1.8 金属间化合物

电子浓度e/a
3/2 21/13
晶体结构
体心立方 复杂立方
ε（CuZn3）
β（Cu3Al） γ（Cu32Al19） ε（Cu5Al3） β（Cu5Sn） γ（Cu31Sn8） ε（Cu3Sn）
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7/4
3/2 21/13 7/4 3/2 21/13 7/4
密排六方
体心立方 复杂立方 密排六方 体心立方 复杂立方 密排六方
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金属间化合物（中间相）
也称中间相
晶体结构不同于构成它的纯组元，键合方式大多数属于金 属键类型 • 典型成分的金属间化合物可以用化学分子式表示，在相图 中是一根垂直线，但可以形成以化合物为溶剂的固溶体 •分类 正常价化合物、电子化合物和间隙化合物
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金属化合物的特性
金属间化合物作为新的功能材料和耐热材料
有些金属间化合物具有许多特殊的物理化学性质，诸如电学性质、磁学性 质、声学性质、电子发射性质、催化性质、化学稳定性、热稳定性和高 温强度等
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正常价化合物
•通常具有较高的强度和脆性，固溶度范围极小，在相图上为 一条垂直线。
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2.电子化合物（Hume-Rothery相）
由ⅠB族或过渡族金属元素与ⅡB、ⅢA、ⅣA 族金属元素形成的金属化合物
结构稳定性主要取决于电子浓度因素 在相图上占有一定成分范围，结合性质为金属键， 有明显的金属特性
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• • • 1.永磁磁性材料 SmCo 、CeCo5、RE2Co17（RE表示稀土）等 2.高温耐热材料：TiAl、 Ti3Al、Ni3Al等，随温度升高强度也升高、Mo5Si3 3.超导合金：Nb3Sn、Nb3Ge、Nb3Al、V3Ga等材料具有较高的超导转变温度和 较高的临界磁场，超导转变温度最高可以达到120K 4.储氢合金：LaNi5、FeTi、MgNi2、Mg2Cu、La2Mg17等吸氢、放氢 5.硬质合金：WC－Co等 6. 半导体：AsGa比Si优异 7.形状记忆合金：TiNi、CuZn、CuSi、Cu3Al 8.耐腐蚀性化合物保护层：金属的碳化物、硼化物、氮化物等
正常价化合物
• 正常价化合物的结构类型有NaCl型、CaF2型、立方 ZnS型（闪锌矿结构）、六方ZnS型（硫锌矿结构）
几种正常价化合物的晶胞 （a）NaCl型；（b）CaF2型；（c）闪锌矿结构；（d）硫锌矿结构
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2.电子化合物
电子化合物中电子浓度与晶体结构的关系 电子浓度=21/14 电 子 浓 度 =21/13 体心立方结 复 杂 立 方 结 密 排 六 方 复 杂 六 方 结 构（β 相） 构 （ β -Mn 结 构 （ ξ 构 结构， μ 相） 相） （γ 黄铜结 构） CuZn Cu5Zn8 Cu3Ga（中、 Cu3Ga （低 Cu9Ga4 高温） 温） Cu5Sn Cu31Sn8 Cu5Si Cu5Si Cu5Ge Cu31Si8 Ag3Al （ 高 Ag3Al （ 低 Ag3Al （中 温） 温） 温） AgZn AgZn Ag5Zn8 AgCd AgCd Ag5Cd8 AuZn Au5Zn8 FeAl Ni5Zn21 电 子 浓 度 =21/12 密 排 六 方 结构 （ε 相） CuZn3
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原子尺寸因素化合物－－简单填隙相
具有比较简单的晶体结构，多数为面心立方和密排六方，少 数具有体心立方和简单六方结构 分子式一般为M4X、M2X、MX和MX2 成分可以在一定范围内变化，与间隙的填充程度有关
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2.电子化合物
• 电子浓度为21/14的β相，除呈现体心立方结构外， 在不同条件下还可能表现为复杂立方结构（μ相） 和密排六方结构（ξ相）
结构除了受电子浓度影响外，还受原子尺寸、溶质原子价 和温度等的影响 一般说来B族元素的原子价越高，尺寸因素影响越小、温 度越低，不利于形成β相，而有利于形成μ相和ξ相
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原子尺寸因素化合物－－拓扑密排相（TCP相）
• 大小不同的两种原子最紧密堆垛，有可能获得全部或主要 由四面体堆满整个空间，达到空间利用率和配位数都更高 的密堆结构，但这些四面体不一定都是等棱四面体，这种 密排结构称“拓扑密堆结构”，配位数可达12、14、15、 16 种类很多，晶体结构都非常复杂，一个晶胞中有几十个原子
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1.正常价化合物
• 由两种电负性差值较大的元素按通常的化学价规律 形成的化合物正常价化合物
主要是由一些金属与ⅣA、ⅤA、ⅥA族元素所形成
