固溶体-课件(6)
合集下载
过饱和固溶体的脱溶沉淀课件
❖ 出现原因：碳原子的扩散能力不同
21
②低碳和中碳M的分解
❖
得到：回火马氏体
（3）残留奥氏体的转变
（200-300 ℃） ❖ 钢中Wc>0.4%时，就有AR ❖ AR存在既有好处也有坏处 ❖ AR与过冷A的差别：
高碳；三向压应力
22
① AR向P和B的转变
❖ AR向P的转变与过冷A差别不大；
❖ AR向B的转变被提前：M的存在促进B转变（图7-12）
原子富集区，称为GP区，呈盘状，只有几
个原子层厚。其晶体结构类型仍与基体α
相同，并与基体保持共格关系，所不同之
处是GP区中铜原子的浓度较高，引起点阵
的严重畸变，阻碍位错运动，因而合金的
强度、硬度提高。
9
固态相变
2）铜原子富集区有序化
随着时效时间的延长，将形成介稳相″,成分接 近于Al2Cu，正方点阵。在GP区的基础上Cu 原子进一步偏聚，GP区进一步扩大，并有序 化，即形成有序的富铜区，称为θ’’ 相。呈盘 状，与母相有一定取向关系。由于θ’’相与基体 仍保持共格关系，因此其周围基体产生弹性畸 变，它比GP区周围的畸变更大，对位错运动 的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大， 为最大强化的阶段。
4）形成稳定θ相
时效后期，过渡相θ′从铝基固溶体中完全脱溶， 形成与基体有明显相界面的独立的稳定相CuAl2， 称为θ相，正方点阵，轴比c/a相对于′又下降。 此时θ相与基体的共格关系完全破坏，共格畸变也 随之消失。并随时效温度的提高或时间的延长，θ 相的质点聚集长大合金的强度、硬度进一步降低。
❖ 4％Cu-Al合金时效的基本过程可以概括为：
23
（4）碳化物的析出，200-700 ℃
24
合金的结构及相图 ppt课件
• 是由第一族元素、过渡族元素与第二至第 五族元素结合而成
• 此类化合物不遵守原子价规律，而是服从 电子浓度规律，即按照一定的电子浓度组 成一定的晶格结构的化合物
• 电子浓度是化合物中价电子数与原子数之 比
课件
17
• 如CuZn化合物，其原子数为2，Cu的价电 子数为1，Zn 价电子数为2，故其电子浓度 为3/2。
课件
34
课件
35
2) 两平衡相相对量的确定
• 在两相区内，对特定的温度，两相的质量 比是一定值。图12-28(b)中wNi=x%成分的 合金，在T1温度时，两相的质量之比，可 用下式表达：
m l xc m a ax
• 式中：ml为L相的质量；ma为相反质量； xc、ax为线段长度。
课件
36
质量相对量wl、wa可由式下计算：
课件
25
在下面的讨论中将用到以下这些概念：
• 组元：组成合金的最简单、最基本、能独立存在的物质称 为组元。元素是组元。此外，在研究问题范围内既不分解 也不发生任何化学反应的稳定的化合物也是组元。
• 合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系 列不同成分的合金，称为合金系。
• 相图：表示合金系在平衡条件下，合金的状态与成分、温 度之间相互关系的图形。所谓平衡，也称为相平衡。是指 合金在相变过程中，原子能充分扩散，各相的成分相对质 量保持稳定，不随时间改变的状态。在实际的加热或冷却 过程中，控制十分缓慢的加热或冷却速度，就可以认为是 接近了相平衡条件。
课件
33
(3) 杠杆定律
• 当合金处于两相区内任一温度时，L、α相 的成分及两相的相对量可按下述方法确定 ：
1) 两相成分的确定 • 如图1.2-27所示，过温度（t1）作水平线，
• 此类化合物不遵守原子价规律，而是服从 电子浓度规律，即按照一定的电子浓度组 成一定的晶格结构的化合物
• 电子浓度是化合物中价电子数与原子数之 比
课件
17
• 如CuZn化合物，其原子数为2，Cu的价电 子数为1，Zn 价电子数为2，故其电子浓度 为3/2。
课件
34
课件
35
2) 两平衡相相对量的确定
• 在两相区内，对特定的温度，两相的质量 比是一定值。图12-28(b)中wNi=x%成分的 合金，在T1温度时，两相的质量之比，可 用下式表达：
m l xc m a ax
