工程材料学--金属基础理论
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金属基础理论
工程材料
具有复杂结构的间隙化合物
当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时， 形成具有复杂结构的间隙化合物。如钢中的Fe3C、 Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。Fe3C称为渗碳体， 具有复杂的斜方晶格。
金属基础理论
工程材料
具有复杂结构的间隙化合物性能特点： 具有很高的熔点、硬度和脆性，但与间隙相
自由能 G
GL
GS T0 温度 T
纯金属液、固两相体积 自由能与温度的关系
金属基础理论
工程材料
在温度T0处GL＝GS，固、
液两相处于热力学平衡
状态。T0即为纯金属的
平衡结晶温度。
工程材料
当T>T0时，GL<GS，液相处于自由能更低的稳定状态， 结晶不可能进行；只有当T<T0时，GL>GS，结晶才可 能自发进行。这时两相自由能的差值ΔG就构成相变
由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径 较小的非金属元素形成的金属化合物。
根据组成元素原子半径比值及结构特征的不同， 可将间隙化合物分为间隙相和具有复杂结构的间隙化合 物。
金属基础理论
工程材料
间隙相
当非金属原子半径与金属原子半径比值小于0.59时，形成 具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相，如TiC、TiN、 ZrC、VC、NbC、Mo2N、Fe2N等。 性能特点：极高的熔点、硬度和脆性，而且十分稳定， 是高合金工具钢的重要组成相，也是硬质合金和高温金 属陶瓷材料的重要组成相。
相比要稍低一些，加热时也易于分解。这类化 合物是碳钢及合金钢中重要的组成相。金属化 合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金属 化合物为基的固溶体。
金属基础理论
纯金属的结晶：
工程材料
金属由液态转变为晶体状态的过程 称为结晶（或一次结晶）。
把一种固态转变为另一种固态称为 二次结晶。
液态金属一般为非晶态，并非完全 无序排列，在很小范围内有序， 即近程有序，远程无序。
金属基础理论
工程材料
间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而 形成的固溶体称为间隙固溶体，其中的溶质原子 不占据晶格的正常位置 。
只有溶质原子与溶剂原子的直径之比小于0.59时，才会 形成间隙固溶体。通常，间隙固溶体都是由原子直径很 小的碳、氮、氢、硼、氧等非金属元素溶入过渡族金属 元素的晶格间隙中而形成的。
合金的相结构：
工程材料
纯金属： 物理、化学性能良好，力学性能差。价格 昂贵、种类有限。 合金： 两种或两种金属与金属或与非金属元素组成具 有金属性质的物质。 强度、硬度、耐磨性高，是工程上使用得最多的金属 材料 。 比如：黄铜（ Cu+Zn）、钢（Fe+C）、铝合金等。
金属基础理论
固溶体的几个基本概念： 工程材料
但降低塑性。
金属基础理论
工程材料
（1）正常价化合物
周期表上相距较远，电化学性质相差较大的两元素容易 形成正常价化合物。其特点是符合一般化合物的原子价 规律，成分固定，并可用化学式表示。如Mg2Pb、 Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。 性能特点：高的硬度和脆性。弥散分布于固溶体基体中 时，将起到强化相的作用，使合金强化。
金属基础理论
工程材料
固溶体的溶解度：溶质原子溶入固溶体的极限浓 度。 据此可以分为有限固溶、无限固溶 。 影响溶解度的因素有原子尺寸、晶格类型、电化 学性质以及电子浓度等 。
金属基础理论
固溶体的性能：
工程材料
由于溶质原子尺寸与溶剂原子不同，其晶格都会产生 畸变。由于晶格畸变增加了位错移动的阻力，使滑移变 形难以进行，因此固溶体的强度和硬度提高，塑性和韧 性则有所下降。
组元： 组成合金的元素，或稳定化合物。根据组元多 少合金可分为二元合金、多元合金。 相：组元之间相互作用形成具有同一化学成分、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 。 相可以分为固溶体和金属化合物。
金属基础理论
工程材料
固溶体：相的晶体结构与某一组成元素的晶体结 构相同 。 固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体。
金属基础理论
工程材料
置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而 形成的固溶体 （溶剂与溶质原子尺寸相近，直径差别较小 ，大于15%就很难形 成置换固溶体） 。
