二元合金相圖基本概念與合金的相結(jié)構(gòu)（V18版）

3-1基本概念3-2合金的相結(jié)構(gòu)3-1Basic

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conception3-2Phasestructureofalloy學(xué)習(xí)意義：在實(shí)際應(yīng)用中，很多材料是由兩個(gè)或多個(gè)相組成的。材料的整體性能取決于存在相的數(shù)目、各相的成分與結(jié)構(gòu)、相的相對(duì)量、相的尺寸和空間分布等。所以，人們很關(guān)心所討論的體系在不同外界條件（一般是溫度和壓力）下存在什么相，以及這些相的相對(duì)量。相圖已經(jīng)成為分析組織形成和變化的有力工具，相圖是在給定條件下體系中各相之間建立平衡后熱力學(xué)變量軌跡的幾何表達(dá)。

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conception3-2Phasestructureofalloy本章的知識(shí)結(jié)構(gòu)

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conception基本概念由于純金屬的強(qiáng)度和硬度一般都較低，無(wú)法滿足對(duì)力學(xué)性能要求較高的各種機(jī)械零件、工具和模具的要求，所以工業(yè)中大量使用的不是純金屬而是合金。1.合金-alloy：指由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。2.組元-component：組成合金的基本獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。一般，組元就是組成合金的元素（化合物）。

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conception基本概念3.合金系-alloysystem：在研制合金時(shí)，可以選定一組組元，以不同配比，配制出一系列不同成分、不同性能的合金，這一系列合金構(gòu)成了一個(gè)合金系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱合金系。4.相-phase：是金屬中具有相同的化學(xué)成分、相同結(jié)構(gòu)和相同物理性能的組分。4.相：指金屬或合金中具有同一聚集狀態(tài)，同一結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并與其它部分有明顯界面分開的均勻組成部分。合金相基本上分為固溶體和金屬化合物（中間相）兩大類。

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conception基本概念4.相：指金屬或合金中具有同一聚集狀態(tài)，同一結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并與其它部分有明顯界面分開的均勻組成部分。合金相基本上分為固溶體和金屬化合物（中間相）兩大類。

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conception基本概念4.相-phase2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，授予戴維·索利斯，與鄧肯·霍爾丹和邁克爾·科斯特利茨，以表彰他們?cè)诶碚撋习l(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎唷?/p>

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conception基本概念4.相-phase拓?fù)洌═opology）原本是一個(gè)數(shù)學(xué)概念，描述的是幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的性質(zhì)。20世紀(jì)70年代早期，MichaelKosterlitz和DavidThouless顛覆了當(dāng)時(shí)的理論，提出超導(dǎo)和超流性質(zhì)的新模型，并解釋了超導(dǎo)態(tài)可以在低溫下出現(xiàn)，而在溫度升高時(shí)消失這一轉(zhuǎn)變（相變）的機(jī)制。

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conception基本概念4.相-phase20世紀(jì)80年代，Thouless在理論上解釋了超薄層材料導(dǎo)電性呈整數(shù)式階躍的特征，表明這些整數(shù)代表著材料的拓?fù)湫再|(zhì)。而差不多在同一時(shí)間，Duncan發(fā)現(xiàn)了拓?fù)涓拍羁梢杂脕?lái)理解一維自旋鏈（一種一維線性材料）的磁學(xué)特性。

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conception基本概念4.相-phase拓?fù)浣^緣體、拓?fù)涑瑢?dǎo)體和拓?fù)浣饘俣际悄壳暗臒衢T話題。過(guò)去十年來(lái)，凝聚態(tài)物理的最前沿都被這個(gè)領(lǐng)域的研究所主導(dǎo)，重要原因是這些拓?fù)洳牧蠈?duì)于新一代電子元件和超導(dǎo)體會(huì)十分重要，未來(lái)還可能導(dǎo)向量子計(jì)算機(jī)的研究。

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conception基本概念5.組織-structure：是指用金相觀察方法看到的由形態(tài)、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構(gòu)成的總體，以及各種材料的缺陷和損傷。包括：宏觀組織（用肉眼或借助于放大鏡觀察）；顯微組織（用顯微鏡觀察）；電子顯微組織（電子顯微鏡觀察）。合金的性能取決于它的組織，而合金組織的性質(zhì)又首先取決于合金中相的性質(zhì)。

