材料科学基础第2章
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化合物； C越小，越易形成固溶体
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2.3.1 固溶体
固溶体(solid solution) ：
合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。
➢ 固溶体的最大特点是保持溶剂的晶体结构。
➢ 与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中 含量较多；另一组元为溶质，含量较少。
✓ 各向异性：由于在不同方向上的原子排列的紧密程 度不同使晶体在不同方向上的物理、化学和力学性 能不同。而一般整个晶体不显示各向异性，称为伪 等向性。
✓ 晶粒：组成晶体的结晶颗粒。 ✓ 多晶体：凡由两颗以上晶粒组成的晶体一般金属都
是多晶体。。
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晶粒
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Байду номын сангаас
多相合金
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(3)按溶质原子在溶剂中的分布特点分类 无序固溶体：溶质原子在溶剂中任意分布, 无规律性。
有序固溶体：溶质原子按一定比例和有规 律分布在溶剂晶格的点阵或间隙里。
(4)按基体类型分类： 一次固溶体：以纯金属为基形成的固溶体。
二次固溶体：以化合物为基形成的固溶体。
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固溶体的两种类型（置换和间隙）
中间相可以用分子式来大致表示其组成。
合金相的性质由以下三个因素控制: （1）电化学因素(电负性或化学亲和力因素)
电负性—化学亲和力越大越容易形成化合物，电负性 相近的元素容易形成固溶体。
（2）原子尺寸因素 △r=（rA－rB)/rA △r越大，越易形 成中间相。 △r越小，越易形成固溶体
（3）原子价因素(电子浓度因素): C电子=[A(100－x) ＋Bx]/100 C越大，越易形成
间隙固溶体(interstitial solid solution) ：溶质原子分 布于溶剂晶格间隙中。
(2)按溶质原子在溶剂原子中溶解度分类：
有限固溶体：在一定条件下,溶质原子在溶剂中的溶解量 有一个上限,起过这个限度就形成新相。
无限固溶体：溶质原子可以任意比例溶入溶剂晶格中形成 的。如: Cu—Ni Au—Ag Ti—Zr····，结构相同。
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5.固溶体的性质
固溶体中由于含有溶质原子会引起点阵常数、 性能的变化。表现： (1)点阵常数改变
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间隙固溶体中的点阵畸变
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4.固溶体的微观不均匀性
固溶体中溶质原子的分布并不是完全无序的。
一般认为热力学上平衡状态的无序固溶体溶质原 子分布在宏观上是均匀的,在微观上是不均匀的。
在一定条件下,溶质原子和溶剂原子在整个晶体 中按一定的顺序排列起来,形成有序固溶体。有 序固溶体中溶质原子和溶剂原子之比是固定的, 可以用化学分子式来表示,因此把有序固溶体结 构称为超点阵。例如：在Cu－Al合金中,Cu：Al 原子比是1：1或3：1时从液态缓冷条件下可形 成有序的超点阵结构,用CuAl或Cu3Al来表示。
➢ 固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成 的固溶体也可表示为A(B), 其中A为溶剂, B为溶 质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一 般用α表示, 亦可表示为Cu(Zn)。
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1. 固溶体分类
(1)按溶质原子在点阵中所占位置分为：
置换固溶体(substitutional solid solution)：溶质原子 置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。(Cu-Ni合金)
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有序固溶体－短程
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有序固溶体－长程
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有序固溶体－偏聚
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2. 置换固溶体
置换固溶体一般在金属元素之间形成，但要有一定条件。 (1)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 固溶体。 (2)原子尺寸在其它条件相近时,△r<15% 或r质/r剂>0.85固溶体中 溶解度较大,否则较小。 如:铁基合金中，△r<8%才能形成无限固溶体。 铜基合金中，△r<10%才能形成无限固溶体。 (3)电负差越大,两者间亲和力大,易形成中间相。否则易形成固溶体。 (4)电子浓度值大易形成化合物；电子浓度小易形成固溶体。
3. 相(phase)----合金中具有同一聚集状态,同一化学
成分、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀
