《材料科学基础》课件之第五章----0501材料相结构和相图

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第五章材料的相结构及相图

第五章材料的相结构及相图
第一节第二节第三节材料的相结构二元相图及其类型复杂相图分析
第一节材料的相结构
工业上应用的金属材料主要是合金。合金中的相结构是多种多样的，但可分为两大类：固溶体和化合物。一、固溶体溶质原子完全溶入固态溶剂中，所生成的合金相与溶剂的晶格结构相同，该合金相叫固溶体。固溶体的成分一般可在一定范围内连续变化，随溶质的溶入，将引起溶剂晶格畸变，使合金强度硬度升高这便是固溶强化。
(三)固溶体的微观不均匀性
图4-2 固溶体中溶质原子分布示意图 a）无序分布 b）偏聚分布 c）短程有序分布图4-3 有序固溶体的晶体结构 a）CuAu b）Cu3Au
二、金属间化合物
• A、B组元间组成合金时，可形成晶体结构不同于A、B两组元的化合物相。这种相的成分处在A在B中和B在A中的最大溶解度之间，因此也叫中间相。中间相的结合键主要为金属键，兼有离子键和共价键。因此中间相又称金属间化合物。
2. 结晶过程分析
图4-8 结晶过程示意图
晶核的形成有两种方式。在液体内部，存在大量时聚时散的近程有序的大小不等的原子集团即晶胚。在过冷的情况下，借助液体中的能量起伏，某些晶胚的尺寸有可能大于临界尺寸，这些晶胚可自发生长，成为结晶核心，所以这种形核方式叫自发形核或均匀形核。另一种形核方式为结晶时，依附过冷液相中的高熔点固态杂质形成晶核，所以称非自发形核或非均匀形核。非均匀形核所需能量比均匀形核低得多，所以实际金属结晶大多是非均匀形核。由晶核长成的小晶体叫晶粒，晶粒之间的交界叫晶界。晶粒的二维平衡形貌为多边形块状，三叉晶界，晶界夹角为120℃。（2）固溶体的结晶对于二元合金，组元数为2，结晶时两相共存，故f=2－2+1=1 ，所以固溶体合金在一定温度范围结晶。典型合金平衡结晶过程，如图4-9所示。合金冷至液相线t1温度开始结晶出含高熔点组元Ni多的1固溶体。随温度的下降，固溶体的数量不断增多，液相的数量不断减少，同时液固两相的成分也分别沿液相线和固相线不断变化。冷至固相线温度t3 时，结晶结束。由于平衡结晶，原子有充分扩散时间，所以结晶出的固溶体成分均匀一致。

大学材料科学基础第五章材料的相结构和相图(1)

弗兰克尔空位
肖脱基空位
2) 为了保持电中性，离子间数量不等的置换会在晶体内部形成点缺陷。如：2Ca2+→Zr4+ ，形成氧离子空缺。 3) 陶瓷化合物中存在变价离子，当其电价改变时，也会在晶体中产生空位。如：方铁矿中，部分Fe2+被氧化为Fe3+时， 2FeO+O → Fe2O3中，产生阳离子空缺。同理，TiO2中，部分Ti4+被还原为Ti3+时，产生阴离子空缺。这种由于维持电中性而出现的空位，可以当作电子空穴。欠缺或多出的电子具有一定的自由活动性，因而降低了化合物的电阻。这种现象在材料的电性能方面有重要意义。
3．陶瓷材料中的固溶方式
陶瓷材料——一般不具备金属特性，属无机非金属。无机非金属化合物可以置换或间隙固溶的方式溶入其它元素而形成固溶体，甚至无限固溶体，但是一般形成有限固溶体。如：Mg[CO3] → (Mg,Fe)[CO3] →(Fe,Mg)[CO3] →Fe[CO3] 菱镁矿含铁菱镁矿含镁菱铁矿菱铁矿不改变原来的晶格类型，晶格常数略有改变。
(3) 多为金属间或金属与类金属间的化合物，以金属键为主，具有金属性，所以也称金属间化合物。 (4) 晶体结构复杂。 (5) 在材料中是少数相，分布在固溶体基体上，起到改善材料性能、强化基体的作用。中间相可分为以下几类：正常价化合物；电子化合物；间隙相；间隙化合物；拓扑密堆相。
1. 正常价化合物 • 通常是由金属元素与周期表中第Ⅳ、Ⅴ、 Ⅵ族元素形成，它们具有严格的化合比，成分固定不变，符合化合价规律，常具有 AB、AB2、A2B3分子式。 • 它的结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同，如分子式具有AB型的正常价化合物其晶体结构为NaCl型。正常价化合物常见于陶瓷材料，多为离子化合物。如 Mg2Si、Mg2Pb、MgS、AuAl2等。 • 在合金材料中，起弥散强化的作用。

