材料科学基础-晶体结构

合金相的晶体结构7/2/2023IntroductiontoMaterialScience前言目前应用的金属材料绝大多数是合金。合金就是通过对纯金属合金化获得的。合金——由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素形成的具有金属特性的物质。组元——合金中的每一种元素称为一个组元。组元是组成合金的最基本的、独立的物质。合金中由几个组元，就称该合金是几元合金。例如：Fe-C合金、Cu-Zn合金（黄铜）、Cu-Sn合金（青铜）。向纯金属中加入合金元素（合金化）后，各元素之间相互作用，形成合金相，合金相又进一步组成各种不同的组织，从而起到改变和提高纯金属性能的作用。7/2/2023IntroductiontoMaterialScience第一节固溶体1.固溶体的实质固溶体实质上是一种固态溶液，是一种元素渗入另一种元素的晶格结构中的结晶固相。其中含量多的组元称为溶剂，含量少的组元称为溶质。2.基本内容固溶体的分类；置换固溶体；间隙固溶体；固溶体结构的特点；有序固溶体（超结构、超点阵）；MaterialLessons7/2/2023IntroductiontoMaterialScience1.固溶体的分类1.按溶质原子的位置分类置换固溶体；间隙固溶体；2.按溶质原子的溶解度分类有限固溶体；无限固溶体；3.按溶质原子分布规律分类无序固溶体；有序固溶体；LessonsLessonsLessons7/2/2023IntroductiontoMaterialScience2.置换固溶体2-1.定义

溶质原子置换了溶剂的原子位置，又称为替代式固溶体。2-2.溶质原子的取代是随机的，其溶解度可以是有限的，也可以是无限的。Material置换固溶体示意图7/2/2023IntroductiontoMaterialScience2.置换固溶体(续)Material2-3影响置换固溶体溶解度的经验规律①原子尺寸相对尺寸差：式中，rA——溶剂的原子半径；

rB——溶质的原子半径；△r越小，越有利于形成固溶体。

△r>14%~15%时，不利于形成固溶体，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体，还要看其他因素是否有利。所以原子尺寸因素只能作为两种金属能否形成固溶体以及形成的固溶体的溶解度高低的初步判据。7/2/2023IntroductiontoMaterialScience2.置换固溶体(续)Material2-3影响置换固溶体溶解度的经验规律(续)②晶体结构溶质与溶剂点阵类型相同时，溶解度大。③负电性负电性差别越大，化学亲和力越大，两组元倾向于形成化合物。即使能形成固溶体，其溶解度也非常小。④电子浓度电子浓度式中：e——价电子总数；

a——两组元的原子总数；

x——溶质原子数；

A——每个溶剂原子的价电子数；

B——每个溶质原子的价电子数；7/2/2023IntroductiontoMaterialScience2.置换固溶体(续)e/a有一极限值，超过此极限值，固溶体就不稳定，会形成新相，可能是另一种固溶体或化合物。而且极限电子浓度还与溶剂的点阵类型有关。如(e/a)fcc=1.36；

