固溶体-课件(6).ppt

合金(alloy)-具有金属特性的物质，通过冶炼、烧结或其他方法结合两个或多个金属或金属与非金属。组元素-构成合金的基本单位。组元素可以是金属和非金属或化合物相-合金内的相同聚集状态、相同的化学成分、相同的晶体结构和特性，以及由界面分隔的均匀组件。1.4合金相结构、相分类：固溶体和中间相(金属间化合物)固溶体中间相中间相可以用分子表达式代替。合金相特性受以下三个因素控制：(1)电负性或化学亲和度(2)原子大小因素 r=(ra-Rb)/ra r越大，中间相形成越容易。r越小，固溶体(3)原子价因素(电子浓度因素):合金中各成分的原子，形成电子总数与原子总数的比率就越容易。c越大，化合物越容易形成。c越小，以保持溶剂晶体结构类型的元素组作为溶剂，在晶体晶格中溶解为其他元素原子(溶质原子)而形成的均匀混合固体溶解体。1.4.1固溶体，1，固溶体分类，(1)按溶质原子在点阵中的位置分为：替代固溶体(substitutionalsolidsolution):溶质原子取代溶剂晶格中的一些溶剂原子。金属和金属形成的固溶体都是交替式的。例如，Cu-Zn系列的alpha和固溶体都是可替换的固溶体。金属氧化物主要在金属离子位置(例如MgO-CaO、MgO-CoO、PbZrO3-PbTiO3、Al2O3-Cr2O3等)发生置换。间隙固溶体：溶质原子分布在溶剂晶格间隙。金属和非金属h、b、c、n等形成的固溶体都是间隙。例如，在Fe-C系统的固溶体中，碳原子被放置在铁原子的BCC晶格的八面体间距中。固溶体的两种类型(替代和间隙)，(2)溶质原子对溶剂原子的溶解性分类：有限固溶体：在特定条件下，溶剂原子的溶解性形成超过其限度的新相。两种晶体结构不同或相互替代的离子半径差异大，只能产生有限的固溶体。和MgO-CaO系统一样，都是NaCl结构，但是阳离子的半径有很大的区别。rMg2=0.80，rCa2=1.00，替代只能到一定的限制。无限固溶体：溶质原子是可以任意比例溶于溶剂晶格的固溶体。Cu-Ni系、Cr-Mo系、Mo-W系、Ti-Zr系等在室温下无限互溶，形成连续固溶体。MgO-CoO系统，MgO，CoO是NaCl基础结构，r CO2=0.80e，rMg2=0.80，无限雇佣体形成，子类型为MgxCo1-xO，x=0到1；PbTiO3和PbZrO3还可以配置记录为Pb (zrtti 1-x) O3、x=0到1的无限雇主。(3)根据溶剂中溶质原子的分布特性对未对齐的固溶体进行分类：溶质原子在溶剂中随机分布，不规则。有序固溶体：溶质原子在溶剂晶格的晶格或间距中有一定的比例和规律分布。(4)按矩阵类型分类：第一固溶体：以纯金属为基础形成的固溶体。二次固溶体：基于化合物的固溶体。有序固溶体-短程，有序固溶体-长距离，有序固溶体-部分聚合，2，溶液溶解度表示溶剂中溶质的最大含量，即溶质在溶剂中的最终溶解度。可以通过实验测量，也可以根据热力学原理计算。由于合金在溶液大小和温度变化下的特性及热处理行为，研究固溶体具有重要的现实意义。(1)溶质和溶剂之间连续固溶体可能形成的半径大、半径小的溶剂(酒状)或溶质(杂质)原子(或离子)的半径的大小因素。当时溶质和溶剂之间只能形成有限的固溶体，当时溶质和溶剂之间很难形成固溶体或不能形成固溶体，容易形成中间相或化合物。因此， r越大，溶解度越小。，iii .固溶体置换，固溶体大小的溶质原子置换引起的晶格扭曲，晶格扭曲能量：晶格扭曲增加了晶体能量，这个增加的能量是晶格扭曲能量。耐火金属的溶解度小于熔化合金。为什么？(2)晶体结构晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件。否则，只能形成有限的固溶体。NiO-MgO都有面心立方体，r41 %或r质/r制萤石TiO 2 MgO。在面心立方体中，例如，在Mgo中，氧八面体间距充满mg离子，只有氧四面体间隙是空的。在TiO2中，八面体的一半为空。在萤石结构中，氟离子进行简单的立方体排列，而正离子Ca2只占据了立方细胞内有大间隙的立方体缝隙的一半。在具有沸石等网状结构的硅酸盐结构中，间距更大，有隧道形状的缝隙。