第二章合金結(jié)構(gòu)教材

1、Abstract In this paper, the microstructures and mechanical properties of the two BMG composites with the same composition of Zr56.2Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5.6Be12.5, which contain in situ formed dendritic and spherical b.c.c. -Zr (Ti, Nb) solid solutions, are compared based on micrograph observations, XRD

2、 analysis and uniaxial compression tests at room temperature. 由于純金屬性能上的局限性，實(shí)際使用的金屬由于純金屬性能上的局限性，實(shí)際使用的金屬材料絕大多數(shù)是材料絕大多數(shù)是合金合金。 由一種固相組成的合金由一種固相組成的合金稱為稱為單相合金單相合金；由幾種不同；由幾種不同相組成的合金稱為相組成的合金稱為多相合金多相合金。 （宏、微觀）（宏、微觀）組織組織指合金中有若干相以一定的指合金中有若干相以一定的數(shù)量、形狀、尺寸組合而成數(shù)量、形狀、尺寸組合而成的并且具有獨(dú)特形態(tài)的部分。的并且具有獨(dú)特形態(tài)的部分。2.3.2 中間相中間相 (金屬間化

3、合物金屬間化合物-intermetallics )固溶體固溶體中間相中間相(金屬化合物金屬化合物)相相 合金相結(jié)構(gòu)合金相結(jié)構(gòu)置換固溶體置換固溶體間隙固溶體間隙固溶體正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物電子化合物電子化合物間隙相間隙相間隙化合物間隙化合物超結(jié)構(gòu)（有序固溶體超結(jié)構(gòu)（有序固溶體; 超點(diǎn)陣）超點(diǎn)陣）與尺寸有關(guān)與尺寸有關(guān)拓?fù)涿芏严嗤負(fù)涿芏严?合金的組元之間以不同的比例相互混合，混合后合金的組元之間以不同的比例相互混合，混合后形成的固相的晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元的相同，形成的固相的晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元的相同，這種相稱為這種相稱為固溶體固溶體；這種組元稱為；這種組元稱為溶劑溶劑，其他的組元即

4、，其他的組元即為為溶質(zhì)溶質(zhì)。 固溶體成分可以在固溶體成分可以在一定范圍內(nèi)變化，在一定范圍內(nèi)變化，在相相圖圖上表現(xiàn)為一個(gè)區(qū)域。上表現(xiàn)為一個(gè)區(qū)域。 固溶體在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)固溶體在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是必須是必須保持溶劑組元的點(diǎn)陣保持溶劑組元的點(diǎn)陣類型類型。 點(diǎn)陣畸變點(diǎn)陣畸變 盡管結(jié)構(gòu)類型盡管結(jié)構(gòu)類型不變，但不變，但具體結(jié)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)還是有所變化還是有所變化的。的。例如，當(dāng)組元的原例如，當(dāng)組元的原子尺寸不同時(shí)會(huì)引子尺寸不同時(shí)會(huì)引起的起的點(diǎn)陣畸變點(diǎn)陣畸變，原，原子尺寸相差越大，子尺寸相差越大，引起的畸變也越大。引起的畸變也越大。 置換固溶體置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格中的結(jié)點(diǎn)位溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格中的結(jié)點(diǎn)位置而

5、形成的固溶體稱置而形成的固溶體稱置換固溶體置換固溶體。當(dāng)溶劑和溶質(zhì)原子直。當(dāng)溶劑和溶質(zhì)原子直徑相差不大，一般在徑相差不大，一般在15以內(nèi)時(shí)，易于形成置換固溶體。以內(nèi)時(shí)，易于形成置換固溶體。 形成形成無(wú)限置換固溶體無(wú)限置換固溶體 溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格各結(jié)點(diǎn)間的間隙中形成的固溶體，溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格各結(jié)點(diǎn)間的間隙中形成的固溶體，稱為稱為間隙固溶體間隙固溶體。 當(dāng)溶質(zhì)當(dāng)溶質(zhì)原子半徑原子半徑很小，使溶質(zhì)與溶劑的原子半徑差很小，使溶質(zhì)與溶劑的原子半徑差r r 41%41%時(shí)，溶質(zhì)原子就可能進(jìn)入溶劑晶格間隙中而形成間隙固溶時(shí)，溶質(zhì)原子就可能進(jìn)入溶劑晶格間隙中而形成間隙固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素，都