材料科学基础_第5章_相图

点在二元相图中对应一个点。 5. 连接各相同意义的临界点(开始点或终了点)，并做出相应
的曲线。 6.用相分析法测出向图中各相区所含的相，将他们的名称填
入相应的相区内，就得到了Cu—Ni合金的二元相图。
30
热分析法建立的Cu—Ni相图
31
5.1.4 相图热力学基础
➢ 相平衡的热力学条件 ➢ 相平衡：
1、热分析法原理：根据系统在冷却过程中温度随时间的变化情况来
判断系统中是否发生了相变化。做法： (1) 将样品加热成液态； (2) 令其缓慢而均匀地冷却，记录冷却过程中系统在不
同时刻的温度数据； (3) 以温度为纵坐标，时间为横坐标，绘制成温度－时
间曲线，即步冷曲线(冷却曲线)； (4) 由若干条组成不同的系统的冷却曲线就可以绘制出
90 80 70
60
B% 50 40
30 20
10
10 20 30 40 C% 50 60
70 80 90
A
C
90 80 70 60 50 40 30 20 10
← A% 25
(3) 等腰成分三角形当三元系中某一组元含量较少，而另两组元含量较大
时，合金成分点将靠近等边成分三角形的某一边。为了使该部分相图清晰的表示出来，常采用等腰三角形，即将两腰的刻度放大,而底边的刻度不变。
相图。
29
5.1.3 相图的建立
➢ 下面以热分析法为例说明如何测绘Cu—Ni相图，其步骤如下：
1. 按质量分数先配制一系列具有代表性成分不同的Cu—Ni 合金。
2. 测出上述所配合金及纯Cu、纯Ni的冷却曲线。 3. 求出各冷却曲线上的临界点。（曲线的转折点） 4. 将各临界点投到对应的合金成分-温度坐标中，每个临界

《材料科学基础》课件——第五章相平衡与相图第一节第二节第三节第四节

相和相平衡
Байду номын сангаас四、自由度与相律
1、自由度：平衡系统中独立可变的因素
自由度数：独立可变的强度变量的最大数目
(强度变量与广度变量的区别）
2、相律：自然规律
在平衡系统中由于受平衡条件的制约，系统内
存在的相数有一定限制。组元数相数P≥1
吉布斯相律：不可为负数
f=c-p+n
外界影响因素
通常外界影响因素只考虑T、P，所以f=c-p+2
• 掌握匀晶，包晶，共晶相图的特点，进而了解二元合金的一些平衡凝固，固相转变的规律。
• 重点难点： • 二元系相图的建立，杠杆定律 • 包晶相图，共晶相图，共晶合金 • 相图分析，各种液固，固相转变的判断
材料的性能决定于内部的组织结构，而组织结构
又由基本的相所组成。
相：均匀而具有物理特性的部分，并和体系的其他部分有明显界面。
晶型转变过程都是在恒温下进行，并伴随有体积、密度的变化。 2、SiO2系统相图 α-石英与β-石英相变相当慢， β-石英常因冷却过快而被保留到室温，在常压下，低于573℃
单元系相图
β-石英很稳定，所以自然界或低温时最常见的是 β-石英。晶型转变时，体积效应特别显著。 Al2O3、ZrO2也具有多晶型转变。 3、聚合物相图（1）状态由分子间作用力决定，分子间约束力弱
共晶相图，平衡凝固，共晶合金，包晶相图，形成化合物的相图，含有双液共存区的相图，熔晶相图等，二元相图的几何规律，单相，双相及三相共存区，相图特征，二元系相图的分析，分析的方法与步骤，分析举例。
• 教学目的： • 学习相平衡与相图的基本知识，了解相图在材料科学学习中的重要性，学会
相图的使用。