(e/a)bcc=1.48；Material2-3影响置换固溶体溶解度的经验规律(续)示例：Cu–Zn固溶体，

Zn%=28%，Cu：A＝1，Zn：B＝2；

所以，e/a=1.28；7/2/2023IntroductiontoMaterialScience3.间隙固溶体1.定义2.影响间隙固溶体溶解度的因素间隙固溶体的溶解度与溶质原子、溶剂晶体中的间隙形状和大小有关。以A组元（溶剂）为基，B组元（溶质）填在A的间隙位置形成的固溶体。也称为填隙式固溶体。①溶质原子半径一般RB<0.1nm时才能形成间隙固溶体。间隙固溶体中的溶质元素一般都是一些原子半径很小的非金属元素，如：H、B、C、N、O等。②溶剂结构溶剂结构方面的考虑因素主要是“间隙的形状和大小”和“晶格类型”。以C在Fe中的溶解为例。7/2/2023IntroductiontoMaterialScience3.间隙蜓固溶示体(续)间隙固溶体示意图6/权26校/2炮02础3In睁tr共od层uc倾ti盗on败t域o剩Ma熊te夫ri悠al筋S车ci含en兽ce4.固溶贯体结吴构的探特点固溶则体的顶一个斤重要厌特点舒是仍盈然保耗持溶寒剂的昼晶体渠结构摧。但般是由肾于溶徐质原版子的滩溶入欧，还白是使鞭其晶裤体结安构发煤生了拴某些慕方面辅的变灾化。主要清变化肿呈现项在以欣下两寄个方民面：晶格蓝畸变愉；晶格丑畸变园导致恰晶格豪常数矩变化亮和产择生畸牺变能较。溶质胃原子齿分布抚的不屡均匀搁性；6/凑26浸/2划02周3In肢tr昂od帮uc组ti闭on餐t篮o政Ma垦te蚀ri块al翅S贫ci肥en脊ce4.固溶困体的婶结构马特点(续)Material4-庆1晶格感畸变1)晶格萌常数祖改变①置都换固键溶体：RB>RA，则晶格粮膨胀邪，点园阵常丧数a增大草；RB<RA，则晶庭格收车缩，点阵毙常数a减小装；②间谷隙固科溶体：RB通常险大于A中的斩间隙凑尺寸贝，许所以映点阵耍膨胀守，晶旧格常避数a增大蚂；2)畸变雹能点阵银畸变陪导致抽固溶么体的适能量尺升高弓，能紧量的亦增加姜值称脱为畸遣变能贫。畸变光能的研存在竞会引洋起晶睁格结劣构的骂不稳侄定性便。组虑元原垒子尺矮寸相旺差越掉大和葬溶质便原子紫在固属溶体哑中的农浓度余越大喝，点腾阵畸抛变能烘就越淡大，卖结构掏的不妖稳定扫性增分加，昼从而博趋向便于改燃变结生构形案成新肢相。场这就匙是大卧多数摸固溶婚体存叛在溶解合度的原洁因。6/欢26尤/2锯02桨3In酬tr纯od爹uc浮ti京on桐t冒o谜Ma高te诱ri懂al乏S站ci判en敢ce4.固溶征体的骡结构姐特点(续)Material4-约2溶质当原子毫分布寺的不壳均匀黄性1)分布元形式固溶瞧体中刺溶质显原子纯的分贝布有怎如下代四种竞：☢完全眉无序挨；☢偏聚在；☢短程翻有序痒；☢完全越有序坦（长娃程有模序）韵；2)影响弱因素溶质虾原子扶的分旧布形愤式主旬要取狼决于新同类利原子竭对的控结合阻能(UAA，UBB)以及焰异类茄原子料结合谦能(UAB)的相及对大杀小。饥存在粘如下患情况笑：①UAA≈UBB≈UAB无序茅分布税（原吊子分摔布是驾随机芝的）虾。②UAA、UBB>UAB偏聚掉（同帽类原善子容旦易结挨合）储。③UAA、UBB<UAB有序剂分布(溶质并原子孝少则片长程僵有序,否则稳就长帆程有莫序).6/星26敞/2椒02溜3In姓tr屑od反uc暖ti咬on事t栗o生Ma影te紧ri今al演S切ci保en刊ce5.有序赖固溶覆体(超结敏构、若超点瞒阵)1.有序唐化溶质俭原子还在固忌溶体规中的吸分布条，从妇无序战或短破程有驰序状水态转欲变为堂长程舰有序底状态申的过被程，河称为族有序娃化。2.长程孙有序价参数(S华)用来岔描述却长程摊有序需的程木度，供；式中剩：p扇——芝A原子群的正躺确位举置上毯出现A原子柏的几画率；n挂——闸A的原熊子分火数；6/测26剂/2色02虚3In酿tr夫od柱uc柴ti羞on废t愁o纠Ma到te栏ri并al惑S陕ci恐en驼ce5.有序锣固溶暖体(超点围阵、洲超结锅构)(续)3.影响虏有序农化的龄因素①温度存在柜一个颂有序哥化转爱变的吊临界余温度Tc。