置换固溶体中原子的分布通常是任意的，称之为无序固 溶体。在某些条件下，原子成为有规则的排列，称为有 序固溶体。两者之间的转变称为固溶体的有序化。这时， 合金的某些物理性能将发生很大的变化。
GLS
L(T0 T ) T0
LT T0
金属基础理论
GLS
L(T0 T ) T0
LT T0
工程材料
△T=T0-T，为过冷度。对于给定金属，L与T0均为定值， 故△GL→S仅与△T有关。因此，液态金属结晶的驱动力是
这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的
强度、硬度提高的现象称为固溶强化 。
金属基础理论
金属化合物
工程材料
金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶
格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。
一般可用分子式大致表示其组成。金属化合物一般
有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性。
合金中出现化合物时，可提高强度、硬度和耐磨性，
（结晶）的驱动力：
△GL→S＝GL－GS＝（HL－HS）－T（SL－SS）。
金属基础理论
工程材料
一般结晶都发生在金属的熔点附近，故wenku.baidu.com与熵随温度
的变化可以忽略不计，则有HL－HS＝L, SL－SS＝△S， 其中，L为结晶潜热、△S为熔化熵。当T＝T0时, △GL→S＝L-T0△S＝0，所以有△S ＝L/T0。因此，可得：
金属基础理论
液态金属结构示意图
工程材料
结晶过程能量状态与温度的关系： 结晶过程是一个自发过程，所以该过程是
高能状态向低能状态的转变。
金属基础理论
工程材料
液态金属结晶的热力学条件
液态金属的结晶是系统降低自由能的自发进行的过程。
系统的自由能G可由下式表示：
G H TS
H为焓、T为绝对温度、S为熵
金属基础理论
金属基础理论
工程材料
（2）电子化合物
由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元素结合而成的。 它们不遵循原子价规律，而服从电子浓度规律。电子浓 度指合金中化合物的价电子数目与原子数目之比。 性能特点：高的熔点和硬度，但塑性较低，一般只能作 为强化相存在于合金特别是有色金属合金中。
金属基础理论
工程材料
（3）间隙化合物
工程材料
具有复杂结构的间隙化合物
当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时， 形成具有复杂结构的间隙化合物。如钢中的Fe3C、 Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。Fe3C称为渗碳体， 具有复杂的斜方晶格。
金属基础理论
工程材料
具有复杂结构的间隙化合物性能特点： 具有很高的熔点、硬度和脆性，但与间隙相
自由能 G
GL
GS T0 温度 T
纯金属液、固两相体积 自由能与温度的关系
金属基础理论
工程材料
在温度T0处GL＝GS，固、
液两相处于热力学平衡
状态。T0即为纯金属的
平衡结晶温度。
工程材料
当T>T0时，GL<GS，液相处于自由能更低的稳定状态， 结晶不可能进行；只有当T<T0时，GL>GS，结晶才可 能自发进行。这时两相自由能的差值ΔG就构成相变
由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径 较小的非金属元素形成的金属化合物。
根据组成元素原子半径比值及结构特征的不同， 可将间隙化合物分为间隙相和具有复杂结构的间隙化合 物。
金属基础理论
工程材料
间隙相
当非金属原子半径与金属原子半径比值小于0.59时，形成 具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相，如TiC、TiN、 ZrC、VC、NbC、Mo2N、Fe2N等。 性能特点：极高的熔点、硬度和脆性，而且十分稳定， 是高合金工具钢的重要组成相，也是硬质合金和高温金 属陶瓷材料的重要组成相。
相比要稍低一些，加热时也易于分解。这类化 合物是碳钢及合金钢中重要的组成相。金属化 合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金属 化合物为基的固溶体。
金属基础理论
纯金属的结晶：
工程材料
金属由液态转变为晶体状态的过程 称为结晶（或一次结晶）。
把一种固态转变为另一种固态称为 二次结晶。
液态金属一般为非晶态，并非完全 无序排列，在很小范围内有序， 即近程有序，远程无序。
金属基础理论
工程材料
间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而 形成的固溶体称为间隙固溶体，其中的溶质原子 不占据晶格的正常位置 。