6、是屬于半徑小于體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素，都是屬于半徑小于0.lnm0.lnm的的非金屬元素，如非金屬元素，如H H、O O、 N N、C C、B B等。等。 C在在bcc -Fe和和fcc -Fe中都處于中都處于8面體間隙中形成面體間隙中形成間隙固溶體（為什么？）間隙固溶體（為什么？）（解釋為什么解釋為什么-Fe比比-Fe溶溶C量大？）量大？） 溶質(zhì)原子溶入溶劑后，將使溶劑的晶格常數(shù)溶質(zhì)原子溶入溶劑后，將使溶劑的晶格常數(shù)改變，并使晶格發(fā)生畸變改變，并使晶格發(fā)生畸變; ;溶入的溶質(zhì)原子越多，溶入的溶質(zhì)原子越多，溶劑晶格畸變也越大。當(dāng)溶質(zhì)原子較小時(shí)，溶劑溶劑晶格畸變也越大。當(dāng)溶質(zhì)原子較小時(shí)，溶

7、劑晶格畸變也較小。由于溶劑晶格中的間隙是有一晶格畸變也較小。由于溶劑晶格中的間隙是有一定限度的，所以定限度的，所以間隙固溶體都是有限固溶體間隙固溶體都是有限固溶體。 在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，固溶體的成分在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，固溶體的成分從宏觀從宏觀看來(lái)是均勻看來(lái)是均勻的，但從的，但從微觀看微觀看來(lái)其溶質(zhì)原于的分來(lái)其溶質(zhì)原于的分布往往是布往往是不均勻不均勻的。的。ABBBAAEEEABBBAAEEE2ABBBAAEEE2 原子結(jié)合能原子結(jié)合能 E 兩個(gè)孤立原子形成化學(xué)鍵后釋放的能兩個(gè)孤立原子形成化學(xué)鍵后釋放的能量。結(jié)合能是內(nèi)能，故其越小系統(tǒng)越穩(wěn)定。量。結(jié)合能是內(nèi)能，故其越小系統(tǒng)越穩(wěn)定。 某些合金，當(dāng)其

8、成分某些合金，當(dāng)其成分接近一定原子比時(shí)，較高接近一定原子比時(shí)，較高溫度時(shí)為短程有序，緩冷溫度時(shí)為短程有序，緩冷到某一溫度以下，會(huì)轉(zhuǎn)變到某一溫度以下，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆行驙顟B(tài)稱為為完全有序狀態(tài)稱為有序有序固溶體固溶體，這一轉(zhuǎn)變過(guò)程稱，這一轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為為固溶體的有序化固溶體的有序化。有序。有序固溶體又稱固溶體又稱超結(jié)構(gòu)或超點(diǎn)超結(jié)構(gòu)或超點(diǎn)陣陣。 固溶體的硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等總是比組成它的純固溶體的硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等總是比組成它的純金屬的平均值高，隨著溶質(zhì)原子濃度的增加，硬度和強(qiáng)度也隨金屬的平均值高，隨著溶質(zhì)原子濃度的增加，硬度和強(qiáng)度也隨之提高。這就是之提高。這就是固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化。 溶質(zhì)原

9、子與溶劑原子的溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸尺寸差別越大，所引起的差別越大，所引起的晶格畸變晶格畸變也越大，也越大，強(qiáng)化效果也越好強(qiáng)化效果也越好。 由于由于間隙原子間隙原子造成的晶格畸變比造成的晶格畸變比置換原子置換原子的大，所以其的大，所以其強(qiáng)強(qiáng)化效果也較好化效果也較好。 在在塑性、韌性塑性、韌性方面，如伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊功等，方面，如伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和沖擊功等，固溶體固溶體要比組成它的兩個(gè)要比組成它的兩個(gè)純金屬純金屬的平均值低，但比一般的平均值低，但比一般化合物化合物要高的多。要高的多。 綜合看，固溶體比純金屬和化合物具有較為優(yōu)越的綜合機(jī)綜合看，固溶體比純金屬和化合物具有較為優(yōu)越的綜合機(jī)

