合金的晶体结构

三、 金属化合物
4 金属化合物的特性 （1）力学性能：金属化合物一般具有复杂的晶体 结构，熔点高，高硬度、低塑性，硬而脆。当合金 中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬 度和耐磨性。金属化合物是工具钢、高速钢等钢中 的重要组成相。 （2）物化性能：具有电学、磁学、声学性质等，可 用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料等。
二、固溶体
2、分类 按溶质原子在溶剂晶格中的位置, 固溶体可分 为置换固溶体与间隙固溶体两种。 按溶质原子在溶剂中的溶解度，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中分布是否有规律，固溶 体分无序固溶体和有序固溶体两种。 在一定条件(如成分、温度等)下，一些合金的 无序固溶体可转变为有序固溶体。这种转变叫 做有序化。
二、固溶体
6、 固溶体的性能
当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本 相同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其 一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降， 电阻率升高，导电性逐渐下降等。 这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固 溶强化。 固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时， 可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。
d 加[ ]。[uvw]。 说明：
a 指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。
b 负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。
晶面指数和晶向指数的标定
（2）晶面指数的标定
a 建立坐标系：确定原 点（晶面外）、坐标轴和度 量单位。
b 量截距：x,y,z。 c 取倒数：h’,k’,l’。 d 化整数：h,k,k。 e 加圆括号：(hkl)。
二、 固溶体
4、 间隙固溶体 （1）组成：原子半径较小（小于0.1nm)的非 金属元素溶入金属晶体的间隙。 （2）影响因素：原子半径和溶剂结构。 （3）溶解度：一般都很小，只能形成有限固 溶体。
二、固溶体
5、 固溶体的性能 无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原 子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不同于 原纯金属。
工业纯铁 共析碳钢
单相铁素体 铁素体相、渗碳体相
普通陶瓷 类比
鸡蛋
晶相、玻璃相、气相
蛋白、蛋黄
3.1 基本概念
组织：用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图 像的统称（宏观组织、微观组织）。组织是影响 材料性能的重要因素。 相是组织的基本组成部分
不同的相构成不同的组织！ 相同的相，但当组成相的数量、大小、 形态和分布不同时，其组织也不同！
三、 金属化合物
• 而FeS、MnS具有离子键，没有金属性质，属于 一般的化合物，因而又称为非金属化合物。 • 在合金中，金属化合物可以成为合金材料的基本 组成相，而非金属化合物是合金原料或熔炼过程 带来的，数量少且对合金性能影响很坏，因而一 般称为非金属夹杂。
三、 金属化合物
• 包括：正常价化合物、电子化合物（电子 相）、 间隙化合物 。
三、金属化合物
1 正常价化合物 （ 1 ）形成：电负性差起主要作用，符合原子 价规则。 （ 2 ）键型：随电负性差的减小，分别形成离 子键、共价键、金属键。 （3）组成：AB或AB2。
三、金属化合物
• 2 电子化合物（电子相） • （ 1 ）形成：电子浓度起主要作用，不符合原子 价规则。 • （2）键型：金属键（金属－金属）。 • （ 3 ）组成：电子浓度对应晶体结构，可用化学 式表示，可形成以化合物为基的固溶体。
Fe(C)合金（钢） Fe3C (化合物）
3.1 基本概念
组元：组成合金独立的最基本单元。组元可以是元素
或是稳定化合物。 Fe(C)合金 Fe、C组元 Fe、Fe3C组元 水，蛋白质，脂肪，胆固醇
类比
鸡蛋
3.1 基本概念
相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化
的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是 两个不同的相。
三、金属化合物
3 间隙化合物 （1）形成：尺寸因素起主要作用。 （2）结构： 间隙化合物：具有复杂结构，主要是铁、钴、铬、锰的化 合物，结构复杂。如Fe3C。 间隙化合物（间隙相）：晶体结构简单，金属原子呈现新 结构，非金属原子位于其间隙，结构简单。如面心立方VC。 （ 3 ）组成：可用化学式表示，可形成固溶体，复杂间 隙化合物的金属元素可被置换。
二、固溶体
