6.固溶体的结构和性能
工程材料习题集参考答案(第四章)
习题集部分参考答案4合金的结构与相图思考题1.何谓合金？合金中基本的相结构有哪些？答：合金是指两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。
合金中基本的相结构有固溶体、金属化合物两类。
2.相组成物和组织组成物有何区别？答：相组成物是指组成合金中化学成分、结构和性能均匀一致的部分。
组织组成物是指显微组织中具有某种形貌特征的独立部分。
两者的区别在于相组成物是不涉及金相形态的。
3.固溶体合金和共晶合金的力学性能和工艺性能有什么特点？答：固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，但由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度、硬度提高，且大多固溶体还保持着良好的塑性。
而共晶合金组织为二相混合物时，合金的性能与成分呈直线关系。
当共晶组织十分细密时，硬度和强度会偏离直线关系而出现峰值。
共晶合金熔点低，流动性好，易形成集中缩孔，不易形成分散缩孔，铸造性能较好。
4.合金的结晶必须满足哪几个条件？答：合金的结晶需要满足结构、能量和化学成分三个条件（或者叫三个起伏）。
5.纯金属结晶与合金结晶有什么异同？答：相同点：形成晶核、晶核长大；能量和结构条件。
不同点：合金结晶还需要“化学成分条件”；从结晶的自由度看，纯金属结晶是一个恒温过程，而合金的结晶常常在某个温度范围内进行。
6.固溶体的主要类型有哪些?影响固溶体的结构形式和溶解度的因素有哪些？答：按溶质原子在固溶体(溶剂)晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体；按固溶度可分为有限固溶体和无限固溶体；置换固溶体按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点可分为无序固溶体和有序固溶体。
影响固溶体的结构形式和溶解度的因素很多，目前比较公认的有①原子尺寸因素；②晶体结构因素；③电负性因素；④电子浓度因素。
7、试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理，并说明三者的区别。
答：固溶强化是由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度和硬度增加。
第三节固溶体的结构
AB2和A2B型:
二、电子化合物
金属原子 Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt Cu, Ag, Au Be, Mg, Zn, Cd, Hg Al, In, Ga Sn, Si, Ge, Pb 价电子数 0 1 2 3 4
1.离子尺寸因素 形成固溶体条 件：
R1 − R 2 < 15 % R1
R1>R2
本质：固体膨胀系数>15%,开始融化
热振动的振幅达到键长的15%, 开始熔化
2.晶体结构因素 晶体结构相同是形成连续固溶体的必要条件
3.电负性相近⊿χ<0.4 4.电子浓度因素:
电子浓度是指合金中各组元电子总数与原 子总数之比 e ZA ZB = + a 1− X A X B
三、填隙型固溶体
1. 结构间隙大小起决定作用 2. MgO 3. TiO2 岩盐结构 Mg占据全部八面体空隙 金红石 Ti占据1/2八面体空隙
低温ZrO2 萤石型 Zr 的配位数为8,体心空隙 沸石 笼状结构 空旷 沸石>萤石>金红石>岩盐
固溶度:
电中性,
引起晶格常数变化
第四节 金属间化合物
金属间化合物中各组元的原子占据一定 位置,呈有序排列
3.拓扑密堆相 晶体结构符合拓扑学规律, 两种大小不 同的原子构成的高密度和高配位数合金. 1.拉弗氏相 2.σ相 3.Cr3Si
Cr周围有10 个Cr 和4Si, CN=14
Si周围有12个 Cr, CN=12
第三章 固溶体
rZr 4 0.072nm nm PbZrO3-PbTiO3体系：rTi 4 0.061 0.072 0.061 15.28% 15% 0.072
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材料科学基础
Jiangsu University
材料科学基础
(2)ZrO2是一种高温耐火材料，熔点2680℃，但发生相变时
单斜四方
伴随很大的体积收缩，这对高温结构材料是致命的。若加 入CaO，则和ZrO2形成固溶体，无晶型转变，体积效应减少， 使ZrO2成为一种很好的高温结构材料。
1200C
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材料科学基础
5.形成固溶体后对晶体性质的影响