稳定性与两组元的电负性差值大小有关，电负性差值越大，稳 定性越高，愈接近离子键合，反之趋向于金属键合
二价Mg和四价的Pb、Sn、Ge、Si形成的Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Ge、 Mg2Si，由Pb到Si与Mg的电负性差值逐渐增大，所以Mg2Si最稳定，熔 点为1012℃；而Mg2Pb中，熔点仅为550℃，而且显示有典型的金属性 质，电阻随温度升高而增加，金属结合键占主导地位
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简单填隙相
VC的晶体结构
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钢中常见的间隙相与结构
分子式类型 M4 X M2 X MX 钢中常见的间隙相与结构 填隙相的分子式 晶体结构 Nb4C，Fe4N W2C，Ta2C，Fe2N,Mo2C Ta2H,Ti2H ZrN,ZrC,TiC,TiN,TaC,WN TiH,NbH,ZrH WC,MoN TaH ZrH2 TiH2 面心立方 密排六方 密排六方 面心立方 面心立方 简单六方 体心立方 面心立方 面心立方 非金属原子所处的间 隙位置 八面体间隙 八面体间隙 四面体间隙 八面体间隙 四面体间隙 八面体间隙 四面体间隙 八面体间隙 四面体间隙
例：Fe3C、Mn3C、Cr7C3、Cr23C6、Fe3W3C、Fe4W2C
化合物中，金属原子常常可以被另外一种金属原子所置换
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Fe3C复杂填隙相
钢中一种重要复杂间隙化 合物，称为渗碳体 晶体结构属于正交晶系
2.电子化合物
按照一定电子浓度值形成的化合物，电子浓度不同，所形成 化合物的晶格类型也不同
含有过渡族元素的电子化合物，计算电子浓度时，过渡族 元素的价电子数看作零 大多数电子化合物晶体结构与电子浓度有对应关系 电子浓度为21/14时，具有体心立方结构，称为β相 电子浓度为21/13时，具有复杂立方晶格，称为γ相 电子浓度为21/12时，为密排六方晶格，称为ε相
MX2
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一些简单填隙相的成分范围
相的名称 Fe4N Fe2N
0.170.33 TiN
Mn4N
0.200.215 Ti2H
Mn2N
0.250.34
Mo2C NbC
0.3-0.5 0-0.33
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原子尺寸因素化合物－－ 2.复杂填隙相
·γX/γM>0.59 晶体结构很复杂
有的一个晶胞中就含有几十到上百个原子 · 在碳钢和合金钢中主要是 Cr、Mn、Fe、Co的碳化物以及Fe 的硼化物等，复杂填隙相的结构主要有 M3C 、 M7C3 型、 M23Co和M6C型
0.300.39
PdH
TaC
0.450.50 UC2 0.260.65
非金属X原子 0.190.21 的摩尔分数 相的名称 TiC 非金属X原子 0.250.5 的摩尔分数
0.44- 0.390.48 0.45 VC ZrC 0.43- 0.330.50 0.50
TiH-Ti2H 0.47-0.62
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•
• • • •
常见的拓扑密堆结构如高合金化的不锈耐热钢、铁基高温合金和镍基高温合金 中的Laves相，Ni-Cr、Cr-Mn、Fe-Cr、Fe-Mo、Fe-V、Fe-W、V-Mn、Co-W等 合金系中的σ相，含Mo的Ni-Cr耐热钢中的χ相，以及在W、Mo、Nb含量较高的 高温合金中出现的μ相
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金属化合物的特性
具有极高的硬度、较高的熔点，一般塑性很差
金属间化合物中含有较多离子键及共价键的成分 绝大多数的工程材料中可以把金属化合物作为强化合金的第 二相来使用 一些正常价化合物和多数电子化合物可作有色金属强化相 简单间隙化合物在合金钢和硬质合金中得到广泛应用 复杂间隙化合物是合金钢及高温合金中的重要强化相
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3.原子尺寸因素化合物
• 当两种元素形成金属间化合物时，如果它们之间的原子半 径差别很大时，便形成原子尺寸因素化合物 1．填隙型（填隙化合物） 在过渡族金属与H、B、C、N等原子半径甚小的非金属元素 之间形成，rX、rM：非金属（X）与金属（M）的原子半径 1）简单填隙相：rX/rM<0.59 2）复杂填隙相：rX/rM>0.59 2.拓扑密排相（TCP相）
Cu3Sn Cu3Si Ag5Al3 AgZn3 AgCd3 AuZn3
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2.电子化合物
合金系 Cu-Zn 系
Cu-Al 系 Cu-Sn 系
中间相
β（CuZn） γCu5Zn8）
有些结构简单的间隙化合物可以互相溶解，形成连续固溶体，如TiC-ZrC， TiC-VC，TiC-NbC等。但是如果当两种间隙相中金属原子的半径差≥15%， 即使两者结构相同，相互的溶解度（质量分数）也很小
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