第五章材料相结构和相图

材料科学基础材料的相结构固溶体中间相置换固溶体间隙固溶体正常价化合物电子化合物尺寸因素化合物间隙化合物置换固溶体间隙固溶体有限固溶体无限固溶体无序固溶体有序固溶体间隙相间隙化合物理解重点理解重点影响置换固溶体溶解度的因素陶瓷与金属固溶体的差别中间相和固溶体的区间隙固溶体间隙相间隙化合物的区别典型材料的相结构的辨别材料科学基础陶瓷与金属固溶体的差别形成弗兰克尔空位的可能性较小形成肖脱基空位时移出的正负离子总电价为零
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。
HRTEM for Ni precipitate in 8YSZ/Ni Nanocomposites
size of precipitated Ni nanoparticle ~ 20 nm
pore Ni
10 nm
Ni nanoparticle and accompanied nano-pore in 8YSZ/0.6 vol%Ni Nanocomposite
中间相分类：正常价化合物、电子化合物（电子相）、间隙化合物
材料科学基础
1. 材料的相结构
材料的相结构
固溶体
置换固溶体间隙固溶体正常价化合物
中间相
电子化合物尺寸因素化合物
间隙化合物拉弗斯相
2.1 正常价化合物
材料科学基础

材料科学基础第五章

（ [ 48 55.8）（52 16） ]/13 3 3 5.7 Mg / m 5.7 g / cm （0.602 1024）（0.429 10-9 m)3
第二节二元相图及其类型

相图：描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的图解。根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类、各相的相对量、成分及温度变化时可能发生的变化。相图在生产中，可以作为制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规程的重要依据；也可以作为陶瓷材料选配原料、制定生产工艺、分析性能的重要依据。仅在热力学平衡条件下成立，不能确定结构、分布状态和具体形貌。
例题：氧化铁的晶体结构与 NaCl相同。若氧化铁中氧的摩尔分数 xo=0.52 ，其晶格常数为0.429nm，试求其密度为何？已知Fe的相对原子量为55.8，O 的相对原子量为16。解：可选择一个基准 ——100个原子（=52 个氧离子 +48 个铁离子）。由晶体结构可知，52个氧离子需要13个单位晶胞，但是只有48个铁离子，故还有4个空位。
第五章材料的相结构及相图
为何工业上很少使用纯金属,而多使用合金? 4h
第五章材料的相结构及相图
合金：由两种或两种以上的元素组成，其中至少有一种为金属，组成具有金属性的材料称为合金。组元：通常把组成材料的最简单、最基本、能够独立存在的物质称为组元。组元大多数情况下是元素；在研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可称为为组元。合金相（或相）：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀组成部分，称之为相。组织：在一定的外界条件下，一定成分的合金可能由不同成分、结构和性能的合金相所组成，这些相的总体便称为合金的组织。在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分，可将合金相分为固溶体和化合物两大类。