• 式中：ml为L相的质量；ma为相反质量； xc、ax为线段长度。
课件
36
质量相对量wl、wa可由式下计算：
课件
25
在下面的讨论中将用到以下这些概念：
• 组元：组成合金的最简单、最基本、能独立存在的物质称 为组元。元素是组元。此外，在研究问题范围内既不分解 也不发生任何化学反应的稳定的化合物也是组元。
• 合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系 列不同成分的合金，称为合金系。
• 相图：表示合金系在平衡条件下，合金的状态与成分、温 度之间相互关系的图形。所谓平衡，也称为相平衡。是指 合金在相变过程中，原子能充分扩散，各相的成分相对质 量保持稳定，不随时间改变的状态。在实际的加热或冷却 过程中，控制十分缓慢的加热或冷却速度，就可以认为是 接近了相平衡条件。
课件
33
(3) 杠杆定律
• 当合金处于两相区内任一温度时，L、α相 的成分及两相的相对量可按下述方法确定 ：
1) 两相成分的确定 • 如图1.2-27所示，过温度（t1）作水平线，
过饱和固溶体ppt课件
0.13b ln r b
位错绕过模型
23
Thanks
24
25
Al-Cu合金合金时效图 （a）130℃ （b）190℃
2
Al-Cu合金相图
3
α0→ α1+GP区→ α2+θ”→ α3+θ’→ α4+θ
名称
实质
GP区
溶质原子 （Cu）的 偏聚区
θ”相 介稳相
θ’相 介稳相 θ相 平衡相
形
貌
界面结构
Al〈100〉晶向弹性模量小，Cu偏聚 在α相的{100}晶面，直径8nm，厚度 0.3-0.6nm。
16
1. 调幅分解的热力学条件
G ΔG2
ΔG1
X1
X2
自由能成分曲线
合金（X1）：ΔG1>0 合金（X2）：ΔG2<0
X
2G X 2
0
2G X 2
0
调幅分解的必要条件
17
2. 调幅分解的必要条件
（1）梯度能：调幅分解时，固溶体中产生尺寸很小 的溶质原子贫化区和富化区，随着分解的进行，在贫 化区和富化区之间的浓度梯度越来越大，从而影响原 子间的化学键，使原子的化学位升高，这部分能量称 为梯度能。 （2）弹性应变能：调幅分解时，固溶体的点阵常数 随化学成分变化而变化，如果贫化区和富化区保持共 格，必然使点阵畸变而引起共格应变能。
梯度能和弹性应变能都是调幅分解的阻力，驱动 力必须大于阻力，才能发生调幅分解。
18
六. 沉淀Cr Ce exp 2 V / RTr
Cr :界面处母相浓度 Ce : 母 相 平 衡 浓 度
： 界 面 能
V： 沉 淀 相 摩 尔 体 积 R： 气 体 常 数 T： 温 度
位错绕过模型
23
Thanks
24
25
Al-Cu合金合金时效图 （a）130℃ （b）190℃
2
Al-Cu合金相图
3
α0→ α1+GP区→ α2+θ”→ α3+θ’→ α4+θ
名称
实质
GP区
溶质原子 （Cu）的 偏聚区
θ”相 介稳相
θ’相 介稳相 θ相 平衡相
形
貌
界面结构
Al〈100〉晶向弹性模量小，Cu偏聚 在α相的{100}晶面，直径8nm，厚度 0.3-0.6nm。
16
1. 调幅分解的热力学条件
G ΔG2
ΔG1
X1
X2
自由能成分曲线
合金（X1）：ΔG1>0 合金（X2）：ΔG2<0
X
2G X 2
0
2G X 2
0
调幅分解的必要条件
17
2. 调幅分解的必要条件
（1）梯度能：调幅分解时，固溶体中产生尺寸很小 的溶质原子贫化区和富化区，随着分解的进行，在贫 化区和富化区之间的浓度梯度越来越大，从而影响原 子间的化学键，使原子的化学位升高，这部分能量称 为梯度能。 （2）弹性应变能：调幅分解时，固溶体的点阵常数 随化学成分变化而变化，如果贫化区和富化区保持共 格，必然使点阵畸变而引起共格应变能。
梯度能和弹性应变能都是调幅分解的阻力，驱动 力必须大于阻力，才能发生调幅分解。
18
六. 沉淀Cr Ce exp 2 V / RTr
Cr :界面处母相浓度 Ce : 母 相 平 衡 浓 度
： 界 面 能
V： 沉 淀 相 摩 尔 体 积 R： 气 体 常 数 T： 温 度
固溶体晶格参数的测定原理及应用课件
