3.1_合金中的相及相结构

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（b）原子尺寸因素
所谓原子尺寸因素，是指形成固溶体的溶质原子半径与溶剂
原子半径的相对差值大小，常以⊿ r表示。 ⊿ r ＝（rA－rB）/rA×100% ⊿
r越大，固溶度越小，这是因为溶质原子溶入将引起溶剂
晶格产生畸变。
随着溶质原子溶入量的增加，引起的晶格畸变亦越严重，畸
r的大小限制了固溶体中 的固溶度。显然，溶入同量溶质原子时， ⊿ r越大，引起的晶
的组成部分 。
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合金相 固溶体
中间相(金属化合物)
间隙固溶体
置换固溶体
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（1）固溶体 一种组元(溶质)溶解在另一种组元(溶剂，一
般是金属)中，其特点是溶剂（或称基体）的点阵
类型不变。
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固溶体的特点
溶质和溶剂原子占据一个共同的布拉菲点阵，且 此点阵类型和溶剂点阵类型相同。
有一定的成分范围，也就是说，组元的含量可在
很高的熔点和极高的硬度。
当 金 属 （ M ） 与 非 金 属 （ X ） 的 原 子 半 径 比 值
RX/RM ＜ 0.59 且电负性差较大时，化合物具有比较
简单的晶体结构，称为间隙相（若 RX/RM ＜ 0.59 且 电负性差较小时，可形成间隙固溶体）；
而当 RX/RM ＞ 0.59 且电负性差较大时，形成具有
电负性是指元素吸引电子的能力，即表示该元素的原 子在化学反应中或和异类原子形成合金时，能够得到电 子成为负离子的能力。 元素的电负性具有周期性，同一周期的元素，其电负 性随原子序数的增大而增大；而在同一族元素中，电负 性随原子序数增大而减小。
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（d）电子浓度因素
人们在研究以Cu、Ag、Au为基的固溶体时，发现随 着溶质原子价的增大，其溶解度极限减少。
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中间相的性能明显不同于各组元的性能，一般是硬
而脆的。中间相是许多合金中重要的第二相，其种
类、数量、大小、形状和分布决定了合金的显微组
织和性能。
中间相的形成也受原子尺寸、电子浓度、电负性等
因素的影响。许多中间相是在原子尺寸有利的条件 下形成的，常称为几何因素决定的金属间化合物；
Байду номын сангаас
而另一些中间相如电子化合物则决定于电子浓度。
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固溶体的微观不均匀性
溶质原子的分布通常会偏离完全无序状态，呈现微观 的不均匀性。若同类原子结合力较强，会产生溶质原子 的偏聚；若异类原子结合力较强，则溶质原子趋于以异 类原子为邻的短程有序分布。
（ａ）完全无序 （ｂ）偏聚 （ｃ）短程有序 固溶体中溶质原子分布示意图
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25﹪Au＋75﹪Cu合金的晶体结构
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固溶体的物理性能
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 — 般都不是线性关系。
固溶体的电阻率是随
溶质浓度的增加而增 加的，而且在某 —中间 浓度时电阻率最大。
Cu-Au合金的电阻率与成分 的关系(a)淬火合金 (b)退火合金
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（2）中间相
构成合金的各组元间除相互溶解形成固溶体外，还可发 生化学相互作用，形成晶体结构不同于组元元素的新相。
CuAuⅡ型超结构，半周期 M＝5
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固溶体的性质

固溶体的点阵畸变 固溶体的强度和硬度
固溶体的强度和硬度往往高于各组元，而塑性则
较低，这种现象就称为固溶强化。
间隙式溶质原子的强化效果 —般要比置换式溶质原
子更显著。
溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度极限越小，
固溶强化越显著，则单位浓度溶质原子所引起的强 化效果越大。
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正常价化合物
金属与化学元素周期表中一些电负性较强的
ⅣA 、 ⅤA、ⅥA族元素，按照化学上的原子价规律所形成的 化合物，称为正常价化合物。它们的成分可以用分子 式来表达，如Mg2Si、Mg2Sn、ZnS、ZnSe等。
这些化合物的稳定性与组元间电负性差有关，电负性
差越大，化合物越稳定，越趋于离子键结合。电负性 差越小，化合物越不稳定，越趋于金属键结合。

耐蚀的金属间化合物，如某些金属的碳化物，硼化物、 氮化物和氧化物等在侵蚀介质中仍很耐蚀，若通过表 面涂覆方法，可大大提高被涂覆件的耐蚀性能；
具有形状记忆效应、超弹性和消震性的金属间化合物， 如 TiNi，CuZn，CuSi，MnCu，Cu3Al等已在工业上 得到应用。
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Fe3C晶体结构
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金属间化合物的性质和应用

