固态合金的相结构.ppt

主讲教师,李香芝,2-2 金属间化合物,2-1 固溶体,材料科学基础,第二章 合金的相结构,材料科学基础,2-1 固溶体,一.固溶体特性,第一页,第一节,合金：由两种或两种以上的元素 （至少 一种金属元素）经熔炼、烧结等组合而成的具有金属特性的物质。,保持溶剂晶体结构；,成分可变结构不变,在相图中为一个相区；,保持金属键结合；,产生固溶强化 。,二、固溶体分类,1.按溶质在溶剂中的位置划分：,置换固溶体 间隙固溶体,2.按溶质在溶剂中的溶解度划分：,有限固溶体 无限固溶体,3.按溶质在溶剂中分布规律划分：,有序固溶体 无序固溶体,第2页,第一节,第3页,置换固溶体-溶质原子占据溶剂陣点位置所形成的。 固溶体. Cu（Ni）或 Ni（Cu ）,三、置换固溶体,分类,无限固溶体：Cu-Ni、Au-Ag,有限固溶体：Cu-Zn(39%)、Cu-Sn(9%),无序固溶体：Cu-Ni、Au-Ag、Cu-Zn,有序固溶体：Cu-25%Au（Cu3Au）,形成无限固溶体时两组元原子连续置换示意图,第一节,第4页,无序置换固溶 体结构示意图,有序固溶体 Cu3Au,置换固溶体点阵畸变示意图,第5页,第一节,晶体结构因素,组元间晶体结构相同是形成无限固溶体的必 要条件。（如：Cu-Ni合金无限固溶体） 形成有限固溶体时，溶质元素与溶剂的结构 类型相同,则溶解度通常也较不同结构时为大。,第6页,电子浓度因素（化合价因素）,极限电子浓度：形成固溶体的最大溶解度时对应的值。 一定溶剂的晶体结构对应一定的极限电子浓度值。,一价的bcc结构的金属为溶剂时，,一价的fcc结构的金属为溶剂时，,如： Cu（Ni-无限）合金,如： Cu（Zn-39%）合金,Cu（Sn-9%）合金,只有0价或1价的元素与1价的元素相互溶解有可能形成无限固溶体。超过极限电子浓度值越大溶解度越小,过渡族元素化合价为”零”价. （如：Cu一1价，Ni一0价）,元素的化合价,化合价因素小结,原子尺寸因素,只有当r1415才可能无限互溶。 以Fe为溶剂时r8才可能无限互溶。 以Cu为溶剂时r1011才可能无限互溶 。 原因是：r越大晶格畸变越大，溶解度越小。 如：Cu（Ni-无限）合金-,第7页,负电性因素（化学亲合力）,负电性；原子接受电子而显示负电性的能力 。 以负电性大小来衡量化学亲合力。 两元素负电性差值X0.40.5时，有利于 形成固溶体。 X0.40.5，倾向于形成稳定的化合物， 其负电性差值越小，固溶体中固溶度越大。 如元素的负电性值：Cu-1.9, Ni-1.9; Zn-1.6 , Sn-1.8。Cu-Ni合金可能无限互溶； Cu-Zn,Cu-Sn合金溶解度小于Cu-Ni合金 。,第8页,四、间隙固溶体 （interstitial solid）,形成规律原子半径较小的非金属元素C、N、H溶入 过渡族元素的间隙位置。,一.特点： 保持溶剂结构 溶质原子均位于bcc、fcc、hcp 八面体间隙位置。 产生固溶强化，间隙固溶强化其强 化效果大于置换固溶强化。,第9页,间隙原子在bcc 结构中的位置,间隙固溶体中 的固溶强化,二.间隙固溶体的分类,永远是有限固溶体。,永远是无序固溶体。,三.影响溶解度因素,1.溶剂一定时，溶质的原子半径越小，溶解度越大。,（1）温度相同时，溶剂晶体结构不同溶解度不同； 727时：C原子溶入-Fe中最大溶解度为0.77%；,有序固溶体及固溶体的微观不均匀性,固溶体的微观不均匀性,过去认为原子在固溶体中分布是统计的、均匀的和无序的。,第11页,近年来研究表明无序固溶体只是宏观的一种说法，从微观尺度讲是不均匀的，可能出现完全无序、偏聚、短程有序和完全有序四种结构。,（1）完全无序 当原子间作用力满足fAB fAA fBB关系时呈 完全无序排列，如图（a）所示。,固溶体中溶质原子示意图,（3）短程有序 当部分原子间作用力满足fAB fAA(或 fBB)时，固溶体部分原子呈为短程有序，如图（c）。,（4）有序分布（超结构）当处于短程有序排列的原子达到一定的原子分数时，固溶体发生了有序化转变，从而形成了有序固溶体，如（d）图。,（2）偏聚 当原子间作用力满足 fAA 或 fBB fAB 时出现 偏聚现象。