• 1、 稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生
• 2、活化晶格
• 3、固溶强化
• 4、形成固溶体后对材料物理性质的影响
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材料科学基础
1、稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生
(1) PbTiO3是一种铁电体，纯PbTiO3烧结性能极差，居里 点为490℃，发生相变时，晶格常数剧烈变化，在常温下 发生开裂。PbZrO3是一种反铁电体，居里点为230℃。两 者结构相同，Zr4+、Ti4+离子尺寸相差不多，能在常温生 成连续固溶体Pb(ZrxTi1-x)O3，x=0.1~0.3。在斜方铁电体 和四方铁电体的边界组成Pb(Zr0.54Ti0.46)O3处，压电性能、 介电常数都达到最大值，烧结性能也很好，被命名为PZT 陶瓷。
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固溶体
固溶体
掺杂、溶解
M gVO M g O A l2 O 3 2 ' 2
A l O
O
A l M gO 2x
x
3x(x0~2) 2
原子（离子）尺度
与主相Al2O3相同 均匀单相
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3
固溶体、化合物、机械混合物
形成方式 反应式
化学组成 混合尺度
结构 相组成
化合物 化学反应
M g O A l2 O 3 A lM g 2 O 4 AlMg2O4
原子（离子）尺度 AB2O4型结构－新相
单相
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4
固溶体、化合物、机械混合物
形成方式 反应式
化学组成 混合尺度
结构 相组成
机械混合物 简单的机械混合 MgOAl2O3 均匀混合
MgOAl2O3
晶体颗粒态 MgO结构＋Al2O3结构 两相（或多相），有界面
r1 r2 r1
<15%
形成连续固溶体
15％～30％ 形成有限固溶体
>30%
不能形成固溶体
如：MgO-CoO固溶体，溶质－溶剂晶体可
按任意比例无限互溶
(MgXCo1-X)O，X＝0～1， (rMg2+= 0.08nm; rCo2+=0.074nm)
结构相同 半径相似
【电例负】性半相径近差别大电：价M相gO同-CaO系SS----有限
Z r
i
O
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小结:期在不等价置换固溶体中，可能出现的四种 “组分缺陷”
高价置换低价
阳离子出现空位 阴离子进入间隙 低价置换高价
C2 a K C C C lK l V a K 2 C C C2 a K C C C lK lC a li C C
固溶体
Pb(ZrxTi1-x)O3, x = 0 ~ 1 连续变化。
又称为连续固溶体或完全互溶固溶体
11
有限固溶体 杂质原子在固溶体中的溶解度是有限的，存
在一个溶解度极限。 也称为不连续固溶体或部分互溶固溶体。 例如MgO-CaO体系，虽然两者都是NaCl结构，
MgO-CaO两结构不同，只能形成有限固溶体 或不形成固溶体。
24
4.2.3 离子电荷
离子价相同或离子价态和相同，可形成连续 固溶体。例如：
钠长石Na[AlSi3O8]—钙长石Ca[Al2Si2O8]中, 离子电价总和为+5价：
N a Si4 C a 2 A l3
25
复合钙钛矿型压电陶瓷材料(ABO3型)中，
35
许多存在1种以上氧化态的过渡金属化合物是
非整比的，可看做是一种固溶体。如方铁矿Fe1-xO
Fe123xFe32x O
事实上，方铁矿的实际结构比Fe2+、Fe3+和阳
离子空位遍布于岩盐的八面体阳离子位置要复杂得
多，而代之以缺陷簇的形成。
1 2
O2
FeO 2FeFe
+ VF"e
+ OO
36
2. 填隙阴离子
在CaO稳定的立方氧化锆中有阴离子空位
Zr1xCax O2+x (0≤x≤0.2)
CaO
ZrO2
Ca
" Zr
+ VO
耐火材料和氧离子传导的固体电解质。
38
4. 填隙阳离子
典型代表是“填充硅石”。 硅石（石英、磷石英或方石英）的结构可以
通过Si4+被Al3+部分代替而修饰，与此同时，碱金 属阳离子就进入硅石骨架中正常空着的间隙位置。
工程材料及成型技术基础(吕广庶张元明著)课后习题答案
《工程材料》复习思考题参考答案第一章金属的晶体结构与结晶1．解释下列名词点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体，过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。
