材料科学基础 第1章 材料中的晶体结构3_ppt课件

1.4 合金相结构合金 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特性的物质。组成合金的基本的独立的物质称为 组元 。 相 是指具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。合金根据元素的存在状态分为 固溶体 和 中间相 两大类。1.4.1 固溶体固溶体 是指以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶质原子）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 。根据溶剂原子在晶体结构中的位置可分为置换固溶体 和 间隙固溶体 。根据溶质原子的溶解度可分为 有限固溶体 和 无限固溶体 。 根据溶质原子的分布规律固溶体可分为 无序固溶体 和有序固溶体 。 （ 1）置换固溶体置换固溶体 是指溶剂原子占据晶体结构中溶质原子的位置而形成的固溶体。根据溶剂原子溶入的限度，置换固溶体可分为 有限固溶体 和 无限固溶体 影响固溶度的因素有 晶体结构 、 原子尺寸 、 化学亲和力 和 电价 。1）晶体结构对固溶度的影响晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件，不同结构的组元只能形成有限固溶体。形成有限固溶体时，溶质元素与溶剂元素的结构类型相同，则溶解度通常也较不同时为大 。2)原子尺寸对固溶度的影响当 |r溶剂原子 r溶质原子 |/r溶剂原子 小于 15%时，有利于 形成溶解度较大的固溶体；此值越大，则溶解度越小。主要是因为此值越大，表明两种原子的半径相差越大，形成置换固溶体点阵畸变增大，畸变能提高。（ 2）间隙固溶体间隙固溶体 是指溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体。影响间隙固溶体固溶度的因素包括溶质原子的大小和晶体结构中间隙的大小和形状。1)间隙固溶体中原子的尺寸形成间隙固溶体的溶质原子一般较小，当它与溶剂原子半径相差超过 41%时，溶质原子容易进入溶剂原子的间隙而形成间隙固溶体。但溶质原子的尺寸仍大于间隙尺寸，因此会引起晶格畸变，因此，间隙固溶体都为有限固溶体，其固溶度较小。 常见的间隙原子包括 H、 B、 C、 N、 O等，其原子尺寸通常小于 0.1nm0.046nm 0.097nm0.077nm0.071nm0.060nm2)晶体中间隙的形状及对固溶度的影响面心立方和密排六方的八面体间隙为 0.414ra；四面体间隙为 0.225ra。体心立方的八面体间隙半径在不同方向上差别较大，其中在 方向为 0.154ra，在 方向为 0.633ra；四面体间隙为 0.291ra。在体心立方中 方向上的八面体间隙半径小于其它方向、其它晶型和方向上的间隙半径，因此原子进入此间隙相对困难。从而可解释为什么 C在 -Fe 中的固溶度为 2.11w%，而在 -Fe中的固溶度仅为 0.218w%。 (3)固溶体的微观 不均匀性在固溶体中，宏观上溶质原子的分布都是均匀的；微观上溶质原子的分布可能的状态有完全无序、偏聚、部分有序等，在一定条件下可为完全有序，完全有序的固溶体结构也称超结构。完全无序 偏聚 部分有序 完全有序原子分布的有序度与其结合能的关系原子的结合能 是指单位摩尔的单体原子结合成晶体时所释放的能量。溶质原子分布的有序程度主要取决于原子的结合能。EAB(E AA+EBB)/2 无序分布；EAB (EAA+EBB)/2 偏聚分布；EAB 0.414时，非金属原子占据八面体间隙。间隙相的化合物类型及所占间隙间隙相的分子式： M4X、 M2X、 MX和 MX2四种：MX：占据所有的八面体位置 (Na C l型结构 )或一半的四面体位置 (闪锌矿结构 )MX2： X填满所有的四面体间隙M4X： M呈面心立方，每个晶胞中填入一个八面体间隙M2X： M呈密排六方，非金属占据一半的八面体或四分之一的四面体间隙其它间隙相的成分可在一定范围内变化，可视为以间隙相为为基的固溶体；如果两种间隙相具有相同的晶体结构，若金属原子半径差满足小于 15% ，可形成无限固溶体，如 Ti C-Z r C， Ti C-VC等键型为共价键和金属键，同时具有良好的金属性和高熔点和高硬度的特性，是合金工具钢和硬质合金中的重要组成相。2)间隙化合物间隙化合物的形成条件是 r x / r M 0.59，其晶体结构不同于组成它的两个组元的晶体结构，它的晶体结构相对更为复杂。一般合金钢中常出现的间隙化合物为 Cr， M n， Mo， Fe的碳化物或它们的合金碳化物，主要类型有 M3C， M7C3， M23C6等。间隙化合物存在以自己为基的固溶体，例如 (Fe， Mn)3C， (Cr, Fe)7C3， (Fe, Ni)3(W, Mo)3C等 。间隙化合物也是常见的强化相。例： Fe3C渗碳体的结构例 ： Fe3C的晶体结构 通称渗碳体，是铁碳合金中的基本相。 rC / r Fe = 0.63，正交晶系。一个晶胞中 12个铁原子， 4个碳原子。 Fe可被 M n、 Cr、 Mo、W、 V等置换，形成合金渗碳体； C可被 B置换，但不能被 N置换。（ 4) 有序固溶体固溶体中的溶质和溶剂原子如果呈现完全有序的的排列，则就形