第五章材料相结构

第五章材料的相结构

为何工业上很少使用纯金属,而多使用合金?一、基本概念1合金（1）合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。（2）组元：组成合金最基本的物质。（如一元、二元、三元合金〕，可以是元素，也可以是化合物。（3）合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。如Fe-C，Fe-Cr等。2相（1）相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分。（2）组织：由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合体。如单相、两相、多相合金。金属及合金的组织一般应用显微镜才能看到，所以常称显微组织。

一、基本概念©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.（2）相的分类

合金中的相按结构可分为固溶体和金属化合物。固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。金属化合物（中间相）：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相同的相。一、基本概念二、固溶体1、定义：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。

固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B),其中A为溶剂,B为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示,亦可表示为Cu(Zn)。

2、分类

按溶质原子在溶剂晶格中的位置,固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。按溶质原子在溶剂中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。按溶质原子在固溶体中分布是否有规律，固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。在一定条件(如成分、温度等)下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体。这种转变叫做有序化。二、固溶体©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.二、固溶体间隙固溶体置换固溶体二、固溶体3、置换固溶体（1）置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。（2）影响置换固溶体溶解度的因素a原子尺寸因素原子尺寸差越小，越易形成置换固溶体，且溶解度越大。△r=(rA-rB)/rA

当△r<15%时，有利于大量互溶。二、固溶体

b晶体结构因素结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体。

c电负性因素电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大。

d电子浓度因素电子浓度e/a=VA(1-x)+VBx。其中x为溶质的原子百分比浓度(摩尔分数)，VA、VB分别为溶剂和溶质的价电子数.Zn.Ga.Ge.As(Cu.Ag.Au)38%20%12%.7%电子浓度e/a越大，溶解度越小。e/a有一极限值，与溶剂晶体结构有关。一价面心立方金属为1.36，一价体心立方金属为1.48。（上述四个因素并非相互独立，其统一的理论的是金属与合金的电子理论。）二、固溶体4、间隙固溶体（1）组成：原子半径较小（小于0.1nm)的非金属元素溶入金属晶体的间隙。（2）影响因素：原子半径和溶剂结构。（3）溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体。二、固溶体5、固溶体的结构（1）晶格畸变。（2）偏聚与有序：取决于同类原子和异类原子间结合力的相对大小。完全无序、偏聚、部分有序、完全有序。二、固溶体6、固溶体的性能固溶体的强度和硬度高于纯组元，塑性则较低。

固溶体的性能特点由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上与原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的性能主要决定于溶剂的性能，或在溶剂性能基础上发生一些改变。

固溶体的性能与原溶剂性能的差别，或称性能变化的大小，随着溶质的浓度(含量)的增加而加大。

第一节合金的相结构（3）固溶强化：晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。

固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。纯铜的σb

为220MPa,硬度为40HBS,断面收缩率ψ为70%。当加入1%镍形成单相固溶体后,强度升高到390MPa,硬度升高到70HB,而断面收缩率仍有50%。所以固溶体的综合机械性能很好,常常作为结构合金的基体相。固溶体与纯金属相比,物理性能有较大的变化,如电阻率上升,导电率下降,磁矫顽力增大。二、固溶体三、化合物1、概念

当溶质的含量超过了其溶解度，在材料中将出现新相。若新相为另一组元的晶体结构，则也是另一固溶体。若其晶体结构与组元都不相同，表明生成了新的物质。所以，化合物是构成的组元相互作用，生成不同与任何组元晶体结构的新物质。

第一节合金的相结构化合物结构的特点:一是有基本固定的原子数目比，可用化学分子式表示，二是晶体结构不同于其任何组元。在以下将学习的相图中，它们的位置都在相图的中间，所以也称为中间相。

在金属材料中，原子之间的结合除离子键和共价键外，金属键在不同程度上也参与一定的作用，如果生成的化合物也具有金属性，则称之为金属化合物。三、金属间化合物

中间相是由金属与金属，或金属与类金属元素之间形成的化合物，这些化合物结构一般比较复杂，而且具有金属特性，所以也称为金属间化合物。包括：正常价化合物、电子化合物（电子相）、间隙化合物。三、金属间化合物

1正常价化合物（1）形成：电负性差起主要作用，符合原子价规则。（2）键型：随电负性差的减小，分别形成离子键、共价键、金属键。（3）组成：AB或AB2。例如MnS、Al2O3、TiN、ZrO2等

2、金属化合物的类型2）电子化合物

这类化合物大多是以第Ⅰ副族或过渡族金属元素与第Ⅱ至第Ⅴ副族金属元素结合而成。它们也可以用分子式表示，但大多不符合正常化学价规律。当e/a为某些特定值时形成一新的晶体结构，并且电子浓度不同，其对应的晶体结构的类型也就不同。第一节合金的相结构常见的电子浓度值有21/14、21/13、21/12。由于这类中间相与电子浓度有关，所以就称为电子化合物，主要出现在金属材料中，它们的结合键为金属键。一些常见的电子化合物可参看教材。例如Cu31Sn8，电子浓度21/13，具有复杂立方晶格。三、金属间化合物3间隙化合物

（1）形成：尺寸因素起主要作用。（2）结构：复杂间隙化合物：主要是铁、钴、铬、锰的化合物，结构复杂。如Fe3C。简单间隙化合物（间隙相）：金属原子呈现新结构，非金属原子位于其间隙，结构简单。如面心立方VC。（3）组成：可用化学式表示，可形成固溶体，复杂间隙化合物的金属元素可被置换。

由过渡族元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物称为间隙化合物。⑴间隙相当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。一些间隙相及晶格类型见表1-6。间隙相具有金属特性，有极高的熔点及硬度，非常稳定，见表1-7。化学式类型钢中可能遇到的间隙相化学式晶格类型M4XFe4N，Nb4C，Mn4C面心立方M2XFe2N，Cr2N，W2C，Mo2C密排六方MXTaC，TiC，ZrC，VCTiN，ZrN，VNMoN，CrN，WC面心立方体心立方简单六方MX2VC2，CeC2，ZrH2，TiH2，LaC2面心立方表1-6间隙相的化学式及晶格类型类型简单结构间隙化合物复杂结构间隙化合物化学式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23C6Fe3C硬度HV28502840201020501550173014801650～800熔点/℃30803472±2026503680±5039802785±5252715771227表1-7钢中常见间隙化合物的硬度及熔点

⑵复杂结构的间隙化合物当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。钢中的Fe3C、Cr23C6、FeB、Fe4W2C、Cr7C3、Fe2B等均属于这类化合物。

拓扑密堆相(TCP相)

同种类的等直径原子球堆垛，配位数最大为12，最大致密度为0.74。如果都是金属原子(性质接近)，尺寸尽管有一定的相差，以大小原子的一定比例搭配(固定的原子比)，形成的新相配位数大于12，或致密度大于0.74，统称为拓扑密堆结构相。