材料科学基础之相结构

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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
1
SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XI`AN JIAOTONG UNIVERSITY
12
SCHOOL OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING OF XI`AN JIAOTONG UNIVERSITY
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
13
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
8
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24
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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

材料科学基础相结构

材料科学基础相结构
-
1
引言
2 相结构的基本概念
3相结构的分类4源自相结构的应用5结论
1 引言
01
材料科学是研究材料组成、结构、性能及其应用的一门科学
引言
02
相结构是材料科学中的重要概念，对于材料的性能和用途有着决定性的影响
03
本文将介绍材料科学基础相结构的基本概念、分类及应用
2 相结构的基本概念
01
02
相结构的基本概念
相结构是指材料中不同相的组成、分布及相互关系。这些不同相可能是晶体、非晶体、液体或气体等。在材料中，这些相通常是由化学元素、化合物或混合物组成的相结构的确定对于材料性能的研究至关重要。例如，材料的强度、韧性、导电性、导热性等性能都与其相结构密切相关。因此，了解材料的相结构是研究材料科学的基础
无机非金属材料：无机非金属材料的硬度、耐磨性和电学性能等与其相结构有关。通过调整材料的成分和烧结工艺，可以制备出具有优异性能的无机非金属材料，如陶瓷、玻璃等
PART-01
相结构的应用
3. 高分子材料
高分子材料的力学性能、化学反应活性等与其相结构有关。通过控制高分子材料的合成和加工工艺，可以制备出具有不同性能的高分子材料，如塑料、橡胶等
4. 复合材料
复合材料的性能取决于其组成相的结构和性质。通过选择不同的增强体和基体材料，以及优化复合材料的制备工艺，可以制备出具有优异性能的复合材料，如碳纤维增强树脂基复合材料、陶瓷颗粒增强金属基复合材料等
5 结论
结论
1
结论
2
3
相结构是材料科学中的重要概念，对于材料的性能和用途有着决定性的影响

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_第二章-合金的相结构

间隙化合物的熔点、硬度较高，也是强化相。
(2) TCP相 TCP相（topologically close-packed phase）的特点： ①由配位数为12、14、15、16的配位多面体堆垛而成；②呈层状结构。
TCP相类型：①Lavs相 AB2型镁合金、不锈钢中出现
②σ相 AB型或AxBx型有害相
b.间隙化合物间隙化合物的晶体结构比较复杂。其表达式有如下类型： M3C、M7C3、M23C6、M6C。间隙化合物中金属元素M常被其它金属元素所代替形成化合物为基的固溶体（二次固溶体）。
在H、N、C、B等非金属元素中,由于H和N的原子半径很小,与所有过渡族金属都满足rX/rM<0.59,所以过渡族金属的氢化物、氮化物都为间隙相；而硼原子半径rB/rM>0.59较大, rB/rM>0.59，硼化物均为间隙化合物；而碳原子半径处于中间,某些碳化物为间隙相,某些为间隙化合物。
4.超结构—有序固溶体
超结构（super structure/lattice）类型：有序化条件：异类原子之间的相互吸引大于同类原子间有序化影响因素：温度、冷却速度和合金成分
5.金属间化合物的性质及应用（P56）（1）——（7）
CuAu有序固溶体的晶体结构
2.4 离子晶体
离子晶体有关概念 1.离子晶体(ionic crystal) ：由正、负离子通过离子键按
相分类:固溶体和中间相(金属间化合物)
固溶体——
中间相——
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——
（2）原子尺寸因素 △r=（rA－rB)/rA 中间相。 △r越小，越易形成固溶体

材料科学基础知识点

1，晶体。

原子按一定方式在三维空间内周期性地规则重复排列，有固定熔点、各向异性。

2中间相。

两组元A 和B 组成合金时，除了形成以A 为基或以B 为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与A，B 两组元均不相同的新相。

由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相。

3、亚稳相，亚稳相指的是热力学上不能稳定存在，但在快速冷却成加热过程中，由于热力学能垒或动力学的因素造成其未能转变为稳定相而暂时稳定存在的一种相。

4、配位数。

晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。

5、再结晶。

冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状态，这个过程称为再结晶。

6、伪共晶。

非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得到全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金得到的共晶组织称为伪共晶。

