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材料中的相结构 — 多组元（合金）结构特点 章 目 录 2.1 固溶体 2.2 金属化合物 2.3 陶瓷中的相结构 基 本 概 念 单组元材料性能有局限，实际使用的材料大多为多组元的合金。 合金：在单组元的基础上，人为加入其它组元，使之成为性能更加优异的材料。 由两个组元组成的材料称为二元合金；三个组元称为三元合金；三个以上称多元合金。 材料中，由于各种组元之间存在复杂的物理和化学作用，会出现众多成分、结构各异的相。 相： 热力学平衡系统中，结构、成分、化学和物理性质相同，与其它部分有相界面分开的均匀部分。 2.1 固溶体 凡溶质原子处于固态溶剂晶格中所形成的合金相，称为固溶体。 固溶体分类： 一、置换式固溶体 除少数原子半径小的非金属元素，H、O、N、C、B等以外，绝大多数元素之间均能形成置换式固溶体。 差别在于溶解度大小不同，对材料性能影响不一。 影响溶解度大小的因素 （1）晶体结构类型 结构类型相同或相近具有较大的溶解度。 结构相同是无限固溶的前提条件。要无限互溶结构必须相同，但结构相同，不一定无限互溶。 例如：Cu f.c.c a0=0.361 nm d=0.255 nm Ni f.c.c a0=0.352 nm d=0.249 nm Pb-Sn合金，虽然原子半径相近，但Pb为f.c.c，而Sn为四方晶系，为有限固溶体。 (2) 原子尺寸因素 (3) 电负性因素 电负性相差越小，溶解度越大。电负性差别大时，易形成金属化合物，不利于固溶体的形成。 如： 无限互溶 Ni-Cu Fe-Co Pb-Tl 鲍林电负性 1.9 1.9 1.8 1.9 1.9 1.8 0.2 (4) 电子浓度 (e/a) 临界电子浓度概念 对于一价金属的每种结构，都存在一个极限电子浓度，称为临界电子浓度； 当晶体中e/a超过临界值时，结构就不稳定了，将转变成另一种临界电子浓度更高的结构。 例： 不同原子价的合金元素在f.c.c铜中的最大极限溶解度？ Cu: f.c.c; 极限电子浓度 1.36; 原子价 1; 结 论 结构相近 原子半径相近 电负性相近 原子价相近 二、间隙式固溶体 原子半径较小的H、O、N、 C、B溶入金属中，占有间隙位 置，形成间隙固溶体。 影响浓度的因素： 溶剂晶格类型 一般 f.c.c b.c.c, ∵ f.c.c间隙大 溶质原子半径 一般金属原子半径： 1.2～1.3 ? f.c.c八面体间隙： 0.5～0.54 ? b.c.c四面体间隙： 0.35～0.38 ? 几点说明： 氢原子半径小于间隙半径是吸氢合金的基础，也是储存 的困难。 其它元素半径较大，溶入后将引起晶格畸变，能量升高。 溶剂晶格中间隙数量有限，间隙固溶体只能是有限溶解。 C、N与铁形成间隙固溶体，在γ-Fe中位于八面体间隙； 在α-Fe中位于八面体和四面体间隙内，引起不对称畸 变，对钢的相变和强化有重要意义。 三、固溶体的结构特点 结构类型同溶剂 点阵常数有变化 成分可变 溶质多呈统计均匀分布 四、固溶体的性能 力学：固溶强化，强度硬度升高，塑性和韧性下降。 物理：电阻、导磁率、矫顽力上升。 例1：电阻丝要求高电阻，采用Fe-Cr-Al或Cr-Ni固溶 体型材料。 例2：硅钢片，Si溶入α-Fe，电阻↑，导磁率↑。 例3：Cr溶入α-Fe，＞12.5％，铁电极电位从－0.6V 上升到＋0.2V，大大提高耐蚀性。 五、有序固溶体（超结构、超点阵） 有序化转变： 由于有序固溶体组态熵低于无序固溶体，G —T℃曲线如图：T0 — 有序化转变温度。 固溶体的有序化，将带来 许多性能的突变： 如：电阻率下降50％～70％ 由顺磁 → 铁磁 硬度升高一倍以上 2.2 金属间化合物（中间相） 金属与金属或金属与类金属之间形成的化合物，统 称为金属化合物，由于它们位于相图中间，也称中间相。 结构特点: ①典型成分可用化学分子式表示。AmBn ②具有与组成组元不同的结构类型，各组元独立呈 规则分布。 ③大部分可以化合物为基，形成固溶体，成分可变。 一、正常价化合物 (服从正常的化合价规律) 两组元构成的正常价化合物常具有AB、AB2、A2B3等定 比关系。通常由元素周期表中Zintl线左边的ⅡA(B)、ⅢA 族与右边