材料科學(xué)基礎(chǔ) 102.3合金相結(jié)構(gòu)1固溶體

1、2.3 合金相的晶體結(jié)構(gòu)合金相的晶體結(jié)構(gòu) 合金合金是指由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非是指由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬金屬經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。特性的物質(zhì)。 組成合金的基本的獨(dú)立的物質(zhì)稱為組成合金的基本的獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元組元。組元組元可以是金屬和非金屬元素，也可以是化合物?？梢允墙饘俸头墙饘僭?，也可以是化合物。 例例: 碳鋼和鑄鐵是主要由鐵和碳所組成的合金；碳鋼和鑄鐵是主要由鐵和碳所組成的合金； 黃銅則為銅和鋅的合金。黃銅則為銅和鋅的合金。 120/9合金中的相合金中的相相相是合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一晶體結(jié)構(gòu)

2、和性質(zhì)并以界是合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并以界面相互隔開的均勻組成部分面相互隔開的均勻組成部分 合金相的分類合金相的分類 固溶體固溶體-固溶體是以某一組元為溶劑，在其晶體點(diǎn)陣中溶固溶體是以某一組元為溶劑，在其晶體點(diǎn)陣中溶入其他組元原子入其他組元原子(溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子)所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，它保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型；它保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型； 中間相中間相-組成合金相的異類原子有固定的比例，所形成的組成合金相的異類原子有固定的比例，所形成的固相的晶體結(jié)構(gòu)與所有組元均不同，則稱這種合金相為固相的晶體結(jié)構(gòu)與所有組元均不同，則稱這種合金相為金金屬間

3、化合物屬間化合物。這種相的成分多數(shù)處于。這種相的成分多數(shù)處于A在在B中溶解限度和中溶解限度和B在在A中的溶解限度之間，因此也叫做中的溶解限度之間，因此也叫做中間相中間相。一般可用。一般可用分子分子式式來大致表示其組成。來大致表示其組成。 2w單相合金單相合金 多相合金多相合金影響合金相結(jié)構(gòu)的主要因素影響合金相結(jié)構(gòu)的主要因素 合金組元之間的相互作用及其所形成的合合金組元之間的相互作用及其所形成的合金相的性質(zhì)主要由三個(gè)因素控制金相的性質(zhì)主要由三個(gè)因素控制電化學(xué)因素電化學(xué)因素原子尺寸因素原子尺寸因素電子濃度因素電子濃度因素3(1)電化學(xué)因素電化學(xué)因素(電負(fù)性因素電負(fù)性因素) 組元間電負(fù)性差愈大組元間

4、電負(fù)性差愈大 金屬間化合物；金屬間化合物； 組元間電負(fù)性差愈小組元間電負(fù)性差愈小 固溶體。固溶體。 電負(fù)性與原子序數(shù)的關(guān)系電負(fù)性與原子序數(shù)的關(guān)系: 同一周期同一周期-電負(fù)性自左向右電負(fù)性自左向右(隨原子序數(shù)增大隨原子序數(shù)增大)增大；增大； 同一族同一族-電負(fù)性由上到下逐漸減小。電負(fù)性由上到下逐漸減小。4(2) 電子濃度電子濃度 電子濃度是指合金晶體中的價(jià)電子數(shù)（電子濃度是指合金晶體中的價(jià)電子數(shù)（e）與其原子數(shù)（）與其原子數(shù)（a）之比。之比。 異類原子價(jià)電子數(shù)差愈大，電子濃度增加異類原子價(jià)電子數(shù)差愈大，電子濃度增加 金屬間化合物金屬間化合物（中間相）；相結(jié)構(gòu)與電子濃度對應(yīng)。（中間相）；相結(jié)構(gòu)與電

5、子濃度對應(yīng)。 異類原子價(jià)電子數(shù)差愈小，電子濃度減小異類原子價(jià)電子數(shù)差愈小，電子濃度減小 固溶體；其溶固溶體；其溶解度受電子濃度控制。解度受電子濃度控制。 (3)原子尺寸因素原子尺寸因素 組元間電負(fù)性差較小時(shí)，組元間電負(fù)性差較小時(shí)，r15或或 r41 固溶體；固溶體； 組元間電負(fù)性差較大，組元間電負(fù)性差較大，r作用不明顯作用不明顯 中間相。中間相。5固溶體固溶體固溶體的分類固溶體的分類按溶質(zhì)原子的固溶能力劃分：按溶質(zhì)原子的固溶能力劃分： 有限固溶體，無限固溶體有限固溶體，無限固溶體按溶質(zhì)原子在固溶體結(jié)構(gòu)中的位置劃分：按溶質(zhì)原子在固溶體結(jié)構(gòu)中的位置劃分： 置換固溶體，間隙固溶體置換固溶體，間隙固溶

6、體按溶質(zhì)原子在固溶體結(jié)構(gòu)中的分布規(guī)律劃分：按溶質(zhì)原子在固溶體結(jié)構(gòu)中的分布規(guī)律劃分： 有序固溶體（超結(jié)構(gòu)），無序固溶體有序固溶體（超結(jié)構(gòu)），無序固溶體6固溶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)固溶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)(1) 固溶體晶體結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)是保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)固溶體晶體結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)是保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)(2) 點(diǎn)陣畸變點(diǎn)陣畸變7(3) 固溶體的微觀不均勻固溶體的微觀不均勻性性 (c)部分有序部分有序 (d)完全有序完全有序EAB(EAA+EBB)/2 (a)完全無序完全無序 EAAEBBEAB (b)偏聚偏聚(EAA+EBB)/2EAB8EAA EBB為同類原子間的結(jié)合能為同類原子間的結(jié)合能EAB為異類原子間的結(jié)合能為