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3-2Phasestructureofalloy一、固溶體-solution定義：合金組元在液態(tài)相互溶解，當(dāng)合金結(jié)晶成為固態(tài)晶體時(shí)組元仍能互相溶解而形成的均勻的相，稱為固溶體。固溶體中，一般含量多者為溶劑，含量少者為溶質(zhì)。固溶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，仍保持溶劑組元的晶體結(jié)構(gòu)。

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3-2Phasestructureofalloy一、固溶體-solution按溶質(zhì)原子在溶劑點(diǎn)陣中所處的位置，可將固溶體分為a.置換固溶體（substitutionalsolidsolution）和b.間隙固溶體（interstitialsolidsolution）。

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3-2Phasestructureofalloy1.置換固溶體是指溶質(zhì)原子代替部分溶劑原子而占據(jù)溶劑晶格中的某些結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體，猶如溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上的原子被溶質(zhì)原子所置換，故稱為置換固溶體。

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3-2Phasestructureofalloy在置換固溶體中，按溶質(zhì)原子的分布規(guī)律分：a.有序固溶體：溶質(zhì)有序分布b.無(wú)序固溶體：溶質(zhì)任意無(wú)規(guī)律分布

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3-2Phasestructureofalloy金屬元素彼此之間一般都能形成置換固溶體，但溶解度視不同元素而異，按溶質(zhì)原子的溶解度分：a.有限固溶體：溶質(zhì)有溶解度限度b.無(wú)限固溶體：組元間可以無(wú)限互溶無(wú)限置換固溶體中兩組元素原子置換示意圖

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3-2Phasestructureofalloy固溶體的溶解度也是影響結(jié)構(gòu)及性能的重要因素。Hume-Rothery等在1935年總結(jié)出綜合控制固溶體溶解度因素的半經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律，即影響置換固溶體溶解度的因素有：a.組元的晶格類型（晶體結(jié)構(gòu)）；b.組元原子半徑的相對(duì)差別（原子尺寸）；c.組元間電化學(xué)性質(zhì)的差別（電負(fù)性）；d.電子濃度。這些也是設(shè)計(jì)開發(fā)新合金的考慮因素。

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3-2Phasestructureofalloy影響置換固溶體溶解度的因素a.組元的晶格類型（晶體結(jié)構(gòu)）晶體結(jié)構(gòu)相同是組元間形成無(wú)限固溶體的必要條件，否則只能形成有限固溶體。

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3-2Phasestructureofalloy影響置換固溶體溶解度的因素b.組元原子半徑的相對(duì)差別（原子尺寸）若以δ表示溶質(zhì)原子半徑（r質(zhì)）和溶劑原子半徑（r劑）的相對(duì)差異，則：

δ=（r質(zhì)-r劑）/r劑當(dāng)δ超過(guò)15%時(shí)，則固溶度必有限，δ<15％時(shí)，有利于形成溶解度較大的固溶體，甚至是無(wú)限固溶體。如：鐵基合金中，δ<8％時(shí)，才能形成無(wú)限固溶體。

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3-2Phasestructureofalloy元素的原子直徑：虛線表示與鐵的原子直徑相差15%的上下限

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3-2Phasestructureofalloy影響置換固溶體溶解度的因素c.組元間電化學(xué)性質(zhì)的差別（電負(fù)性）電負(fù)性是元素吸引電子的能力，兩組元的電負(fù)性差越大，越易形成穩(wěn)定化合物，則溶解度越低，只有電負(fù)性相近的元素才可能具有大的溶解度。

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3-2Phasestructureofalloy影響置換固溶體溶解度的因素d.電子濃度電子濃度是合金中價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值，可影響溶解度和中間相的穩(wěn)定性：式中，e為價(jià)電子數(shù)，a為原子數(shù)，x為溶質(zhì)原子百分?jǐn)?shù)，u為溶質(zhì)原子價(jià)，V為溶劑原子價(jià)。一般，e/a越大，越傾向于形成化合物，e/a越小，越傾向于形成固溶體。

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3-2Phasestructureofalloy影響置換固溶體溶解度的因素綜上，一般規(guī)律為：晶格類型相同，組元間原子半徑相差不大，電子結(jié)構(gòu)相似，在元素周期表中位置較近，它們間的溶解度就大，甚至能形成無(wú)限固溶體。除了上述討論的因素外，溶解度還跟溫度有關(guān)，大多情況下，溫度升高，溶解度升高；而對(duì)少數(shù)含有中間相的復(fù)雜合金（Cu-Zn），情況則相反。