原子力显微镜法
总结词
利用原子力显微镜探针扫描固溶体表 面，通过测量探针与表面原子间的相 互作用力，推算晶格参数。
详细描述
原子力显微镜利用极其敏感的探针来 检测固溶体表面原子间的相互作用力 。通过分析这些力与晶格结构之间的 关系，可以间接推算出晶格参数。
02
固溶体晶格参数的应用
材料性能预测
弹性模量
04
在药物设计与释放方面，利用 固溶体晶格参数可以更好地了 解药物分子的溶解度和扩散行 为。通过测定药物分子的晶格 参数，可以预测其在不同溶剂 中的溶解度，从而优化药物的 制备和释放过程。
感谢您的观看
THANKS
复杂晶体结构的挑战与解决方案
挑战
固溶体晶格结构复杂，不同元素间相互作用力不同，导致晶格参数变化复杂，难以准确测定。
解决方案
采用计算机模拟和理论计算等方法，对固溶体晶格结构进行深入研究，建立准确的模型，为晶格参数 的测定提供理论支持。
测定速度的挑战与解决方案
挑战
固溶体晶格参数测定速度较慢，不能满足大规模生产和 实验的需求。
03
化学键和分子结构研究
04
固溶体晶格参数的测定有助于 研究化学键和分子结构。通过 分析晶格参数的变化，可以推 断出分子间的相互作用和化学 键的类型，对于理解物质的化 学性质和反应性能具有重要意 义。
在生物学领域的应用实例
01
生物材料与组织工程
02
03
药物设计与释放
在生物材料与组织工程领域， 固溶体晶格参数的测定有助于 研究生物材料的生物相容性和 力学性能。例如，在骨组织工 程中，通过测定骨组织的晶格 参数，可以评估其力学性能和 生物活性，为骨组织工程提供 重要的参考依据。
材料科学基础课件 6.固体中的扩散
(c) Concentrations of copper and nickel as a function of position across the couple.
6.1.2 扩散分类
（1）根据有无浓度变化 自扩散(self-diffusion)：原子经由自身元素的晶
体点阵而迁移的扩散。 （如纯金属或 固溶体的晶粒长大。无浓度
（1）稳态扩散 (steady state diffusion) ：扩散过程中 各处的浓度及浓度梯度(concentiontration gradient)不 随时间变化（∂C/∂t=0，∂J/∂x=0） 。
Fig. 7.4 (a) Steady-state diffusion across a thin plate. (b) A linear concentration profile for the diffusion situation in (a).
（3）根据是否出现新相 原子扩散(atomic diffusion)：扩散过程中
不出现新相。 反应扩散(reaction diffusion)：由之导致
形成一种新相的扩散。
6.2 扩散机制
6.2.1 空位扩散机制
（vacancy diffusion）
6.2.2间隙扩散机制
（interstitial diffusion）
第六章 固体中的扩散
第六章 固体中的扩散
6.1 扩散现象及分类
扩散(diffusion)是物质中原子（分子或离子）的 迁移现象，是物质传输的一种方式。扩散是一种由 热运动引起的物质传递过程。扩散的本质是原子依 靠热运动从一个位置迁移到另一个位置。扩散是固 体中原子迁移的唯一方式。
扩散会造成物质的迁移，会使浓度均匀化，而 且温度越高，扩散进行得越快。
6.1.2 扩散分类
（1）根据有无浓度变化 自扩散(self-diffusion)：原子经由自身元素的晶
体点阵而迁移的扩散。 （如纯金属或 固溶体的晶粒长大。无浓度
（1）稳态扩散 (steady state diffusion) ：扩散过程中 各处的浓度及浓度梯度(concentiontration gradient)不 随时间变化（∂C/∂t=0，∂J/∂x=0） 。
Fig. 7.4 (a) Steady-state diffusion across a thin plate. (b) A linear concentration profile for the diffusion situation in (a).
