2.3(1)合金相结构-固溶体38.ppt

1、回顾,三种典型的晶体结构 体心立方 面心立方 密排六方 描述晶体结构的几个重要参数 a n R CN K,1,1/9,2,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。组元可以是金属和非金属元素，也可以是化合物。 例: 碳钢和铸铁是主要由铁和碳所组成的合金； 黄铜则为铜和锌的合金。,3,1/9,2.3.1 合金中的相相是合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分,4,单相合金 多相合金,2.3 合金相的晶体结构,2.3.1.1 合金相的分类,5,固溶体-固溶体是以某一组元为溶剂

2、，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； 中间相-组成合金相的异类原子有固定的比例，所形成的固相的晶体结构与所有组元均不同，则称这种合金相为金属间化合物。这种相的成分多数处于A在B中溶解限度和B在A中的溶解限度之间(二元相图的中间位置)，因此也叫做中间相。一般可用分子式来大致表示其组成。,固溶体,中间相,2.3.1.2 影响合金相结构的主要因素,合金组元之间的相互作用及其所形成的合金相的性质主要由三个因素控制,电化学因素,原子尺寸因素,电子浓度因素,6,(1)电化学因素(电负性因素),组元间电负性差愈大 金属间化合物； 组元间电负性差

3、愈小 固溶体。 电负性与原子序数的关系: 同一周期-电负性自左向右(随原子序数增大)增大； 同一族-电负性由上到下逐渐减小。,7,(2) 电子浓度 电子浓度是指合金晶体中的价电子数（e）与其原子数（a）之比。 异类原子价电子数差愈大，电子浓度增加 金属间化合物（中间相）；相结构与电子浓度对应。 异类原子价电子数差愈小，电子浓度减小 固溶体；其溶解度受电子浓度控制。 (3)原子尺寸因素 组元间电负性差较小时，r15或 r41 固溶体； 组元间电负性差较大，r作用不明显 中间相。,8,2.3.2 固溶体,2.3.2.1 固溶体的分类 按溶质原子的固溶能力划分： 有限固溶体:溶质组元在固溶体中的浓度

4、有一定的限度，超过这个限度就不再溶解，这一限度称为溶解度或固溶度。 固溶度小于100%，Fe-C合金中的和固溶体； 无限固溶体:也叫连续固溶体。溶质能以任意比例溶入溶剂，固溶体的溶解度可达100%。无限固溶体只能是置换式固溶体。（Cu-Ni、Cr-Mo、Ti-Zr系等在室温下都能无限互溶，形成连续固溶体）,9,2.3.2 固溶体,2.3.2.1 固溶体的分类 按溶质原子在固溶体结构中的位置划分： 置换固溶体：溶质原子位于点阵节点上，替代了部分溶剂原子。一般金属和金属形成的固溶体属于此类。如：Cu-Zn中的和固溶体； 间隙固溶体：溶质原子位于溶剂点阵的间隙中。一般金属元素和H、B、C、N等形成的

5、固溶体属于此类。,10,2.3.2 固溶体,2.3.2.1 固溶体的分类 按溶质原子在固溶体结构中的分布规律划分： 无序固溶体：溶质原子统计地或随机地分布于溶剂的晶格中，可占据间隙或溶剂原子的位置（如A-B二元置换式固溶体，每个点阵结点即可被A原子占据也可被B原子占据） 有序固溶体（超结构）：溶质原子按适当比例并按一定顺序和方向，围绕着溶剂原子分布。可以置换也可以间隙式，也叫超结构。（如Fe-Al合金，在低温下，Fe只能占据晶胞的顶点，而Al原子占据体心的位置）,11,2.3.2.2 固溶体结构的特点,(1) 固溶体晶体结构的基本特点是保持溶剂的晶体结构 (2) 点阵畸变,12,(3) 固溶体

6、的微观不均匀性,(c)部分有序 (d)完全有序,(a)完全无序 EAAEBBEAB (b)偏聚(EAA+EBB)2EAB,13,EAA EBB为同类原子间的结合能；EAB为异类原子间的结合能,EAA EBBEAB决定溶质原子的分布方式,2EAB(EAA+EBB),假定在一系列以溶质B原子为中心的各同心球面上分布着A，B组元原子。 Ci：i层球面上原子总数 ni：A原子在i层的平均数目 mA：合金中A原子数的分数 mACi：i层应有的A原子数目 (a)完全无序 ni = mACi i=0 (b)偏聚 ni 0 同类原子相邻几率较高 (c)短程有序 ni mACi i0 B原子与异类A原子相邻 几

7、率高于无序分布态,短程序参数定义为,14 end,固溶体微观不均匀性（短程有序）的表征,原子堆垛方式 结构间隙 合金相及其分类 影响合金相结构的因素 固溶体的分类与特性,回顾,15,3/9,2.3.2.3 置换固溶体 （substitutional solid solution ）,(1)组元的点阵类型(晶体结构) 形成无限固溶体的必要条件是组元的晶体结构相同； 形成有限固溶体时，晶体结构相同，溶解度大；,影响置换固溶体溶解度的因素,溶质原子置换溶剂点阵阵点的部分溶剂原子，这种固溶体称为置换固溶体,16,(1)组元的点阵类型(晶体结构) (2)原子尺寸因素 (3)化学亲和力(电负性因素) (4