当温度假低于Tc时，还固溶划体从傻无序烘或短繁程无耗序转填变到密长程事有序钓；当挨温度慨高于Tc时，担固溶观体从谋长程何有序类转变闻到无馆序或言短程零有序昂状态常。②冷史却速害度一般泰而言笛，冷施却速话度越既高，吴越容惊易呈死现无照序。③合孩金成深分理想汇成分扯容易慰呈现北有序究。例侧如AB、AB3等。④塑黑性变咱形塑性著变形冤将破色坏有齿序，英使有挡序程缓度降亩低。罗变形苹程度音越大悬，S就越凑低，骂即无盐序性脱增加透。6/肃26方/2计02壳3In塌tr便od辨uc贸ti疲on搜t农o诊Ma单te程ri竞al怖S蹈ci贵en荷ce5.有序默固溶亚体(超点舅阵、盘超结养构)(续)1)有序欺固溶源体的窜组织有序鱼固溶挨体由劫许多刷有序签畴块辛组成们，各透有序富畴块狮中的重原子灿排列棍顺序次往往驳不一忠致，膜使得盐畴块甚之间陪产生考反向浸畴界利。2)有序缘瑞化固垄溶体同的性龟能变祖化①电阻胸率下西降；②硬度稿升高峡；原子裹间结境合力纵升高唐，而宗且反支相畴违界的全存在烟增加展塑性抄变形蠢的阻纱力，静所以拳有序梦化可赚作为毛合金薄强化屿的一谜种手踩段。③磁性炭转变妹；4.有序拳固溶夺体的玻组织堆和性乓能6/姿26唇/2咳02絮3In裙tr遗od肠uc而ti肚on偷t价o谁Ma典te扣ri制al示S逮ci青en芦ce第二雾节拘金属妄间化帝合物1.定义A、B两组该元可屿形成意合金稠时，翅除了款可以饶形成A或B为基字的两迎种固工溶体始外，贺当合竹金成抬分超令过了科两种缩慧固溶怪体的菌最大挨溶解飘度时轿，就乌可能且形成毫与A、B两组击元晶遍格类集型均包不相丸同的帜新相蜻，称固为金沃属间鞠化合袭物。谅由于秘其成妈分多期处于么两种适固溶跨体极刑限溶社解度泼之间抢的范温围，五故又滚称为眨中间广相。2.特点①点阵帜类型缸既不肢同于A，也不展同于B，有其译独特绪结构哥；②具有质金属萝性，瘦但其窗性能转不同丸于A，也不旷同于B；③有序彼；④通常弊有一桑定的躬原子沉比例乞，能锯用分火子式虽表示驰，但涨是分穷子式闸不一营定符钓合化梳合价告规律粘。⑤可以某在一害定成字分范潜围内棚存在脆。（妈所以稻可以异形成渠以中锋间相醒为基臭的固惰溶体斜）6/纪26些/2趴02稠3In殿tr鉴od况uc傻ti翻on问t痒o垮Ma冲te李ri台al忧S俊ci奥en舍ce1.正常格价化催合物正常汽价化伞合物邪的元价素遵撇循原务子价凡规律活，且菠受负柳电性炒控制舒。1.组成金属抄元素擦与第IV丧A、VA、VI匙A族的拘非金伙属元弓素或义亚金至属元赔素（饺还有Pb）组成锈。如踩：Mg2si、Mg2Si、Zn赵S等。2.特点⑴符合愈原子垮价规闲律；⑵组元宜的电碌负性捎相差呜很大踢，化含合物描性能抖稳定狐，硬怪、脆革、熔仙点高起。⑶有序乌；⑷主要踢键型赠为离爱子键稳或共夕价键满，也堤有少卵量的欧金属兽键，张是金京属化疼合物辅中金逆属性阴最弱针的一笨种。3.类型主要资包括①AB型谢、②AB2型、③A2B型几摧种类粪型。6/经26厘/2贷02财3In依tr陈od巾uc碌ti涝on苦t观o垒Ma潮te散ri巩al扰S改ci驼en使ce2.电子寻化合对物电子匙化合雪物是素指晶境体结绞构与息电子喝浓度适有关哪的化共合物舟。根据e/折a（电子文浓度妇）的茄不同凳，电厦子化榜合物槐可以顾分为烘三类口。Material6/示26好/2侄02畏3In前tr防od渔uc最ti色on鄙t主o枕Ma解te辽ri挠al筑S谦ci讽en萄ce2.电子哑化合屈物(续)1.电子壳化合蹦物的利组成过渡钞族或似碱金欠属元失素叶＋Ⅱ～V族金报属元逼素刘或斯一价头（Cu、Ag、Au）金属跳＋II泻B元素哗。2.结构青类型β相——冻e/悬a搬=3轻/2迁=桥21突/1咸4，多为bc博c、也有hc逼p。γ相——只e/检a妖=2惧1/欲13，属于腿复杂竟立方庄结构看。ε相——挑e/潜a盲=7挨/4陕=2障1/貌12，多为hc五p，c/搜a约为1.凉55～1.昆58。3.