（3）根据是否出现新相 原子扩散(atomic diffusion)：扩散过程中
不出现新相。 反应扩散(reaction diffusion)：由之导致
形成一种新相的扩散。
6.2 扩散机制
6.2.1 空位扩散机制
（vacancy diffusion）
6.2.2间隙扩散机制
（interstitial diffusion）
第六章 固体中的扩散
第六章 固体中的扩散
6.1 扩散现象及分类
扩散(diffusion)是物质中原子（分子或离子）的 迁移现象，是物质传输的一种方式。扩散是一种由 热运动引起的物质传递过程。扩散的本质是原子依 靠热运动从一个位置迁移到另一个位置。扩散是固 体中原子迁移的唯一方式。
扩散会造成物质的迁移，会使浓度均匀化，而 且温度越高，扩散进行得越快。
固溶体-课件(6)
有序固溶体－长程
有序固溶体－偏聚
• 二、 固溶度
• 固溶度是指固溶体中溶质的最大含量，也就 是溶质在溶剂中的极限溶解度。它可以由实验 测定，也可以由热力学原理进行计算。研究固 溶体具有很大的实际意义，因为固溶度的大小 及其随温度的变化关系到合金的性能和热处理 行为。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
三. 置换固溶体
（1）尺寸因素 以r1和r2分别代表半径大和半径小的溶剂(主晶相)或 溶质(杂质)原子(或离子)的半径， r1 r2 r 0.15 r1 • 当 时，溶质与溶剂之间可以形成连 续固溶体。 • 当 限型固溶体，
其它因素：
（1）、离子类型和键性 化学键性质相近，即取代前后离子周围离子间键性相 近，容易形成固溶体。 （2）、电价因素 形成固溶体时，离子间可以等价置换也可以不等价置 换。 在硅酸盐晶体中，常发生复合离子的等价置换，如 Na++Si4+ =Ca2++Al3+，使钙长石Ca[Al2Si2O6]和钠长石 Na[AlSi3O8] 能形成连续固溶体。又如， Ca2+=2Na+ ， Ba2+=2K+常出现在沸石矿物中。 （3）相对价效应：两个给定元素的相互固熔度与它们各 自的原子价有关，且高价元素在低价元素中的固溶度 大于低价元素在高价元素的固溶度。
•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）电负性或化学亲和力因素 （2）原子尺寸因素
△r=（rA－rB)/rA 形成中间相。 △r越小，越易形成固溶体 电子数总和与原子总数的比值。
C越大，越易形成化合物；
固溶强化机制PPT课件
5.4间隙式溶质原子与位错的弹性交互作 用
三. Fe中碳原子与刃位错的交互作用
刃型位错:同时有正应力（变）和切应力（变）
碳原子：同时有正应力（变）和切应力（变）
故两者间的交互作用强烈：
碳原子的正应变场与刃位错的正应力场作用— —Cottrell气团
碳原子的切应变场与螺位错的切应力场作用— —Snoek气团
交互作用能： W in t pB VA0
一般认为置换式溶质原子与螺位错之间 无弹性交互作用。
5.4 间隙式溶质原子与位错弹性交互作用
一.间隙式溶质原子形成错配球的特点 1.FCC结构间隙原子的错配效应
四面体间隙：rB0.22rA 5八面体间隙：rB0.41rA 4
四面体间隙：rB0.22rA 5八面体间隙：rB0.41rA 4 错配球特点：
2.形成机制 层错区内相当于形成了新的相， 欲达到新母相的平衡，要求化学势相同。 造成层错区与非层错区的溶质浓度不同。
5.5 溶质原子与位错的化学交互作用
二. 铃木（Suzuki）.气团对位错的阻碍作 用
可利用虚功原理求解。分别分析层错区领 先位错与后续位错一起运动时的外力做功与 引起的能量变化，据此确定阻碍作用。
1）原子占据八面体间隙，产生球对称的应力 应变场；2）间隙原子与刃型位错的交互 作用更强，偏聚到半原子面的下方。
2. BCC结构间隙原子的错配效应
四面体间隙：rB0.29rA八面体间隙：rB0.15rA
rB0.29rA
rB0.15rA
错配球特点：1）原子占据八面体间隙，产生 非对称的应力应变场；2）既有正应力也有切 应力，正应力产生非均匀的内压应力场:V Nhomakorabea 4R2
ur
4R2
材料科学基础公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件
• 原子。两种原子各 • 自构成密排六方结 • 构，但彼此沿c轴方 • 向错开一个距离。 • 本图只画了六方晶 • 胞1/3。
第21页
