第二章固态合金相结构讲义

第二章固态合金相结构讲义《材料科学基础》

§2-1固溶体一.固溶体特性第一页

第一节合金：由两种或两种以上的元素（至少一种金属元素）经熔炼、烧结等组合而成的具有的物质。保持溶剂晶体结构；

成分可变结构不变,在相图中为一个相区；保持金属键结合；

产生固溶强化

。二、固溶体分类1.按溶质在溶剂中的位置划分：置换固溶体间隙固溶体2.按溶质在溶剂中的溶解度划分：有限固溶体无限固溶体3.按溶质在溶剂中分布规律划分：有序固溶体无序固溶体第2页

第一节第3页置换固溶体-溶质原子占据溶剂陣点位置所形成的。固溶体.

Cu（Ni）或Ni（Cu）三、置换固溶体

分类无限固溶体：Cu-Ni、Au-Ag…有限固溶体：Cu-Zn(39%)、Cu-Sn(9%)

无序固溶体：Cu-Ni、Au-Ag、Cu-Zn

有序固溶体：Cu-25%Au（Cu3Au）..

形成无限固溶体时两组元原子连续置换示意图第一节第4页原子半径相近两类原子相互溶解Cu-Ni、Cu-Zn；

保持溶剂晶体结构；溶剂原子占据陣点位置；产生固溶强化-随着溶质原子的溶入导致固溶体的晶格畸变增加,从而使σb、HB↑、δ及αk稍↓现象特性无序置换固溶体结构示意图有序固溶体Cu3Au

置换固溶体点阵畸变示意图第5页第一节晶体结构因素原子尺寸因素影响置换固溶体溶解度因素负电性因素电子浓度因素晶体结构因素●组元间晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件。（如：Cu-Ni合金无限固溶体）●形成有限固溶体时，溶质元素与溶剂的结构类型相同,则溶解度通常也较不同结构时为大。第6页电子浓度因素（化合价因素）

电子浓度

v-溶剂的原子价u-溶质的原子价x-溶质的摩尔分数极限电子浓度：形成固溶体的最大溶解度时对应的值。一定溶剂的晶体结构对应一定的极限电子浓度值。一价的bcc结构的金属为溶剂时，一价的fcc结构的金属为溶剂时，

如：Cu（Ni-无限）合金如：Cu（Zn-39%）合金Cu（Sn-9%）合金只有0价或1价的元素与1价的元素相互溶解有可能形成无限固溶体。超过极限电子浓度值越大溶解度越小,过渡族元素化合价为”零”价.（如：Cu一1价，Ni一0价）元素的化合价化合价因素小结

原子尺寸因素只有当△r＜14％～15％才可能无限互溶。●以Fe为溶剂时△r＜8％才可能无限互溶。●以Cu为溶剂时△r＜10％～11％才可能无限互溶。原因是：△r越大晶格畸变越大，溶解度越小。如：Cu（Ni-无限）合金-第7页－溶剂原子半径－溶质原子半径负电性因素（化学亲合力）负电性；原子接受电子而显示负电性的能力。

以负电性大小来衡量化学亲合力。●两元素负电性差值ΔX＜0.4～0.5时，有利于形成固溶体。●ΔX＞0.4～0.5，倾向于形成稳定的化合物，其负电性差值越小，固溶体中固溶度越大。如元素的负电性值：Cu-1.9,Ni-1.9;

Zn-1.6

,Sn-1.8。Cu-Ni合金可能无限互溶；

Cu-Zn,Cu-Sn合金溶解度小于Cu-Ni合金

。

第8页四、间隙固溶体（interstitialsolid）形成规律－原子半径较小的非金属元素C、N、H溶入过渡族元素的间隙位置。一.特点：保持溶剂结构溶质原子均位于bcc、fcc、hcp

八面体间隙位置。

产生固溶强化，间隙固溶强化其强化效果大于置换固溶强化。第9页间隙原子在bcc结构中的位置间隙固溶体中的固溶强化二.间隙固溶体的分类－

①永远是有限固溶体。②永远是无序固溶体。三.影响溶解度因素－1.溶剂一定时，溶质的原子半径越小，溶解度越大。（1）温度相同时，溶剂晶体结构不同溶解度不同；727℃时：C原子溶入γ-Fe中最大溶解度为0.77%；

C原子溶入α-Fe中最大溶解为0.0218%；

（2）溶剂晶体结构相同时，温度越高溶解度越大。C原子溶入γ－Fe：1148℃时最大溶解度为2.11%C727℃时最大溶解度为0.77%C有序固溶体及固溶体的微观不均匀性●固溶体的微观不均匀性过去认为原子在固溶体中分布是统计的、均匀的和无序的。第11页近年来研究表明无序固溶体只是宏观的一种说法，从微观尺度讲是不均匀的，可能出现完全无序、偏聚、短程有序和完全有序四种结构。（1）完全无序当原子间作用力满足fAB