组成部分。由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合体。
如单相、两相、多相合金。金属及合金的组织一般应用显微镜才能看到，
所以常称显微组织。
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相分类:固溶体和中间相(金属间化合物) 固溶体—— 中间相——
❖ （上述四个因素并非相互独立，其统一的理论的是金属 与合金的电子理论。）
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置换固溶体示意图
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置换固溶体大小溶质原子引起的点阵畸变
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3. 间隙固溶体
➢ 间隙固溶体的的溶质原子是一些原子半径小于 0.1nm的非金属元素（如C、N、O、、H、B）。
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2.2.2 多晶型性
多晶型性指某些金属在不同温度和压力下具有不同的晶体 结构。 多晶型性转变指金属在外部条件 (如 T 和 P) 改变时，其内 部从一种晶体结构向另一种晶体结构的转变,又称同素异构 （同素异性）转变 例如纯铁:
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2.2.3 晶体的各向异性
➢ 其形成条件是 △r>41% 或 r质/r剂<0.59 ➢ 间隙固溶体只能是有限固溶体,一般溶解度较小。
如：碳原子在α－Fe（最大Wt=0.0218%）和γ－ Fe（最大Wt=2.11%）中形成的间隙固溶体为有限 固溶体。
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间隙固溶体示意图1
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间隙固溶体示意图2
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2.3 合金相结构
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概述
1. 合金(alloy)----两种或两种以上的金属或金属与非 金属经冶炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特 性的物质。组元----组成合金的基本单元。(如一元、 二元、三元合金)。组元可以是金属和非金属,也可以 是化合物
2. 组织(structure)----材料中的直观形貌,可以用肉 眼观察到,也可以借助于放大镜、显微镜观察到的微 观形貌。分为: 宏观组织:肉眼或是30倍放大镜所呈现 的形貌；显微组织:显微镜观察而呈现的形貌。
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2.3.1 固溶体
固溶体(solid solution) ：
合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。
➢ 固溶体的最大特点是保持溶剂的晶体结构。
➢ 与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中 含量较多；另一组元为溶质，含量较少。
✓ 各向异性：由于在不同方向上的原子排列的紧密程 度不同使晶体在不同方向上的物理、化学和力学性 能不同。而一般整个晶体不显示各向异性，称为伪 等向性。
✓ 晶粒：组成晶体的结晶颗粒。 ✓ 多晶体：凡由两颗以上晶粒组成的晶体一般金属都
是多晶体。。
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晶粒
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多相合金
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(3)按溶质原子在溶剂中的分布特点分类 无序固溶体：溶质原子在溶剂中任意分布, 无规律性。
有序固溶体：溶质原子按一定比例和有规 律分布在溶剂晶格的点阵或间隙里。
(4)按基体类型分类： 一次固溶体：以纯金属为基形成的固溶体。
二次固溶体：以化合物为基形成的固溶体。
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固溶体的两种类型（置换和间隙）
中间相可以用分子式来大致表示其组成。
合金相的性质由以下三个因素控制: （1）电化学因素(电负性或化学亲和力因素)
电负性—化学亲和力越大越容易形成化合物，电负性 相近的元素容易形成固溶体。
（2）原子尺寸因素 △r=（rA－rB)/rA △r越大，越易形 成中间相。 △r越小，越易形成固溶体
（3）原子价因素(电子浓度因素): C电子=[A(100－x) ＋Bx]/100 C越大，越易形成
间隙固溶体(interstitial solid solution) ：溶质原子分 布于溶剂晶格间隙中。
(2)按溶质原子在溶剂原子中溶解度分类：
有限固溶体：在一定条件下,溶质原子在溶剂中的溶解量 有一个上限,起过这个限度就形成新相。
无限固溶体：溶质原子可以任意比例溶入溶剂晶格中形成 的。如: Cu—Ni Au—Ag Ti—Zr····，结构相同。
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5.固溶体的性质
固溶体中由于含有溶质原子会引起点阵常数、 性能的变化。表现： (1)点阵常数改变