7、交滑移。

当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移。

8、过时效；铝合金经固溶处理后，在加热保温过程中将先后析出GP 区，θ ”，θ ’，和θ。

在开始保温阶段，随保温时间延长，硬度强度上升，当保温时间过长，将析出θ ’，这时材料的硬度强度将下降，这种现象称为过时效。

9、形变强化。

金属经冷塑性变形后，其强度和硬度上升，塑性和韧性下降，这种现象称为形变强化。

10、固溶强化。

由于合金元素（杂质）的加入，导致的以金属为基体的合金的强度得到加强的现象。

11、弥散强化。

许多材料由两相或多相构成，如果其中一相为细小的颗粒并弥散分布在材料内，则这种材料的强度往往会增加，称为弥散强化。

12、不全位错。

柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为不全位错。

13、扩展位错。

通常指一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错形态。

14、螺型位错。

位错线附近的原子按螺旋形排列的位错称为螺型位错。

材料科学基础_04材料的原子结构_43合金的相结构_

合金的相结构一.基本概念Ø合金：以一种金属元素为基础，加入另一种或几种金属（非金属）元素组成的具有金属特性的物质。

Ø组元：组成合金的基本单元。

合金中的组元可以是金属元素和非金属元素，也可以是稳定化合物。

两个组元组成的合金称为二元合金，三个组元组成的合金称为三元合金。

合金的名称按其最主要的组元的名称命名，如铜合金、铝合金等。

也可以按主要合金元素的名称命名，如铁–碳合金、铜–锌合金等。

Ø相：合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面互相分开的、均匀的组成部分。

单相合金两相合金Ø显微组织：在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。

显微组织示意图固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类二.固溶体合金结晶时若组元相互溶解所形成固相的晶体结构与组成合金的某一组元相同，则这类固相称为固溶体。

固溶体中含量较多的组元称为溶剂，含量较少的组元称为溶质，固溶体的晶格类型与溶剂组元的晶格类型相同。

按溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同间隙固溶体置换固溶体按溶质原子与溶剂原子的相对分布无序固溶体有序固溶体按固溶度无限固溶体有限固溶体1.置换固溶体金属元素之间一般都能形成置换固溶体，但固溶度往往相差很大。

如：Cu与Ni无限互溶，Zn在Cu中最大溶解度为39%，Pb几乎不溶解于铜。

原因：受元素间原子尺寸、化学亲和力、晶体结构类型等影响。

溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。

2.间隙固溶体特点：a.会引起点阵畸变；b.溶解度与原子大小和溶剂的晶格类型有关；c.间隙固溶体只能是有限固溶体。

当溶质与溶剂的原子半径之比小于0.59时，可能形成间隙固溶体(溶质元素均是原子半径小于0.1nm的非金属元素，溶剂元素则都是过渡族元素）溶质原子分布于溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。

如：溶质元素有C、N、O、H、B 等非金属小半径原子。

(1) 保持着溶剂的晶格类型；(3) 偏聚与（短程）有序(4) 有序固溶体（长程有序化）当固溶体发生偏聚或有序化时，强度和硬度增加，而塑性和韧性降低。

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）

北京科技大学材料科学基础A第2章-固态结构(3)

第三节合金相结构
由两种或多种元素组成、以金属元素为主体、大多通过冶炼或熔合而成、并在宏观上具有一般金属元素所具有的共同特征，这一类材料或物质通称为合金。
纯金属 + 异类原子
怎样进入主组元中
代位固溶体结构间隙固溶体结构金属间化合物类型
第三节合金相结构
一. 影响合金相结构的基本因素 1. 异类原子间的相互作用异类原子间的相互作用与同类原子间的相互作用相比： ≈ 不使能量变化均匀混合 > 使能量降低有序固溶体金属间化合物正常价化合物 < 使能量升高各自集聚、各自固有的晶体结构 2. 原子相对尺寸因素原子尺寸差异，使得点阵发生畸变，引起能量升高，量变结构变得不稳定，结构类型发生变化。质变
第三节合金相结构
元素周期表中同一周期原子序数负电性同一族原子序数负电性
组元间负电性相差越大，
有利于形成化合物，不利于形成固溶体。
形成的化合物越稳定，固溶体的固溶度越小。当电负性差小于0.4～0.5时，才有可能获得较大的固溶度。金属元素 + VIA S、Se、Te, VA P、As、Sb、Bi, IVA Si、Ge、Sn、P
合金元素原子百分数
给定金属晶体结构，电子浓度有限，超过限度，结构不稳定，发生改组一价fcc, C电子<1.4（1.36）一价bcc，C电子<1.5（1.48）
第三节合金相结构
电子浓度确定困难： ① 每个原子不一定都贡献价电子； ② 变价金属的原子价随条件而变； ③ 过渡金属的 ns 层电子既可以为价电子，又可以进入(n-1)d层和(n-2)f层，而 (n-1)d层和(n-2)f层的电子又可能贡献价电子。对于过渡金属的价电子数，通常有两种处理方法：按零处理；确定为除去与惰性气体相当的满壳层电子以外的所有电子。