材料科学基础第5章材料的相结构与相图

根据相律：f = c – p + n = 3 – P 由于f≥0，所以P≤3，故在温度和压力
这两个外界条件变化下，单元系中最多只能有三相平衡。
OA，OB和OC
3条曲线交于O点，它是汽、水、冰三相平衡点。共存，温度和压力都不能变动。
根据相律，此时f＝0，因此要保此三相
如果外界压力保持恒定（例如一个标准
2、溶解度（C）：
固溶体在一定温度和压力下，
溶于溶质原子的极限浓度。
当溶质浓度小于溶解度时，溶
质浓度增加将导致固溶强化；
当溶质浓度大于溶解度时，
将析出第二相起作第二相强化作用；
当析出的第二相非常细小时，
称弥散强化。
3、固溶体分类
根据溶质原子在溶剂中的位置，分为：
置换式固溶体；间隙式固溶体。
变数，此时相律的表达式为： f = c – p + 1
作用：相律给出了平衡状态下体系
中存在的相数与组元数及温度、压力之间的关系，对分析和研究相图有重要的指导作用。
二、相图的基本知识
(一)相图的表示方法对于凝聚系统，相图测量过程中主要控制温度和成分，因此常见的相图大都以温度和成分为坐标。对于二元系，独立的成分变数只有一个，所以二元系只需用一个横坐标表示成分，纵坐标为温度，所以二元相图为一个平面图形；
大气压），那么单元系相图只要一个温度轴来表示。
根据相律，在汽、水、冰的各单相区内
（f＝1），温度可在一定范围内变动。
在熔点和沸点处，两相共存，f＝0，故
温度不能变动，即相变为恒温过程。
在单元系中，除了可以出现气、液、
固三相之间的转变外，某些物质还可能出现固态中的同素异构转变。

材料科学基础I 第五章 (相图)

F = 0的含义是：在保持系统平衡状态不变的条件下，没有可以的含义是：在保持系统平衡状态不变的条件下，的含义是独立变化的变量。独立变化的变量。即，任何变量的变化都会造成系统平衡状态的变化。的变化。
纯水的PT相图：纯水的相图：在a点，水在相图点水在1 大气压、 ℃ 条件下保持液(水条件下，大气压、(0℃)条件下，保持液水) –固(冰)二相平衡。温度升高，冰二相平衡。固冰二相平衡温度升高，溶化成水；温度降低，溶化成水；温度降低，水结晶成也就是说，此时水的液-固平冰。也就是说，此时水的液固平衡转变是在恒温(0℃ 下进行的下进行的。衡转变是在恒温 ℃)下进行的。 b点是气液二相平衡点，意义与点是气–液二相平衡点点是气液二相平衡点，意义与a 点相似。之间(0℃ 点相似。在a、b之间 ℃~100℃)，、之间 ℃，水是单一的液相(P =1)，此时F =1，水是单一的液相，此时，这说明在此范围内温度的变化不会引起状态的改变。会引起状态的改变。
二、相图的建立
建立相图的方法有两种：建立相图的方法有两种：利用已有的热力学参数，通过热力学计算和分析建立相图；利用已有的热力学参数，通过热力学计算和分析建立相图；依靠实验的方法建立相图。依靠实验的方法建立相图。目前计算法还在发展之中，实际使用的相图都是实验法建立的。目前计算法还在发展之中，实际使用的相图都是实验法建立的。实验法建立相图的原理和步骤：实验法建立相图的原理和步骤：二元合金相图的建立为例。以A-B二元合金相图的建立为例。二元合金相图的建立为例首先，首先，将A-B二元合金系分成二元合金系分成若干种不同成分的合金。若干种不同成分的合金。 1) 合金成分间隔越小，合金数目合金成分间隔越小，越多，测得的相图越精确；越多，测得的相图越精确； 2) 合金成分间隔不需要相等。合金成分间隔不需要相等。