10、械性能，因此械性能，因此各種金屬總是以固溶體為其基體相各種金屬總是以固溶體為其基體相。 構(gòu)成合金的各組構(gòu)成合金的各組元間除了相互溶解而元間除了相互溶解而形成形成（端際）固溶體（端際）固溶體外，當(dāng)超過(guò)固溶體的外，當(dāng)超過(guò)固溶體的最大溶解度時(shí)，還可最大溶解度時(shí)，還可能形成新的合金相，能形成新的合金相，又稱為又稱為中間相中間相。 中間相大多數(shù)是中間相大多數(shù)是由不同的金屬或金屬由不同的金屬或金屬與亞金屬組成的化合與亞金屬組成的化合物，這類中間相也稱物，這類中間相也稱金屬間化合物金屬間化合物。 固溶體固溶體在結(jié)構(gòu)上的在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是必須特點(diǎn)是必須保持溶劑組保持溶劑組元的點(diǎn)陣類型元的點(diǎn)陣類型。 中間相中間相

11、具有完全不具有完全不同于各組成元素的晶體結(jié)同于各組成元素的晶體結(jié)構(gòu)，各組元原子按一定規(guī)構(gòu)，各組元原子按一定規(guī)則在晶格中呈有序排列，則在晶格中呈有序排列，這是與固溶體最重要的區(qū)這是與固溶體最重要的區(qū)別。別。Fe3C(滲碳體滲碳體)的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu) 中間相中間相的結(jié)合鍵取決于組元元素之間的的結(jié)合鍵取決于組元元素之間的電負(fù)性差電負(fù)性差。電負(fù)性相近的元素，形成的中間相多以金屬鍵為主；而電負(fù)性相近的元素，形成的中間相多以金屬鍵為主；而電負(fù)性相差較大時(shí)，傾向于以離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合，但電負(fù)性相差較大時(shí)，傾向于以離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合，但一般都具有一定程度的金屬性。一般都具有一定程度的金屬性。 中間相中間相的

12、原子通常按一定或大致一定比例組成，的原子通常按一定或大致一定比例組成，可以用可以用化學(xué)分子式化學(xué)分子式表示，但是除正常價(jià)化合物以外，表示，但是除正常價(jià)化合物以外，大多數(shù)中間相的分子式大多數(shù)中間相的分子式不遵循化學(xué)價(jià)規(guī)則不遵循化學(xué)價(jià)規(guī)則，許多中間，許多中間相的成分可以在一定范圍內(nèi)變化，在相圖上表現(xiàn)為一相的成分可以在一定范圍內(nèi)變化，在相圖上表現(xiàn)為一個(gè)區(qū)域，形成以化合物為基的個(gè)區(qū)域，形成以化合物為基的二次固溶體二次固溶體，比分子式，比分子式多出的某組元的原子可以占據(jù)中間相中其他組元的位多出的某組元的原子可以占據(jù)中間相中其他組元的位置，或者中間相中某一不足原子比的組元所占據(jù)的位置，或者中間相中某一不足

13、原子比的組元所占據(jù)的位置空缺，形成所謂置空缺，形成所謂缺位固溶體缺位固溶體。兩種原子半徑差很大兩種原子半徑差很大形成形成間隙相間隙相和和間隙化合物間隙化合物；原子半徑中等程度差別原子半徑中等程度差別形成形成拓?fù)涿芏严嗤負(fù)涿芏严唷?一些化合物的特性與組成元素一些化合物的特性與組成元素原子尺寸差原子尺寸差有關(guān)有關(guān) 當(dāng)當(dāng)rx/rm0.59時(shí)，化合物時(shí)，化合物具有比較具有比較簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)，稱為稱為間隙相間隙相 . 當(dāng)當(dāng)rx/rm0.59時(shí)，化合物具有比較時(shí)，化合物具有比較復(fù)雜的晶復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)，稱為，稱為間隙化合物間隙化合物. 間隙相間隙相與與間隙固溶體間隙固溶體之間有著之間有著

