材料科学基础_第二章-合金的相结构

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(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。
(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。
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。
间隙固溶体示意图1
间隙固溶体示意图2
间隙固溶体中的点阵畸变
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。
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
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
△r越大,越易形成
(3)原子价因素(电子浓度因素):
硅酸盐晶体的结构特点:
(1)构成的基本结构单元是由Si和O组成的[SiO4]4-四面体。
(2)每个O最多只能为两个[SiO4]4-四面体所
(3)立连[S地接iO在成4]结单四构链面中、体存中双在未链饱,或和也成的可层O以状和通、金过网属[状S正i等O离4复]子4杂-共结结用合构四后,但面,不体可能顶以独点共
C电子=[A(100-x) +Bx]/100 C越大,越易形成 化合物; C越小,越易形成固溶体
2.3.1 固溶体
固溶体(solid solution) : 固溶体的最大特点是保持溶剂的晶体结构。
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。 间隙固溶体(interstitial solid solution) :溶质原子分布 于溶剂晶格间隙中。
电子浓度 = (化合物元素价电子总数 / 化合物原子数)
注:计算时过渡族元素时价电子数视为0。
电子浓度、相、结构对应关系如下:
C电子==7/4(即21/12) ε 密排六方结构
C电子==21/13
γ 复杂立方结构
C电子==3/2(即21/14) β 体心立方结构
β-Mn 复杂立方或密排六方结构
电子价化合物具有金属特性,具有高熔点、高硬度但塑性 低,与固溶体适当搭配使合金得到强化,作为非Fe合金中重 要组成相。
3.原子尺寸因素有关的化合物-A
尺寸因素有关的化合物(size-factor compound)类型与组成元素的 原子尺寸关别关。比较复杂。
(1) 间隙相和间隙化合物 间隙相和间隙化合物是由过渡族金属(M)与 原子半径很小的非金属元素(X)(C、H、N、B等)组成的。 rX/rM<0.59时形成简单结构的间隙相 rX/rM>0.59时形成复杂结构的间隙化合物
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
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。
固溶体的两种类型(置换和间隙)
有序固溶体-短程
有序固溶体-长程
有序固溶体-偏聚
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。
按其自身大小居于相应负离子空隙(负离子配位多面体)。
4.配位数CN(coordination number) :与某一离子邻 接的异号离子的数目。取决于正负离子的半径比R+/R—, 常见的是4、6、8, 不同配位数时,离子半径间关系为:
0.97 γCN=8≈γCN=6≈1.1γCN=4 5.负离子配位多面体:离子晶体中与某一正离子成配位
➢ 中间相中原子的结合方式为金属键与其它结合键相混合的 方式。它们都具有金属特性。
➢ 中间相如:钢中Fe3C、铝铜合金中CuAl、黄铜中CuZn、 半导体中GaAs、形状记忆合金中NiTi和CuZn、核反应堆 材料中Zr3Al、储氢能源材料中LaNi5等。
➢ 中间相分类:正常价化合物、电子化合物、原子尺寸有关 化的化合物(间隙相、间隙化合物、TCP相)、超结构。
1.正常价化合物
正常价化合物(valence compound)是一些金属与 电负性较强的ⅥA、ⅤA、ⅣA族的一些元素按照化学上 的原子价规律所形成的化合物。其特点是符合化合物规 律。具有严格的化合比、成分固定不变,成分可用化学 式表示,一般为AB型、AB2型或A2B型、A3B2型。
正常价化合物的晶体结构通常对应于同类分子式的离子 化合物结构。例如:A2B型 Mg2Pb Mg2Sn Mg2Ge Mg2Si AB型 MgS MnS FeS