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第5章材料的相结构及相图一、选择题三元系统相图中，若存在有n条界线，则此系统相图中能连接出（）条连线。

A．3B．n－1C．nD．n＋1【答案】C【解析】三元系统相图中，存在几条界线就能在相图中连接出几条连线。

二、填空题1．Fe-Fe3C相图中含碳量小于______为钢，大于______为铸铁；铁碳合金室温平衡组织均由______和______两个基本相组成；奥氏体其晶体结构是______，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含碳量是______；珠光体的含碳量是______；莱氏体的含碳量为______；在常温下，亚共析钢的平衡组织是______，过共析钢的平衡组织是______；Fe3CⅠ是从______中析出的，Fe3CⅡ是从______中析出的，Fe3CⅢ是从______中析出的，它们的含碳量为______。

【答案】2.11％C；2.11％C；铁素体（a）；渗碳体（Fe3C）；FCC；2.11％；0.77％；4.3％；铁素体和珠光体；珠光体和Fe3CⅡ；液相；奥氏体；铁素体；6.69％2．置换固溶体的溶解度与原子尺寸因素、______、电子浓度因素和______有关。

【答案】电负性；晶体结构三、判断题1．中间相只是包括那些位于相图中间且可以用一个分子式表示的化合物相。

（）【答案】×【解析】凡是位于相图中间的各种合金相结构都统称为中间相，这其中当然包括一个分子式表示的化合物相以及一些固溶体相。

2．三元相图中的三元无变量点都有可能成为析晶结束点。

（）【答案】×【解析】三元相图中三条界线的交点是三元无变量点，也是低共熔点，它的液相同时对三种晶相饱和。

低共熔点也是存在液相的最低温度点。

通过低共熔点平行于底面的平面称为固相面或结晶结束面。

固相面之下全部是固相。

四、名词解释1．中间相答：中间相是指合金中组元之间形成的、与纯组元结构不同的相。

在相图的中间区域。

2．间隙固溶体答：间隙固溶体是指若溶质原子比较小时可以进入溶剂晶格的间隙位置之中而不改变溶剂的晶格类型所形成的固溶体。

材料科学基础@二固体中的相结构

29
第三节陶瓷晶体相
陶瓷材料按用途可分为：结构陶瓷（利用其力学性能）：强度
（叶片、活塞）、韧性（切削刀具）、硬度（研磨材料，刀具等）。
功能陶瓷（利用其物理性能）精细功能陶瓷：导电、气敏、湿敏、生物、超导陶瓷等。功能转换陶瓷：压电、光电、热电、磁光、声光陶瓷等。
30
按结构可分为：氧化物陶瓷，硅酸盐陶瓷。陶瓷的特点：结合键主要是离子键，或含有一定比例的共价键；有确定的成分，可以用准确的分子式表示；具有典型的非金属性质等。
1.间隙相当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。一些间隙相及晶格类型见表1-6。间隙相具有金属特性，有极高的熔点及硬度，非常稳定。
24
表1-6 间隙相的化学式及晶格类型
化学式类型
M4X M2X
MX
MX2
钢中可能遇到的间隙相化学式
Fe4 N ，Nb4 C， Mn4 C
15
四、固溶体的性质 1.点阵常数改变 2.产生强化（1）固溶强化固溶强化的解释：由于溶质原子的溶入导致晶格畸变。从而造成强化。熔质和熔剂原子尺寸相差越大或固熔度越小，固熔强化越显著。（2）有序强化：对于某些具有无序-有序转变的固熔体而言，有序状态的强度高于无序状态。
16
第二节金属间化合物
第二章固体中的相结构
合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。
组元：组成合金最基本的独立的物质。（如一元、二元、三元合金〕，可以是元素，也可以是化合物。
合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。如Fe-C，Fe-Cr等。
1

材料科学基础知识点

材料科学基础第零章材料概论该课程以金属材料、陶瓷材料、高分子材料及复合材料为对象，从材料的电子、原子尺度入手，介绍了材料科学理论及纳观、微观尺度组织、细观尺度断裂机制及宏观性能。

核心是介绍材料的成分、微观结构、制备工艺及性能之间的关系。

主要内容包括：材料的原子排列、晶体结构与缺陷、相结构和相图、晶体及非晶体的凝固、扩散与固态相变、塑性变形及强韧化、材料概论、复合材料及界面，并简要介绍材料科学理论新发展及高性能材料研究新成果。