如图（b）,有序固溶体超结构,图27 Cu3Au 有序固溶体,Cu-Au25合金： 390以上为置换固溶体； 390以下为有序固溶体。 Cu3Au为面心立方点阵， Cu原子占据面心 ，Au原子位于陣点位置 Cu:Au3:1,固溶体从无序 有序称为有序化,晶体结构发生了变化，又称超结构。,- Cu原子 - Au原子,固溶体有序化后强度、硬度上升，塑性明显下降，磁性也发生变化，本质上是中间相。,中间相当溶质超过了在溶剂 中的溶解度极限以后形成的 结构不同于任一组元的新相。,第二节中间相或金属化合物,中间相,正常价化合物,电子化合物,间隙相,间隙化合物,第13页,第二节,第二节,（一）正常价化合物,1.形成规律及特点 （1）是由负电性相差较大的两类元素（金属元素与 A、A、A族元素）所组成。 （2）两元素负电性相差越大，化合物越稳定。 （3）组元呈有序排列，有严格的成分比，符合化合价规 律。一般有：AB、 AB2 （A2B）和A3B2型三种。 （4）具有较高的硬度和韧性，组元间结合为离子键、共 价键和金属间。 如：AB型：NaCl、ZnS离子键（六方和立方ZnS） AB2型：CaF2离子键； A2B型：Mg2Sn 共价键； Mg2Pb 金属键。,第14页,第二节,2.结构特点,（1）AB型, 立方的 ZnS结构-fcc点阵 （闪锌矿结构） 类似于金刚石结构 ，S原 子处于Zn原子组成的fcc点 阵的4个四面体间隙位置。, NaCl结构fcc点阵 每一个点阵（0，0，0）占 据另一点阵（ ，0，0） 的八面体间隙位置。 Na:Cl1:1 有FeS 、MnS,金刚石结构,第二节, 六方的ZnS结构 （硫锌矿结构） Zn及S原子各自构成hcp结构 并沿C轴错开 距离，每个 点阵占据另一点阵的四面体 间隙位置的一半。 有ZnO、SiC 。,（2）AB2 型- CaF2结构,可以看作Ca原子构成fcc点 阵，F原子位于Ca子fcc点阵 的8个原四面体间隙位置。 原子比为Ca：F1：2,第16页,第二节,（二）电子化合物,表31 钢合金中常见的电子化合物,第17页,1.形成规律及特性 是由B族元素与Zn、Al、Sn等元素组成。 一定的电子浓度对应一定的晶体结构。 电子浓度有 、 、 三种(过渡族元素化合价“0”价),第二节,组元间一般呈无序排列。但在一定条件下可以从 无序有序转变（有序固溶体）。,成分可在一定范围内变化，故称为以化合物为基 的固溶体。,组元结合为金属键结合，具有明显的金属特性： 高熔点、高硬度、低塑性。,（三）受原子尺寸因素影响的中间相,1.间隙相,（1）间隙相原子半径较小的非金属元素（C、N、 B）溶入过渡族元素的间隙位置形成的新相， 满足 0.59 , 具有简单结构。,第18页,第二节,（2）特性,具有简单结构如：fcc、bcc、hcp、简单六方等。 一定比例的化学式对应一定的晶体结构。,表32 钢中常见的间隙相,第19页,M4X 、M 2X、MX、MX2四种化学式：,第二节,如：VC中的V原子位于fcc结构的 格点位置C原子位于fcc结构的全 部八面体间隙位置。VC属于NaCl 结构，面心立方点阵。,成分可在一定范围内变化，成 为缺位固溶体。WC(W)W过量,具有明显的金属特性：极高的 熔点和硬度、脆性大；导电、 导热、具有正的电阻温度系数(明显的金属特性)。 相同结构的间隙相可以相互溶解，形成无限固溶体。 TiC-VC， TiC-ZrC,第20页,VC的晶体结构-NaCl结构,第二节,2.间隙化合物,（1）间隙化合物原子半径较小的非金属元素（C、 N、B）溶入过渡族元素的间隙位置形成的新 相，满足 0.59 , 具有复杂结构。,（2）特性 具有复杂的晶体结构。常见的有： M3C型Fe3C , M3C等； M6C型Fe3W3C , Fe4W2C等; M7C3型Cr7C3 ; M23C6型 Cr23C6； Fe3C 的晶体结构是正交点陣。,第21页,间隙相和间隙化合物合理分布时是钢中的重要的强化相。,第22页,（四）超结构（有序固溶体）,Cu-25Au合金：,390以上无序固溶体-Cu(Au) ； 390以下可以形成有序固溶体,由无序有序转化。 形成Cu3Au和CuAu 两种有序固溶体（超结构）。 有序固溶体的强度、硬度高、塑性、韧性差。,第二节,返回首页,第24页,CuAu中: Cu原子和Au原子分层排 列于（001）晶