＝

fAA

＝fBB关系时呈完全无序排列，如图（a）所示。固溶体中溶质原子示意图（3）短程有序当部分原子间作用力满足fAB>fAA(或fBB)时，固溶体部分原子呈为短程有序，如图（c）。（4）有序分布（超结构）－当处于短程有序排列的原子达到一定的原子分数时，固溶体发生了有序化转变，从而形成了有序固溶体，如（d）图。（2）偏聚当原子间作用力满足fAA

或fBB>fAB

时出现偏聚现象。如图（b）

●有序固溶体－超结构图2－7Cu3Au有序固溶体Cu-Au25％合金：390℃以上为置换固溶体；390℃以下为有序固溶体。Cu3Au为面心立方点阵，Cu原子占据面心，Au原子位于陣点位置Cu:Au＝3:1固溶体从无序有序称为有序化,晶体结构发生了变化，又称超结构。

-Cu原子

●-Au原子固溶体有序化后强度、硬度上升，塑性明显下降，磁性也发生变化，本质上是中间相。中间相－当溶质超过了在溶剂中的溶解度极限以后形成的结构不同于任一组元的新相。

第二节中间相或金属化合物中间相正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物第13页第二节第二节

（一）正常价化合物1.形成规律及特点

（1）是由负电性相差较大的两类元素（金属元素与

ⅣA、ⅤA、ⅥA族元素）所组成。（2）两元素负电性相差越大，化合物越稳定。（3）组元呈有序排列，有严格的成分比，符合化合价规律。一般有：AB、AB2（A2B）和A3B2型三种。（4）具有较高的硬度和韧性，组元间结合为离子键、共价键和金属间。如：AB型：NaCl、ZnS离子键（六方和立方ZnS）

AB2型：CaF2离子键；

A2B型：Mg2Sn共价键；Mg2Pb

金属键。

第14页第二节2.结构特点

（1）AB型

②立方的ZnS结构-fcc点阵（闪锌矿结构）

类似于金刚石结构，S原子处于Zn原子组成的fcc点阵的4个四面体间隙位置。①NaCl结构－fcc点阵

每一个点阵（0，0，0）占据另一点阵（，0，0）的八面体间隙位置。

Na:Cl＝1:1有FeS、MnS

金刚石结构第二节③六方的ZnS结构（硫锌矿结构）

Zn及S原子各自构成hcp结构并沿C轴错开距离，每个点阵占据另一点阵的四面体间隙位置的一半。有ZnO、SiC

。

（2）AB2

型-CaF2结构可以看作Ca原子构成fcc点阵，F原子位于Ca子fcc点阵的8个原四面体间隙位置。原子比为Ca：F＝1：2第16页第二节（二）电子化合物表3－1钢合金中常见的电子化合物第17页1.形成规律及特性●是由ⅠB族元素与Zn、Al、Sn等元素组成。●一定的电子浓度对应一定的晶体结构。

电子浓度有、、三种(过渡族元素化合价“0”价)第二节●组元间一般呈无序排列。但在一定条件下可以从无序→有序转变（有序固溶体）。●成分可在一定范围内变化，故称为以化合物为基的固溶体。●组元结合为金属键结合，具有明显的金属特性：高熔点、高硬度、低塑性。（三）受原子尺寸因素影响的中间相

1.间隙相

（1）间隙相－原子半径较小的非金属元素（C、N、B…）溶入过渡族元素的间隙位置形成的新相，满足＜0.59,具有简单结构。第18页第二节（2）特性

①具有简单结构如：fcc、bcc、hcp、简单六方等。②一定比例的化学式对应一定的晶体结构。

表3－2钢中常见的间隙相

第19页M4X、M2X、MX、MX2四种化学式：第二节如：VC中的V原子位于fcc结构的格点位置C原子位于fcc结构的全部八面体间隙位置。VC属于NaCl结构，面心立方点阵。③成分可在一定范围内变化，成为缺位固溶体。WC(W)W过量④具有明显的金属特性：极高的熔点和硬度、脆性大；导电、导热、具有正的电阻温度系数(明显的金属特性)。⑤相同结构的间隙相可以相互溶解，形成无限固溶体。

TiC-VC，TiC-ZrC第20页VC的晶体结构-NaCl结构第二节2.间隙化合物（1）间隙化合物－原子半径较小的非金属元素（C、N、B…）溶入过渡族元素的间隙位置形成的新相，满足＞0.59,具有复杂结构。（2）特性①具有复杂的晶体结构。常见的有：

M3C型－Fe3C,M3C等；M6C型－Fe3W3C,Fe4W2C等;

M7C3型－Cr7C3;

M23C6型－Cr23C6；Fe3C的晶体结构是正交点陣。

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第24页CuAu中:Cu原子和Au原子分层排列于（001）晶面上；Cu3Au中:Cu原子占据面心,Au原子占据顶角位置。有序化后其