第五章材料相結構

第五章材料的相結構

為何工業(yè)上很少使用純金屬,而多使用合金?一、基本概念1合金（1）合金：兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬經(jīng)一定方法合成的具有金屬特性的物質。（2）組元：組成合金最基本的物質。（如一元、二元、三元合金〕，可以是元素，也可以是化合物。（3）合金系：給定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的總稱。如Fe-C，F(xiàn)e-Cr等。2相（1）相：材料中結構相同、成分和性能均一的組成部分。（2）組織：由不同形態(tài)、大小、數(shù)量和分布的相組成的綜合體。如單相、兩相、多相合金。金屬及合金的組織一般應用顯微鏡才能看到，所以常稱顯微組織。

一、基本概念?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.（2）相的分類

合金中的相按結構可分為固溶體和金屬化合物。固溶體：晶體結構與其某一組元相同的相。金屬化合物（中間相）：組成原子有固定比例，其結構與組成組元均不相同的相。一、基本概念二、固溶體1、定義：合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的、且結構與組元之一相同的固相稱為固溶體。與固溶體晶格相同的組元為溶劑，一般在合金中含量較多；另一組元為溶質，含量較少。

固溶體用α、β、γ等符號表示。A、B組元組成的固溶體也可表示為A(B),其中A為溶劑,B為溶質。例如銅鋅合金中鋅溶入銅中形成的固溶體一般用α表示,亦可表示為Cu(Zn)。

2、分類

按溶質原子在溶劑晶格中的位置,固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種。按溶質原子在溶劑中的溶解度，固溶體可分為有限固溶體和無限固溶體兩種。按溶質原子在固溶體中分布是否有規(guī)律，固溶體分無序固溶體和有序固溶體兩種。在一定條件(如成分、溫度等)下，一些合金的無序固溶體可轉變?yōu)橛行蚬倘荏w。這種轉變叫做有序化。二、固溶體?2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning?isatrademarkusedhereinunderlicense.二、固溶體間隙固溶體置換固溶體二、固溶體3、置換固溶體（1）置換固溶體：溶質原子位于晶格點陣位置的固溶體。（2）影響置換固溶體溶解度的因素a原子尺寸因素原子尺寸差越小，越易形成置換固溶體，且溶解度越大。△r=(rA-rB)/rA

當△r<15%時，有利于大量互溶。二、固溶體

b晶體結構因素結構相同，溶解度大，有可能形成無限固溶體。

c電負性因素電負性差越小，越易形成固溶體，溶解度越大。

d電子濃度因素電子濃度e/a=VA(1-x)+VBx。其中x為溶質的原子百分比濃度(摩爾分數(shù))，VA、VB分別為溶劑和溶質的價電子數(shù).Zn.Ga.Ge.As(Cu.Ag.Au)38%20%12%.7%電子濃度e/a越大，溶解度越小。e/a有一極限值，與溶劑晶體結構有關。一價面心立方金屬為1.36，一價體心立方金屬為1.48。（上述四個因素并非相互獨立，其統(tǒng)一的理論的是金屬與合金的電子理論。）二、固溶體4、間隙固溶體（1）組成：原子半徑較小（小于0.1nm)的非金屬元素溶入金屬晶體的間隙。（2）影響因素：原子半徑和溶劑結構。（3）溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶體。二、固溶體5、固溶體的結構（1）晶格畸變。（2）偏聚與有序：取決于同類原子和異類原子間結合力的相對大小。完全無序、偏聚、部分有序、完全有序。二、固溶體6、固溶體的性能固溶體的強度和硬度高于純組元，塑性則較低。

固溶體的性能特點由于固溶體的晶體結構與溶劑相同，固溶體的性能基本上與原溶劑的性能相近，換句話說，固溶體的性能主要決定于溶劑的性能，或在溶劑性能基礎上發(fā)生一些改變。

固溶體的性能與原溶劑性能的差別，或稱性能變化的大小，隨著溶質的濃度(含量)的增加而加大。

第一節(jié)合金的相結構（3）固溶強化：晶格畸變增大位錯運動的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高合金的強度和硬度。這種通過形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。

固溶強化是金屬強化的一種重要形式。在溶質含量適當時，可顯著提高材料的強度和硬度，而塑性和韌性沒有明顯降低。純銅的σb

為220MPa,硬度為40HBS,斷面收縮率ψ為70%。當加入1%鎳形成單相固溶體后,強度升高到390MPa,硬度升高到70HB,而斷面收縮率仍有50%。所以固溶體的綜合機械性能很好,常常作為結構合金的基體相。固溶體與純金屬相比,物理性能有較大的變化,如電阻率上升,導電率下降,磁矯頑力增大。二、固溶體三、化合物1、概念