答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。
线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。
如位错。
面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。
如晶界和亚晶界。
亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。
亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。
刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。
滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。
如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。
单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。
多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。
过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。
自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。
非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。
变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。
变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。
2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Pb 、Cr 、V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格；γ－Fe 、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格；Mg、Zn属于密排六方晶格；3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。
固溶体和金属化合物的特点
固溶体和金属化合物的特点
固溶体和金属化合物是两种常见的金属合金类型。
下面我们来详细介绍这两种金属合金的特点。
固溶体
固溶体是指由两种或多种金属或金属间化合物组成的均匀固体溶液。
它具有以下特点：
1. 均匀性强：固溶体由多种金属原子组成，它们在晶格中是均匀分布的，这使得固溶体具有均匀性强、结构稳定性高的特点。
2. 可调性强：固溶体的成分可以根据需要进行调整，通过添加不同的元素或改变元素的相对含量，可以得到不同性质的固溶体。
3. 机械性能高：固溶体在机械性能方面表现优良，比如硬度、延展性、强度等性能都较为突出。
4. 抗腐蚀性强：在一些特殊环境下，固溶体能够表现出良好的抗腐蚀性能，可以有效地延长其使用寿命。
金属化合物
金属化合物是指由金属原子和非金属原子组成的化合物，它们具有以下特点：
1. 组成稳定：金属化合物的组成成分是固定的，它们会按照一定比例组成化合物，这保证了化合物的结构与成分的稳定性。
2. 具有高硬度：金属化合物通常是由金属原子和非金属原子之间的牢固键结构构成的，这使这些化合物具有高硬度、高熔点等特点。
3. 抗腐蚀性能好：金属化合物在特定的环境下相对稳定，不会随着时间的增长而发生化学反应而导致腐蚀。
4. 热电性能优良：不同的金属化合物具有不同的热电性能，在制造热电偶、热电电池等方面具有广泛的应用。
总结
固溶体和金属化合物是两种非常重要的金属合金类型。
虽然这两种金属合金有很多相似之处，但它们也有一些显著的不同之处。
简单来说，固溶体注重的是均匀性和可调性，而金属化合物注重的是组成稳定性和硬度性能。
固溶体性能特点及应用
固溶体性能特点及应用
固溶体是指由两种或更多种元素组成的晶体，在化学成分上互相溶解，形成具有稳定结构、统一成份和一致晶格的金属合金。
固溶体具有以下的性能特点：
1. 合金成份可变
固溶体是由两种或多种元素构成的合金，其共同组成的比例可以发生变化。
因此，它具有多种不同的成份或化学组成的可能性。
用这一特性可以研究和制造出各种不同种类的金属材料。
2. 对某些物理性能的改善
当固溶体的组成发生微小变化时，它的物理性能有可能会发生改善。
例如，当合金中含有一定量的铜、镍和铝时，它的强度和硬度都会得到提高。
而当合金中含有适量的铝和钛时，就会增强其耐腐蚀性。
3. 改善材料的可加工性
固溶体的可加工性和成份的比例有密切的关系。
