材料科學基礎(chǔ)-第三章

第三章合金相的晶體結(jié)構(gòu)10/15/20231IntroductiontoMaterialScience前言目前應(yīng)用的金屬材料絕大多數(shù)是合金。合金就是通過對純金屬合金化獲得的。合金——由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素形成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元——合金中的每一種元素稱為一個組元。組元是組成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)。合金中由幾個組元，就稱該合金是幾元合金。例如：Fe-C合金、Cu-Zn合金（黃銅）、Cu-Sn合金（青銅）。向純金屬中加入合金元素（合金化）后，各元素之間相互作用，形成合金相，合金相又進一步組成各種不同的組織，從而起到改變和提高純金屬性能的作用。10/15/20232IntroductiontoMaterialScience第一節(jié)固溶體1.固溶體的實質(zhì)固溶體實質(zhì)上是一種固態(tài)溶液，是一種元素滲入另一種元素的晶格結(jié)構(gòu)中的結(jié)晶固相。其中含量多的組元稱為溶劑，含量少的組元稱為溶質(zhì)。2.基本內(nèi)容固溶體的分類；置換固溶體；間隙固溶體；固溶體結(jié)構(gòu)的特點；有序固溶體（超結(jié)構(gòu)、超點陣）；MaterialLessons10/15/20233IntroductiontoMaterialScience1.固溶體的分類1.按溶質(zhì)原子的位置分類置換固溶體；間隙固溶體；2.按溶質(zhì)原子的溶解度分類有限固溶體；無限固溶體；3.按溶質(zhì)原子分布規(guī)律分類無序固溶體；有序固溶體；LessonsLessonsLessons10/15/20234IntroductiontoMaterialScience2.置換固溶體2-1.定義

溶質(zhì)原子置換了溶劑的原子位置，又稱為替代式固溶體。2-2.溶質(zhì)原子的取代是隨機的，其溶解度可以是有限的，也可以是無限的。Material置換固溶體示意圖10/15/20235IntroductiontoMaterialScience2.置換固溶體(續(xù))Material2-3影響置換固溶體溶解度的經(jīng)驗規(guī)律①原子尺寸相對尺寸差：式中，rA——溶劑的原子半徑；

rB——溶質(zhì)的原子半徑；△r越小，越有利于形成固溶體。

△r>14%~15%時，不利于形成固溶體，溶解度小。分析Material

即使尺寸因素有利，也不一定能形成大量的固溶體，還要看其他因素是否有利。所以原子尺寸因素只能作為兩種金屬能否形成固溶體以及形成的固溶體的溶解度高低的初步判據(jù)。10/15/20236IntroductiontoMaterialScience2.置換固溶體(續(xù))Material2-3影響置換固溶體溶解度的經(jīng)驗規(guī)律(續(xù))②晶體結(jié)構(gòu)溶質(zhì)與溶劑點陣類型相同時，溶解度大。③負電性負電性差別越大，化學親和力越大，兩組元傾向于形成化合物。即使能形成固溶體，其溶解度也非常小。④電子濃度電子濃度式中：e——價電子總數(shù)；

a——兩組元的原子總數(shù)；

x——溶質(zhì)原子數(shù)；

A——每個溶劑原子的價電子數(shù)；

B——每個溶質(zhì)原子的價電子數(shù)；10/15/20237IntroductiontoMaterialScience2.置換固溶體(續(xù))e/a有一極限值，超過此極限值，固溶體就不穩(wěn)定，會形成新相，可能是另一種固溶體或化合物。而且極限電子濃度還與溶劑的點陣類型有關(guān)。如(e/a)fcc=1.36；

(e/a)bcc=1.48；Material2-3影響置換固溶體溶解度的經(jīng)驗規(guī)律(續(xù))示例：Cu–Zn固溶體，

Zn%=28%，Cu：A＝1，Zn：B＝2；

所以，e/a=1.28；10/15/20238IntroductiontoMaterialScience3.間隙固溶體1.定義2.影響間隙固溶體溶解度的因素間隙固溶體的溶解度與溶質(zhì)原子、溶劑晶體中的間隙形狀和大小有關(guān)。以A組元（溶劑）為基，B組元（溶質(zhì)）填在A的間隙位置形成的固溶體。也稱為填隙式固溶體。①溶質(zhì)原子半徑一般RB<0.1nm時才能形成間隙固溶體。間隙固溶體中的溶質(zhì)元素一般都是一些原子半徑很小的非金屬元素，如：H、B、C、N、O等。②溶劑結(jié)構(gòu)溶劑結(jié)構(gòu)方面的考慮因素主要是“間隙的形狀和大小”和“晶格類型”。以C在Fe中的溶解為例。10/15/20239IntroductiontoMaterialScience3.間隙固溶體(續(xù))間隙固溶體示意圖10/15/202310IntroductiontoMaterialScience4.固溶體結(jié)構(gòu)的特點固溶體的一個重要特點是仍然保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)。但是由于溶質(zhì)原子的溶入，還是使其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了某些方面的變化。主要變化呈現(xiàn)在以下兩個方面：晶格畸變；

晶格畸變導致晶格常數(shù)變化和產(chǎn)生畸變能。溶質(zhì)原子分布的不均勻性；10/15/202311IntroductiontoMaterialScience4.固溶體的結(jié)構(gòu)特點(續(xù))Material4-1晶格畸變1)晶格常數(shù)改變