材料科学基础-第五章材料的相结构及相图

相律在相图中的应用
C
2 二元系
P 1 2
3 1
f 2 1 0
3 2 1 0
含义
单相合金，成分和温度都可变两相平衡，成分、相对量和温度等因素中只有一个独立变量三相平衡，三相的成分、相对量及温度都确定单相合金其中两个组元的含量及温度三个因素均可变两相平衡，两相的成分、数量及温度中有两个独立变量三相平衡，所有变量中只有一个是独立变量四相平衡所有因素都确定不变
结构简单的具有极高的硬度及熔点，是合金工具钢和硬质合金的重要组成相。
I. 间隙化合物
间隙化合物和间隙固溶体的异同点
相同点：非金属原子以间隙的方式进入晶格。
不同点：间隙化合物：间隙化合物中的金属组元大多与自身原来的结构类型不同间隙固溶体：间隙固溶体中的金属组元仍保持自身的晶格结构
I. 尺寸因素
II. 晶体结构因素组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且有可能形成无限固溶体。若不同只能形成有限固溶体。
III. 电负性差因素
两元素间电负性差越小，越易形成固溶体，且形成的固溶体的溶解度越大；随两元素间电负性差增大，固溶度减小。

1）电负性差值ΔX<0.4~0.5时，有利于形成固溶体 2）ΔX>0.4~0.5，倾向于形成稳定的化合物
Mg2Si
Mg—Si相图
(2)电子化合物
由ⅠB族或过渡金属元素与ⅡB，ⅢB，ⅣB族元素形成的金属化合物。不遵守化合价规律，晶格类型随化合物电子浓度而变化。电子浓度为3/2时：呈体心立方结构（b相）；电子浓度为21/13时：呈复杂立方结构（g相）；电子浓度为21/12时。呈密排六方结构（e相）；
NaCl型 CaF2型闪锌矿型硫锌矿型（面心立方）（面心立方）（立方ZnS）（六方ZnS）

材料科学基础(讲稿5章)

Cu-Ni合金的铸态组织 ×50 树枝状
39
3）特点 (ⅰ) 冷却速度较快. (ⅱ) 开始结晶温度低于液相线. (ⅲ) 结晶中，剩余液相特别是晶粒内部成分不均匀，先结晶的部分含高熔点组元较多，后结晶的部分含低熔点组元较多；固相平均成分偏离固相线，液相平均成分是否偏离液相线随冷却速度而异. (ⅳ) 结晶终了温度低于固相线. (ⅴ) 通常不能应用杠杆定律. (ⅵ) 室温铸态有晶内偏析，形成树枝状组织.
Zn 2+、Ga 3+、Ge 4+、As 5+在Cu+中的最大固溶度（摩尔分数）分别为38%、20%、12%、7%
6
Zn 2+、Ga 3+、Ge 4+、As 5+在Cu+中达最大固溶度时所对应的e/a≈1.4→极限电子浓度

超过极限电子浓度，固溶体就不稳定，会形成新相。计算电子浓度时，元素的原子价指的是：原子平均贡献出的共有电子数，与该元素在化学反应时的价数不完全一致。

不平衡共晶形成原因分析
56
3）离异共晶——合金中先共晶相的量很多，共晶体的量很少时，共晶体中与先共晶相相同的相依附于先共晶相生长，将共晶体中的另一相孤立在先共晶相的晶界处．这种共晶体两相分离的组织称为离异共晶.
57ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Pb-Sb共晶离异组织（铸态）×400 α 相依附初生晶α 析出，形成离异的白色网状β
58
3、包晶相图及其结晶
（1）相图分析液相线单相区两相区固相线三相区固溶度曲线（2）包晶反应在一定温度下，由一固定成分的液相与一个固定成分的固相作用，生成另一个成分固定的固相的反应，称为包晶反应。