一些金属合金的加工性能，如成型和加工难度以及耐磨性等，都与合金成份的比例相关。
通过改变成份的比例，可以更好的改善合金的可加工性。
4. 优良的力学性能
由于固溶体的共晶固化和固溶体强化机制能够在特定的成份范围内提高合金的强度和硬度。
这种特殊的力学性能在一些特定的应用中得到了应用。
在现代工业中，固溶体应用极为广泛。
例如，身穿纤维防护服的硬质合金、在汽车工业中广泛使用的铝合金轮毂、在火箭发射器发动机上广泛使用的镍等。
另外，固溶体也用于生产儿童玩具、生产家居用品，还广泛用于其他汽车部件的生产，如汽车制动器、车门锁等等。
金属材料与热处理简答
答：①在一定外力作用下不同晶粒的各滑移系的分切应力值相差很大。②它的变形不是孤立的和任意的，临近的晶粒之间必须相互协调配合③多晶体的塑性具有不均匀性。
【19】问：对霍尔-佩奇公式可做如下说明？
答：在多晶体中，屈服强度是与滑移从先塑性变形的晶粒转移到相邻晶粒密切相关的，而这种转移能否发生，主要取决于在已滑移晶粒晶界附近的位错塞积群所发生的应力集中能否激发相邻晶粒滑移系中的位错源，使其开动起来，从而进行协调性的多滑移。根据τ=nτ0的关系式，应力集中τ的大小决定于塞积群的位错数目n，n越大，则应力集中也越大。当外加应力和其他条件一定时，位错数目n是与引起塞积的障碍——晶界到位错源的距离成正比。晶粒越大，则这个距离越大，n也就越大，所以应力集中也越大；晶粒小，则n也小，应力集中也小，因此在同样外加应力下，大晶粒的位错塞积所造成的应力集中激发相邻晶粒发生塑性变形的机会比小晶粒要大的多。小晶粒的应力集中小，则需要再较大的外加应力下才能使相邻晶粒发生塑性变形。这就是为什么晶粒越细，屈服强度越高的主要原因。
【11】问：影响表面能的因素？
答：①外部介质的性质②裸露晶面的原子密度③晶体表面的曲率。此外，表面能的大小还与晶体的性质有关。
【12】问：金属的结晶形核要点？
答：①液态金属的结晶必须在过冷的液体中进行，液态金属的过冷度必须大于临界过冷度，经胚尺寸必须大于临界晶核半径rk。②rk值大小与晶核表面能成正比，与过冷度成反比。③形核既需要结构起伏，也需要能量起伏，二者皆是液体本身存在的自然现象。④晶核的形成过程是源自的扩散迁移过程，因此结晶必须在一定温度下进行。⑤在工业生产中，液体金属的凝固总是以非均匀形核方式进行。
【17】问：孪生的主要特点？
答：①孪生是在切应力的作用下发生的，但孪生所需的临界切应力远远高于滑移时的临界切应力。②只有在滑移很难进行的条件下，晶体才发生孪生变形，如一些具有密排六方结构的金属滑移系少，在晶体取向不利于滑移时常以孪生方式进行塑性变形③孪生变形速度极快，常引起冲击波，并伴随声响。4由于孪晶的形成改变了晶体的位向，从而使其中某些原来位于不利取向的滑移系转变到有利于发生滑移的位置，可以激发进一步的滑移变形，使金属的变形能力得到提高。
工程材料复习题及答案
工程材料复习题及答案一、判断题1、细化晶粒虽能提高金属的强度，但增大了金属的脆性。
（╳）2、结构钢的淬透性，随钢中碳含量的增大而增大。
（╳）3、普通低合金结构钢不能通过热化处理进行强化。
（√）4、置换固溶体必是无限固溶体。
（╳）5、单晶体必有各向异性。
（√）6、普通钢和优质钢是按其强度等级来区分的。
（╳）7、过热钢经再结晶退火后能显著细化晶粒。
（╳）8、奥氏体耐热钢也就是奥氏体不锈钢。
（╳）9、马氏体的晶体结构和铁素体的相同。
（√）10、面心立方金属的塑性比体心立方金属的好。
（√）11、铸铁是含碳量小于2.11%的铁碳合金。
（×）12、晶界是金属晶体的常见缺陷。
（√）13、渗碳体是钢中常见的固溶体相。
（╳）14、金属的塑性变形主要通过位错的滑移进行。
（√）15、金属在进行热加工时，不会产生加工硬化现象。
（√）16、比重偏析不能通过热处理来消除。
17、上贝氏体的韧性比下贝氏体好。
（╳）18、对过共析钢工件进行完全退火可消除渗碳体网。
（╳）19、对低碳低合金钢进行正火处理可提高其硬度。
（√）20、淬火获得马氏体的必要条件之一是其淬火冷却速度必须小于Vk。
（╳）21、氮化件的变形远比渗碳件的小。
（√）22、工件渗碳后直接淬火其开裂倾向比一次淬火的要小。
（√）23、高锰钢在各种条件下均能表现出良好的耐磨性。
（╳）24、无限固溶体必是置换固溶体。
（√）25、金属的晶粒越细小，其强度越高，但韧性变差。
（╳）26、所谓临界冷却速度就是指钢能获得完全马氏体组织的最小冷却速度。
（√）27、钢进行分级淬火的目的是为了得到下贝氏体组织。
（╳）28、对奥氏体不锈钢进行固溶处理的目的是为了提高其强度。
（╳）29、弹簧钢的最终热处理应是淬火+低温回火。
（╳）30、凡单相固溶体均能进行形变强化。
（√）31、陶瓷组织中的气相能起到一定的强化作用。
（╳）32、热塑性塑料一般具有链状或支链状分子结构。
（√）33、凡间隙固溶体必是有限固溶体。
2021年-机械工程材料习题集
