體結(jié)構(gòu)因素●組元間晶體結(jié)構(gòu)相同是形成無限固溶體的必要條件。（如：Cu-Ni合金無限固溶體）●形成有限固溶體時，溶質(zhì)元素與溶劑的結(jié)構(gòu)類型相同,則溶解度通常也較不同結(jié)構(gòu)時為大。第6頁電子濃度因素（化合價因素）

電子濃度

v-溶劑的原子價u-溶質(zhì)的原子價x-溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)極限電子濃度：形成固溶體的最大溶解度時對應(yīng)的值。一定溶劑的晶體結(jié)構(gòu)對應(yīng)一定的極限電子濃度值。一價的bcc結(jié)構(gòu)的金屬為溶劑時，一價的fcc結(jié)構(gòu)的金屬為溶劑時，

如：Cu（Ni-無限）合金如：Cu（Zn-39%）合金Cu（Sn-9%）合金只有0價或1價的元素與1價的元素相互溶解有可能形成無限固溶體。超過極限電子濃度值越大溶解度越小,過渡族元素化合價為”零”價.（如：Cu一1價，Ni一0價）元素的化合價化合價因素小結(jié)

原子尺寸因素只有當(dāng)△r＜14％～15％才可能無限互溶?！褚訤e為溶劑時△r＜8％才可能無限互溶?！褚訡u為溶劑時△r＜10％～11％才可能無限互溶。原因是：△r越大晶格畸變越大，溶解度越小。如：Cu（Ni-無限）合金-第7頁－溶劑原子半徑－溶質(zhì)原子半徑負(fù)電性因素（化學(xué)親合力）負(fù)電性；原子接受電子而顯示負(fù)電性的能力。

以負(fù)電性大小來衡量化學(xué)親合力。●兩元素負(fù)電性差值ΔX＜0.4～0.5時，有利于形成固溶體。●ΔX＞0.4～0.5，傾向于形成穩(wěn)定的化合物，其負(fù)電性差值越小，固溶體中固溶度越大。如元素的負(fù)電性值：Cu-1.9,Ni-1.9;

Zn-1.6

,Sn-1.8。Cu-Ni合金可能無限互溶；

Cu-Zn,Cu-Sn合金溶解度小于Cu-Ni合金

。

第8頁四、間隙固溶體（interstitialsolid）形成規(guī)律－原子半徑較小的非金屬元素C、N、H溶入過渡族元素的間隙位置。一.特點(diǎn)：保持溶劑結(jié)構(gòu)溶質(zhì)原子均位于bcc、fcc、hcp

八面體間隙位置。

產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，間隙固溶強(qiáng)化其強(qiáng)化效果大于置換固溶強(qiáng)化。第9頁間隙原子在bcc結(jié)構(gòu)中的位置間隙固溶體中的固溶強(qiáng)化二.間隙固溶體的分類－

①永遠(yuǎn)是有限固溶體。②永遠(yuǎn)是無序固溶體。三.影響溶解度因素－1.溶劑一定時，溶質(zhì)的原子半徑越小，溶解度越大。（1）溫度相同時，溶劑晶體結(jié)構(gòu)不同溶解度不同；727℃時：C原子溶入γ-Fe中最大溶解度為0.77%；

C原子溶入α-Fe中最大溶解為0.0218%；

（2）溶劑晶體結(jié)構(gòu)相同時，溫度越高溶解度越大。C原子溶入γ－Fe：1148℃時最大溶解度為2.11%C727℃時最大溶解度為0.77%C有序固溶體及固溶體的微觀不均勻性●固溶體的微觀不均勻性過去認(rèn)為原子在固溶體中分布是統(tǒng)計的、均勻的和無序的。第11頁近年來研究表明無序固溶體只是宏觀的一種說法，從微觀尺度講是不均勻的，可能出現(xiàn)完全無序、偏聚、短程有序和完全有序四種結(jié)構(gòu)。（1）完全無序當(dāng)原子間作用力滿足fAB

＝

fAA

＝fBB關(guān)系時呈完全無序排列，如圖（a）所示。固溶體中溶質(zhì)原子示意圖（3）短程有序當(dāng)部分原子間作用力滿足fAB>fAA(或fBB)時，固溶體部分原子呈為短程有序，如圖（c）。（4）有序分布（超結(jié)構(gòu)）－當(dāng)處于短程有序排列的原子達(dá)到一定的原子分?jǐn)?shù)時，固溶體發(fā)生了有序化轉(zhuǎn)變，從而形成了有序固溶體，如（d）圖。（2）偏聚當(dāng)原子間作用力滿足fAA

或fBB>fAB

時出現(xiàn)偏聚現(xiàn)象。如圖（b）

●有序固溶體－超結(jié)構(gòu)圖2－7Cu3Au有序固溶體Cu-Au25％合金：390℃以上為置換固溶體；390℃以下為有序固溶體。Cu3Au為面心立方點(diǎn)陣，Cu原子占據(jù)面心，Au原子位于陣點(diǎn)位置Cu:Au＝3:1固溶體從無序有序稱為有序化,晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，又稱超結(jié)構(gòu)。