材料科学基础第五章材料的相结构及相图

SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
贵州师范大学 2）尺寸因素
化学与材料科学学院
溶质原子溶入溶剂晶格会引起晶格点阵畸变，使晶体能量升高。晶格畸变能
能量越高，晶格越不稳定。
单位体积畸变能的大小与溶质原子溶入的数量及溶质原子的相对尺寸有关：
SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
贵州师范大学
化学与材料科学学院
1）晶体结构因素
溶质与溶剂的晶格结构相同→固溶度大。例如：具有面心立方结构的Mn、Co、Ni、Cu，在γ-Fe中固溶度较大，而在α－Fe中固溶度较小。溶质与溶剂的晶格结构相同是形成无限固溶体的必要条件。
贵州师范大学
化学与材料科学学院
1）无限固溶体
无限固溶体都是置换固溶体？ 2）有限固溶体间隙固溶体只能是有限固溶体？
SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
贵州师范大学
化学与材料科学学院
按溶质原子分布分类 1）有序固溶体 2）无序固溶体
贵州师范大学
化学与材料科学学院
基本概念
组元：组成材料的最基本的、独立的物质，简称元。
金属元素：Cu、Al、Fe 非金属元素：C、N、O 化合物： Al2O3, MgO, Na2O, SiO2 单一组元组成：纯金属、 Al2O3晶体等材料：二元合金多组元组成，含合金三元合金
组元：
纯元素
合金：指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼或其它方法制成的具有金属特性的物质。

材料科学基础-第五章-材料的相结构及相图-PPT

相图上为一条垂直线。
Mg2Si
Mg—Si相图
(2)电子化合物
由ⅠB族或过渡金属元素与ⅡB，ⅢB，ⅣB族元素
形成的金属化合物。
不遵守化合价规律，晶格类型随化合物电子浓度而
变化。
电子浓度为3/2时：呈体心立方结构（b相）；
电子浓度为21/13时：呈复杂立方结构（g相）；
电子浓度为21/12时。呈密排六方结构（e相）；
体。
III. 电负性差因素
IV. 两元素间电负性差越小，越易形成固溶体，且形
成的固溶体的溶解度越大；随两元素间电负性差
增大，固溶度减小。

1）电负性差值ΔX<0.4~0.5时，有利于形成固溶体
2）ΔX>0.4~0.5，倾向于形成稳定的化合物
IV. 电子浓度因素
V. 电子浓度的定义是合金中各组成元素的价电子数总
子的价电子数恰好使负离子具有稳定的电子层
结构。
金属元素与周期表中的ⅣA，ⅤA，ⅥA元素
形成正常价化合物。
有较高的硬度，脆性很大。
例如：Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、MgS、MnS等
(1)正常价化合物
正常价化合物的分子式只有AB，A2B或AB2两种。
常见类型：
NaCl型
CaF2型
Cu原子形成四面体(16个)。
每个镁原子有4个近邻镁原子和12个近邻铜原子；
每个铜原子有6个近邻的铜原子和6个近邻的镁原子
。
Cu
Mg
II. 拉弗斯（Laves）相
②MgZn2型：六方晶系。
Mg原子形成硫锌矿结构；Zn原子形成四面体。
每个Mg原子有4个近邻Mg原子和12个近邻Zn原
子。
每个Zn原子有6个近邻Zn原子和6个近邻Mg原子

材料科学及工程教程第五章材料的相结构及相图

第五章材料的相结构及相图
18/12/2019
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一、概述二、材料的相结构三、二元相图及其类型
18/12/2019
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一、概述
1. 组元 (Component)
组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来，并能独立存在的化学纯物质，在一个给定的系统中，组元就是构成系统的各种化学元素或化合物。
化学元素：Cu, Ni, Fe等化合物：Al2O3, MgO, Na2O, SiO2等
Fe2O3—Al2O3，=18.4%，有限固溶体
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③电负性差
电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离子的能力。反映两元素的化学性能差别。 •两元素间电负性差越小，则越容易形成固溶体，且所形成的固溶体的溶解度也就越大； •随两元素间电负性差增大，溶解度减小，当其差别很大时，往往形成较稳定的化合物。
间隙固溶体都是有限溶解固溶体。在金属材料中，通常是过渡
族金属元素为溶剂，小尺寸的C、N、H、O、B等元素为溶质。
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（3) 按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点
①无序固溶体溶质原子在溶剂晶格中分布是任意的，没有任何规律性，仅统计角度上是均匀分布的。
②有序固溶体溶质原子以一定的比例，按一定方向和顺序有规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。
①尺寸因素
从晶体结构的稳定观点来看，相互替代的质点尺寸愈接近，则固溶体愈稳定，其固溶量将愈大。！
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经验证明： • 当<15%时，溶质和溶剂之间有可能形成连续固溶体； • 当=15~30%之间时，溶质和溶剂之间可以形成有限固溶体； • 当>30%时，溶质和溶剂之间不生成固溶体，仅在高温下有少量固溶。