第一章材料的性能一、是非题(1)一切材料的硬度越高，其强度也越高。
()(2)静载荷是指大小不可变的载荷，反之则一定不是静载荷。
()(3)所有的金属材料均有明显的屈服现象。
()(4)HRC 测量方便，能直接从刻度盘上读数。
()(5)生产中常用于测量退火钢、铸铁及有色金属的硬度方法为布氏硬度法。
( )(6)材料的强度高，其塑性不一定差。
()(7)材料抵抗小能量多次冲击的能力主要取决于材料的强度。
()(8)只要零件的工作应力低于材料的屈服强度，材料不会发生塑性变形，更不会断裂。
( )(9)蠕变强度是材料的高温性能指标。
( )(10)断裂韧性是反应材料抵抗裂纹失稳扩展的性能指标。
()二、选择题(1) 机械零件在正常工作情况下多数处于()。
A ．弹性变形状态B ．塑性变形状态C．刚性状态D．弹塑性状态(2) 下列四种硬度的表示方法中，最恰当的是()。
A ． 600~650 HBSB ． 12~15 HRCC．：170~230 HBS D ． 80~90 HRC(3) 工程上希望材料的屈服比高些，目的在于()。
A ．方便设计B．便于施工C．提高使用中的安全系数 D ．提高材料的有效利用率(4)ak 值小的金属材料表现为 ()。
A ．塑性差B ．强度差C．疲劳强度差D．韧性差(5) 下面 ()不是洛氏硬度法的优点。
A ．测量迅速简便B ．压痕小c．适应于成品零件的检测D．硬度范围的上限比布氏、维氏硬度高(6) 国家标准规定，对于钢铁材料进行疲劳强度试验时，取应力循环次数为()所对应的应力作为疲劳强度。
A．106B．10 7C．108D．109(7) 涂层刀具表面硬度宜采用 ()法进行测量。
A ．布氏硬度 (HBS)B．布氏硬度 (HBW)C．维氏硬度D．洛氏硬度三、填空题(1) 材料常用的塑性指标有和，其中用___来表示塑性更接近材料的真实变形。
(2)在外力作用下，材料抵抗(3)工程上的屈服比指的是(4)表征材料抵抗冲击性能的指标是(5) 测量HBS 值时所采用的压头是和和的能力称为强度。
合金和固溶体
合金和固溶体一、引言合金和固溶体是材料科学中常见的两个概念。
合金是由两种或两种以上金属元素混合而成的材料，而固溶体是指在固态下，由两种或两种以上物质以原子、离子或分子形式均匀混合而成的固体。
本文将从合金和固溶体的定义、结构特点、性质以及应用方面进行探讨。
二、合金的结构与性质1. 合金的结构合金的结构与其组成元素、比例以及制备方法密切相关。
常见的合金结构包括固溶体、亚晶体、间隙固溶体和化合物等。
其中，固溶体是指合金中溶质原子均匀地溶解在溶剂中的晶体结构。
溶质原子可以替代溶剂晶格中的原子，或者占据晶格间隙位置。
固溶体的形成可以增加合金的强度、硬度、耐腐蚀性等性能。
2. 合金的性质合金相比于纯金属具有许多优异的性能。
例如，合金可以通过调节组分比例来改变其硬度、强度、塑性等力学性能。
此外，合金还可以具有良好的耐腐蚀性、耐高温性、导电性等特点。
不同种类的合金还可以具有特定的磁性、超导性等特殊性质。
三、固溶体的结构与性质1. 固溶体的结构固溶体的结构与其组成物质的性质密切相关。
固溶体可以是金属固溶体、陶瓷固溶体或者聚合物固溶体等。
金属固溶体是指金属元素以原子形式均匀溶解在金属基体中形成的固体溶液。
陶瓷固溶体是指陶瓷材料中的两种或两种以上的离子以原子形式均匀溶解在一起形成的固体溶液。
聚合物固溶体则是指在聚合物基体中以单体形式均匀溶解的固体溶液。
2. 固溶体的性质固溶体的性质取决于其组成物质的性质以及固溶体形成过程中的相互作用。
固溶体可以具有优异的力学性能，如高强度、高硬度等。
此外，固溶体还可以具有良好的导电性、磁性、光学性能等特点。
固溶体中的溶质原子与溶剂原子之间的相互作用也会影响固溶体的热稳定性、耐腐蚀性等性能。
四、合金和固溶体的应用1. 合金的应用合金在工业生产和日常生活中有广泛的应用。
例如，钢是一种铁碳合金，具有高强度、耐腐蚀性等特点，被广泛用于建筑、桥梁、汽车制造等领域。
另外，铝合金具有较低的密度和良好的强度，被广泛应用于航空航天、汽车工业等领域。
材料化学-固溶体
4.4 异价取代固溶体
等价取代，可以保持电荷平衡； 异价取代，需要形成缺陷以保持电荷平衡： 1. 空位或填隙子 —— 离子补偿； 2. 电子或空穴 —— 电子补偿。
28
离子补偿机制
阳离子空位： 基质结构中的阳离子被高价阳离子取代时，可以通过形成
阳离子空位来达到电荷平衡。 实例：CaCl2 掺杂 NaCl：Na1-2xCaxVxCl
向于生成有限固溶体。
16
无限固溶体实例：Pb(Zr,Ti)O3
压电材料 BaTiO3（(A2+B4+)O3 型钙钛矿结构化合物）： Ba —— Pb，Sr，Ca等等取代； Ti —— Zr，Sn等等取代； —— 复合化合物(A1,A2,…Ak)(B1,B2,…Bl)O3（钙钛矿结
构）：
17
决定固溶体的形成能力。
41
4.6 固溶体的性质
