材料科学基础-第五章 材料的相结构及相图

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Laves相三种类型
MgCu2型 MgZn2型 MgNi2型
II. 拉弗斯(Laves)相 ①MgCu2型:立方晶系。每个晶胞有24个原子。
Mg原子形成闪锌矿型的结构(8个); Cu原子形成四面体(16个)。 每个镁原子有4个近邻镁原子和12个近邻铜原子; 每个铜原子有6个近邻的铜原子和6个近邻的镁原子。
(1)正常价化合物
正常价化合物的分子式只有AB,A2B或AB2两种。 常见类型:
NaCl型
CaF2型
闪锌矿型 硫锌矿型
(面心立方 (面心立方 (立方ZnS)(六方ZnS)


(1)正常价化合物
➢ 正常价化合物其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。
置换固溶体 间隙固溶体
按固溶度的大小
有限固溶体 无限固溶体
按溶质原子与溶剂 原子的相对分布情况
无序固溶体 有序固溶体
(1)置换固溶体
溶剂原子 溶质原子
溶质原子占据溶剂晶格某些 结点位置所形成的固溶体
(1)置换固溶体
溶质与溶剂可以有限互溶也可以无限互溶, 其溶解度与以下几个因素有关:
I. 尺寸因素 溶质原子半径与溶剂原子半径之差越大,一个溶质原
表示温度,横轴表示成分。即T-x或T-w图
• 如果合金系由A、B两组元组成,横坐标一端 为组元A,而另一端为组元B,那么体系中任 一成分合金都可以在横坐标上找到相应的点。
成分表示方法
二元合金相图的成分有两种表示方法: 质量分数(W)和摩尔分数(x)。
➢ 通常用质量分数(W)表示,在没有特别注明 时,合金成分都是指质量百分数。
按中间相形成时起主要作用的因素分类: 正常价化合物;电子化合物;尺寸因素化合物
(1)正常价化合物
符合原子价规则的化合物,在AmBn中,正离子 的价电子数恰好使负离子具有稳定的电子层结 构。
金属元素与周期表中的ⅣA,ⅤA,ⅥA元素 形成正常价化合物。
有较高的硬度,脆性很大。
例如:Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、MgS、MnS等
子引起的点阵畸变能就越大,溶质原子能溶入溶剂 中的数量就越少,固溶体 的溶解度就越小。 相反就越大。
I. 尺寸因素
II. 晶体结构因素
组元间晶体结构相同时,固溶度一般都较大,而且有可 能形成无限固溶体。若不同只能形成有限固溶体。
III. 电负性差因素
两元素间电负性差越小,越易形成固溶体,且形成的 固溶体的溶解度越大;随两元素间电负性差增大 ,固溶度减小。
Cu Mg
II. 拉弗斯(Laves)相
②MgZn2型:六方晶系。
Mg原子形成硫锌矿结构;Zn原子形成四面体。 每个Mg原子有4个近邻Mg原子和12个近邻Zn原子。 每个Zn原子有6个近邻Zn原子和6个近邻Mg原子。
II. 拉弗斯(Laves)相
③MgNi2型:六方晶系。 介于MgCu22之间的结构。
简单结构的间隙化合物虽然可以用化学式表示, 但其化学成分可在一定范围内变化
I. 间隙化合物 表5-4 钢中常见的间隙化合物
➢ 间隙化合物的键型不完全是金属键,而大多数是不同程 度的金属键与共价键的混合与杂交。
➢ 可见此类化合物形成时,电负性因素也起了一定作用。
I. 间隙化合物 表5-5 钢中常见间隙化合物的硬度及熔点
Cu-Zn系 β(CuZn) 3/2
体心立方
Cu-Al系 Cu-Sn系
g Cu5Zn8)
ε(CuZn3) β(Cu3Al) g (Cu32Al19) ε(Cu5Al3) β(Cu5Sn) g (Cu31Sn8) ε(Cu3Sn)
21/13 7/4 3/2 21/13 7/4 3/2 21/13 7/4
第一节 材料的相结构
相:是合金中具有同一聚集状态,同一晶体 结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部 分。
固溶体 根据相的结构特点分为两大类:
中间相
1. 固溶体
以合金中某一组元作为溶剂,其它组元为溶质, 所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有 变化的固相,称为固溶体。