材料是指：能够满足指定工作条件下使用要求的，就有一定形态和物理化学性状的物质。

按基本组成分为：金属、陶瓷、高分子、复合材料金属材料是由金属元素或以金属元素为主，通过冶炼方法制成的一类晶体材料，如Fe、Cu、Ni等。

原子之间的键合方式是金属键。

陶瓷材料是由非金属元素或金属元素与非金属元素组成的、经烧结或合成而制成的一类无机非金属材料。

它可以是晶体、非晶体或混合晶体。

原子之间的键合方式是离子键，共价键。

聚合物是用聚合工艺合成的、原子之间以共价键连接的、由长分子链组成的髙分子材料。

它主要是非晶体或晶体与非晶体的混合物。

原子的键合方式通常是共价键。

复合材料是由二种或二种以上不同的材料组成的、通过特殊加工工艺制成的一类面向应用的新材料。

其原子间的键合方式是混合键。

密度弹性模量:材料抵抗变形的能力强度:是指零件承受载荷后抵抗发生破坏的能力。

韧性：表征材料阻止裂纹扩展的能力功能成本结构(Structure)性质(Properties)加工(Processing)使用性能(Performance)在四要素中，基本的是结构和性能的关系，而“材料科学”这门课的主要任务就是研究材料的结构、性能及二者之间的关系。

宏观结构←显微镜下的结构←晶体结构←原子、电子结构重点讨论材料中原子的排列方式（晶体结构）和显微镜下的微观结构（显微组织）的关系。

以及有哪些主要因素能够影响和改变结构，实现控制结构和性能的目的。

材料科学基础

9、奥氏体形核时不仅需要（结构）起伏、（能量）起伏，此外还需要（成分）起伏。
10、晶体固液界面分为光滑界面和粗糙界面，按照长大速度由慢到快其长大方式依次为（二维晶核长大）（晶体缺陷长大）和（垂直长大）
11、马氏体是碳在（a-Fe）中的过饱和固溶体，淬火钢中马氏体的金相形态有两种，它们是（板条马氏体）和（针状马氏体）。
27、（13），主要是发生（多边形化）。
28、（15）动态回复与动态再结晶是指在变形过程中（软化与形变硬化）同时进行
三判断
1、层错是由于晶体点阵中局部存在多余的半原子面的结果。
2、位错属于晶体缺陷，又属于线缺陷。√
3、通常晶体中原子的扩散激活能愈高，其扩散系数愈大，扩散速度愉快。
18、根据相律，三元系最大平衡相数为（4），此时自由度（0），在相图上表现为（水平面）。
19、扩散第一定律只适合于（稳态）条件，第一定律所表达的基本含义是：在（）的条件下，制药浓度梯度存在就会有扩散发生，而且扩散通量与浓度梯度成（正比）变化。扩散流动方向是由（高）浓度向（低）浓度。
20、固溶体合金结晶过程中遵循形核和核长大规律，但它不同于纯金属的是形核时还额外需要（成分）起伏，它也是在（变温）过程中进行的，同时在结晶过程中海始终伴随着（异质原子/溶质原子）的扩散。
4、简述固溶体合金与纯金属在结晶过程中的区别。
解答：纯金属在结晶时其界面是粗糙的，在正温度梯度下进行长大。由于晶体长大时通过固相模壁散热，固液界面是等温的，若取得动态过冷度界面就向前移动。如果界面局部有小的凸起伸向过热的液相中，小凸起将被熔化，界面一直保持平直，晶体以平面状长大。
固溶体结晶时会出现成分过冷，在固液界面前出现成分过冷区，此时界面如有任一小的凸起将它伸入成分过冷区而获得过冷就能继续生长下去。界面不能保持平直稳定，会出现树枝晶。

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：
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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。
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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？
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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