14、本質(zhì)的區(qū)別本質(zhì)的區(qū)別 間隙相間隙相是一種化合物，它具有與其組元是一種化合物，它具有與其組元完全不同的晶體結(jié)構(gòu)；完全不同的晶體結(jié)構(gòu)； 間隙固溶體間隙固溶體則仍保持著溶劑組元的晶格則仍保持著溶劑組元的晶格類型。類型。 在單元素組成的晶體中，由等徑剛球模型堆積所能得到的在單元素組成的晶體中，由等徑剛球模型堆積所能得到的最密集結(jié)構(gòu)就是最密集結(jié)構(gòu)就是面心立方面心立方和和密排六方密排六方結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，致密度致密度0.74及及配位配位數(shù)數(shù)12已是最大值了，結(jié)構(gòu)中存在著較大的已是最大值了，結(jié)構(gòu)中存在著較大的八面體間隙八面體間隙和較小的和較小的四面體間隙。四面體間隙。 當(dāng)組成合金的異類原子尺寸不同時(shí)，采用大、小兩

15、種剛球當(dāng)組成合金的異類原子尺寸不同時(shí)，采用大、小兩種剛球的適當(dāng)配合，可得到主要為四面體間隙而八面體間隙很少或沒(méi)的適當(dāng)配合，可得到主要為四面體間隙而八面體間隙很少或沒(méi)有的復(fù)雜相結(jié)構(gòu)，即按拓?fù)鋵W(xué)的配合規(guī)律形成空間利用率很高有的復(fù)雜相結(jié)構(gòu)，即按拓?fù)鋵W(xué)的配合規(guī)律形成空間利用率很高和配位數(shù)超過(guò)和配位數(shù)超過(guò)12（如（如12、14、15、16等）的一類化合物，由于其等）的一類化合物，由于其結(jié)構(gòu)具有拓?fù)鋵W(xué)特點(diǎn)而被稱之為結(jié)構(gòu)具有拓?fù)鋵W(xué)特點(diǎn)而被稱之為拓?fù)涿芏淹負(fù)涿芏?Topologically Close-Packed)相相，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱TCP相相，以區(qū)別于通常的，以區(qū)別于通常的幾何密堆相幾何密堆相。 幾何密堆相幾

16、何密堆相的空間利用率和原子配位數(shù)比由純金屬原子構(gòu)的空間利用率和原子配位數(shù)比由純金屬原子構(gòu)成的面心立方和密排六方構(gòu)的幾何密堆結(jié)構(gòu)還要高。成的面心立方和密排六方構(gòu)的幾何密堆結(jié)構(gòu)還要高。 TCP相的類型很多，常見(jiàn)的有相的類型很多，常見(jiàn)的有拉弗斯拉弗斯(Laves)相相和和相相。 如前所述，對(duì)于某些合金，當(dāng)其成分接近一定如前所述，對(duì)于某些合金，當(dāng)其成分接近一定原子比時(shí)，較高溫度時(shí)為短程有序，緩冷到某一溫原子比時(shí)，較高溫度時(shí)為短程有序，緩冷到某一溫度以下，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆行驙顟B(tài)稱為度以下，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆行驙顟B(tài)稱為有序固溶體有序固溶體，這一轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為固溶體的有序化。有序固溶體又這一轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為固溶體的有序

