第二章 材料中地相构造.pptx

1 第二章 材料中的相结构 — 多组元（合金）结构特点 2 章 目 录 2.1 固溶体 2.2 金属化合物 2.3 陶瓷中的相结构 3 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。 4 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。 金属 固溶体 金属化合物（中间相） P141 陶瓷 晶体相 玻璃相 气相 高分子 晶相 非晶相 5 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： 置换式固溶体 间隙固溶体 位置 溶解度 无限固溶体 有限固溶体 排列秩序 无序固溶体 有序固溶体 6 7 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。 溶质原子取代溶剂原子的某些正常位置所形成的固溶体。 8 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。 无限 9 结构相同是无限固溶的必要条件! 溶质 溶剂 V b.c.c Cr b.c.c Mn f.c.c Co f.c.c Ni f.c.c α-Fe b.c.c 无限 无限 3 76 10 γ-Fe f.c.c 1.4 12.8 无限 无限 无限 结构相同，但不一定无限互溶! 溶质 溶剂 Al f.c.c Cu f.c.c Nb b.c.c Mo b.c.c W b.c.c α-Fe b.c.c - - 4.5 37.5 35.5 γ-Fe f.c.c 0.625 8 - - - 10 (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 尺寸相差大，晶格畸变能升高，不稳定。 15﹪ 溶解度较大 11 (4) 电子浓度 (e/a) 价电子数 元 素 1 Cu、Ag、Au 2 Be、Mg、Zn、Cd、Hg 3 Ga、Al、In 4 Si、Ge、Sn、Pb 5 P、As、Bi、Sb 0 Fe、Co、Ni、Ru、Pd、Pt、Ir、Os e-自由电子数 a-原子数 x-溶质原子浓度 v-溶质原子价 u-溶剂原子价 12 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。 结 构 f.c.c b.c.c h.c.p 极限电子浓度 1.36 1.48 1.75 一价金属极限电子浓度 13 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; 合金元素 价电子数 理论值％ 实际值％ Zn 2 36 38 Ga 3 18 20 Ge 4 12 12 As 5 9 7 ★ 价电子数相近的元素具有较大的溶解度。 14 结 论 结构相近 原子半径相近 电负性相近 原子价相近 溶解度大 15 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。 原子/间隙 H O N C B f.c.c间隙 b.c.c间隙 半径(Ǻ) 0.32 0.66 0.70 0.77 0.82 0.5-0.54 0.35-0.38 16 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 Ǻ f.c.c八面体间隙： 0.5～0.54 Ǻ b.c.