①置換固溶體：RB>RA，則晶格膨脹，點陣常數(shù)a增大；

RB<RA，則晶格收縮，點陣常數(shù)a減?。?/p>

②間隙固溶體：RB通常大于A中的間隙尺寸，所以點陣膨脹，晶格常數(shù)a增大；2)畸變能點陣畸變導致固溶體的能量升高，能量的增加值稱為畸變能?；兡艿拇嬖跁鹁Ц窠Y(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。組元原子尺寸相差越大和溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度越大，點陣畸變能就越大，結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性增加，從而趨向于改變結(jié)構(gòu)形成新相。這就是大多數(shù)固溶體存在溶解度的原因。10/15/202312IntroductiontoMaterialScience4.固溶體的結(jié)構(gòu)特點(續(xù))Material4-2溶質(zhì)原子分布的不均勻性1)分布形式固溶體中溶質(zhì)原子的分布有如下四種：

?完全無序；

?

偏聚；

?

短程有序；

?

完全有序（長程有序）；2)影響因素溶質(zhì)原子的分布形式主要取決于同類原子對的結(jié)合能(UAA，UBB)以及異類原子結(jié)合能(UAB)的相對大小。存在如下情況：①UAA≈UBB≈UAB

無序分布（原子分布是隨機的）。

②

UAA、UBB>UAB偏聚（同類原子容易結(jié)合）。

③

UAA、UBB<UAB有序分布(溶質(zhì)原子少則長程有序,否則就長程有序).10/15/202313IntroductiontoMaterialScience5.有序固溶體(超結(jié)構(gòu)、超點陣)1.有序化溶質(zhì)原子在固溶體中的分布，從無序或短程有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚L程有序狀態(tài)的過程，稱為有序化。2.長程有序參數(shù)(S)用來描述長程有序的程度，；式中：p——A原子的正確位置上出現(xiàn)A原子的幾率；

n——A的原子分數(shù)；10/15/202314IntroductiontoMaterialScience5.有序固溶體(超點陣、超結(jié)構(gòu))(續(xù))3.影響有序化的因素

①溫度存在一個有序化轉(zhuǎn)變的臨界溫度Tc。當溫度低于Tc時，固溶體從無序或短程無序轉(zhuǎn)變到長程有序；當溫度高于Tc時，固溶體從長程有序轉(zhuǎn)變到無序或短程有序狀態(tài)。

②冷卻速度一般而言，冷卻速度越高，越容易呈現(xiàn)無序。

③合金成分理想成分容易呈現(xiàn)有序。例如AB、AB3等。

④塑性變形塑性變形將破壞有序，使有序程度降低。變形程度越大，S就越低，即無序性增加。10/15/202315IntroductiontoMaterialScience5.有序固溶體(超點陣、超結(jié)構(gòu))(續(xù))1)有序固溶體的組織有序固溶體由許多有序疇塊組成，各有序疇塊中的原子排列順序往往不一致，使得疇塊之間產(chǎn)生反向疇界。2)有序化固溶體的性能變化①電阻率下降；②硬度升高；原子間結(jié)合力升高，而且反相疇界的存在增加塑性變形的阻力，

所以有序化可作為合金強化的一種手段。③磁性轉(zhuǎn)變；4.有序固溶體的組織和性能10/15/202316IntroductiontoMaterialScience第二節(jié)金屬間化合物1.定義A、B兩組元可形成合金時，除了可以形成A或B為基的兩種固溶體外，當合金成分超過了兩種固溶體的最大溶解度時，就可能形成與A、B兩組元晶格類型均不相同的新相，稱為金屬間化合物。由于其成分多處于兩種固溶體極限溶解度之間的范圍，故又稱為中間相。2.特點①點陣類型既不同于A，也不同于B，有其獨特結(jié)構(gòu)；

②具有金屬性，但其性能不同于A，也不同于B；

③有序；

④通常有一定的原子比例，能用分子式表示，但是分子式不一定符

合化合價規(guī)律。

⑤可以在一定成分范圍內(nèi)存在。（所以可以形成以中間相為基的固

溶體）10/15/202317IntroductiontoMaterialScience1.正常價化合物正常價化合物的元素遵循原子價規(guī)律，且受負電性控制。1.組成金屬元素與第IVA、VA、VIA族的非金屬元素或亞金屬元素（還有Pb）組成。如：Mg2si、Mg2Si、ZnS等。2.特點⑴符合原子價規(guī)律；

⑵組元的電負性相差很大，化合物性能穩(wěn)定，硬、脆、熔點高。

⑶有序；

⑷主要鍵型為離子鍵或共價鍵，也有少量的金屬鍵，是金屬化合物

中金屬性最弱的一種。3.類型主要包括①AB型、②AB2型、③A2B型幾種類型。10/15/202318IntroductiontoMaterialScience2.電子化合物電子化合物是指晶體結(jié)構(gòu)與電子濃度有關(guān)的化合物。根據(jù)e/a（電子濃度）的不同，電子化合物可以分為三類。Material10/15/202319IntroductiontoMaterialScience2.電子化合物(續(xù))1.電子化合物的組成過渡族或堿金屬元素＋Ⅱ～V族金屬元素或一價（Cu、Ag、Au）金屬＋IIB元素。2.結(jié)構(gòu)類型

β相——e/a=3/