杂质 进入
晶格 常数
机械 性能
密度
光学 性能
电性能
42
卫格定律（Vegare’s Law）与雷特格定律（Retger’s Law）：固溶体中，晶胞的尺寸随组成连续变化，对于立 方结构的晶体，晶格常数与组成的关系可以表示为： (ass )n (a1)n c1 (a2 )n c2
35
2. 阴离子吸附形成的阳离子空位：
例如，氧化物加热时吸收氧，氧分子离解，氧原子从低 氧化态过渡金属得到电子形成 O2- 离子，
实例：
NiO O2 Ni123x Ni23xVNi,xO
绝缘体
半导体
36
阴离子填隙： 混合价阳离子伴随填隙阴离子而形成。
实例：高温超导体 YBa2Cu3O 体系。 1. 当 = 6，Cu：+1，+2 的混合价； 2. 当 = 6.5，Cu：+2 价； 3. 当 = 7，Cu：+2，+3 的混合价。
大连理工大学 材料科学导论 第二章 材料“四要素”是材料研究与应用的共性基础答案
第二章材料科学与工程的四个基本要素作业一第一部分填空题（10个空共10分，每空一分）1．材料科学与工程有四个基本要素，它们分别是：使用性能、材料的性质、结构与成份和合成与加工。
2．材料性质的表述包括力学性质、物理性质和化学性质。
3．强度可以用弹性极限、屈服强度和比例极限等来表征。
4．结构材料三类主要的失效形式分别是：断裂、磨损和腐蚀。
5．材料的结构包括键合结构、晶体结构和组织结构。
6．晶体结构有三种形式，它们分别是：晶体、非晶体和准晶体。
7．化学分析、物理分析和谱学分析是材料成分分析的三种基本方法。
8．材料的强韧化手段主要有固溶强化、加工强化、弥散强化、第二相强化和相变增韧。
第二部分判断题（10题共20分，每题2分）1．材料性质是功能特性和效用的描述符，是材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应。
（√）2．疲劳强度是材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。
（√）3．硬度是指材料在表面上的大体积内抵抗变形或破裂的能力。
（错）4．性能是包括材料在内的整个系统特征的体现；性质则是材料本身特征的体现。
（√）5．晶体是指原子排列短程有序，有周期。
（错）6．材料的热处理是指通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料的相组成情况，达到改变材料性能的方法。
（√）7．材料表面工程包括表面改性和表面保护两个方面。
（错）8．材料复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。
（√）9．材料合成与加工过程是在一个不限定的空间，在给定的条件下进行的。
（错）10．材料中裂纹的形成和扩展的研究是微观断裂力学的核心问题。
（√）第三部分简答题（4题共40分，每题10分）1．材料性能的定义是什么？答：在某种环境或条件作用下，为描述材料的行为或结果，按照特定的规范所获得的表征参量。
2．金属材料的尺寸减小到一定值时，材料的工程强度值不再恒定，而是迅速增大，原因有哪两点？答：1）按统计学原理计算单位面积上的位错缺陷数目，由于截面减小而不能满足大样本空间时，这个数值不再恒定；2）晶体结构越来越接近无缺陷理想晶体，强度值也就越接近于理论强度值。
固溶体---
•
PbZrO3和PbTiO3的Zr4+(0.072nm)与Ti4+(0.061nm),比值 ： 0.072 0.061 15.28% 15% 高温立方相稳定，所以为连续SS 0.072
• 在石榴石Ca3Al2(SiO4)3和Ca3Fe2(SiO4)3中，均为孤岛状结构， Fe3+和Al3+能形成连续置换，因为它们的晶胞比氧化物大八倍， 结构的宽容性提高。 • Fe2O3和Al2O3(0.0645nm和0.0535nm),比值 ： 0.0645 0.0535 17.05% 0.0645
MgO Al2O3
晶体颗粒态 MgO结构＋Al2O3结构 两相（或多相），有界面
4
二.从热力学角度分析---由 G＝ H－T S关系式讨
论：
(1) 溶质原子溶入溶剂晶格内，使H大大提高——不
能生成SS。
(2)溶质原子溶入溶剂晶格内——大大地降低H ， 系统趋向于形成一个有序的新相，即生成化
R(Mg2+)=0.072nm， R(Ca2＋)=0.1nm
0.08－0.074 15％ (0.1-0.072)/0.1=28%>15% =7.5％＜ 2018/10/20 0.08
11
(2) 晶体的结构类型
形成连续固溶体，两个组分应具有相同的晶体结构或化学式类似。
•
MgO和NiO、Al2O3和Cr2O3、 Mg2SiO4和Fe2SiO4、
<15%
>30%
形成连续固溶体
不能形成固溶体
15％～30％ 形成有限固溶体
如：MgO-CoO固溶体，溶质－溶剂晶体可
按任意比例无限互溶
(MgXCo1-X)O，X＝0～1，
