材料科学及工程教程第五章材料的相结构及相图
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第五章 材料的相结构及相图
18/12/2019
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一、概述 二、材料的相结构 三、二元相图及其类型
18/12/2019
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一、概述
1. 组元 (Component)
组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来，并能独立存在 的化学纯物质，在一个给定的系统中，组元就是构成系统的各种 化学元素或化合物。
化学元素：Cu, Ni, Fe等 化合物：Al2O3, MgO, Na2O, SiO2等
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②晶体结构类型 • 连续固溶体必要条件：具有相同的晶体结 构（不是充分条件） • 晶体结构不同，最多只能形成有限型固溶 体（满足尺寸条件前提下）
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MgO-NiO 、 Al2O3-Cr2O3 、 ThO2-UO2 、 CuNi、Cr-Mo、Mo-W、Ti-Zr：连续固溶体
Fe2O3—Al2O3，=18.4%，有限固溶体
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③电负性差
电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离 子的能力。反映两元素的化学性能差别。 •两元素间电负性差越小，则越容易形成固溶体，且所形成的 固溶体的溶解度也就越大； •随两元素间电负性差增大，溶解度减小，当其差别很大时， 往往形成较稳定的化合物。
在有些材料中，固溶体还存在有序化转变，即在一定的 条件(如温度、压力)下，无序固溶体和有序固溶体之间会发生 相互转变。
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3）影响固溶体溶解度的因素（对置换型固溶体来说）
在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度叫该元素 在固溶体中的溶解度。影响溶解度的因素很多，目前还在研究 中，现在公认的有：
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表征：浓度
（与液体溶液类似）
溶质原子溶入固溶体中的量！
溶质元素在固溶体中的极限浓度叫做溶质元素在固溶 体中的溶解度
浓度或溶解度一般用溶质元素所占的重量百分比来表示 (%Wt)；有时也用溶质元素所占的原子数量百分比来表示，这 时也称为摩尔浓度(%Wa)。
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2）固溶体的分类
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二、材料的相结构
1、 固溶体：
当材料由液态结晶为固态时，组成元素间会象溶液那样 互相溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其它元 素原子的新相，称为固溶体。
溶剂：与固溶体晶格相同，占有较大含量；
溶质：含量较少；
固溶体即一些元素进入某一组元的晶格中，不改变其晶 体结构，形成的均匀相。
例如：单一的液 单一的固相； 液相、固相两相共存；
问题： 水、油混装在一个瓶子里，是几个相？
18/12/2019
将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？
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4、相图：描写在平衡条件下，系统状态或相的转变与成分、 温度及压力间关系的图解；
可以分析和了解材料在不同条件下的相转变及相的平衡 存在状态，预测材料的性能和研制新的材料； 制定材料的制备工艺！
Al2O3-Cr2O3
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•间隙式固溶体
在合金中较为常见， 金属和H、B、C、N 等元素形成的固溶体
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（2）按溶解度
①无限溶解固溶体 溶质可以任意比例溶入溶剂晶格中。构成 无限固溶体。这时把含量较高的组元称为溶剂，含量较少的组 元称为溶质。 ②有限溶解固溶体 溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度， 超过这个限度就会有其它相(另一种固溶体或化合物)的形成。
例如：Cu作一价；过度族元素作0价处理。
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在某些合金中，固溶度的主要影响因素是电子浓度！
• 在生成有限固溶体条件下，价态差别越 大，固溶度降低。Cu溶剂： Zn 2价 —— 38%；Ga 3价 —— 20% Ge 4价 —— 12%；As 5价 —— 7%
（1）按溶质原子在固溶体(溶剂) 晶格中的位置不同可分为：
① 置换固溶体 溶质原子取代了部分溶剂晶格中某些结点上 的溶剂原子而形成的固溶体。
② 间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中，不占据 晶格结点位置。
A
B