因此，对于相同的外部杂质原子，间隙固溶体示意图，5，形成固溶体后对晶体特性的影响，1，固定晶格，阻止特定晶型转变的2，激活晶格3，溶液强化4，形成固溶体后对材料物理特性的影响，1，阻止一定晶型转变的稳定晶格，(1)PbZrO3是居里点为230 的半铁电体。这两种结构具有相似的Zr4，Ti4离子大小，可以在室温下连续生成固溶体Pb (zrxsti 1-x) O3，x=0.10.3。四分铁电和四重主铁电边界在Pb(Zr0.54Ti0.46)O3中压电特性、介电常数均为最大值，烧结特性也良好，被命名为PZT税。(2)ZrO2是熔点2680 的高温耐火材料，但发生相变时会伴随大体积收缩，对高温结构材料是致命的。加入CaO后，ZrO2和固溶体、非晶质变异、体积效果减少，ZrO2成为高温的好结构材料。2，晶格活化，固溶体形成后晶格结构有轻微的畸变，有利于高能活化状态，化学反应。Al2O3具有高熔点(2050)，对烧结不好，添加TiO2会使烧结温度降低到1600 。这是因为Al2O3和TiO2形成固溶体，Ti4取代Al3后带着正电，为了平衡电价，阳离子空位，扩散快，有利于烧结。3，溶液强化，定义：固溶体的强度和硬度往往比每个元素高，塑性低，因此称为溶液强化。溶液强化的特性及规律：溶液强化的程度(或效果)不仅取决于其成分，还取决于固溶体的类型、结构特性、溶解度、与成分原子半径的差异等一系列因素。(1)水零食溶质原子的强化效果大体上比替代式溶质原子显着。2)溶质和溶剂原子的大小差异越大，溶液强化效果越明显。实际应用：铂、铑为1450 熔点，铂铑合金为热电偶之一，铂为其他热电偶，熔点为1700 的两个热电偶，两个热电偶均仅使用铂铑合金，与铂铑比不同，熔点为2000 以上。4，固溶体形成后对材料物理特性的影响，固溶体的电、热、磁等物理特性也随着成分而连续变化，但一般不是线性关系。固溶体的强度和硬度往往比每个元素高，塑性低。6.固溶体的微不均匀性，固溶体的溶质原子分布不是完全无序的。一般来说，热力学上处于平衡状态的无序固溶体溶质原子的分布宏观上均匀，微观上不均匀。溶质原子的分布主要取决于同种原子间的结合能和异质原子结合能的相对大小：(1)a组的结合能和b组和a组、b组的结合能几乎相等时，溶质原子无序地分布。(2)同态原子间的结合能大于异态原子间的结合能，则溶质原子具有分离状态；(3)当异质原子间的结合大于同种原子间的结合能时，溶质部分有序排列。(4)溶质原子浓度达到特定原子分数时，完全有序排列。(。在固溶体中溶质原子的分布，超结构/lattice特定条件下，溶质原子和溶剂原子在整个晶体中按一定顺序排列，有序固溶体中溶质原子和溶剂原子的比例是固定的，可以用化学子单位表示，因此有序固溶体结构称为超晶格。例如，在cu-au合金中，当Cu: au原子比为1: 1或3: 1时，可以形成有序的超晶格结构，在液体缓慢冷条件下用CuAu或Cu3Au表示。有序条件：异质原子之间的相互吸引大于相同原子之间的相互吸引，超结构-有序固溶体，有序影响因素：成分和温度。整齐的温度：有序的固溶体可以在特定温度以上变成无序的固溶体，在该温度以下再次冷却，变成有序的固溶体，过渡温度称为有序的温度。组件：当Cu: au原子比为1: 1或3: 1时，在液体冷却条件下，形成以CuAu或Cu3Au表示的有序超晶格结构，使其完全有序。有序固溶体的性能：塑料明显减少，如强度经度上升。电阻下降。CuAu或Cu3Au电阻率接近纯成分(p144)的磁性特性：Ni3Mn无序时为顺磁性，有序时为铁磁，饱和磁矩大于镍。CuAu排序固溶体的晶体结构，(a)固溶体组成的测定，(b)固溶体类型的粗略估计，(c)固溶体类型的实验判别，7，固溶体研究方法，(a)，固溶体组成的测定，1，晶格常数与组成的关系也就是说，点阵常数与任意元素集合(任意盐)的浓度成正比。实际应用：KCl-KBr等两种冻精盐连续形成固溶体时，固溶体的晶格常数与成分直接相关。在大多数金属固溶体中，Vegard定律不成立。实际方案有三种：(I)实际光栅常数大于通过Vegard法则计算的光栅常数，如图曲线MCN中所示。(ii)实际光栅常数大于由Vegard法则计算的光栅常数，如图曲线MDN中所示。