7、異類原子間的結(jié)合能 假定在一系列以溶質(zhì)假定在一系列以溶質(zhì)B原子為中心的各同心球面上分布著原子為中心的各同心球面上分布著A，B組元原子。組元原子。 Ci：i層球面上原子總數(shù)層球面上原子總數(shù) ni：A原子在原子在i層的平均數(shù)目層的平均數(shù)目 mA：合金中：合金中A原子數(shù)的分?jǐn)?shù)原子數(shù)的分?jǐn)?shù) mACi：i層應(yīng)有的層應(yīng)有的A原子數(shù)目原子數(shù)目 (a)完全無序完全無序 ni = mACi i=0 (b)偏聚偏聚 ni 0 同類原子相鄰幾率較高同類原子相鄰幾率較高 (c)短程有序短程有序 ni mACi i15溶解度小因?yàn)辄c(diǎn)陣畸變大；溶解度小因?yàn)辄c(diǎn)陣畸變大； (3)化學(xué)親和力化學(xué)親和力(電負(fù)性因素電負(fù)性因素)：

8、 E小，小，溶解度大；溶解度大；影響置換固溶體溶解度的因素影響置換固溶體溶解度的因素溶質(zhì)原子置換溶劑點(diǎn)陣的部分溶劑原子，這種固溶體就溶質(zhì)原子置換溶劑點(diǎn)陣的部分溶劑原子，這種固溶體就稱為稱為置換固溶體置換固溶體27/910(4)電子濃度因素電子濃度因素(原子價(jià)因素原子價(jià)因素)式中式中e、a分別為分別為合金中價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)；合金中價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)；A，B分別為溶劑分別為溶劑和溶質(zhì)的原子價(jià)；和溶質(zhì)的原子價(jià)；x為溶質(zhì)的原子數(shù)分?jǐn)?shù)為溶質(zhì)的原子數(shù)分?jǐn)?shù)()極限電子濃度極限電子濃度 1.4Cu為為1價(jià)金屬價(jià)金屬 Zn Ga Ge As原子價(jià)原子價(jià) 2 3 4 5電子濃度電子濃度 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 間隙固溶體間隙固溶體 （interstitial solid solution）影響間隙固溶體溶解度的因素影響間隙固溶體溶解度的因素(1)溶質(zhì)原子半徑溶質(zhì)原子半徑溶質(zhì)原子半徑很小，溶質(zhì)原子半徑很小， r41 間隙固溶體間隙固溶體形成間隙固溶體的溶質(zhì)原子通常是原子半徑小于形成間隙固溶體的溶質(zhì)原子通常是原子半徑小于0.1nm的的一些非金屬元素，如一些非金屬元素，如H、B、C、N、O(原子半徑分別為原子半徑分別為0.046、0.097、0.077、0.0719、0.060nm)； (2)溶劑晶體結(jié)構(gòu)中間隙的形狀、數(shù)量和大小溶劑晶體

10、結(jié)構(gòu)中間隙的形狀、數(shù)量和大小Fe中，中，C最大溶解度為最大溶解度為2.11質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fe中，中，C最大溶解度為最大溶解度為0.0218質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)間隙固溶體都是溶解度小的有限固溶體。間隙固溶體都是溶解度小的有限固溶體。溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙形成的固溶體為溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙形成的固溶體為間隙固溶體間隙固溶體1213固溶體的性能固溶體的性能1、點(diǎn)陣常數(shù)改變、點(diǎn)陣常數(shù)改變置換固溶體置換固溶體rBrA時(shí)平均點(diǎn)陣常數(shù)增大；時(shí)平均點(diǎn)陣常數(shù)增大；rBrA時(shí)平均點(diǎn)陣常數(shù)減小。時(shí)平均點(diǎn)陣常數(shù)減小。間隙固溶體間隙固溶體溶質(zhì)原子含量增多點(diǎn)陣常數(shù)增大溶質(zhì)原子含量增多點(diǎn)陣常數(shù)增大2、固溶強(qiáng)化、固溶

11、強(qiáng)化3、物理和化學(xué)性能改變、物理和化學(xué)性能改變例例1:Si溶入溶入-Fe中可以提高磁導(dǎo)中可以提高磁導(dǎo)率，增大比電率，增大比電阻阻例例2: Cu-Au14電子化合物電子化合物不符合化合價(jià)規(guī)律，晶體結(jié)構(gòu)由電子濃度決定的化合物不符合化合價(jià)規(guī)律，晶體結(jié)構(gòu)由電子濃度決定的化合物組成組成： IB族的貴金屬族的貴金屬(Ag，Au，Cu)+B、A、IVA族元素族元素(如如Zn，Ga，Ge)特點(diǎn)特點(diǎn): 1、晶體結(jié)構(gòu)取決于電子濃度，組元不同，電子濃度晶體結(jié)構(gòu)取決于電子濃度，組元不同，電子濃度相同，則晶體結(jié)構(gòu)相同；相同，則晶體結(jié)構(gòu)相同； 2、可用化學(xué)分子式表示，實(shí)際上其成分是在一定范、可用化學(xué)分子式表示，實(shí)際上其成分是在一定范圍內(nèi)變化，可視其為以化合物為基的固溶體，其電子圍內(nèi)變化，可視其為以化合物為基的固溶體，其電子濃度也在一定范圍內(nèi)變化。濃度也在一定范圍內(nèi)變化。 3、原子間的結(jié)合方式以金屬健為主，故具有明顯的、原子間的結(jié)合方式以金屬健為主，