-Cu原子

●-Au原子固溶體有序化后強(qiáng)度、硬度上升，塑性明顯下降，磁性也發(fā)生變化，本質(zhì)上是中間相。中間相－當(dāng)溶質(zhì)超過了在溶劑中的溶解度極限以后形成的結(jié)構(gòu)不同于任一組元的新相。

第二節(jié)中間相或金屬化合物中間相正常價化合物電子化合物間隙相間隙化合物第13頁第二節(jié)第二節(jié)

（一）正常價化合物1.形成規(guī)律及特點(diǎn)

（1）是由負(fù)電性相差較大的兩類元素（金屬元素與

ⅣA、ⅤA、ⅥA族元素）所組成。（2）兩元素負(fù)電性相差越大，化合物越穩(wěn)定。（3）組元呈有序排列，有嚴(yán)格的成分比，符合化合價規(guī)律。一般有：AB、AB2（A2B）和A3B2型三種。（4）具有較高的硬度和韌性，組元間結(jié)合為離子鍵、共價鍵和金屬間。如：AB型：NaCl、ZnS離子鍵（六方和立方ZnS）

AB2型：CaF2離子鍵；

A2B型：Mg2Sn共價鍵；Mg2Pb

金屬鍵。

第14頁第二節(jié)2.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）AB型

②立方的ZnS結(jié)構(gòu)-fcc點(diǎn)陣（閃鋅礦結(jié)構(gòu)）

類似于金剛石結(jié)構(gòu)，S原子處于Zn原子組成的fcc點(diǎn)陣的4個四面體間隙位置。①NaCl結(jié)構(gòu)－fcc點(diǎn)陣

每一個點(diǎn)陣（0，0，0）占據(jù)另一點(diǎn)陣（，0，0）的八面體間隙位置。

Na:Cl＝1:1有FeS、MnS

金剛石結(jié)構(gòu)第二節(jié)③六方的ZnS結(jié)構(gòu)（硫鋅礦結(jié)構(gòu)）

Zn及S原子各自構(gòu)成hcp結(jié)構(gòu)并沿C軸錯開距離，每個點(diǎn)陣占據(jù)另一點(diǎn)陣的四面體間隙位置的一半。有ZnO、SiC

。

（2）AB2

型-CaF2結(jié)構(gòu)可以看作Ca原子構(gòu)成fcc點(diǎn)陣，F(xiàn)原子位于Ca子fcc點(diǎn)陣的8個原四面體間隙位置。原子比為Ca：F＝1：2第16頁第二節(jié)（二）電子化合物表3－1鋼合金中常見的電子化合物第17頁1.形成規(guī)律及特性●是由ⅠB族元素與Zn、Al、Sn等元素組成。●一定的電子濃度對應(yīng)一定的晶體結(jié)構(gòu)。

電子濃度有、、三種(過渡族元素化合價“0”價)第二節(jié)●組元間一般呈無序排列。但在一定條件下可以從無序→有序轉(zhuǎn)變（有序固溶體）?！癯煞挚稍谝欢ǚ秶鷥?nèi)變化，故稱為以化合物為基的固溶體?！窠M元結(jié)合為金屬鍵結(jié)合，具有明顯的金屬特性：高熔點(diǎn)、高硬度、低塑性。（三）受原子尺寸因素影響的中間相

1.間隙相

（1）間隙相－原子半徑較小的非金屬元素（C、N、B…）溶入過渡族元素的間隙位置形成的新相，滿足＜0.59,具有簡單結(jié)構(gòu)。第18頁第二節(jié)（2）特性

①具有簡單結(jié)構(gòu)如：fcc、bcc、hcp、簡單六方等。②一定比例的化學(xué)式對應(yīng)一定的晶體結(jié)構(gòu)。

表3－2鋼中常見的間隙相

第19頁M4X、M2X、MX、MX2四種化學(xué)式：第二節(jié)如：VC中的V原子位于fcc結(jié)構(gòu)的格點(diǎn)位置C原子位于fcc結(jié)構(gòu)的全部八面體間隙位置。VC屬于NaCl結(jié)構(gòu)，面心立方點(diǎn)陣。③成分可在一定范圍內(nèi)變化，成為缺位固溶體。WC(W)W過量④具有明顯的金屬特性：極高的熔點(diǎn)和硬度、脆性大；導(dǎo)電、導(dǎo)熱、具有正的電阻溫度系數(shù)(明顯的金屬特性)。⑤相同結(jié)構(gòu)的間隙相可以相互溶解，形成無限固溶體。

TiC-VC，TiC-ZrC第20頁VC的晶體結(jié)構(gòu)-NaCl結(jié)構(gòu)第二節(jié)2.間隙化合物（1）間隙化合物－原子半徑較小的非金屬元素（C、N、B…）溶入過渡族元素的間隙位置形成的新相，滿足＞0.59,具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。（2）特性①具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。常見的有：

M3C型－Fe3C,M3C等；M6C型－Fe3W3C,Fe4W2C等;

M7C3型－Cr7C3;

M23C6型－Cr23C6；Fe3C的晶體結(jié)構(gòu)是正交點(diǎn)陣。

第21頁

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第24頁CuAu中:Cu原子和Au原子分層排列于（001）晶面上；Cu3Au中:Cu原子占據(jù)面心,Au原子占據(jù)頂角位置。有序化后其