3.1合金中的相和相结构

（ａ）完全无序 （ｂ）偏聚 （ｃ）短程有序 固溶体中溶质原子分布示意图
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25﹪Au＋75﹪Cu合金的晶体结构
CuAuⅡ型超结构，半周期 M＝5
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固溶体的性质
固溶体的点阵畸变 固溶体的强度和硬度
➢固溶体的强度和硬度往往高于各组元，而塑性则 较低，这种现象就称为固溶强化。
当 金 属 （ M ） 与 非 金 属 （ X ） 的 原 子 半 径 比 值
RX/RM＜0.59且电负性差较大时，化合物具有比较 简单的晶体结构，称为间隙相（若RX/RM＜0.59且 电负性差较小时，可形成间隙固溶体）；
而 当 RX/RM ＞ 0.59 且 电 负 性 差 较 大 时 ， 形 成 具 有 复杂结构的化合物，称为间隙化合物。
➢间隙式溶质原子的强化效果—般要比置换式溶质 原子更显著。
➢溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度极限越小， 固溶强化越显著，则单位浓度溶质原子所引起的强 化效果越大。
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固溶体的物理性能
➢固溶体的电学、热学、 磁学等物理性质也随 成分而连续变化， 但—般都不是线性关 系。
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本章知识结构
合金中的相及相结构 二元合金相图的建立
相图分析 二元相图的分析和使用
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匀晶相图及固溶体的凝固 共晶相图及合金的凝固 包晶相图及合金的凝固 其他类型的二元合金相图
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3.1 合金中的相及相结构
为何工业上很少使用纯金属,而多使用合金?
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按溶质原子在固溶体内分布是否有规则，固溶 体分为有序固溶体和无序固溶体两种。
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置换固溶体的固溶度
绝大多数金属元素之间都能形成置换固溶体，但 是只有少部分金属元素之间，可以形成无限固溶体， 即不同溶质元素在不同溶剂中的固溶度大小是不相同 的。固溶度的大小，主要受以下一些因素的影响：
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（c）电负性因素
元素间化学亲和力的大小显著影响它们之间的固溶度。 如果它们之间的化学亲和力很强，则倾向于形成化合物 而不利于形成固溶体；即使形成固溶体，固溶度亦很小。
电负性是指元素吸引电子的能力，即表示该元素的原 子在化学反应中或和异类原子形成合金时，能够得到电 子成为负离子的能力。
具有比较明显的金属性质，例如，具有一定的导 电、导热性和一定的塑性等等。固溶体中的结合键 主要是金属键。
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固溶体的分类
按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为 置换固溶体与间隙固溶体两种。
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置换固溶体
间 隙 固 溶 体
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按溶质原子在固体中的溶解度，固溶体可分为 有限固溶体和无限固溶体两种。
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虽然纯金属在工业上获得了一定的应用，但由于 纯金属的性能有一定的局限性，特别是强度等重要 性能指标往往不能满足要求，因此它的应用范围也 受到了限制。实际使用的金属材料绝大部分是合金， 合金化后纯金属的性能得到大大的提高，合金化是 提高纯金属性能的最主要的途径。
所谓合金是由两种或两种以上的金属或金属与非 金属，经过熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有 金属特性的物质。
中间相大多数是由不同的金属或金属与亚金属组成的化合 物，故这类中间相又称为金属间化合物。
中间相通常按一定或大致一定的原子比组成，可以用化学 分子式来表示，但是除正常价化合物外，大多数中间相的分 子式不遵循化学价规则。
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中间相的性能明显不同于各组元的性能，一般是硬 而脆的。中间相是许多合金中重要的第二相，其种 类、数量、大小、形状和分布决定了合金的显微组 织和性能。
➢固溶体的电阻率是随
溶质浓度的增加而增
加的，而且在某—中
Cu-Au合金的电阻率与成分 的关系(a)淬火合金 (b)退火合金
间浓度时电阻率最大。
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（2）中间相
构成合金的各组元间除相互溶解形成固溶体外，还可发 生化学相互作用，形成晶体结构不同于组元元素的新相。
它们在二元相图上所处的位置总是在两个端际固溶体之间 的中间部位，所以将它们统称为中间相。
（a）组元的晶体结构类型
（b）原子尺寸因素
（c）电负性因素（化学亲和力）
（d）电子浓度因素
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（a）组元的晶体结构类型
晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条 件，组元间要无限互溶，晶体结构类型必须要相同。 因为只有这样，组元之间才可能连续不断地置换而 不改变溶剂的晶格类型。