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3-2Phasestructureofalloy2.間隙固溶體是指溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格間隙位置而形成的固溶體。δ>41％時(shí),溶質(zhì)原子就可能進(jìn)入溶劑晶格間隙中，而形成間隙固溶體。

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3-2Phasestructureofalloy2.間隙固溶體形成間隙固溶體的溶劑元素大多是過(guò)渡族元素，溶質(zhì)元素一般是原子半徑小于0.1nm的一些非金屬元素，如如C，N，O，H，B，等。溶質(zhì)原子存在于間隙位置，所以間隙固溶體只能是有限固溶體，而且一般溶解度較小。

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3-2Phasestructureofalloy2.間隙固溶體影響間隙固溶體溶解度的因素：a.溶劑的晶格類型：fcc，bccb.溶質(zhì)原子半徑

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3-2Phasestructureofalloy3.固溶體的性能和純金屬相比，由于溶質(zhì)原子的溶入導(dǎo)致固溶體的點(diǎn)陣常數(shù)、力學(xué)性能、物理和化學(xué)性能產(chǎn)生了不同程度的變化：a．點(diǎn)陣常數(shù)改變

對(duì)間隙固溶體而言，點(diǎn)陣常數(shù)隨溶質(zhì)原子的溶入總是增大的。對(duì)置換固溶體而言，當(dāng)rB<rA時(shí)，溶質(zhì)周圍收縮，平均點(diǎn)陣常數(shù)減??；當(dāng)原子半徑rB>rA時(shí)，溶質(zhì)周圍膨脹平均點(diǎn)陣常數(shù)增大。

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3-2Phasestructureofalloy3.固溶體的性能b．產(chǎn)生固溶強(qiáng)化和純金屬相比，固溶體的一個(gè)最明顯的變化是由于溶質(zhì)元素的溶入造成溶劑晶格畸變，使合金的強(qiáng)度和硬度升高，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是強(qiáng)化金屬材料的一種重要途徑。（1）一般地，間隙式溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效果比置換式溶質(zhì)原子更顯著。（2）溶質(zhì)和溶劑原子尺寸相差越大或固溶度極限越小，固溶強(qiáng)化越顯著。

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3-2Phasestructureofalloy3.固溶體的性能b．產(chǎn)生固溶強(qiáng)化

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3-2Phasestructureofalloy3.固溶體的性能c．物理和化學(xué)性能的變化固溶體合金隨著固溶度的增加，點(diǎn)陣畸變?cè)龃?，一般固溶體的電阻率升高，同時(shí)降低電阻溫度系數(shù)。如：

Si溶入-Fe中可以提高磁導(dǎo)率；不銹鋼中至少含有13％以上的Cr原子。

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3-2Phasestructureofalloy3.固溶體的性能c．物理和化學(xué)性能的變化

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3-2Phasestructureofalloy二、金屬化合物-metalcompound構(gòu)成合金的各組員間除相互溶解形成固溶體外，還可發(fā)生化學(xué)相互作用，形成晶體結(jié)構(gòu)不同于組元的新相。它們?cè)诙鄨D上所處的位置總是在兩個(gè)固溶體之間的中間部位，所以將它們統(tǒng)稱為中間相-interphase。中間相大多數(shù)是由不同的金屬或亞金屬組成的化合物，故這類中間相又稱為金屬化合物。

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3-2Phasestructureofalloy(1).金屬化合物的特點(diǎn)a.晶體結(jié)構(gòu)不同于組成元素。組元原子在中間相中各占一定的點(diǎn)陣位置，呈有序排列。b.大多數(shù)中間相中原子間的結(jié)合方式屬于金屬鍵與其他典型鍵（如離子鍵、共價(jià)鍵和分子鍵）相混合的一種。因此，它們都具有金屬性。c.中間相通?？捎没衔锏幕瘜W(xué)分子式表示。d.結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熔點(diǎn)高，硬度高，但脆性大。一般作為合金的第二相。少量均勻分布能強(qiáng)化材料，產(chǎn)生“彌散強(qiáng)化”或“第二相強(qiáng)化”。

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3-2Phasestructureofalloy(2).金屬化合物的分類電負(fù)性、電子濃度和原子尺寸對(duì)中間相的形成及晶體結(jié)構(gòu)都有影響。據(jù)此，可將中間相分為：1）正常價(jià)化合物2）電子化合物