具有超导性质的金属间化合物，如Nb3Ge，Nb3Al，Nh3Sn， V3Si，NbN等；

具有特殊电学性质的金属间化合物，如InTe-PbSe， GaAs-ZnSe等在半导体材料用；

具有强磁性的金属间化合物，如稀土元素（Ce，La，Sm， Y等）和Co的化合物，具有特别优异的永磁性能；
纯金属的性能有一定的局限性，特别是强度等重要 性能指标往往不能满足要求，因此它的应用范围也 受到了限制。实际使用的金属材料绝大部分是合金， 合金化后纯金属的性能得到大大的提高，合金化是
提高纯金属性能的最主要的途径。
所谓合金是由两种或两种以上的金属或金属与非
金属，经过熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有

具有奇特吸释氢本领的金属间化合物（常称为贮氢材料）， 如 LaNi5，FeTi，R2Mg17和R2Ni2Mg15。(R等仅代表稀土 La，Ce，Pr，Nd或混合稀土）是一种很有前途的储能和 换能材料；
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金属间化合物的性质和应用

具有耐热特性的金属间化合物，如Ni3Al，NiAl， TiAl，Ti3Al，FeAl，Fe3Al，MoSi2，NbBe12，ZrBe12 等不仅具有很好的高温强度，并且，在高温下具有比 较好的塑性；
它们在二元相图上所处的位置总是在两个端际固溶体之间
的中间部位，所以将它们统称为中间相。
中间相大多数是由不同的金属或金属与亚金属组成的化合
物，故这类中间相又称为金属间化合物。
中间相通常按一定或大致一定的原子比组成，可以用化学
分子式来表示，但是除正常价化合物外，大多数中间相的分 子式不遵循化学价规则。
如果将浓度坐标以电子浓度来表示，则它们的溶解 度极限是近似重合的。 所谓电子浓度是指固溶体中价电子数目 e与原子数目 a之比。 除此之外，固溶度还与温度有密切关系。在大多数 情况下温度越高，固溶度越大。而对少数含有中间相 的复杂合金系(例Cu-Zn)，则随温度升高，固溶度减小。
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间隙固溶体
金属特性的物质。
4
工业纯Fe、Al、Cu合金化前后σ b的变化
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两种或两种以上金属元素，或金属元素与
合金
非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组
合而成并具有金属特性的物质。
组成合金最基本的独立的物质，通常组元 就是组成合金的元素。 是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结
组元
相
构，成分和性能均一，并以界面相互分开
置换固溶体与间隙固溶体两种。
间 隙 固 溶 体
置换固溶体
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按溶质原子在固体中的溶解度，固溶体可分为 有限固溶体和无限固溶体两种。 按溶质原子在固溶体内分布是否有规则，固溶 体分为有序固溶体和无序固溶体两种。
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置换固溶体的固溶度
绝大多数金属元素之间都能形成置换固溶体，但 是只有少部分金属元素之间，可以形成无限固溶体， 即不同溶质元素在不同溶剂中的固溶度大小是不相同 的。固溶度的大小，主要受以下一些因素的影响：