纯铜的σ b 为220MPa, 硬度为40HBS, 断面收缩率 ψ 为70%。当加入1%镍形成单相固溶体后, 强度升 高到390MPa, 硬度升高到70HBS, 而断面收缩率仍 有50%。所以固溶体的综合机械性能很好, 常常作 为合金的基体相。 固溶体与纯金属相比, 物理性能有较大的变化, 如电阻率上升, 导电率下降, 磁矫顽力增大。
三、 金属化合物
若新相的晶体结构不同于任一组成元素，则新 相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质， 属于化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的β 相（ CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等。 在这些化合物中，Fe3C和β相均具有相当程度的 金属键及一定的金属性质，是一种金属物质，称 为金属化合物。
3.2合金的相结构
相的分类
合金中的相按结构可分为： 固溶体和金属化合物 。
固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。 金属化合物：组元ຫໍສະໝຸດ Baidu间形成的新相， 其结构不同于任何组元。
二、固溶体
合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。 与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中 含量较多；另一组元为溶质，含量较少。 固溶体用α 、β 、γ 等符号表示。A、B组元组 成的固溶体也可表示为A(B), 其中A为溶剂, B为溶 质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般 用α 表示, 亦可表示为Cu(Zn)。
二、固溶体
间隙固溶体
置换固溶体
二、 固溶体
3、 置换固溶体 （ 1 ）置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体 。 （2）影响置换固溶体溶解度的因素 a 原子尺寸因素 原子尺寸差越小，越易形成置换固溶体，且溶解度越大 。 △r=(rA-rB)/rA 当△r<15%时，有利于大量互溶。
二、 固溶体
形成无限固溶体的必备条件： 置换固溶体 组元点阵相同 原子尺寸相差不大 负电性相同
按溶质原子在晶格中的分布状态分： 有序固溶体、无序固溶体
3.2合金的相结构
3.固溶体的性能 固溶强化：固溶体的强度、硬度随溶质原子浓度升 高而明显增加，塑性、韧性稍有下降，这种现象称 为～～ 。 金属材料重要的强化方式之一，固溶体具有良好的 综合机械性能（强硬度、塑韧性的综合），一般作 为合金的基体相。
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间隙原子引起的晶格畸变
3.2合金的相结构
金属间化合物：两组元形成合金时，当超过固溶体
的溶解极限时，形成的一种晶体结构不同于任一
组元的新相，称为金属间化合物，也称中间相。 1. 特点
晶体结构不同于任一组元金属 性能不同于任一组元金属 一般具有较高的熔点、硬度，较大的脆性
2. 分类 正常价化合物 电子化合物 间隙相和间隙化合物
3.2合金的相结构
1. 晶体结构特点 均一的、保持熔剂金属的晶体结构 晶格常数发生一定变化
3.2合金的相结构
2. 固溶体的分类 按溶质原子所占据的位置 置换固溶体：溶质原子一般为半径相差不大的原子 间隙固溶体：溶质原子半径小的非金属原子 （H、O、N、C、B）
3.2合金的相结构
按固态溶解度分： 有限固溶体：间隙固溶体只能是有限固溶体 无限固溶体：无限固溶体只能是置换固溶体
b 晶体结构因素 结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体。 c 电负性因素 电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大。 d 电子浓度因素 电子浓度e/a越大，溶解度越小。e/a有一极限值，与溶 剂晶体结构有关。一价面心立方金属为1.36，一价体心立 方金属为1.48。 （上述四个因素并非相互独立，其统一的理论的是金属 与合金的电子理论。）
第二章 二元合金相图及结晶
主要内容：
合金的相关概念；
合金的类型；
思考
纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差，如 何改善？
3.1 基本概念
合金：由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元
素，也可以是非金属元素）组成的有金属特征的金属 材料。
思考
金属与非金属组成的是不是一定就是合金？
Fe + C
(a)
(b)
固溶体中溶质原子引起的晶格畸变示意图 （a）正畸变 （b）负畸变
不论形成置换固溶体还是间隙固溶体，由于溶质原 子和溶剂原子大小不一，化学性质也不尽相同，都 造成固溶体的晶格畸变，导致固溶体的强度和硬度 升高，即发生固溶强化 。
3.2合金的相结构
正常晶格
大原子置换引起的晶格畸变
小原子置换引起的晶格畸变
简单立方晶格与晶胞示意图：
晶体
晶格
晶胞
晶格常数：a、b、c
单位：埃
1A =10-10 m
0
晶面：通过原子中心的平面
晶向：通过原子中心的直线所指的方向
晶面指数和晶向指数的标定
（1）晶向指数的标定
a 建立坐标系。确定原点（阵点）、坐标轴和度量单位（棱边）。 b 求坐标。u’,v’,w’。
c 化整数。 u,v,w.