3）原子尺寸因素有關(guān)的化合物4）超結(jié)構(gòu)(有序固溶體)

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3-2Phasestructureofalloy1)正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物服從原子價(jià)規(guī)律，即具有一定的化學(xué)成分，并可用化學(xué)分子式來(lái)表示。形成條件：通常由金屬與電負(fù)性較強(qiáng)的ⅣA，VA，ⅥA族的一些元素形成。如Mg2Pb，Mg2Sn，Mg2Si等。正常價(jià)化合物的穩(wěn)定性與組元間電負(fù)性差有關(guān)。電負(fù)性差愈小，化合物愈不穩(wěn)定，愈趨于金屬鍵結(jié)合；電負(fù)性差愈大，化合物愈穩(wěn)定，愈趨于離子鍵結(jié)合。

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3-2Phasestructureofalloy1)正常價(jià)化合物-valencecompound特點(diǎn)：正常價(jià)化合物符合化合價(jià)規(guī)律。組元原子間的結(jié)合往往含有金屬結(jié)合的成分。正常價(jià)化合物的分子式一般有AB，A2B(或AB2)，A3B2型。正常價(jià)化合物具有較高的硬度和脆性。

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3-2Phasestructureofalloy2）電子化合物-electroncompound電子化合物不遵循原子價(jià)規(guī)律，而是按照一定的電子濃度組成一定晶體結(jié)構(gòu)的化合物。是指化合物中價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)的比值。形成條件：由IB族元素與IIB、IIIA、IVA族元素所組成。

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3-2Phasestructureofalloy2）電子化合物-electroncompound特點(diǎn)：電子濃度是決定晶體結(jié)構(gòu)的主要因素。原子間的結(jié)合方式系以金屬鍵為主，故電子化合物具有明顯的金屬特性。電子化合物雖然可用化學(xué)分子式表示，但不符合化合價(jià)規(guī)律，而且實(shí)際上其成分是在一定范圍內(nèi)變化，因此其電子濃度也在一定范圍內(nèi)變化。

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3-2Phasestructureofalloy常見的電子化合物及其結(jié)構(gòu)類型

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3-2Phasestructureofalloy3）與原子尺寸因素有關(guān)的化合物-sizefactorcompound當(dāng)兩種原子半徑差很大的元素形成化合物時(shí)，傾向于形成間隙相和間隙化合物。間隙相和間隙化合物--一般是由原子半徑較小的非金屬元素如C，H，N，B等與金屬元素(主要是過(guò)渡族金屬)Fe、Cr、Mo、W、V等組成。

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3-2Phasestructureofalloy間隙化合物通常晶體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。如：Fe3CC、Fe原子半徑比為0.63；正交晶系；一個(gè)晶胞中12個(gè)Fe,4個(gè)C；Fe原子可被Mn，Cr，Mo，W，V等置換，形成合金滲碳體(Fe,Mn)3C。

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3-2Phasestructureofalloy間隙固溶體與間隙相和間隙化合物的區(qū)別間隙固溶體：指溶質(zhì)原子位于溶劑晶格的間隙中所形成的固溶體。間隙相：非金屬原子半徑與過(guò)渡族金屬原子半徑之比小于0.59形成的化合物具有較簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)，稱間隙相。如WC,TiN,VC。間隙化合物：非金屬原子半徑與過(guò)渡族金屬原子半徑之比大于等于0.59，形成的化合物具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，稱間隙化合物。

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3-2Phasestructureofalloy4）超結(jié)構(gòu)(有序固溶體)-superstructure對(duì)某些成分接近于一定的原子比(如AB或AB3)的無(wú)序固溶體中，當(dāng)它從高溫緩冷到某一臨界溫度以下時(shí)，溶質(zhì)原子會(huì)從統(tǒng)計(jì)隨機(jī)分布狀態(tài)過(guò)渡到占有一定位置的規(guī)則排列狀態(tài)，即發(fā)生有序化過(guò)程，形成有序固溶體。超結(jié)構(gòu)的類型較多。

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3-2Phasestructureofalloy(a)Cu3AuI型超點(diǎn)陣

(b)CuAuI型超點(diǎn)陣

(c)CuAuII型超點(diǎn)陣

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3-2Phasestructureofalloy(3).金屬間化合物的性質(zhì)和應(yīng)用金屬間化合物由于原子鍵合和晶體結(jié)構(gòu)的多樣性，使得其具有許多特殊的物理、化學(xué)