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置换固 溶体
溶剂原子 溶质原子
间隙固
溶剂原子
溶体
溶质原子
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Biblioteka Baidu
•置换型固溶体：取代型。 MgO-CoO、MgO-CaO、PbTiO3-PbZrO3、
间隙固溶体都是有限溶解固溶体。在金属材料中，通常是过渡
族金属元素为溶剂，小尺寸的C、N、H、O、B等元素为溶质。
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（3) 按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点
①无序固溶体 溶质原子在 溶剂晶格中分布是任意的， 没有任何规律性，仅统计 角度上是均匀分布的。
②有序固溶体 溶质原子以一定的比例，按一定方向和顺序有 规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。
按组元数目，将系统分为： 一元系
二元系
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三元系 3 ……
2、合金：
多组元组成的金属材料，由两种或两种以上的元素组成， 其中至少有一种为金属，组成具有金属性的材料称为合 金。
获得： 通过熔炼
常见合金： 钢、铝合金、钛合金
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3、相：
在一个系统中，成分、结构相同，性能一致的均匀的组成部 分叫做相，不同相之间有明显的界面分开,该界面称为相界面。 在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分，可分为固溶 体和化合物两大类。 注意： 相在物理性能和化学性 能上是均匀的。 相界面和晶界的区别。
①尺寸因素
从晶体结构的稳定观点来看，相互替代的质点尺寸愈接近， 则固溶体愈稳定，其固溶量将愈大。 ！
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经验证明： • 当<15%时，溶质和溶剂之间有可能形成 连续固溶体； • 当=15~30%之间时，溶质和溶剂之间可以 形成有限固溶体； • 当>30%时，溶质和溶剂之间不生成固溶 体，仅在高温下有少量固溶。
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④电子浓度
在金属材料(合金)中，价电子数目(e)与原子数目(a)之比 称为电子浓度。由于溶质和溶剂的价电子数可能不同，电子浓 度
e/a = VA(1-x) + VBx。
其中x为溶质的原子百分比浓度(摩尔分数)，VA、VB分别为溶剂和溶质 的价电子数。
*此原子价为用来表示形成合金时每一原子平均贡献出的 公有电子数（或参加结合键的电子数），与化学反应时 所表现出来的价数并不一致
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一、概述 二、材料的相结构 三、二元相图及其类型
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一、概述
1. 组元 (Component)
组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来，并能独立存在 的化学纯物质，在一个给定的系统中，组元就是构成系统的各种 化学元素或化合物。
化学元素：Cu, Ni, Fe等 化合物：Al2O3, MgO, Na2O, SiO2等
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②晶体结构类型 • 连续固溶体必要条件：具有相同的晶体结 构（不是充分条件） • 晶体结构不同，最多只能形成有限型固溶 体（满足尺寸条件前提下）
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MgO-NiO 、 Al2O3-Cr2O3 、 ThO2-UO2 、 CuNi、Cr-Mo、Mo-W、Ti-Zr：连续固溶体
Fe2O3—Al2O3，=18.4%，有限固溶体
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③电负性差
电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离 子的能力。反映两元素的化学性能差别。 •两元素间电负性差越小，则越容易形成固溶体，且所形成的 固溶体的溶解度也就越大； •随两元素间电负性差增大，溶解度减小，当其差别很大时， 往往形成较稳定的化合物。
在有些材料中，固溶体还存在有序化转变，即在一定的 条件(如温度、压力)下，无序固溶体和有序固溶体之间会发生 相互转变。
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3）影响固溶体溶解度的因素（对置换型固溶体来说）
在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度叫该元素 在固溶体中的溶解度。影响溶解度的因素很多，目前还在研究 中，现在公认的有：
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表征：浓度
（与液体溶液类似）
溶质原子溶入固溶体中的量！
溶质元素在固溶体中的极限浓度叫做溶质元素在固溶 体中的溶解度
浓度或溶解度一般用溶质元素所占的重量百分比来表示 (%Wt)；有时也用溶质元素所占的原子数量百分比来表示，这 时也称为摩尔浓度(%Wa)。
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2）固溶体的分类