材料科学基础-第7章1合金相图

20
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Section 7.2 二元合金相图的建立
相图（Phase Diagram）状态图或平衡相图平衡：在一定条件下合金系中参与相变过程的各相的成分和质量分数不再变化所达到一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般可以认为是平衡的结晶过程。二元合金相图
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Figure (a) Liquid copper and liquid nickel are completely soluble in each other. (b) Solid copper-nickel alloys display complete solid solubility, with copper and nickel atoms occupying random lattice sites. (c) In copper-zinc alloys containing more than 30% Zn, a second phase forms because of the limited solubility of zinc in copper.
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表7-1 铜合金中常见的电子化合物
合金系 Cu-Zn Cu-Sn Cu-Al Cu-Si
电子浓度及所形成相的晶体结构 3/2(21/14) 相 21/13 相 7/4(21/12) 相体心立方复杂立方密排六方 CuZn Cu5Zn8 CuZn3 Cu3Sn Cu31Sn8 Cu3Sn Cu3Al Cu9Al4 Cu5Al3 Cu5Si Cu31Si8 Cu3Si
712金属间化合物1818a间隙相vc面心立方晶格c正交晶系图72间隙相与间隙化合物的晶体结构1919间隙相化学式钢中的间隙相结构类型mxtacticzrcvczrnvntincrnzrhtih面心立方tahnbh体心立方wcmon简单立方mx面心立方表72钢中间隙相的化学式与晶格类型的关系类型间隙相间隙化合物nbcmotacticzrcvccr23377012531202867296050415014034103805302315771277硬度hv20501730148015502850284020101650800表73钢中常见碳化物的硬度与熔点2020型如cr23不少金属间化合物已作为新的功能材料和耐热材料如性能远远超过现在广泛应用的硅半导体材料的金属间化合物砷化镓gaas形状记忆合金材料niti和cuzn储氢材料lanial等等

材料科学基础材料的相结构与相图

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共析钢：由F（铁素体相）+ Fe3C（渗碳体相）双相构成，为双相合金。
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4、合金的显微组织
在显微镜下，合金中各相的形状、大小和分布所构成的综合体称合金组织。
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“相构成组织、组织决定性能”
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例1：钢中的珠光体（P）组织：
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如果外界压力保持恒定（例如一个标准大气压），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。
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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。
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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；
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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。
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3、固溶体分类
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在两相区，两相的质量比可以用杠杆定律求得，即：
QL / Qα = bc/ab 即QL / Qα恰好与它们的杠杆臂成反比关系。杠杆定律只适用于两相区。
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二、单元系相图
单元系相图：是通过几何图形描述由单一组元构成的体系在不同温度和压力条件下所可能存在的相及多相的平衡。现以水为例说明单元系相图的表示和测定方法。
例2、合金渗碳体（Fe、

材料的相结构及相图材料科学基础

第三章材料的相结构及相图第一节材料的相结构1.1置换固溶体当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称为置换固溶体。

金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但溶解度视不同元素而异，有些能无限溶解，有的只能有限溶解。

影响溶解度的因素很多，主要取决于以下几个因素：(1)晶体结构晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件。

只有当组元A和B的结构类型相同时，B原子才有可能连续不断地置换A原子，如图3-1所示。

(2)原子尺寸因素(3)化学亲和力(电负性因素)(4)原子价合金中的电子浓度可按下式计算:月(10口-工)+正工* (100 (3-1)式中A--分别为溶剂；B--溶质的原子价；x--为溶质的原子数分数(％)。

图3-2元素的电负性(虚线表示铁的电负性数值)1.1.2间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。

在间隙固溶体中，由于溶质原子一般都比晶格间隙的尺寸大，所以当它们溶人后，都会引起溶剂点阵畸变，点阵常数变大，畸变能升高。

因此，间隙固溶体都是有限固溶体，而且溶解度很小。

1.1.3固溶体的微观不均匀性为了了解固溶体的微观不均匀性，可引用短程序参数。

短程序参数a定义为1.1.4固溶体的性质(1)点阵常数改变(2)产生固溶强化(3)物理和化学性能的变化1.2中间相1.2.1正常价化合物1.2.2电子化合物1.2.3原子尺寸因素有关的化合物(1)间隙相和间隙化合物(2)拓扑密堆相1.2.4超结构(有序固溶体)金属间化合物由于原子键合和晶体结构的多样性，使得这种化合物具有许多特殊的物理、化学性能，已日益受到人们的重视，不少金属间化合物特别是超结构已作为新的功能材料和耐热材料正在被开发应用。

第二节二元系相图2.1固溶体的类型置换固溶体示意图间隙固溶体示意图缺位固溶体示意图2.2杠杆规则杠杆规则示意图2.3二元系相图的热力学性质2.3.1由吉布斯自由能曲线作公切线的方法绘制相图液态和固态的吉布斯自由能曲线规定纯液态NiO 作为NiO 的标准态，纯固态MgO 作为MgO 的标准态，则形成1mol 固态理想溶液时，体系的吉布斯自由能为 1mol 液态理想溶液时，体系的吉布斯自由能为匚万）=戌丁（吟/n 端白1/1^白1门五瓢白）—12500人源日I 5.6A ^OZ 母份二磕？%兄 ++尺^（七白1口忒口+x 篇目In x 短 J1嬴r + Ktigo把各个温度下不同的xNiO、xMgO值代入上列两式中，就可得到各个温度下液相和固相的吉布斯自由能曲线。

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