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
置换固溶体:r质>r剂,a增大;r质<r剂,a减小。 间隙固溶体:a始终随溶质原子溶入而增大。 (2)固溶强化:溶质原子溶入,使其硬度和强度升高。 (3)物理化学性能改变。
2.3.2 中间相
➢ 中间相是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相,它 可以是化合物,也可以是以化合物为基的固溶体(二次固溶 体),一般可以用化学分子式来表示,但不一定符合化合价规 律。
正常价化合物在常温时有很高的硬度和脆性。在工业合 金中,能起到提高材料强度和硬度的作用,称为强化相。如 Al-Mg-Si合金中Mg2Si;但有时也是有害相,如钢中 FeS会引起钢的脆性。
Fra Baidu bibliotek
2.电子化合物
电子化合物(electron compound)是由ⅠB族(Cu、 Au、Ag)或过 渡族金属(Fe、Co、Ni)与ⅡB、ⅢA、 ⅣA族元素形成的金属化合物。电子价化合物的特点是不 遵循原子价规律,电子浓度是决定其晶体结构的主要因素。 电子浓度相同,相的晶体结构类型相同。
3. A2B3型 α- Al2O3 4. ABO3型(1) CaTiO3(钙钛矿、灰钛矿)型
(2) CaCO3(方解石)型、三方晶系 5. AB2O4型 尖晶石(MgAl2O4)
CsCl型结构
NaCl型结构
CaF2型结构
2.4.3 硅酸盐的晶体结构
硅酸盐的结构组成:硅氧骨干一硅和氧按不同比例组 成的负离子团、硅氧骨干以外的正离子和负离子。
置换固溶体示意图
置换固溶体大小溶质原子引起的点阵畸变
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)。
➢ 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。
第二章 固体结构(Solid Structure)
2.3 合金相结构
重点掌握: 1.合金、相、组织、固溶体、中间相(金属间化合物)的概念 2.固溶体、中间相的分类、特点和用途
一般了解 1. 离子、共价和聚合物的晶态结构及相对应的性能特点
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。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。 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。
关系而邻接的各负离子中心线所构成的多面体。
6.离子晶体的特点:离子键、硬度高、强度大、熔点高、 等。典型的离子晶体是无色透明的。
2.4.1 离子晶体的结构规则—鲍林规则
1. 负离子配位多面体规则 这一规则符合最小内 能原理
2. 电价规则 3. 负离子多面体共用顶、棱、面的规则 共用点、
棱、面,会降低结构稳定性 4. 不同种类正离子多面体间连接规则 电价高、配
一定方式堆积起来而形成的。陶瓷大多数属于离子晶体。 2.离子半径(ionic radius) :从原子核中心到其最外层电
子的平衡距离。对离子晶体,通常认为晶体中相邻的正负 离子中心之间的距离作为正负离子半径之和,即
R0=R++R- 。但 利用x射线可求得R。离子半径大小并非
绝对,同一离子随着价态和配位数而变。 3.离子堆积:离子晶体通常由负离子堆积成骨架,正离子
a、间隙相 间隙相的晶格类型比较简单且与组元的结构不同。在间隙相 晶格中金属原子占据正常位置,非金属原子占据间隙位置,有如下规律: rX/rM<0.414时进入四面体间隙 rX/rM>0.414时进入八面体间隙 化学式:M4X M2X MX MX2。间隙相的化学式与晶格类型有 一定的对应关系。表2.11. 间隙相具有金属特性如有金属光泽、良好的导电性、极高的硬度和 熔点,是合金工具钢、硬质合金和高温金属陶瓷材料的重要组成相。
棱和共面。同一类硅酸盐中, 一种。
[SiO4]4-四面体连接方式只有
(4)[SiO4]4-中Si-O-Si结合键不是一条直线,呈145º夹角。
四面体中硅与氧原子位置
硅酸盐的分类
位数低的正离子配位多面体之间有尽量互不结合 的趋势. 5. 节约规则 同种正离子和同种负离子的结合方式 应最大限度地趋于一致.
2.4.2 典型的离子晶体
1. AB型 (1) CsCl型 (2) NaCl型 (3) 立方ZnS(闪锌矿)型: (4) 六方ZnS(纤锌矿)型:
2. AB2型(1) CaF2(萤石型) (2) TiO2(金红石)型 (3)β-SiO2(方晶石.方石英)型
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