• *注意：前面所讲四种正常价化合物都是惯用基本 结构例子，它们本身不一定是金属间化合物。
• 以正常价化合物形态存在金属间化合物，其晶体 结构含有这四个例子中某一个基本结构形式。
第28页
• 2.2.3 间隙化合物：通常由过渡族金属原子 (M)与 原子半径很小非金属原子(X)C、N、B、H等构成， 后者处于化合物晶格间隙中。
• 金属原子排列成密排结构（面心立方或六方）或 稍有畸变密排结构（复杂密排结构）并仍然保持 金属键结合，非金属元素原子往往存在于其间隙 位置且与金属原子之间存在共价键结合。间隙化 合物形成主要由原子间互相尺寸原因来决定，钢 中通常出现碳化物、氮化物、硼化物等均属于间 隙化合物。
第14页
• 2.2 金属间化合物 • 金属与金属，或金属与类金属之间所形成
化合物统称金属间化合物。是高合金钢及 高温合金、功效材料中主要组成相 。 • 因为金属间化合物常处于相图中中间位置， 因此也称为中间相。其结构与熔剂结构不 同。 • 决定金属间化合物相结构主要原因有电负 性、尺寸原因和电子浓度等。
第15页
• 金属间化合物中原子结合具有很大程度金属性， 故含有金属光泽、导电性和导热性。但其电子云 分布并非完全均匀，存在一定方向性，故具有一 定程度共价键特性，造成熔点升高及原子键合方 向性。金属间化合物化学构成往往在一定化学成 份范围内改变，同时往往可固溶入化学性质相近 其它元素。金属间化合物可分为结构金属间化合 物和功效金属间化合物，前者主要使用其高温力 学性能，而后者主要使用其某种特殊物理或化学 性能。
• 2.1.4 有序固熔体：固熔体有序是否取决于 同类原子A-A或异类原子A-B间结合能相对 大小。当同类原子结合能小于异类原子结 合能时，形成部分有序或完全有序固熔体。 有序固熔体有拟定化学成份，可用化学式 表示。
第21页
• *注意：前面所讲四种正常价化合物都是惯用基本 结构例子，它们本身不一定是金属间化合物。
• 以正常价化合物形态存在金属间化合物，其晶体 结构含有这四个例子中某一个基本结构形式。
第28页
• 2.2.3 间隙化合物：通常由过渡族金属原子 (M)与 原子半径很小非金属原子(X)C、N、B、H等构成， 后者处于化合物晶格间隙中。
• 金属原子排列成密排结构（面心立方或六方）或 稍有畸变密排结构（复杂密排结构）并仍然保持 金属键结合，非金属元素原子往往存在于其间隙 位置且与金属原子之间存在共价键结合。间隙化 合物形成主要由原子间互相尺寸原因来决定，钢 中通常出现碳化物、氮化物、硼化物等均属于间 隙化合物。
第14页
• 2.2 金属间化合物 • 金属与金属，或金属与类金属之间所形成
化合物统称金属间化合物。是高合金钢及 高温合金、功效材料中主要组成相 。 • 因为金属间化合物常处于相图中中间位置， 因此也称为中间相。其结构与熔剂结构不 同。 • 决定金属间化合物相结构主要原因有电负 性、尺寸原因和电子浓度等。
第15页
• 金属间化合物中原子结合具有很大程度金属性， 故含有金属光泽、导电性和导热性。但其电子云 分布并非完全均匀，存在一定方向性，故具有一 定程度共价键特性，造成熔点升高及原子键合方 向性。金属间化合物化学构成往往在一定化学成 份范围内改变，同时往往可固溶入化学性质相近 其它元素。金属间化合物可分为结构金属间化合 物和功效金属间化合物，前者主要使用其高温力 学性能，而后者主要使用其某种特殊物理或化学 性能。
• 2.1.4 有序固熔体：固熔体有序是否取决于 同类原子A-A或异类原子A-B间结合能相对 大小。当同类原子结合能小于异类原子结 合能时，形成部分有序或完全有序固熔体。 有序固熔体有拟定化学成份，可用化学式 表示。
金属的晶体结构PPT课件
2.2 金属的晶体结构
主要内容
金属晶体结构类型 合金相结构
固溶体 金属间化合物
一、金属的晶体结构
金属中常见的晶体结构类型
体心立方(BCC)
a=b=c, ===90°
铁(-Fe)、钨(W) 、铬(Cr)、 钼(Mo)、钒(V)等
面心立方(FCC)
a=b=c, ===90°
铝(Al)、铜(Cu)、 银(Ag)、 金(Au)、镍(Ni)、铅(Pb)、 铁(－Fe)等
间隙固溶体
如陶瓷材料中的 MgO-CoO、MgO-CaO、
PbTiO3-PbZrO3、Al2O3-Cr2O3 Cu-Zn系 和 固溶体
在合金中较为常见，的是金属和 H、B、C、N等元素形成的固溶 体
按固溶浓度不同
无限固溶体
溶质和溶剂可以按任意比例 相互固溶所生成的固溶体
A sse sse d A l-M g p h a se d ia g r a m .