(iii)与Vegard定律完全一致的固溶体很少，是金属(例如Mo，w，Ta，Nb)相互形成的固溶体。部分聚合，顺序，2，物理特性和组件的关系固溶体的电气、热、磁性和其他物理特性随组件而不断变化。实际应用：测量固溶体的密度、折射率等特性变化，确定固溶体的形成和组成之间的相对含量。在颗粒和钙长石形成的连续固溶体中，颗粒转化为钙长石，密度和折射率增加。与构成固溶体的未知性质的测定相对，反向推进其固溶体的组成。(b)，雇员类型的粗略估计1。金属氧化物中具有氯化钠结构的晶体，四面体间隙为空，因此产生间隙固溶体(例如MO、NaCl、GaO、SrO、CoO、FeO、KCl等)的可能性很小。2.氧八面体间距为空的金红石结构或具有更大间隙的萤石结构，金属离子可以填充。例如，可以创建齿隙雇员，如CaF2、Zr02、UO2等。，(c)，固溶体类型的实验判别可以通过XRD或电子衍射确定固溶体的晶格类型和晶格常数，启动一个晶胞内的原子数n和立方体积v，并根据该固溶体的平均原子量a和铅骨常数NA计算固溶体的理论密度。在dcde中，亏损固溶体(即某些晶格节点中没有原子)，中间相是通过合金元素之间的相互作用形成的新阶段，可以是化合物或化合物基固溶体(二次固溶体)，一般可以用化学分子式表示，但不一定遵循化合价的规律。中间相原子的结合方式是金属键与其他键结合的混合方式。它们都具有金属特性。中间相：钢的Fe3C、铝铜合金的CuAl、黄铜的CuZn、半导体的GaAs、形状记忆合金的NiTi和CuZn、反应堆材料的Zr3Al、储氢能源材料的LaNi5等。中间相分类：正常的价态化合物、电子化合物、原子大小相关化合物(间隙相、间隙化合物、TCP相)。1.4.2中间相，正常价态化合物(valencecompound)是一些金属和电负性很强的、系列的一些元素，在化学上是按照价态定律制造的化合物。其特点是遵循化合物的规律。有严格的花比，成分固定不变，成分可以用化学表达式表示，一般为abtype、AB2 type或A2B type。一般价化合物的晶体结构通常相当于同类的分子式离子化合物结构。例如，A2B英寸mg 2pbmg 2g EMG 2siab英寸MgSMnSFeSNaCl类型：mg (ca，srba) seab2: aua L2。正常价化合物的结合型和元素之间的电负性关系：差异较大的离子键和共价键的特性；具有较小差异的金属键的特征(Mg2Pb)。正常价化合物在室温下硬度和脆性高。在工业合金中，可以起到提高材料强度和硬度的作用，这被称为强化相。Mg2Si在Al-Mg-Si合金中的应用；像；像。但是有时，钢的脆性会因为有害而发生，例如钢的FeS。1 .正常价化合物，电子价化合物(electronCompound)在 b族(Cu，Au，Ag)或过渡金属(Fe，co，Ni)和 b， b， b族元素中电子化合物的特点是不遵循原子价定律、电子浓度，是决定其晶体结构的主要因素。电子浓度相同，相晶体结构类型相同。电子浓度=(化合物元素价电子的总数/化合物原子数)在计算主：时，过渡系列元素的时间价格电子被认为是0。电子浓度、相、结构对应如下。c电子=7/4(即21/12)CuZn3高密度6字结构c电子=21/13 cu5 Zn 84复杂立方结构c电子=3/2(即21/14)cuz na(大小差异电子价化合物，结合键：金属键，可以用化学表达式表示，但组件可以在一定范围内，如： Cu-Zn，相最大固溶体范围3655%Zn，相5770%Zn，相78 86% zn。电子价化合物具有金属特性，熔点、高硬度、塑性低，但与固溶体适当结合后，合金就会加强为非Fe合金的重要组成部分。与大小元素相关的化合物类型与构成元素的原子尺寸相关。更复杂。(1)间隙和间隙化合物间隙和间隙化合物是由过渡金属和原子半径较小的非金属元素(c、h、n、b等)组成的。(。在Rx/rm0.59中，形成复杂结构的间隙化合物在h、n、c、b等非金属元素中h和n的原子半径较小，因此与所有过渡金属一起大于rx/rm0.59，rB/rm0.59，硼化物都是间隙化合物。碳原子的半径为中间，有些碳化物为间隙相，有些为间隙化合物。3 .与原子尺寸因子相关的化合物-a，