“材料科学与工程基础”第二章习题 答案题目整合版要点
“材料科学与工程基础”第二章习题1. 铁的单位晶胞为立方体，晶格常数a=0.287nm ，请由铁的密度算出每个单位晶胞所含的原子数。
ρ铁＝7.8g/cm3 1mol 铁＝6.022×1023 个=55.85g所以， 7.8g/1(cm)3=(55.85/6.022×1023)X /(0.287×10-7)3cm3X ＝1.99≈2（个）2.在立方晶系单胞中，请画出：（a ）[100]方向和[211]方向，并求出他们的交角； （b ）（011）晶面和（111）晶面，并求出他们得夹角。
（c ）一平面与晶体两轴的截距a=0.5,b=0.75,并且与z 轴平行,求此晶面的密勒指数。
（a ）[2 1 1]和[1 0 0]之夹角θ＝arctg2=35.26。
或cos θ==， 35.26θ=（b ）cos θ==35.26θ= （c ） a=0.5 b=0.75 z = ∞倒数 2 4/3 0 取互质整数（3 2 0）3、请算出能进入fcc 银的填隙位置而不拥挤的最大原子半径。
室温下的原子半径R ＝1.444A 。
（见教材177页） 点阵常数a=4.086A最大间隙半径R’=（a-2R ）/2=0.598A4、碳在r-Fe （fcc ）中的最大固溶度为2.11﹪(重量百分数),已知碳占据r-Fe 中的八面体间隙,试计算出八面体间隙被C 原子占据的百分数。
在fcc 晶格的铁中，铁原子和八面体间隙比为1：1，铁的原子量为55.85，碳的原子量为12.01所以 （2.11×12.01）/(97.89×55.85)＝0.1002 即 碳占据八面体的10％。
5、由纤维和树脂组成的纤维增强复合材料，设纤维直径的尺寸是相同的。
请由计算最密堆棒的堆垛因子来确定能放入复合材料的纤维的最大体积分数。
见下图，纤维的最密堆积的圆棒，取一最小的单元，得，单元内包含一个圆（纤维）的面积。
固溶体
固溶体所谓固溶体是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂类型的合金相。
这种相称为固溶体，这种组元称为溶剂，其它的组元即为溶质。
工业上所使用的金属材料，绝大部分是以固溶体为基体的，有的甚至完全由固溶体所组成。
例如，广泛用的碳钢和合金钢，均以固溶体为基体相，其含量占组织中的绝大部分。
因此，对固溶体的研究有很重要的实际意义。
● 固溶体的分类按溶质原子在晶格中的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体。
1、置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体。
当溶剂和溶质原子直径相差不大，一般在15％以内时，易于形成置换固溶体。
铜镍二元合金即形成置换固溶体，镍原子可在铜晶格的任意位置替代铜原子。
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间隙固溶体。
间隙固溶体的溶剂是直径较大的过渡族金属，而溶质是直径很小的碳、氢等非金属元素。
其形成条件是溶质原子与溶剂原子直径之比必须小于0.59。
如铁碳合金中，铁和碳所形成的固溶体――铁素体和奥氏体，皆为间隙固溶体。
●按固溶度来分类：可分为有限固溶体和无限固溶体。
无限固溶体只可能是转换固溶体。
● 按溶质原子与溶剂原子的相对分布来分；可分为无序固溶体和有序固溶体这两点各位有时间补充说明下● 固溶体的性能当溶质元素含量很少时，固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。
但随溶质元素含量的增多，会使金属的强度和硬度升高，而塑性和韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。
置换固溶体和间隙固溶体都会产生固溶强化现象。
适当控制溶质含量，可明显提高强度和硬度，同时仍能保证足够高的塑性和韧性，所以说固溶体一般具有较好的综合力学性能。
因此要求有综合力学性能的结构材料，几乎都以固溶体作为基本相。
这就是固溶强化成为一种重要强化方法，在工业生产中得以广泛应用的原因。
第二节金属学及热处理基本知识一、金属晶体结构的一般知识众所周知，世界上的物质都是由化学元素组成的，这些化学元素按性质可分成两大类：第一大类是金属，化学元素中有83种是金属元素。
单片机原理 固溶体
单片机原理固溶体
单片机原理固溶体是一种在单片机应用中常见的现象，它是指在单片机的晶体管和其他元件中，固体溶解在固体中形成的溶体。
这种固溶体在单片机的工作中起着至关重要的作用，影响着单片机的性能和稳定性。
单片机是一种集成了微处理器、存储器和输入输出接口等功能于一体的微型计算机系统。
它广泛应用于各种电子设备中，如家用电器、汽车电子、通讯设备等。
