材料科学基础 102.3合金相结构1固溶体

1、2.3 合金相的晶体结构合金相的晶体结构 合金合金是指由两种或两种以上的金属或金属与非是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。特性的物质。 组成合金的基本的独立的物质称为组成合金的基本的独立的物质称为组元组元。组元组元可以是金属和非金属元素，也可以是化合物。可以是金属和非金属元素，也可以是化合物。 例例: 碳钢和铸铁是主要由铁和碳所组成的合金；碳钢和铸铁是主要由铁和碳所组成的合金； 黄铜则为铜和锌的合金。黄铜则为铜和锌的合金。 120/9合金中的相合金中的相相相是合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构

2、和性质并以界是合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分面相互隔开的均匀组成部分 合金相的分类合金相的分类 固溶体固溶体-固溶体是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶固溶体是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子入其他组元原子(溶质原子溶质原子)所形成的均匀混合的固态溶体，所形成的均匀混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型；它保持着溶剂的晶体结构类型； 中间相中间相-组成合金相的异类原子有固定的比例，所形成的组成合金相的异类原子有固定的比例，所形成的固相的晶体结构与所有组元均不同，则称这种合金相为固相的晶体结构与所有组元均不同，则称这种合金相为金金属间

3、化合物属间化合物。这种相的成分多数处于。这种相的成分多数处于A在在B中溶解限度和中溶解限度和B在在A中的溶解限度之间，因此也叫做中的溶解限度之间，因此也叫做中间相中间相。一般可用。一般可用分子分子式式来大致表示其组成。来大致表示其组成。 2w单相合金单相合金 多相合金多相合金影响合金相结构的主要因素影响合金相结构的主要因素 合金组元之间的相互作用及其所形成的合合金组元之间的相互作用及其所形成的合金相的性质主要由三个因素控制金相的性质主要由三个因素控制电化学因素电化学因素原子尺寸因素原子尺寸因素电子浓度因素电子浓度因素3(1)电化学因素电化学因素(电负性因素电负性因素) 组元间电负性差愈大组元间

4、电负性差愈大 金属间化合物；金属间化合物； 组元间电负性差愈小组元间电负性差愈小 固溶体。固溶体。 电负性与原子序数的关系电负性与原子序数的关系: 同一周期同一周期-电负性自左向右电负性自左向右(随原子序数增大随原子序数增大)增大；增大； 同一族同一族-电负性由上到下逐渐减小。电负性由上到下逐渐减小。4(2) 电子浓度电子浓度 电子浓度是指合金晶体中的价电子数（电子浓度是指合金晶体中的价电子数（e）与其原子数（）与其原子数（a）之比。之比。 异类原子价电子数差愈大，电子浓度增加异类原子价电子数差愈大，电子浓度增加 金属间化合物金属间化合物（中间相）；相结构与电子浓度对应。（中间相）；相结构与电

5、子浓度对应。 异类原子价电子数差愈小，电子浓度减小异类原子价电子数差愈小，电子浓度减小 固溶体；其溶固溶体；其溶解度受电子浓度控制。解度受电子浓度控制。 (3)原子尺寸因素原子尺寸因素 组元间电负性差较小时，组元间电负性差较小时，r15或或 r41 固溶体；固溶体； 组元间电负性差较大，组元间电负性差较大，r作用不明显作用不明显 中间相。中间相。5固溶体固溶体固溶体的分类固溶体的分类按溶质原子的固溶能力划分：按溶质原子的固溶能力划分： 有限固溶体，无限固溶体有限固溶体，无限固溶体按溶质原子在固溶体结构中的位置划分：按溶质原子在固溶体结构中的位置划分： 置换固溶体，间隙固溶体置换固溶体，间隙固溶

6、体按溶质原子在固溶体结构中的分布规律划分：按溶质原子在固溶体结构中的分布规律划分： 有序固溶体（超结构），无序固溶体有序固溶体（超结构），无序固溶体6固溶体结构的特点固溶体结构的特点(1) 固溶体晶体结构的基本特点是保持溶剂的晶体结构固溶体晶体结构的基本特点是保持溶剂的晶体结构(2) 点阵畸变点阵畸变7(3) 固溶体的微观不均匀固溶体的微观不均匀性性 (c)部分有序部分有序 (d)完全有序完全有序EAB(EAA+EBB)/2 (a)完全无序完全无序 EAAEBBEAB (b)偏聚偏聚(EAA+EBB)/2EAB8EAA EBB为同类原子间的结合能为同类原子间的结合能EAB为异类原子间的结合能为