固溶体的类型
按溶质原子在溶剂 晶体中所占位置
在恒压条件下:f = C – P + 1
Gibbs相律(Gibbs phase rule)的应用 :
纯金属(pure metal): C = 1,P = 2时, f = 0; 两相共存时自由度为零(恒温下转变) C = 1,P = 1时, f = 1; 单相时自由度为1(在一定的温度区间内转变)
一、相图的基本知识
1. 相图的形式和种类: 温度-浓度图(T-x) 温度-压力-浓度图(T-p-x) 温度-压力图(T-p)
① 单元系相图: ② 二元系相图:
T-p图
T-p-x图,常固定压强p,即T-x图
P

冰 气

L
TA
S+L
S
T 水的状态示意图
A
X B% B
③ 三元系相图:
考虑5个变量(三种组元 A、B、C,温度T和 压力p)。 常固定压强p,
1)电负性差值ΔX<0.4~0.5时,有利于形成固溶体 2)ΔX>0.4~0.5,倾向于形成稳定的化合物
IV. 电子浓度因素 电子浓度的定义是合金中各组成元素的价电子数总和与
原子总数的比值,记作e/a。电子浓度有一极限,超 过这一极限,固溶体就不稳定,会形成新相。
e/aV(101 0x0)0ux
II. 拉弗斯(Laves)相
当组元间原子尺寸之差处于间隙化合物与 电子化合物之间时,会形成拉弗斯相。
拉弗斯相:借大小原子排列的配合而实现的密排 结构。
通式AB2,A和B均为金属原子 A:大原子;B:小原子 rA/rB的理论比值为1.225 rA/rB的实际比值为1.05-1.068
II. 拉弗斯(Laves)相
➢ 结构简单的具有极高的硬度及熔点,是合金工具钢和硬 质合金的重要组成相。
I. 间隙化合物
间隙化合物和间隙固溶体的异同点
相同点: 非金属原子以间隙的方式进入晶格。
不同点: ➢ 间隙化合物:间隙化合物中的金属组元大多与自
身原来的结构类型不同 ➢ 间隙固溶体:间隙固溶体中的金属组元仍保持自
身的晶格结构
➢ 正常价化合物包括从离子键、共价键过渡到金属键为主的一系 列化合物,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。
Mg2Si Mg—Si相图
(2)电子化合物
由ⅠB族或过渡金属元素与ⅡB,ⅢB,ⅣB族元素 形成的金属化合物。
不遵守化合价规律,晶格类型随化合物电子浓度 而变化。
第二节 二元相图及其类型
相图(phase diagram):是一种能够描述给定材 料系中材料(合金)成分、温度(压力)与其组 织状态之间关系的图形。
利用相图可以:
1 可以了解各种成分材料(合金)的熔点和发生固态转变的温度; 2 用于研究材料(合金)的凝固过程和凝固后的组织; 3 是制定材料(合金)熔铸、压力加工、热处理工艺的重要依据; 4 相图是在平衡条件下测得的,也叫平衡状态图。
中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。Fe3C称为渗碳体 ,具有复杂的斜方晶格。
➢ 当原子半径比等于0.23时,非金属原子占据过渡族金属结构的 四面体间隙;
➢ 而当原子半径比在0.41和0.59之间时,非金属原子占据过渡族 金属结构则占据八面体间隙。
I. 间隙化合物 表5-3 简单结构的间隙化合物成分范围
二元相图的测定是根据各种成分材料的 临界点(critical point)绘制。
临界点是表示物质结构状态发生本质变化的 临界相变点。
测定材料临界点有两种方法类型:
(1) 动态法:热分析法、膨胀法、电阻法
间隙化合物通常可用一个化学式表示,并具有特定的结构。
此结构往往不同于纯组元的结构,而是取决于非金属元素X 与过渡族金属元素M的原子半径比。
I. 间隙化合物
➢ 当原子半径比小于0.59时,形成结构简单的间隙化合物,并具 有简单的化学式。如体心立方,面心立方,密排六方,简单立方
➢ 当原子半径比大于0.59时,形成结构复杂的间隙化合物。如钢
第五章 材料的相结构及相图
第一节 材料的相结构 第二节 二元相图及其类型 第三节 复杂相图分析 第四节 相图的热力学基础
第五节 三元系相图及其类型
合金:根据性能要求,选用两种或两种 以上金属元素或金属与非金属元素,经 熔炼或烧结等方法形成具有金属性能的 材料称为合金。