當溶質的含量超過了其溶解度，在材料中將出現(xiàn)新相。若新相為另一組元的晶體結構，則也是另一固溶體。若其晶體結構與組元都不相同，表明生成了新的物質。所以，化合物是構成的組元相互作用，生成不同與任何組元晶體結構的新物質。

第一節(jié)合金的相結構化合物結構的特點:一是有基本固定的原子數(shù)目比，可用化學分子式表示，二是晶體結構不同于其任何組元。在以下將學習的相圖中，它們的位置都在相圖的中間，所以也稱為中間相。

在金屬材料中，原子之間的結合除離子鍵和共價鍵外，金屬鍵在不同程度上也參與一定的作用，如果生成的化合物也具有金屬性，則稱之為金屬化合物。三、金屬間化合物

中間相是由金屬與金屬，或金屬與類金屬元素之間形成的化合物，這些化合物結構一般比較復雜，而且具有金屬特性，所以也稱為金屬間化合物。包括：正常價化合物、電子化合物（電子相）、間隙化合物。三、金屬間化合物

1正常價化合物（1）形成：電負性差起主要作用，符合原子價規(guī)則。（2）鍵型：隨電負性差的減小，分別形成離子鍵、共價鍵、金屬鍵。（3）組成：AB或AB2。例如MnS、Al2O3、TiN、ZrO2等

2、金屬化合物的類型2）電子化合物

這類化合物大多是以第Ⅰ副族或過渡族金屬元素與第Ⅱ至第Ⅴ副族金屬元素結合而成。它們也可以用分子式表示，但大多不符合正?；瘜W價規(guī)律。當e/a為某些特定值時形成一新的晶體結構，并且電子濃度不同，其對應的晶體結構的類型也就不同。第一節(jié)合金的相結構常見的電子濃度值有21/14、21/13、21/12。由于這類中間相與電子濃度有關，所以就稱為電子化合物，主要出現(xiàn)在金屬材料中，它們的結合鍵為金屬鍵。一些常見的電子化合物可參看教材。例如Cu31Sn8，電子濃度21/13，具有復雜立方晶格。三、金屬間化合物3間隙化合物

（1）形成：尺寸因素起主要作用。（2）結構：復雜間隙化合物：主要是鐵、鈷、鉻、錳的化合物，結構復雜。如Fe3C。簡單間隙化合物（間隙相）：金屬原子呈現(xiàn)新結構，非金屬原子位于其間隙，結構簡單。如面心立方VC。（3）組成：可用化學式表示，可形成固溶體，復雜間隙化合物的金屬元素可被置換。

由過渡族元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物稱為間隙化合物。⑴間隙相當非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59時，形成具有簡單晶格的間隙化合物，稱為間隙相。一些間隙相及晶格類型見表1-6。間隙相具有金屬特性，有極高的熔點及硬度，非常穩(wěn)定，見表1-7。化學式類型鋼中可能遇到的間隙相化學式晶格類型M4XFe4N，Nb4C，Mn4C面心立方M2XFe2N，Cr2N，W2C，Mo2C密排六方MXTaC，TiC，ZrC，VCTiN，ZrN，VNMoN，CrN，WC面心立方體心立方簡單六方MX2VC2，CeC2，ZrH2，TiH2，LaC2面心立方表1-6間隙相的化學式及晶格類型類型簡單結構間隙化合物復雜結構間隙化合物化學式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23C6Fe3C硬度HV28502840201020501550173014801650～800熔點/℃30803472±2026503680±5039802785±5252715771227表1-7鋼中常見間隙化合物的硬度及熔點

⑵復雜結構的間隙化合物當非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時，形成具有復雜結構的間隙化合物。鋼中的Fe3C、Cr23C6、FeB、Fe4W2C、Cr7C3、Fe2B等均屬于這類化合物。

拓撲密堆相(TCP相)

同種類的等直徑原子球堆垛，配位數(shù)最大為12，最大致密度為0.74。如果都是金屬原子(性質接近)，尺寸盡管有一定的相差，以大小原子的一定比例搭配(固定的原子比)，形成的新相配位數(shù)大于12，或致密度大于0.74，統(tǒng)稱為拓撲密堆結構相。