键型：金属键（金属－金属）。
贵金属 Cu 、 Ag 、 Au 与 Zn ， Al ， Sn所形成的合金。
Pb基轴承合金中的电子化合物
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电子化合物的特点是：凡具有相同的电子浓度，则该相
的晶体结构类型相同。亦即结构稳定性，主要取决于电 子浓度因素（休姆-罗塞里定律）。
电子化合物晶体结构与合金的电子浓度有如下关系：
型、M23C6、M6C等。
式中 M可表示一种元素，也可以表示有几种金属元素
固溶在内。例如，在渗碳体Fe3C中，一部分Fe原子若被
Mn原子置换，则形成合金渗碳体 (Fe,Mn)3C；而Cr23C6 中 往 往 溶 入 Fe 、 Mo 、 W 等 元 素 ， 或 写 成 (Cr,Fe,Mo,W)23C6 ；同样， Fe3W3C 中能溶入 Ni 、 Mo 等 元素，成为(Ni,Fe)3(W,Mo)3C。
明显的金属特性：金属的光泽、较高的导电性、正的电阻 温度系数。
结合键为共价键和金属键。
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间隙相
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V在纯金属时为 体心立方点阵，而 在间隙相VC中，金 属V的原子形成面心
立方点阵，C原子存
在于其间隙位置。
间隙相VC的晶体结构
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间隙化合物
间隙化合物具有复杂的晶体结构，它的类型较多。一
般在合金钢中，常出现的间隙化合物有 M3C 型、 M7C3
一定范围内改变而不会导致固溶体点阵类型的改变。
由于固溶体的成分范围是可变的，而且有一个溶解
度极限，故通常固溶体不能用一个化学式来表示。 具有比较明显的金属性质，例如，具有一定的导 电、导热性和一定的塑性等等。固溶体中的结合键 主要是金属键。
9
固溶体的分类
按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为
组织的概念： 在金属与合金中，由于形成的条件不同，可能形成不同 的相，并且相的数量、大小、分布状态也不同，即形成 不同的组织。组织是一个与相紧密相关的概念。通常， 可以将直接用肉眼或借助于放大镜、显微镜观察到的微 观形貌图象统称为组织。 宏观组织：用肉眼或放大镜观察到的。 显微组织：用显微镜观察到的。 电子显微组织：用电子显微镜观察到的。 相是组成组织的基本组成部分，但是，同样的相，当它 们的大小、分布不同时，就会出现不同的组织。 组织是决定材料性能的一个极为重要的因素。在条件相 同的条件下，不同的组织使材料表现出不同的性能。因 此，在实际生产中，控制和改变材料的组织具有极为重 要的意义。
正常价化合物通常具有较高的硬度和脆性。在合金中
弥散分布在基体上，常可起弥散强化作用。
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一些正常价化合物及其晶体结构类型
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电子化合物
指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的
化合物。电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，
是有色金属中的重要强化相。

形成：电子浓度起主要作用，不 符合原子价规则。
第3章 二元合金的相结 构与结晶
1
本章知识结构
合金中的相及相结构 匀晶相图及固溶体的凝固 共晶相图及合金的凝固 相图分析 包晶相图及合金的凝固 二元相图的分析和使用
二元合金相图的建立
其他类型的二元合金相图
2
3.1 合金中的相及相结构
为何工业上很少使用纯金属,而多使用合金?
3
虽然纯金属在工业上获得了一定的应用，但由于
当一些原子半径比较小的非金属元素作为溶质溶入金 属或化合物的溶剂中时，这些小的溶质原子不占有溶剂 晶格的结点位置，而存在于间隙位置，形成间隙固溶体。 形成间隙固溶体的溶剂元素大多是过渡族元素，溶质元 素一般是原子半径小于 0.1nm的一些非金属元素，即氢、 硼、碳、氮、氧等。 溶质原子存在于间隙位置上引起点阵畸变较大，所以 它们不可能填满全部间隙，而且一般固溶度都很小。固 溶度大小除与溶质原子半径大小有关以外，还与溶剂元 素的晶格类型有关，因为它决定了间隙的大小。
变能越高，结构稳定性越低。所以 ⊿ 格畸变越大，畸变能越高，极限溶解度就越小。
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形成置换固溶体时的点阵畸变
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元素的原子直径 （虚线表示与铁的原子直径相差１５﹪的上下限）
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（c）电负性因素
元素间化学亲和力的大小显著影响它们之间的固溶度。 如果它们之间的化学亲和力很强，则倾向于形成化合物 而不利于形成固溶体；即使形成固溶体，固溶度亦很小。
复杂结构的化合物，称为间隙化合物。
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间隙相的主要特点
在间隙相中金属原子组成简单点阵类型的结构，此结构
与其为纯金属时的结构不相同。
间隙相的一般可以用简单的化学式来表达，而且一定的
化学表达式对应着一定的晶体结构类型。
尽管间隙相可以用简单的化学式表示，但大多数间隙相
的成分可以在一定范围内变化。
间隙相具有极高硬度和熔点，但很脆。许多间隙相具有
当电子浓度为21/14时，电子化合物（一般称为β相）多
数是体心立方结构。
当电子浓度为 21/13 时的电子化合物具有复杂立方结构。 当电子浓度为 21/12 时，形成具有密排六方结构的电子
化合物，称为ε相。
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间隙相与间隙化合物
过渡族金属能与原子半径比较小的非金属元素 C 、
N、H、O、B等形成化合物，它们具有金属的性质、
（a）组元的晶体结构类型
（b）原子尺寸因素
（c）电负性因素（化学亲和力）
（d）电子浓度因素
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（a）组元的晶体结构类型
晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条
件，组元间要无限互溶，晶体结构类型必须要相同。
因为只有这样，组元之间才可能连续不断地置换而 不改变溶剂的晶格类型。 形成有限固溶体时，如果溶质与溶剂的晶体结构 类型相同，则溶解度通常也较不同结构时为大；否 则，反之。