8、)电子浓度因素(原子价因素),(2)原子尺寸因素 r15，溶解度大； r 15，点阵畸变大，溶解度小,影响置换固溶体溶解度的因素,18,(3)化学亲和力(电负性因素electrochemistry factor) 溶质与溶剂元素之间的化学亲和力越强，即合金组元间电负性差越大。 E大，倾向于生成化合物，不利于形成固溶体；生成的化合物越稳定，则固溶体的溶解度越小。 E小，溶解度大；只有电负性相近的元素才可能具有较大的溶解度。,影响置换固溶体溶解度的因素,19,(4)电子浓度因素(原子价因素) 式中e、a分别为合金中价电子数与原子数；A，B分别为溶剂和溶质的原子价；x为溶质的原子数分数() 最大溶解

9、度时的电子浓度-极限电子浓度 接近1.4,20,溶质在溶剂中的溶解度受电子浓度控制 超过极限电子浓度时，固溶体就不稳定，要形成另外的新相 极限电子浓度与溶剂晶体结构类型有关 溶剂为一价金属固溶体中 极限电子浓度 面心立方固溶体 1.36 体心立方固溶体 1.48 密排六方固溶体 1.75,Cu-Zn合金最多可溶入36%的Zn Cu-Sn合金最多可溶入12%的Sn,21,例1 Cu-Zn和 Cu-Sn组成固溶体最多可溶入多少原子分数的Sn？ Cu-Sn固溶体的极限电子浓度为1.36,溶剂Cu为1价金属 溶质 Zn Ga Ge As 原子价 2 3 4 5 在Cu中溶解度，% 38 20 12 7

10、 电子浓度 1.38 1.39 1.34 1.28 由以上数据可知： 溶质的原子价越高，其溶解度越小 (5)温度 一般情况下，温度升高，溶解度增大,22end,2.3.2.4 间隙固溶体（interstitial solid solution）,影响间隙固溶体溶解度的因素 (1)溶质原子半径 溶质原子半径很小 r41 间隙固溶体 形成间隙固溶体的溶质原子 原子半径小于0.1nm的非金属元素,溶质原子分布于溶剂晶格间隙形成的固溶体为间隙固溶体,23,元素 H B C N O 原子半径 0.046 0.097 0.077 0.0719 0.060 （nm）,间隙固溶体都是溶解度小的有限固溶体,2.

11、3.2.4 间隙固溶体（interstitial solid solution）,影响间隙固溶体溶解度的因素 (2)溶剂晶体结构中间隙的形状和大小 Fe，fcc，最大溶解度为2.11质量分数 Fe，bcc，C最大溶解度为0.0218质量分数 C位于八面体间隙,24,25,2.3.2.4 间隙固溶体（interstitial solid solution）,2.3.2.5 固溶体的性能,1、点阵常数改变 置换固溶体 rBrA时平均点阵常数增大； rBrA时平均点阵常数减小。 间隙固溶体 溶质原子含量增多点阵常数增大 2、固溶强化：溶质原子的溶入使固溶体强度升高的现象,26,2.3.2.5 固溶体

12、的性能,例1: Si溶入-Fe中可以提高磁导率，增大比电阻 例2: Cu-Au 电阻率提高,27,3、物理和化学性能的变化,2.3.3 中间相,分类： 正常价化合物 电子化合物 间隙相 拓扑密堆结构 超结构(有序固溶体),28,中间相-组成合金相的异类原子有固定的比例，所形成的固相的晶体结构与所有组元均不同，则称这种合金相为中间相或金属间化合物。 这种相的成分多数处于A在B中溶解限度和B在A中的溶解限度之间，因此叫做中间相。一般可用分子式大致表示其组成。,中间相的特点： 1、用化学分子式表示，成分可在一定范围变化 可以是化合物，或以化合物为基的固溶体(第二类固溶体或称二次固溶体) 化学分子式不

13、一定符合化合价规律，如Fe3C 2、金属性 金属键为主，混合键 影响中间相结构的因素： 电负性： E小、相近金属键， E较大离子键或混合键 电子浓度：决定电子化合物的结构 原子尺寸：两种原子半径差R很大时，倾向于形成间隙 相和间隙化合物； R大中等程度差别时倾向于形成拓扑密推相,29,2.3.3.1 正常价化合物,组成: 金属+A、A、A族元素（Pb Sn Ge Si C N O） 类型: AB A2B(或AB2)(CaF2-PtSn2，PtIn2 ) A3B2 晶体结构与同类分子式的离子化合物结构相似,金属与电负性较强的A、A、A族的一些元素按照化学上的原子价规律所形成的化合物称为正常价化合

14、物,30,特点: 1、结合键： 正常价化合物的稳定性与组元间电负性差有关 电负性差愈小，化合物愈不稳定，愈趋于金属键结合； 电负性差愈大，化合物愈稳定，愈趋于离子键结合。 Mg: 二价 Si，Sn，Pb: 均为四价，但主量子数增大，电负性减小 Mg2Si， Mg2Sn，Mg2Pb:稳定性逐渐减小（反 CaF2型） 1102 778 550 (熔点) 从离子键、共价键过渡到金属键为主 2、性能： 硬，脆,31,AB型正常价化合物,NaCl,晶体结构： 简单立方 空间点阵： 面心立方,AB2型正常价化合物,CaF2型晶体点阵 Mg2Pb Mg2Sn Mg2Si,晶体结构： 简单立方 空间点阵： 面心立方,33,2.3.3.2 电子化合物,不符合化合价规律，晶体结构由电子浓度决定的化合物 组成： IB族的贵金属(Ag，Au，Cu)+B、A、IVA族元素(如Zn，Ga，Ge),34,黄铜,黄铜,35,相 电子化合物,CuZn 黄铜 电子浓度=3/2=21/14,晶体结构： 体心立方 空间点阵： 简单立方,36,相 电子化合物,由20个Cu和32个Zn共52个原子组成的大晶胞 晶体结构：复杂立方 空间点阵：面心立方,37,Cu5Zn8 黄铜