7、异类原子间的结合能 假定在一系列以溶质假定在一系列以溶质B原子为中心的各同心球面上分布着原子为中心的各同心球面上分布着A，B组元原子。组元原子。 Ci：i层球面上原子总数层球面上原子总数 ni：A原子在原子在i层的平均数目层的平均数目 mA：合金中：合金中A原子数的分数原子数的分数 mACi：i层应有的层应有的A原子数目原子数目 (a)完全无序完全无序 ni = mACi i=0 (b)偏聚偏聚 ni 0 同类原子相邻几率较高同类原子相邻几率较高 (c)短程有序短程有序 ni mACi i15溶解度小因为点阵畸变大；溶解度小因为点阵畸变大； (3)化学亲和力化学亲和力(电负性因素电负性因素)：

8、 E小，小，溶解度大；溶解度大；影响置换固溶体溶解度的因素影响置换固溶体溶解度的因素溶质原子置换溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就溶质原子置换溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称为称为置换固溶体置换固溶体27/910(4)电子浓度因素电子浓度因素(原子价因素原子价因素)式中式中e、a分别为分别为合金中价电子数与原子数；合金中价电子数与原子数；A，B分别为溶剂分别为溶剂和溶质的原子价；和溶质的原子价；x为溶质的原子数分数为溶质的原子数分数()极限电子浓度极限电子浓度 1.4Cu为为1价金属价金属 Zn Ga Ge As原子价原子价 2 3 4 5电子浓度电子浓度 1.38 1.39 1.34

9、 1.28在在Cu中溶解度，中溶解度，% 38 20 12 7 11 间隙固溶体间隙固溶体 （interstitial solid solution）影响间隙固溶体溶解度的因素影响间隙固溶体溶解度的因素(1)溶质原子半径溶质原子半径溶质原子半径很小，溶质原子半径很小， r41 间隙固溶体间隙固溶体形成间隙固溶体的溶质原子通常是原子半径小于形成间隙固溶体的溶质原子通常是原子半径小于0.1nm的的一些非金属元素，如一些非金属元素，如H、B、C、N、O(原子半径分别为原子半径分别为0.046、0.097、0.077、0.0719、0.060nm)； (2)溶剂晶体结构中间隙的形状、数量和大小溶剂晶体

10、结构中间隙的形状、数量和大小Fe中，中，C最大溶解度为最大溶解度为2.11质量分数质量分数Fe中，中，C最大溶解度为最大溶解度为0.0218质量分数质量分数间隙固溶体都是溶解度小的有限固溶体。间隙固溶体都是溶解度小的有限固溶体。溶质原子分布于溶剂晶格间隙形成的固溶体为溶质原子分布于溶剂晶格间隙形成的固溶体为间隙固溶体间隙固溶体1213固溶体的性能固溶体的性能1、点阵常数改变、点阵常数改变置换固溶体置换固溶体rBrA时平均点阵常数增大；时平均点阵常数增大；rBrA时平均点阵常数减小。时平均点阵常数减小。间隙固溶体间隙固溶体溶质原子含量增多点阵常数增大溶质原子含量增多点阵常数增大2、固溶强化、固溶

11、强化3、物理和化学性能改变、物理和化学性能改变例例1:Si溶入溶入-Fe中可以提高磁导中可以提高磁导率，增大比电率，增大比电阻阻例例2: Cu-Au14电子化合物电子化合物不符合化合价规律，晶体结构由电子浓度决定的化合物不符合化合价规律，晶体结构由电子浓度决定的化合物组成组成： IB族的贵金属族的贵金属(Ag，Au，Cu)+B、A、IVA族元素族元素(如如Zn，Ga，Ge)特点特点: 1、晶体结构取决于电子浓度，组元不同，电子浓度晶体结构取决于电子浓度，组元不同，电子浓度相同，则晶体结构相同；相同，则晶体结构相同； 2、可用化学分子式表示，实际上其成分是在一定范、可用化学分子式表示，实际上其成分是在一定范围内变化，可视其为以化合物为基的固溶体，其电子围内变化，可视其为以化合物为基的固溶体，其电子浓度也在一定范围内变化。浓度也在一定范围内变化。 3、原子间的结合方式以金属健为主，故具有明显的、原子间的结合方式以金属健为主，