第5章材料的相结构及相图

第二节二元相图及其类型
相图——描述系统的状态、温度、压力与成分之间关系的一种图解。作用：不同成分的材料，在不同温度下，存在的相、相的相对量、及可能发生的变化。相律——描述材料在不同条件下相平衡状态所遵循的规律。应用限制：热力学平衡条件。不能反映相的结构、分布及形貌。

尺寸因素及电负性对晶体结构的影响电子浓度为21/14的电子化合物组元原子尺寸差较小时，倾向于形成密排六方结构；当尺寸差较大时，倾向于形成体心立方结构；电负性差较大，倾向于形成复杂立方及密排六方结构。性能成分在一定范围内变化，可以看作是以化合物为基的固溶体结合键为金属键熔点及硬度较高，脆性较大。
MgCu2型复杂立方结构 Mg：由2个面心立方结构构成，1个相对于另一个移动了对角线的1/4。 Cu：处于四面体顶点上 MgZn2型：密排六方结构 MgNi2型：密排六方结构
图5-7 MgCu2结构
图5-8 拉弗斯相中B原子分布和四面体堆垛方式 a) MgCu2 b) MgZn2 c) MgNi2
图5-5 铜金合金电阻率与成分的关系
图5-6 Ni-Mn合金的饱和磁矩
二、中间相

中间相（化合物）——处于相图的中间区域而得名，其晶体结构不同于此相中的任一组元。中间相的性能：强化作用——具有较高的熔点及硬度，可使合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性提高；特殊性能——形状记忆：NiTi、CuZn；储氢材料：LaNi5 中间相分类：正常价化合物、电子化合物、尺寸因素化合物。
原子价与化合价
原子价——表示形成合金时，每一原子参加结合键的电子数，与化学反应时表现化合价数不同。
尺寸因素、晶体结构、电负性差及电子浓度是影响固溶体溶解度的四个主要因素；当此四个因素均有利时，有可能形成无限固溶体。这四个因素并非相互独立，其统一理论是金属及合金的电子理论。

材料科学基础-第五章ppt

*** 晶体在滑移过程中的位错增殖, 位错密度增大, 相互作用,导致强化, 即加工硬化.
1 0
0 Gb 2
2. 孪生的机制
孪晶区域各晶面的相对位移距离是孪生方向原子间距的分数值，这表明孪生时每层晶面的位移应借一个不全位错的移动而造成。
位错增殖的极轴机制：fcc 中 OA、OB和OC三条位错线相交于结点O，OA、OB不在滑移面上，属不动位错——极轴位错，OC为可动的不全位错，且只能绕极轴转动，每当它在（111）面上扫过一圈，就产生一个单原子层的孪晶，同时又沿着螺旋面上升一层，这样不断转动，上述过程逐层地重复进行，就在晶体中形成一个孪晶区域。
1. 对室温机械性能的影响晶粒愈细、晶界愈多→强化效应↑－细晶强化
s b HV Strengthening by Grain Size Re-duction
较好塑性,因细晶的晶内和晶界附近应变差较小，变形较均匀，有可能断裂前承受大量的变形
细晶具有良好的综合机械性能。
平衡时
n
k 0 L Gb
根据每个位错的受力情况，可导出每个位错的位置，以
综上所述，滑移变形的基本特点：
Ⅰ) 滑移变形系不均匀的切变，它只集中在某些晶面上；
Ⅱ) 滑移结果两部分晶体产生相对移动，移动的距离△＝nb，
仍保持晶体学的一致性； Ⅲ) 沿着一定的晶面和晶向进行，滑移系较多的材料为（fcc）
一般具有较好塑性； Ⅳ) 在切应力作用下，且＞ c； Ⅴ）滑移同时，滑移面和滑移方向将发生转动； Ⅵ）实质位错沿滑移面的运动过程
4. 晶体在滑移时的转动（rotation）
晶体滑移
滑移面上发生相对位移晶体转动空间取向发生变化
在拉伸时使滑移面和滑移方向逐渐转到与应力轴平行