例如:Fe-C钢铁;Cu-Zn铜合金;Mg合金; Al合金;Ni基合金等。
对置换式固溶体,溶质原子与溶剂原子的尺寸 差别越大,溶质原子的浓度越高,其强化效果 就越大。
由于溶质原子的固溶而引起的强化效应,称为 固溶强化。
2. 中间相
两组元间的相对尺寸差、电子浓度及电负性差 都有一溶限,当溶质原子的加入量超过此溶限 时便会形成一种新相,这种新相称为中间相。
➢ 中间相一般具有较高的熔பைடு நூலகம்及硬度,可使合 金的强度、硬度、耐磨性及热腐蚀性提高。
成分表示方法
质量分数(W)和摩尔分数(x)可以进行换算
wA
MA
MA XA M XA B
100%
XB
wA
MB XB M M A XA B XB
100%
XA
wA/MA wA/MA wB/MB
100%
XB
wB/MB wA/MA wB/MB
100%
相图的建立有实验测定和理论计算两种方法。
(2)间隙固溶体
溶剂原子 溶质原子
溶质原子进入溶剂晶格的间隙 所形成的固溶体,溶质原子不 占据晶格的正常位置。
溶质原子一般是半径小于0.1mm的非金属元素 例如: H(0.046nm);O(0.061nm); N(0.071nm);C(0.077nm); B(0.097nm)
注意:
无论是置换固溶体还是间隙固溶体,均能引起 固溶体的硬度、强度升高。
电子浓度为3/2时: 呈体心立方结构(b相); 电子浓度为21/13时:呈复杂立方结构(g相); 电子浓度为21/12时。呈密排六方结构(e相);
(2)电子化合物
它们的形成主要是电子浓度起主导作用。也与尺寸 因素及组元的电负性差有一定关系。溶点及硬度较 高,脆性大。
合金系
中间相 电子浓度e/a 晶体结构
二元系(binary system): C = 2,P = 3时,f = 0; 只有三相共存时自由度为零(恒温下转变) C = 2, P = 2时,f = 1; 两相共存时自由度为1(在一定的温度区间内转变)
C
P
1
2
2
二元系 3
1
3
2
三元系 3
4
相律在相图中的应用
f
含义
2 单相合金,成分和温度都可变
即T-x( A、B、C )图,
三棱柱模型
2. 相律(phase rule):描述系统的组元数、相 数和自由度之间关系的法则。
Gibbs相律(Gibbs phase rule):f=C-P+2
f:自由度数目(the number of degrees of freedom); C:给定材料的组元数(the number of components); P:共存的平衡相数(the number of equilibrium phases); 2:压力、温度自由度
两相平衡,成分、相对量和温度 1 等因素中只有一个独立变量
0
三相平衡,三相的成分、相对 量及温度都确定
3
单相合金其中两个组元的含量 及温度三个因素均可变
两相平衡,两相的成分、数量
2
及温度中有两个独立变量
三相平衡,所有变量中只有 1 一个是独立变量
0 四相平衡所有因素都确定不变
3. 二元相图建立:
二元系(binary system)由于合金有成分 (composition) 变 化 , 所 以 其 相 图 ( phase diagram)需用纵、横两个坐标轴表示,纵轴
第二节 二元相图及其类型
平衡凝固过程(equilibrium solidification): 指在极缓慢凝固过程中,每个阶段都能达到平衡 的结晶过程
相律:描述材料在不同条件下相平衡状态所遵循的法规,
是理解、分析相图十分重要的理论依据。
注意:相图和相律只在热力学平衡条件下成立。相图和
相律不能反映各平衡相的结构、分布状态及具体形貌。
复杂立方 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
(3)尺寸因素化合物
这类中间相的形成主要受组元的相对尺寸所控 制。尺寸差别越大,造成的晶格畸变就越大, 畸变能也就越高。
分类: 间隙化合物;拉弗斯(Laves)相
I. 间隙化合物
由原子半径较大的过渡族金属元素和原子半径较小的 非金属元素H,B,C,N,Si等形成的金属间化合物
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