材料科学基础--第三章_ppt课件

Material Science第三章 合金相的晶体结构Date 1Introduction to Material ScienceMaterial Science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。Date 2Introduction to Material ScienceMaterial Science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）；MaterialLessonsDate 3Introduction to Material ScienceMaterial Science1. 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；Lessons LessonsLessonsDate 4Introduction to Material ScienceMaterial Science2. 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Date 5Introduction to Material ScienceMaterial ScienceMaterial ScienceMaterial Science2. 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；Date 8Introduction to Material ScienceMaterial Science3. 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。 溶质原子半径一般 RBRA，则晶格膨胀，点阵常数 a增大；RBUAB 偏聚（同类原子容易结合）。 UAA、 UBB41% 时，形成简单间隙相。 rx / rm0.59，则形成复杂间隙相，又称为间隙化合物。Date 21Introduction to Material ScienceMaterial Science3. 间隙相 (续 )Material3-1 简单间隙相简单间隙相具有如下特点 ：1. 结构简单，多为 fcc和 hcp；2. 具有一定的成分范围；3. 结合力强，稳定，熔点高；4. 硬而脆，并具有明显的金属性，是高合金工具钢及硬质合金中的重要强化相。Date 22Introduction to Material ScienceMaterial Science3. 间隙相 (续 )Material3-2 复杂间隙相复杂间隙相大多是由过渡族金属与碳原子形成的碳化物。它结构复杂、熔点高、硬度高，是合金钢中常见的强化相。例如： Fe3C（渗碳体， M3C型）。Date 23Introduction to Material ScienceMaterial Science4. 拓扑密堆结构拓扑密堆结构由大小不同的两种原子构成的中间相，是一种空间利用率（致密度）很高、配位数（ Z12）较大的复杂化合物，简称 TCP结构。需要与之相区别的是几个密堆结构。几何密堆结构由大小相等的同类原子形成的密堆结构。如 fcc和 hcp，其中同时存在这四面体间隙和八面体间隙。几何密堆结构的空间利用率（k=0.74)和密堆程度（ z=12)不是最高的。MaterialMaterialDate 24Introduction to Material ScienceMaterial Science4. 拓扑密堆结构 (续 )1 结构特征在 TCP结构中，半径较小的原子构成密排层，半径较大的原子镶嵌在密排层之间，以达到高致密度，其中的间隙主要为四面体间隙，八面体间隙很少，甚至于几乎没有八面体间隙。2 类型拓扑密堆结构的种类很多，其中典型的有： 拉威斯 (laves)相； 相； -w相； 相； R相； P相； M相； 相；Date 25Introduction to Material ScienceMaterial Science4. 拓扑密堆结构 (续 )1)Laves相 组成二元合金相的成分为 AB2， A、 B两组元的原子半径比 rA/rB =1.225; 性能其性能稳定，熔点高，硬而脆，对材料性能特别是塑性和韧性有害。需要控制合金成分及热处理工艺，尽可能避免在高合金钢和高温合金中生成大量的 Laves相。2)相该相由过渡族金属组成，两组元半径相差不大， rA/rB =1.011.16，具有复杂正方结构， c/a=0.52。由于这种相硬、脆，对材料的塑性和韧性不利，应该控制合金成分，避免其出现。Date 26Introduction to Material ScienceMaterial Science第三节 合金中的相主要内容 ：1. 合金中组成元素间的相互作用；2. 影响合金元素的主要因素；LessonObjectivesDate 27Introduction to Material ScienceMaterial Science1. 合金中组成元素之间的相互作用1. 相合金中，化学成分、晶体结构和原子聚集状态相同的均匀部分。相与相之间以界面分开。2. 相结构相的晶体结构，即相中原子具体的排列规律。3. 合金相合金相包括固溶体和中间相。Date 28Introduction to Material ScienceMaterial Science1. 合金中组成元素之间的相互作用 (续 )固溶体 中 间 相结 构 保持 为 溶 剂 的点 阵类 型 与各 组 元均不相同原子位置 原子位置是随机的 原子位置是固定的成分 在一定范 围 内 变 化 各原子数量比比 较 固定性能 与溶 剂 性能相同 与各 组 元均不相同4. 固溶体与中间相的主