17、化。有序固溶體又稱稱超結(jié)構(gòu)超結(jié)構(gòu)或或超點(diǎn)陣超點(diǎn)陣。 超結(jié)構(gòu)的主要類型是形成于超結(jié)構(gòu)的主要類型是形成于面心立方面心立方、體心立方體心立方或或密排六方密排六方三類結(jié)構(gòu)的固溶體中。三類結(jié)構(gòu)的固溶體中。有序化對(duì)合金性能的影響有序化對(duì)合金性能的影響 有序化使固溶體的有序化使固溶體的電阻率急劇降低電阻率急劇降低； 使合金的硬度增加，主要用于原子結(jié)合使合金的硬度增加，主要用于原子結(jié)合力增強(qiáng)、反相疇的存在等，都會(huì)增加塑性力增強(qiáng)、反相疇的存在等，都會(huì)增加塑性變形阻力，從而提高了合金的變形阻力，從而提高了合金的屈服強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度和硬度硬度。 中間相的性能中間相的性能明顯不同于各組成元素的性明顯不同于各組成元素的性

18、能，一般是能，一般是硬而脆硬而脆。 工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料和和工具材料工具材料，由于金屬化合物一般均具有由于金屬化合物一般均具有較高的熔點(diǎn)和硬度較高的熔點(diǎn)和硬度，當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物相時(shí)，將使合金的當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物相時(shí)，將使合金的強(qiáng)強(qiáng)度、硬度、耐磨性及耐熱性度、硬度、耐磨性及耐熱性提高（但提高（但塑性塑性韌韌性性有所降低）。有所降低）。 中間相還具有特殊的性能，如中間相還具有特殊的性能，如超導(dǎo)性超導(dǎo)性、形形狀記憶效應(yīng)狀記憶效應(yīng)等。例如能記住原始形狀的記憶合等。例如能記住原始形狀的記憶合金金NiTi和和CuZn；具有；具有半導(dǎo)體性能半導(dǎo)體性能的金屬化合物的金

19、屬化合物GaAs，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了目前廣泛應(yīng)用的硅半，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了目前廣泛應(yīng)用的硅半導(dǎo)體材料，目前正應(yīng)用在發(fā)光二極管的制造上，導(dǎo)體材料，目前正應(yīng)用在發(fā)光二極管的制造上，作為超高速電子計(jì)算機(jī)的器件已引起了世界的作為超高速電子計(jì)算機(jī)的器件已引起了世界的關(guān)注。關(guān)注。 具有低熱中子俘獲截面的具有低熱中子俘獲截面的核反應(yīng)堆材料核反應(yīng)堆材料Zr3Al，能作為新一代能源的，能作為新一代能源的儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫材料LaNi5等等等。等。 陶瓷陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)大多屬的晶體結(jié)構(gòu)大多屬離子晶體離子晶體。 陶瓷材料屬于陶瓷材料屬于無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料，是由金屬與，是由金屬與非金屬元素通過(guò)離子鍵或兼有離子健和共價(jià)鍵

20、的非金屬元素通過(guò)離子鍵或兼有離子健和共價(jià)鍵的方式結(jié)合起來(lái)的。方式結(jié)合起來(lái)的。 典型的離子晶體是典型的離子晶體是A A族堿金屬與族堿金屬與AA族鹵族族鹵族元素之間形成的化合物。元素之間形成的化合物。 鮑林（鮑林（L. Pauling)L. Pauling)于于19281928年以簡(jiǎn)單的幾何年以簡(jiǎn)單的幾何原理為基礎(chǔ)，總結(jié)出了對(duì)離子化合物晶體結(jié)構(gòu)分原理為基礎(chǔ)，總結(jié)出了對(duì)離子化合物晶體結(jié)構(gòu)分析有指導(dǎo)作用的五條規(guī)則，即稱之為析有指導(dǎo)作用的五條規(guī)則，即稱之為鮑林規(guī)則鮑林規(guī)則。 iiiinZSZ 離子晶體按其化學(xué)組成分為二元化合離子晶體按其化學(xué)組成分為二元化合物和多元化合物。其中二元化合物中有紹物和多元化合物。其中二元化合物中有紹AB AB 型型，AB2 AB2 （A2BA2B）型和）型和A2B3A2B3型化合物。型化合物。 典型的典型的AB AB 型離子晶體型離子晶體NaClNaCl型型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)（B1B1） 元素周期表中元素周期表中族元素、許多無(wú)機(jī)非族元素、許多無(wú)機(jī)非金屬材料和聚合物都是共價(jià)鍵結(jié)合。金屬材料和聚