• 具有奇特吸释氢本领的金属间化合物（常称为贮氢材料）
，如 LaNi5，FeTi，R2Mg17和R2Ni2Mg15。(R等仅代表稀 土 La，Ce，Pr，Nd或混合稀土）是一种很有前途的储能
和换能材料；
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金属间化合物的性质和应用
• 具有耐热特性的金属间化合物，如Ni3Al，NiAl， TiAl，Ti3Al，FeAl，Fe3Al，MoSi2，NbBe12，ZrBe12 等不仅具有很好的高温强度，并且，在高温下具有比
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合金相
固溶体
中间相(金属化合物)
间隙固溶体
置换固溶体
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（1）固溶体
一种组元(溶质)溶解在另一种组元(溶剂，一 般是金属)中，其特点是溶剂（或称基体）的点阵 类型不变。
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固溶体的特点
溶质和溶剂原子占据一个共同的布拉菲点阵，且 此点阵类型和溶剂点阵类型相同。
有一定的成分范围，也就是说，组元的含量可在 一定范围内改变而不会导致固溶体点阵类型的改变。 由于固溶体的成分范围是可变的，而且有一个溶解 度极限，故通常固溶体不能用一个化学式来表示。
元素的电负性具有周期性，同一周期的元素，其电负 性随原子序数的增大而增大；而在同一族元素中，电负 性随原子序数增大而减小。
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（d）电子浓度因素
人们在研究以Cu、Ag、Au为基的固溶体时，发现随 着溶质原子价的增大，其溶解度极限减少。
如果将浓度坐标以电子浓度来表示，则它们的溶解 度极限是近似重合的。
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金属间化合物的性质和应用
• 具有超导性质的金属间化合物，如Nb3Ge，Nb3Al，Nh3Sn ，V3Si，NbN等；
• 具有特殊电学性质的金属间化合物，如InTe-PbSe，GaAsZnSe等在半导体材料用；
• 具有强磁性的金属间化合物，如稀土元素（Ce，La，Sm ，Y等）和Co的化合物，具有特别优异的永磁性能；
中间相的形成也受原子尺寸、电子浓度、电负性等 因素的影响。许多中间相是在原子尺寸有利的条件 下形成的，常称为几何因素决定的金属间化合物； 而另一些中间相如电子化合物则决定于电子浓度。
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正常价化合物
金属与化学元素周期表中一些电负性较强的 ⅣA、 ⅤA、ⅥA族元素，按照化学上的原子价规律所形成的 化合物，称为正常价化合物。它们的成分可以用分子 式来表达，如Mg2Si、Mg2Sn、ZnS、ZnSe等。
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Fe3C晶体结构
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拓扑密堆相
拓扑密堆相是由大小不同的原子适当配合，得到 全部或主要是四面体间隙的复杂结构。空间利用率 及配位数均很高，由于具有拓扑学特点，故称之为 拓扑密堆相，简称TCP相。
许多合金系能形成拉弗斯相如ZrFe2、TiFe2、 TiFe2、MoFe、NbCo2、TiCo2、TiC2、ZrCr2等。 一般讲拉弗斯相往往呈针状析出于基体，有时是有 害的，但也有个别耐热铁基合金以为其强化相。
所谓电子浓度是指固溶体中价电子数目e与原子数目 a之比。
除此之外，固溶度还与温度有密切关系。在大多数 情况下温度越高，固溶度越大。而对少数含有中间相 的复杂合金系(例Cu-Zn)，则随温度升高，固溶度减小。
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间隙固溶体
当一些原子半径比较小的非金属元素作为溶质溶入金 属或化合物的溶剂中时，这些小的溶质原子不占有溶剂 晶格的结点位置，而存在于间隙位置，形成间隙固溶体。 形成间隙固溶体的溶剂元素大多是过渡族元素，溶质元 素一般是原子半径小于0.1nm的一些非金属元素，即氢、 硼、碳、氮、氧等。
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电子化合物的特点是：凡具有相同的电子浓度，则该相 的晶体结构类型相同。亦即结构稳定性，主要取决于电 子浓度因素（休姆-罗塞里定律）。
电子化合物晶体结构与合金的电子浓度有如下关系：
当电子浓度为21/14时，电子化合物（一般称为β相）多 数是体心立方结构。
当电子浓度为21/13时的电子化合物具有复杂立方结构。
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间隙相的主要特点
在间隙相中金属原子组成简单点阵类型的结构，此结构 与其为纯金属时的结构不相同。
间隙相的一般可以用简单的化学式来表达，而且一定的 化学表达式对应着一定的晶体结构类型。
尽管间隙相可以用简单的化学式表示，但大多数间隙相 的成分可以在一定范围内变化。
间隙相具有极高硬度和熔点，但很脆。许多间隙相具有 明显的金属特性：金属的光泽、较高的导电性、正的电阻 温度系数。
式中M可表示一种元素，也可以表示有几种金属元素
固溶在内。例如，在渗碳体Fe3C中，一部分Fe原子若被 Mn原子置换，则形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C；而Cr23C6 中 往 往 溶 入 Fe 、 Mo 、 W 等 元 素 ， 或 写 成
(Cr,Fe,Mo,W)23C6；同样，Fe3W3C中能溶入Ni、Mo等 元素，成为(Ni,Fe)3(W,Mo)3C。