特点☞不符绘合原伏子价刘规律再；☞成分剩可变妙，能洋溶解皇一定饲量的躺组元立，形陵成以结电子瓣化合宿物为耍基的孤固溶栏体；☞多为斑金属抄键结友合，袖是金待属化偷合物容中金园属性夹最强达的；☞熔点闸高、计硬度则高、狗塑性状低；6/接26进/2梅02合3In誓tr蠢od疾uc顷ti赠on松t该o躬Ma饱te塌ri乘al卡S冷ci脾en裕ce3.间隙您相1）间由隙相间隙菊相由死过渡市族金姐属（M）与原确子半铸径很稿小的帆非金厨属（X）（惭如H、N、C、B）所组猪成。非金石属元馒素位招于化键合物惩晶格耻的间泪隙中槽。2）分互类根据府金属增元素感与非芝金属唤元素选的相相对原惰子半见径大甘小可石分为主简单冠间隙贫相和挂复杂迅间隙烛相；①rx/rm<0贤.5如9，即r>血41骑%时，平形成押简单晋间隙阵相。②rx/rm>0省.5仅9，则形窃成复逮杂间仆隙相饺，又主称为污间隙算化合宁物。6/捆26斥/2岂02预3In谦tr朝od遍uc丧ti美on稳t起o青Ma栋te敢ri渣al纳S梳ci貌en造ce3.间隙吐相(续)Material3-己1简单老间隙捉相简单勒间隙躺相具构有如书下特抬点：结构谢简单砍，多先为fc勾c和hc虑p；具有着一定他的成吊分范坟围；结合凉力强架，稳朱定，佣熔点糠高；硬而真脆，愉并具返有明竿显的甚金属排性，矩是高置合金块工具奥钢及钻硬质像合金统中的硬重要驶强化把相。6/贷26分/2冒02帅3In稀tr烟od满uc句ti兰on折t词o对Ma坛te枪ri镇al贱S疏ci炒en仍ce3.间隙米相(续)Material3-弦2复杂器间隙查相复杂扩间隙询相大辣多是骄由过北渡族弊金属锁与碳醒原子猫形成到的碳羡化物蛙。它糠结构茫复杂川、熔盘点高蒙、硬督度高守，是绿合金粪钢中影常见喘的强权化相杨。例如病：Fe3C（渗碳叙体，M3C型）矮。6/耕26挠/2砍02称3In滴tr逗od脖uc建ti塔on墨t餐o尤Ma围te轻ri璃al仇S绩ci押en喜ce4.拓扑喝密堆俯结构拓扑掉密堆滚结构由大量小不敞同的缴两种瓶原子首构成堂的中屯间相窑，是里一种数空间错利用凯率（睛致密走度）熄很高干、配孝位数勺（Z>疑12）较大疑的复哈杂化揪合物呼，简亦称TC贵P结构雾。需要学与之相区别狼的是域几个欣密堆布结构原。几何劣密堆猫结构由大项小相味等的喷同类刃原子至形成抬的密畜堆结符构。照如fc萄c和hc湖p，其中漂同时痒存在催这四左面体缓间隙政和八甜面体追间隙回。几鼓何密宁堆结到构的刘空间旗利用耗率（k=转0.吼74注)和密段堆程果度（z=侍12殖)不是坟最高沫的。MaterialMaterial6/艘26按/2鸣02薯3In歇tr异od肌uc煌ti婚on航t辨o谷Ma零te族ri五al错S朱ci咳en田ce4.拓扑灿密堆条结构(续)1结构醉特征在TC烟P结构起中，殖半径迫较小欺的原见子构灭成密奴排层脚，半患径较妥大的战原子谢镶嵌股在密芦排层抄之间昨，以毕达到长高致拐密度岂，其酿中的甩间隙额主要晕为四谊面体显间隙砍，八额面体舞间隙伙很少碌，甚椒至于逗几乎追没有臣八面除体间惧隙。2类型拓扑些密堆挂结构趋的种麦类很喇多，狗其中握典型井的有江：拉威朝斯(l镰av真es隆)相；α相；β-枝w相；μ相；R相；P相；M相；δ相；6/价26牌/2俭02侵3In找tr中od稍uc挎ti邀on趟t割o垂Ma偿te俗ri埋al栏S污ci甲en袭ce4.拓扑速密堆糠结构(续)1)踩La绿ve驱s相①组熔成二元故合金轨相的科成分息为AB2，A、B两组肚元的圣原子讨半径劣比rA/rB=1殃.2混25司;②性能其性基能稳徐定，欣熔点华高，钓硬而慈脆，加对材殃料性核能特滤别是炮塑性顶和韧选性有装害。佣需要灶控制昆合金架成分岗及热应处理余工艺盒，尽眉可能戒避免扣在高怠合金贷钢和鞠高温布合金圣中生她成大秘量的La浅ve昏s相。2)匀σ相该相宫由过苦渡族浓金属注组成持，两撒组元们半径流相差洲不大薄，rA/rB=1昼.0巴1～1.看16，具有帖复杂遇正方爬结构惧，c/竟a=料0.宵52。由于似这种常相硬捷、脆次，对遮材料耳的塑悦性和言韧性摇不利释，应冠该控窑制合葱金成葵分，晒避免昆其出咸现。6/境26见/2钱02尊3In嫌tr批od