a, c (c/a=1.633)
a 1 a2 c2
(
)
22 3 4
6
12
0.74 12 0.225R 6
0.414R
其它类型结构
A4结构
结构特点：由于共价键的饱和性和方向性的特点，使得共价键晶
体中原子的配位数要比离子型晶体和金属型晶体的小。
常见结构：典型的共价晶体有金刚石(单质型)、石墨、Ge、Si、
二、合金中的相结构
金属元素 非金属元素
添加
主体金属
添加
制
备
新型合金
新型合金 中的合金相
固溶体 金属间化合物
Hale Waihona Puke 相的分类结构固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。溶剂-溶质。 中间相(金属化合物)：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相
主要内容
金属晶体结构类型 合金相结构
固溶体 金属间化合物
一、金属的晶体结构
金属中常见的晶体结构类型
体心立方(BCC)
a=b=c, ===90°
铁(-Fe)、钨(W) 、铬(Cr)、 钼(Mo)、钒(V)等
面心立方(FCC)
a=b=c, ===90°
铝(Al)、铜(Cu)、 银(Ag)、 金(Au)、镍(Ni)、铅(Pb)、 铁(－Fe)等
间隙固溶体
如陶瓷材料中的 MgO-CoO、MgO-CaO、
PbTiO3-PbZrO3、Al2O3-Cr2O3 Cu-Zn系 和 固溶体
在合金中较为常见，的是金属和 H、B、C、N等元素形成的固溶 体
按固溶浓度不同
无限固溶体
溶质和溶剂可以按任意比例 相互固溶所生成的固溶体
A sse sse d A l-M g p h a se d ia g r a m .
a, c (c/a=1.633)
a 1 a2 c2
(
)
22 3 4
6
12
0.74 12 0.225R 6
0.414R
其它类型结构
A4结构
结构特点：由于共价键的饱和性和方向性的特点，使得共价键晶
体中原子的配位数要比离子型晶体和金属型晶体的小。
常见结构：典型的共价晶体有金刚石(单质型)、石墨、Ge、Si、
二、合金中的相结构
金属元素 非金属元素
添加
主体金属
添加
制
备
新型合金
新型合金 中的合金相
固溶体 金属间化合物
Hale Waihona Puke 相的分类结构固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。溶剂-溶质。 中间相(金属化合物)：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相
第五章结构缺陷及固溶体PPT优秀课件
正离子空位
M+ X M+ X
X M+ X M+
M+
M+ X
X M+ X M+
负离子空位
材料科学基础
2）填隙质点：
原子或离子进入晶体中正常结点之间的间隙位置， 成为填隙原子（或离子）或间隙原子（或离子）。
从成分上看，填隙质点可以是晶体自身的质点， 也可以 是外来 杂质的 质点。
材料科学基础
3）杂质原子：
注意：
1）位置关系强调形成缺陷时，基质晶体中正负离子格点 数之比保持不变，并非原子个数比保持不变。 2）在上述各种缺陷符号中，位于正常格点上，对格点数 的多少有影响，而不在正常格点上，对格点数的多少无影 响。 3）形成缺陷时，基质晶体中的原子数会发生变化，外加 杂质进入基质晶体时，系统原子数增加，晶体尺寸增大；
5.1.1点缺陷分类 分类方法分别有按照位置、成分和产生原
因等不同角度进行分类，不同分类方法可能产 生重叠交叉。
1. 按照位置和成分分类
空位
填隙质点
杂质原子
材料科学基础
1）空位：
正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结 点，称为空位或空穴。
M+ X M+ X
X
X M+
M+ X M+ X
X M+ X M+
第五章 结构缺陷及固溶体
材料科学基础
缺陷的含义: 通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为结
构缺陷。 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。固体在热力 学上最稳定的状态是处于0K温度时的完整晶体状态， 其内部能量最低，原子或离子按理想的晶格点阵排列。 实际晶体：晶体中相对理想晶体结构的偏离，存在着
M+ X M+ X
X M+ X M+
M+
M+ X
X M+ X M+
负离子空位
材料科学基础
2）填隙质点：
原子或离子进入晶体中正常结点之间的间隙位置， 成为填隙原子（或离子）或间隙原子（或离子）。
从成分上看，填隙质点可以是晶体自身的质点， 也可以 是外来 杂质的 质点。
材料科学基础
3）杂质原子：
注意：
1）位置关系强调形成缺陷时，基质晶体中正负离子格点 数之比保持不变，并非原子个数比保持不变。 2）在上述各种缺陷符号中，位于正常格点上，对格点数 的多少有影响，而不在正常格点上，对格点数的多少无影 响。 3）形成缺陷时，基质晶体中的原子数会发生变化，外加 杂质进入基质晶体时，系统原子数增加，晶体尺寸增大；