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间隙固溶体中的点阵畸变
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4.固溶体的微观不均匀性
固溶体中溶质原子的分布并不是完全无序的。
一般认为热力学上平衡状态的无序固溶体溶质原 子分布在宏观上是均匀的,在微观上是不均匀的。
在一定条件下,溶质原子和溶剂原子在整个晶体 中按一定的顺序排列起来,形成有序固溶体。有 序固溶体中溶质原子和溶剂原子之比是固定的, 可以用化学分子式来表示,因此把有序固溶体结 构称为超点阵。例如：在Cu－Al合金中,Cu：Al 原子比是1：1或3：1时从液态缓冷条件下可形 成有序的超点阵结构,用CuAl或Cu3Al来表示。
➢ 固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成 的固溶体也可表示为A(B), 其中A为溶剂, B为溶 质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一 般用α表示, 亦可表示为Cu(Zn)。
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1. 固溶体分类
(1)按溶质原子在点阵中所占位置分为：
置换固溶体(substitutional solid solution)：溶质原子 置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。(Cu-Ni合金)
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有序固溶体－短程
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有序固溶体－长程
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有序固溶体－偏聚
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2. 置换固溶体
置换固溶体一般在金属元素之间形成，但要有一定条件。 (1)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 固溶体。 (2)原子尺寸在其它条件相近时,△r<15% 或r质/r剂>0.85固溶体中 溶解度较大,否则较小。 如:铁基合金中，△r<8%才能形成无限固溶体。 铜基合金中，△r<10%才能形成无限固溶体。 (3)电负差越大,两者间亲和力大,易形成中间相。否则易形成固溶体。 (4)电子浓度值大易形成化合物；电子浓度小易形成固溶体。
3. 相(phase)----合金中具有同一聚集状态,同一化学
成分、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀
组成部分。由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合体。
如单相、两相、多相合金。金属及合金的组织一般应用显微镜才能看到，
所以常称显微组织。
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相分类:固溶体和中间相(金属间化合物) 固溶体—— 中间相——
❖ （上述四个因素并非相互独立，其统一的理论的是金属 与合金的电子理论。）
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置换固溶体示意图
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置换固溶体大小溶质原子引起的点阵畸变
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3. 间隙固溶体
➢ 间隙固溶体的的溶质原子是一些原子半径小于 0.1nm的非金属元素（如C、N、O、、H、B）。
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2.2.2 多晶型性
多晶型性指某些金属在不同温度和压力下具有不同的晶体 结构。 多晶型性转变指金属在外部条件 (如 T 和 P) 改变时，其内 部从一种晶体结构向另一种晶体结构的转变,又称同素异构 （同素异性）转变 例如纯铁:
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2.2.3 晶体的各向异性
➢ 其形成条件是 △r>41% 或 r质/r剂<0.59 ➢ 间隙固溶体只能是有限固溶体,一般溶解度较小。
如：碳原子在α－Fe（最大Wt=0.0218%）和γ－ Fe（最大Wt=2.11%）中形成的间隙固溶体为有限 固溶体。
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间隙固溶体示意图1
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间隙固溶体示意图2
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2.3 合金相结构
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概述
1. 合金(alloy)----两种或两种以上的金属或金属与非 金属经冶炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特 性的物质。组元----组成合金的基本单元。(如一元、 二元、三元合金)。组元可以是金属和非金属,也可以 是化合物
2. 组织(structure)----材料中的直观形貌,可以用肉 眼观察到,也可以借助于放大镜、显微镜观察到的微 观形貌。分为: 宏观组织:肉眼或是30倍放大镜所呈现 的形貌；显微组织:显微镜观察而呈现的形貌。