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二、材料的相结构
1、 固溶体：
当材料由液态结晶为固态时，组成元素间会象溶液那样 互相溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其它元 素原子的新相，称为固溶体。
溶剂：与固溶体晶格相同，占有较大含量；
溶质：含量较少；
固溶体即一些元素进入某一组元的晶格中，不改变其晶 体结构，形成的均匀相。
例如：单一的液 单一的固相； 液相、固相两相共存；
问题： 水、油混装在一个瓶子里，是几个相？
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将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？
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4、相图：描写在平衡条件下，系统状态或相的转变与成分、 温度及压力间关系的图解；
可以分析和了解材料在不同条件下的相转变及相的平衡 存在状态，预测材料的性能和研制新的材料； 制定材料的制备工艺！
Al2O3-Cr2O3
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•间隙式固溶体
在合金中较为常见， 金属和H、B、C、N 等元素形成的固溶体
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（2）按溶解度
①无限溶解固溶体 溶质可以任意比例溶入溶剂晶格中。构成 无限固溶体。这时把含量较高的组元称为溶剂，含量较少的组 元称为溶质。 ②有限溶解固溶体 溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度， 超过这个限度就会有其它相(另一种固溶体或化合物)的形成。
例如：Cu作一价；过度族元素作0价处理。
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在某些合金中，固溶度的主要影响因素是电子浓度！
• 在生成有限固溶体条件下，价态差别越 大，固溶度降低。Cu溶剂： Zn 2价 —— 38%；Ga 3价 —— 20% Ge 4价 —— 12%；As 5价 —— 7%
（1）按溶质原子在固溶体(溶剂) 晶格中的位置不同可分为：
① 置换固溶体 溶质原子取代了部分溶剂晶格中某些结点上 的溶剂原子而形成的固溶体。
② 间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中，不占据 晶格结点位置。
A
B
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置换固 溶体
溶剂原子 溶质原子
间隙固
溶剂原子
溶体
溶质原子
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•置换型固溶体：取代型。 MgO-CoO、MgO-CaO、PbTiO3-PbZrO3、
间隙固溶体都是有限溶解固溶体。在金属材料中，通常是过渡
族金属元素为溶剂，小尺寸的C、N、H、O、B等元素为溶质。
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（3) 按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点
①无序固溶体 溶质原子在 溶剂晶格中分布是任意的， 没有任何规律性，仅统计 角度上是均匀分布的。
②有序固溶体 溶质原子以一定的比例，按一定方向和顺序有 规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。
按组元数目，将系统分为： 一元系
二元系
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三元系 3 ……
2、合金：
多组元组成的金属材料，由两种或两种以上的元素组成， 其中至少有一种为金属，组成具有金属性的材料称为合 金。
获得： 通过熔炼
常见合金： 钢、铝合金、钛合金
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3、相：
在一个系统中，成分、结构相同，性能一致的均匀的组成部 分叫做相，不同相之间有明显的界面分开,该界面称为相界面。 在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分，可分为固溶 体和化合物两大类。 注意： 相在物理性能和化学性 能上是均匀的。 相界面和晶界的区别。
①尺寸因素
从晶体结构的稳定观点来看，相互替代的质点尺寸愈接近， 则固溶体愈稳定，其固溶量将愈大。 ！
18/12/2019
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经验证明： • 当<15%时，溶质和溶剂之间有可能形成 连续固溶体； • 当=15~30%之间时，溶质和溶剂之间可以 形成有限固溶体； • 当>30%时，溶质和溶剂之间不生成固溶 体，仅在高温下有少量固溶。
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④电子浓度
在金属材料(合金)中，价电子数目(e)与原子数目(a)之比 称为电子浓度。由于溶质和溶剂的价电子数可能不同，电子浓 度
e/a = VA(1-x) + VBx。
其中x为溶质的原子百分比浓度(摩尔分数)，VA、VB分别为溶剂和溶质 的价电子数。
*此原子价为用来表示形成合金时每一原子平均贡献出的 公有电子数（或参加结合键的电子数），与化学反应时 所表现出来的价数并不一致