材料科学基础(第2版)石德珂-第5章材料的相结构及相图

第五章材料的相结构与相图
THE PHASE STRUCTURE AND PHASE DIAGRAMS OF MATERIALS
材料的相结构二元相图及其类型复杂相图分析相图的热力学基础三元相图及其类型
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4. 固溶体中溶质原子的偏聚与有序
1) 溶质原子分布的微观不均匀性
A, B原子间结合能
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E AB
1 2 (EAA
EBB )
EAB
1 2
(EAA
EBB )
3. 陶瓷材料中的固溶方式
可间隙方式固溶也可置换方式固溶
如: Mg[CO3]→(Mg,Fe)[CO3]→(Fe,Mg)[CO3]→Fe[CO3] 菱镁矿含铁菱镁矿含镁菱铁矿菱铁矿
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第二节二元相图及其类型
THE BINARY PHASE DIAGRAM AND ITS TYPE
相图的基本知识一元系相图二元系相图材料性能与相图的关系
一些溶质元素在一价Cu中的最大溶解度
溶质元素

0501材料相结构和相图

11
二、中间相
溶质原子加入量达到一定值时形成的晶体结构、结合键不同于溶剂和溶质中任一组元的相，因常常出现在相图的中间部位，因此成为中间相同时由于其具有一定金属性，称为金属间化合物。（高熔点、高硬度、高强度、耐磨耐热，物化）
正常价化合物：电负性差起主要作用电子化合物：不符合正常化学价规律，电子浓度规律为主
尺寸因素化合物：畸变能增至一定容限，原结构不稳定
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正常价化合物：电负性差起主要作用，电负性差值较大的元素按通常的化学价规律形成的化合物，可用化学式表示，金属元素与IV、V、VI族元素组成
•电负性差值越大，稳定性越高，愈接近离子键合，反之趋向于金属键合 •包括从离子键、共价键过渡到金属键为主的一系列化合物 •通常具有较高的强度和脆性，固溶度范围极小 •在相图上为一条垂直线

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拓扑密排相（TCP相）：原子尺寸差介于间隙化合物和电子化合物之间的两种原子，进行最紧密堆垛，通过合理搭配，就有可能获得全部或主要由四面体堆满整个空间，达到空间利用率和配位数都更高的密堆结构，但这些四面体不一定都是等棱四面体，这种密排结构称“拓扑密堆结构”，配位数可达12、 14、15、16 典型的TCP相有：σ相，Laves相，x相和μ相
间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格间隙
4
按固溶度分类
有限固溶体：溶质原子在溶剂中溶解度有一定极限。 MgO-CaO
无限固溶体：溶质与溶剂可以任何比例相互溶解。互为剂质。 Cu-Ni 、Cr-Mo、Mo-W、Ti-Zr、 MgO-CoO
5
按有序度分类短程有序：溶质原子只在短距离范围内按一定规则有序分布。长程有序：溶质原子全部达到有序状态。（完全有序）有序固溶体：溶质原子长程有序的固溶体。（超结构，超点阵）无序固溶体：溶质原子完全无序或仅是短程有序。（可有序化处理）