5.1.1点缺陷分类 分类方法分别有按照位置、成分和产生原
因等不同角度进行分类，不同分类方法可能产 生重叠交叉。
1. 按照位置和成分分类
空位
填隙质点
杂质原子
材料科学基础
1）空位：
正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结 点，称为空位或空穴。
M+ X M+ X
X
X M+
M+ X M+ X
X M+ X M+
第五章 结构缺陷及固溶体
材料科学基础
缺陷的含义: 通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为结
构缺陷。 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。固体在热力 学上最稳定的状态是处于0K温度时的完整晶体状态， 其内部能量最低，原子或离子按理想的晶格点阵排列。 实际晶体：晶体中相对理想晶体结构的偏离，存在着
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
间隙固溶体示意图
五、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
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。
固溶体中溶质原子分布示意图
超结构—有序固溶体
•超结构（super structure/lattice ）
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,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－Au合金中,Cu：Au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CuAu或 Cu3Au来表示。
注意：
• 以上几个影响因素，并不是同时起作用， 在某些条件下，有的因素会起主要因素， 有的会不起主要作用。例如，rSi4+=0.26 埃，rAl3+=0.39埃，相差达45%以上，电 价又不同，但Si—O、Al—O键性接近， 键长亦接近，仍能形成固溶体，在铝硅 酸盐中，常见Al3+置换Si4+形成置换固溶 体的现象。
有序化条件：异类原子之间的相互吸引大于同类原子间
rA rB 2 8Gr ( ) rA
'
3 B
难熔金属的固溶度小于
易熔合金，为什么？
置换固溶体大小溶质原子引起的点阵 畸变
(2)晶体结构 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。 NiO-MgO都具有面心立方结构，且 Δr<15%，可 形成连续固溶体； MgO-CaO两结构不同，只能形成有限型固溶体 或不形成固溶体。 (3)电负性因素 电负性差越大,两者间亲和力大,易 形成中间相。否则易形成固溶体。例如当Gordy定义 的负电性值相差0.4以上时，固溶度就极小（因为此时 A，B二组元形成稳定的中间相）。
r1 r2 r 30% r1
r1 r2 r 15% ~ 30% r1
时，溶质与溶剂之
• 当 时，溶质与溶剂之 间很难形成 固溶体或不能形成 固溶体，而容易形成 中间相或化合物。因此Δr愈大，则溶解度愈小。
晶格畸变能：点阵畸变使晶体能量升高，这种升高的能量即 为晶格畸变能。
电子数总和与原子总数的比值。
C越大，越易形成化合物；
C越小，越易形成固溶体
1.4.1 固溶体
固溶体是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他 组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固态溶体，它 保持着溶剂的晶体结构类型。
一、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。金属和金属形成的固溶体
• 实际应用：铂、铑单独做热电偶材料使用， 熔点为1450℃，而将铂铑合金做其中的一 根热电偶，铂做另一根热电偶，熔点为 1700℃，若两根热电偶都用铂铑合金而只 是铂铑比例不同，熔点达2000℃以上。
4、形成固溶体后对材料物理性质的影响 固溶体的电学、热学、磁学等物理性 质也随成分而连续变化，但一般都不是 线性关系。固溶体的强度与硬度往往高
间隙固溶体只能是有限固溶体,一般溶解度较小。
间隙式固溶体的生成，—般都使晶格常数增大，增 加到一定的程度，使固溶体变成不稳定而离解，所以填 隙型固溶体不可能是连续的固溶体。晶体中间隙是有限 的，容纳杂质质点的能力≤10%。
如：碳原子在 α － Fe （最大 Wt=0.0218%）和 γ － Fe 强化
定义：固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而 塑性则较低，称为固溶强化。 固溶强化的特点和规律：固溶强化的程度 ( 或效 果 ) 不仅取决与它的成分，还取决与固溶体的 类型、结构特点、固溶度、组元原子半径差等 一系列因素。 1 ）间隙式溶质原子的强化效果一般要比置换 式溶质原子更显著。 2 ）溶质和溶剂原子尺寸相差越大，固溶强化 越显著。