只有溶质原子与溶剂原子的直径之比小于0.59时，才会 形成间隙固溶体。通常，间隙固溶体都是由原子直径很 小的碳、氮、氢、硼、氧等非金属元素溶入过渡族金属 元素的晶格间隙中而形成的。
合金的相结构：
工程材料
纯金属： 物理、化学性能良好，力学性能差。价格 昂贵、种类有限。 合金： 两种或两种金属与金属或与非金属元素组成具 有金属性质的物质。 强度、硬度、耐磨性高，是工程上使用得最多的金属 材料 。 比如：黄铜（ Cu+Zn）、钢（Fe+C）、铝合金等。
金属基础理论
固溶体的几个基本概念： 工程材料
但降低塑性。
金属基础理论
工程材料
（1）正常价化合物
周期表上相距较远，电化学性质相差较大的两元素容易 形成正常价化合物。其特点是符合一般化合物的原子价 规律，成分固定，并可用化学式表示。如Mg2Pb、 Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。 性能特点：高的硬度和脆性。弥散分布于固溶体基体中 时，将起到强化相的作用，使合金强化。
金属基础理论
工程材料
固溶体的溶解度：溶质原子溶入固溶体的极限浓 度。 据此可以分为有限固溶、无限固溶 。 影响溶解度的因素有原子尺寸、晶格类型、电化 学性质以及电子浓度等 。
金属基础理论
固溶体的性能：
工程材料
由于溶质原子尺寸与溶剂原子不同，其晶格都会产生 畸变。由于晶格畸变增加了位错移动的阻力，使滑移变 形难以进行，因此固溶体的强度和硬度提高，塑性和韧 性则有所下降。
组元： 组成合金的元素，或稳定化合物。根据组元多 少合金可分为二元合金、多元合金。 相：组元之间相互作用形成具有同一化学成分、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 。 相可以分为固溶体和金属化合物。
金属基础理论
工程材料
固溶体：相的晶体结构与某一组成元素的晶体结 构相同 。 固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体。
金属基础理论
工程材料
置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而 形成的固溶体 （溶剂与溶质原子尺寸相近，直径差别较小 ，大于15%就很难形 成置换固溶体） 。
置换固溶体中原子的分布通常是任意的，称之为无序固 溶体。在某些条件下，原子成为有规则的排列，称为有 序固溶体。两者之间的转变称为固溶体的有序化。这时， 合金的某些物理性能将发生很大的变化。
GLS
L(T0 T ) T0
LT T0
金属基础理论
GLS
L(T0 T ) T0
LT T0
工程材料
△T=T0-T，为过冷度。对于给定金属，L与T0均为定值， 故△GL→S仅与△T有关。因此，液态金属结晶的驱动力是
这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的
强度、硬度提高的现象称为固溶强化 。
金属基础理论
金属化合物
工程材料
金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶
格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。
一般可用分子式大致表示其组成。金属化合物一般
有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性。
合金中出现化合物时，可提高强度、硬度和耐磨性，
（结晶）的驱动力：
△GL→S＝GL－GS＝（HL－HS）－T（SL－SS）。
金属基础理论
工程材料
一般结晶都发生在金属的熔点附近，故wenku.baidu.com与熵随温度
的变化可以忽略不计，则有HL－HS＝L, SL－SS＝△S， 其中，L为结晶潜热、△S为熔化熵。当T＝T0时, △GL→S＝L-T0△S＝0，所以有△S ＝L/T0。因此，可得：
金属基础理论
液态金属结构示意图
工程材料
结晶过程能量状态与温度的关系： 结晶过程是一个自发过程，所以该过程是
高能状态向低能状态的转变。
金属基础理论
工程材料
液态金属结晶的热力学条件
液态金属的结晶是系统降低自由能的自发进行的过程。
系统的自由能G可由下式表示：
G H TS
H为焓、T为绝对温度、S为熵
金属基础理论
金属基础理论
工程材料
（2）电子化合物
由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元素结合而成的。 它们不遵循原子价规律，而服从电子浓度规律。电子浓 度指合金中化合物的价电子数目与原子数目之比。 性能特点：高的熔点和硬度，但塑性较低，一般只能作 为强化相存在于合金特别是有色金属合金中。
金属基础理论
工程材料
（3）间隙化合物