单片机的原理是通过内部的晶体管和其他元件来实现各种功能，而固溶体则是这些元件中不可或缺的一部分。
固溶体的形成是在单片机制造过程中的一个重要环节。
在制造单片机时，晶体管和其他元件需要经过一系列的工艺步骤，包括热处理、掺杂等，以形成所需的电子结构。
在这个过程中，固溶体的形成起着至关重要的作用。
固溶体是由两种或多种固体物质在一定条件下混合而成的，它们之间形成了一种均匀的结构。
固溶体在单片机中的作用主要体现在两个方面。
首先，固溶体的形成可以改善晶体管和其他元件的性能，使其具有更好的导电性和稳定性。
其次，固溶体还可以改善单片机的工作环境，提高其抗干扰能力，减少电磁辐射等对单片机的影响。
在单片机的应用中，固溶体的形成需要严格控制各种工艺参数，以确保固溶体的形成是均匀和稳定的。
否则，固溶体的不均匀性会导
致单片机的性能下降，甚至影响到整个系统的正常工作。
总的来说，单片机原理固溶体是单片机制造中的一个重要环节，它对单片机的性能和稳定性起着至关重要的作用。
只有严格控制固溶体的形成过程，才能保证单片机的正常工作和稳定性。
希望通过本文的介绍，读者对单片机原理固溶体有了更深入的了解。
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()五固溶体的结构
固溶体的结构发生了变化：
虽然固溶体仍保持着溶剂的晶格类型，但若与纯组元相比，结构还是发生了变化，有的变化还相当大，主要表现在以下凡个方面：晶格畸变；偏聚与有序；有序固溶体
()A晶格畸变
造成晶格畸变形成弹性应力场
由于溶质与溶剂的原子大小不同，因而在形成固溶体时，必然在溶质原子附近的局部范围内造成晶格畸变，并因此而形成一个弹性应力场。
晶格畸变的大小可由晶格常数的变化所反映
对置换固溶体来说，当溶质原子较溶剂原子大时，晶格常数增加；反之，当溶质原子较溶剂原子小时,则晶格常数减小。
形成间隙固溶体时，晶格常数总是随着溶质原子的溶入而增大。
()B偏聚与有序
1.长期以来，人们认为溶质原于在固溶体中的分布是统计的、均匀的和无序的，
如图3-8a所示。
2.但经X射线精细研究表明，溶质原子在固溶体中的分布，总是在一定程度上
偏离完全无序状态，存在着分布的不均匀性
3.当同种原子间的结合力大于异种原子间的结合力时，溶质原子倾向于成群地
聚集在一起，形成许多偏聚区图3.8
4. 反之，当异种原子（即溶质原子和溶剂原子）间的结合力较大时，则溶质原
子的近邻皆为溶剂原子，溶质原子倾向于按一定的规则呈有序分布，这种有序分布通常只在短距离小范围内存在，称之为短程有序(图3-8c)
()C 有序固溶体
有序固溶体的概念
● 具有短程有序的固溶体，当低于某一温度时，可能使溶质和溶剂原子在整个
晶体中都按―定的顺序排列起束，即由短程有序转变为长程有序，这样的固溶体称为有序固溶体。
● 当溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布时，
这种固溶体就叫有序固溶体
有序固溶体有确定的化学成分可以用化学式来表示
● 例如在Au Cu -合金中，当两组元的原子数之比()Au Cu :即等于1:1()CuAu 和
3:1()Au Cu 3时，在缓慢冷却条件下，两种元素的原子在固溶体中将由无序排列转变为有序排列，铜、金原子在晶格中均占有确定的位置，如图3.9所示 ● 对CuAu 来说，铜原子和金原于按层排列于()001晶面上，一层晶面上全部是
铜原子，相邻的一层全部是金原子
● 由于铜原子较小，故使原来的面心立方晶格略变形为93.0=a
c 的四方晶格 ● 对Au Cu 3来说，金原子位于晶胞的顶角上，铜原子则占据面心位置 固溶体的有序化温度：
当有序固溶体加热至某一临界温度时，将转变为无序固溶体,而在缓慢冷却至这一温度时，又可转变为有序固溶体。
这一转变过程称为有序化.发生有序化的临界温度称为固溶体的有序化温度。
无序变有序的性能突变：
当无序固溶体转变为有序固溶体时，性能发生突变：硬度及脆性显著增加，而塑性和电阻则明显降低。
有序固溶体的相本质：
由于溶质和溶剂原子在晶格中占据着确定的位置，因而发生有序化转变时有时会引起品格类型的改变。
严格说来，有序固溶体实质上是介于固溶体和化合物之间的一种相，但更接近于金属化合物。
()五固溶体的性能
总的来说固溶强化：
随着溶质浓度的增加强度硬度升高塑性韧性下降
强化效果：
1.原子尺寸相差越大晶格畸变越大强化效果越好
2.间隙固溶体强化效果强于置换固溶体，因为造成的晶格畸变大
固溶体的硬度和屈服强度和抗拉强度
一般来说，固溶体的硬度、屈服强度和抗拉强度等总是比组成它的纯金属的平均值高，随着溶质原子浓度的增加，硬度和强度也随之提高。
固溶体的塑性韧性方面
在塑性韧性方面，如延伸率、断面收缩率和冲击功等，固溶体要比组成它的两个纯金属的平均值低，但比一般化合物要髙得多。
因此，综合起来看，固溶体比纯金属和化合物具有较为优越的综合机械性能，因此，各种金属材料总是以固溶体为其基体相。