• (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。
有序固溶体－短程
都是置换式的。如，Cu-Zn系中的α和η固溶体都是置换式固溶体。 在金属氧化物中，主要发生在金属离子位置上的置换，如： MgO-CaO，MgO-CoO，PbZrO3-PbTiO3，Al2O3-Cr2O3等。
间隙固溶体(interstitial solid solution) ：溶质原子 分布于溶剂晶格间隙中。
(4)电子浓度（e/a） 合金中各组成元素的价电子 数总和与原子总数的比值。
：e/a=VA(1-x)+VBx •原子价：形成合金时，每一原子平均贡献的公有 电子数（或参加结合键的电子数）。p141表5-1。 •极限电子浓度：最大固溶度时的电子浓度。 • 如果用价电子浓度表示合金的成分，那么 IIB~VB族元素在IB族熔剂元素中的固溶度相同， 约为e/a=1.36,超过极性电子浓度，固溶体不稳定， 形成新相。 在尺寸因素有利的条件下，溶质元素的原子价越 高，则其在Cu,Ag,Au中的溶解度越小。 •如Zn2+,Ga3+,Ge4+,As5+, 在Cu +中的最大固溶度分别 为38%，20%，12%，7%。
Cu-Ni 系、Cr-Mo 系、Mo-W系、 Ti-Zr系等在室温下都能无限互溶，形 成连续固溶体。 MgO-CoO 系 统 ， MgO 、 CoO 同 属 NaCl 型 结 构 ， rCo2+=0.80 埃 ， rMg2+=0.80埃，形成无限固溶体，分子式可写为MgxCo1-xO，x=0~1； PbTiO3与PbZrO3也可形成无限固溶体，分子式写成：Pb（ZrxTi1-x）O3， x=0~1。
有序固溶体－长程
有序固溶体－偏聚
• 二、 固溶度
• 固溶度是指固溶体中溶质的最大含量，也 就是溶质在溶剂中的极限溶解度。它可以由实 验测定，也可以由热力学原理进行计算。研究 固溶体具有很大的实际意义，因为固溶度的大 小及其随温度的变化关系到合金的性能和热处 理行为。
三. 置换固溶体
（1）尺寸因素 以r1和r2分别代表半径大和半径小的溶剂(主晶相)或 溶质(杂质)原子(或离子)的半径， r1 r2 r 0.15 r1 • 当 时，溶质与溶剂之 间可以形成连续固溶体。 • 当 间只能形成有限型固溶体，
四、 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（1） △r>41% 或 r质/r剂<0.59。 （2） 杂质质点大小 即添加的原子愈小，易形成固溶体。 （3） 晶体（基质）结构 离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说， 结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大，结构愈 疏松，易形成固溶体。 （4） 电价因素 外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡， 这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价 平衡。 例如YF3加入到CaF2中： 当 F-进入间隙时，产生负电荷，由 Y3+ 进入 Ca2+ 位置来保持位置关系 和电价的平衡。
金属和非金属元素H、B、C、N等形成的固溶体都是间隙式的。如，在 Fe-C系的α固溶体中，碳原子就位于铁原子的BCC点阵的八面体间隙 中。
固溶体的两种类型（置换和间隙）
(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,超过这个限度就形成新相。 两种晶体结构不同或相互取代的离子半径差别较大，只能 生成有限固溶体。如MgO-CaO系统，虽然都是NaCl型结构， 但阳离子半径相差较大，rMg2+=0.80埃，rCa2+=1.00埃，取代只 能到一定限度。 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 固溶体。
由结构推断固溶度：
形成填隙式固溶体的可能性或固溶度大小的顺序: 沸石>萤石>TiO2>MgO． 在面心立方结构中，例如MgO中，氧八面体 间隙都已被Mg离子占满，只有氧四面体间隙是 空的。在TiO2中，有二分之一的八面体空隙是空 的。在萤石结构中，氟离子作简单立方排列，而 正离子Ca2+只占据了有立方体空隙的一半，在晶 胞中有一个较大的间隙位置。在沸石之类的具有 网状结构的硅酸盐结构中，间隙就更大，具有隧 道型空隙。 因此，对于同样的外来杂质原子，
1.4
合金相结构
•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 相(phase)----合金中具有同一聚集状态,同一化学成分、 同一晶体晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部 分。
•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）电负性或化学亲和力因素 （2）原子尺寸因素