材料科學基礎-晶體結構

合金相的晶體結構5/22/2023IntroductiontoMaterialScience前言目前應用的金屬材料絕大多數(shù)是合金。合金就是通過對純金屬合金化獲得的。合金——由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素形成的具有金屬特性的物質。組元——合金中的每一種元素稱為一個組元。組元是組成合金的最基本的、獨立的物質。合金中由幾個組元，就稱該合金是幾元合金。例如：Fe-C合金、Cu-Zn合金（黃銅）、Cu-Sn合金（青銅）。向純金屬中加入合金元素（合金化）后，各元素之間相互作用，形成合金相，合金相又進一步組成各種不同的組織，從而起到改變和提高純金屬性能的作用。5/22/2023IntroductiontoMaterialScience第一節(jié)固溶體1.固溶體的實質固溶體實質上是一種固態(tài)溶液，是一種元素滲入另一種元素的晶格結構中的結晶固相。其中含量多的組元稱為溶劑，含量少的組元稱為溶質。2.基本內容固溶體的分類；置換固溶體；間隙固溶體；固溶體結構的特點；有序固溶體（超結構、超點陣）；MaterialLessons5/22/2023IntroductiontoMaterialScience1.固溶體的分類1.按溶質原子的位置分類置換固溶體；間隙固溶體；2.按溶質原子的溶解度分類有限固溶體；無限固溶體；3.按溶質原子分布規(guī)律分類無序固溶體；有序固溶體；LessonsLessonsLessons5/22/2023IntroductiontoMaterialScience2.置換固溶體2-1.定義

溶質原子置換了溶劑的原子位置，又稱為替代式固溶體。2-2.溶質原子的取代是隨機的，其溶解度可以是有限的，也可以是無限的。Material置換固溶體示意圖5/22/2023IntroductiontoMaterialScience2.置換固溶體(續(xù))Material2-3影響置換固溶體溶解度的經(jīng)驗規(guī)律①原子尺寸相對尺寸差：式中，rA——溶劑的原子半徑；

rB——溶質的原子半徑；△r越小，越有利于形成固溶體。

△r>14%~15%時，不利于形成固溶體，溶解度小。分析Material

即使尺寸因素有利，也不一定能形成大量的固溶體，還要看其他因素是否有利。所以原子尺寸因素只能作為兩種金屬能否形成固溶體以及形成的固溶體的溶解度高低的初步判據(jù)。5/22/2023IntroductiontoMaterialScience2.置換固溶體(續(xù))Material2-3影響置換固溶體溶解度的經(jīng)驗規(guī)律(續(xù))②晶體結構溶質與溶劑點陣類型相同時，溶解度大。③負電性負電性差別越大，化學親和力越大，兩組元傾向于形成化合物。即使能形成固溶體，其溶解度也非常小。④電子濃度電子濃度式中：e——價電子總數(shù)；

a——兩組元的原子總數(shù)；

x——溶質原子數(shù)；

A——每個溶劑原子的價電子數(shù)；

B——每個溶質原子的價電子數(shù)；5/22/2023IntroductiontoMaterialScience2.置換固溶體(續(xù))e/a有一極限值，超過此極限值，固溶體就不穩(wěn)定，會形成新相，可能是另一種固溶體或化合物。而且極限電子濃度還與溶劑的點陣類型有關。如(e/a)fcc=1.36；

(e/a)bcc=1.48；Material2-3影響置換固溶體溶解度的經(jīng)驗規(guī)律(續(xù))示例：Cu–Zn固溶體，

Zn%=28%，Cu：A＝1，Zn：B＝2；

所以，e/a=1.28；5/22/2023IntroductiontoMaterialScience3.間隙固溶體1.定義2.影響間隙固溶體溶解度的因素間隙固溶體的溶解度與溶質原子、溶劑晶體中的間隙形狀和大小有關。以A組元（溶劑）為基，B組元（溶質）填在A的間隙位置形成的固溶體。也稱為填隙式固溶體。①溶質原子半徑一般RB<0.1nm時才能形成間隙固溶體。間隙固溶體中的溶質元素一般都是一些原子半徑很小的非金屬元素，如：H、B、C、N、O等。②溶劑結構溶劑結構方面的考慮因素主要是“間隙的形狀和大小”和“晶格類型”。以C在Fe中的溶解為例。5/22/2023IntroductiontoMaterialScience3.間隙固溶體(續(xù))間隙固溶體示意圖5/22/2023IntroductiontoMaterialScience4.固溶體結構的特點固溶體的一個重要特點是仍然保持溶劑的晶體結構。但是由于溶質原子的溶入，還是使其晶體結構發(fā)生了某些方面的變化。主要變化呈現(xiàn)在以下兩個方面：晶格畸變；

晶格畸變導致晶格常數(shù)變化和產生畸變能。溶質原子分布的不均勻性；5/22/2023IntroductiontoMaterialScience4.固溶體的結構特點(續(xù))Material4-1晶格畸變1)晶格常數(shù)改變

①置換固溶體：RB>RA，則晶格膨脹，點陣常數(shù)a增大；

RB<RA，則晶格收縮，點陣常數(shù)a減??；

②間隙固溶體：RB通常大于A中的間隙尺寸，所以點陣膨脹，晶格常數(shù)a增大；2)畸變能點陣畸變導致固溶體的能量升高，能量的增加值稱為畸變能。

畸變能的存在會引起晶格結構的不穩(wěn)定性。組元原子尺寸相差越大和溶質原子在固溶體中的濃度越大，點陣畸變能就越大，結構的不穩(wěn)定性增加，從而趨向于改變結構形成新相。這就是大多數(shù)固溶體存在溶解度的原因。5/22/2023IntroductiontoMaterialScience4.固溶體的結構特點(續(xù))Material4-2溶質原子分布的不均勻性1)分布形式固溶體中溶質原子的分布有如下四種：

?完全無序；

?

偏聚；

?

短程有序；

?

完全有序（長程有序）；2)影響因素溶質原子的分布形式主要取決于同類原子對的結合能(UAA，UBB)以及異類原子結合能(UAB)的相對大小。存在如下情況：①UAA≈UBB≈UAB

無序分布（原子分布是隨機的）。

②

UAA、UBB>UAB偏聚（同類原子容易結合）。

③

UAA、UBB<UAB有序分布(溶質原子少則長程有序,否則就長程有序).5/22/2023IntroductiontoMaterialScience5.有序固溶體(超結構、超點陣)1.有序化溶質原子在固溶體中的分布，從無序或短程有序狀態(tài)轉變?yōu)殚L程有序狀態(tài)的過程，稱為有序化。2.長程有序參數(shù)(S)用來描述長程有序的程度，；式中：p——A原子的正確位置上出現(xiàn)A原子的幾率；

n——A的原子分數(shù)；5/22/2023IntroductiontoMaterialScience5.有序固溶體(超點陣、超結構)(續(xù))3.影響有序化的因素

①溫度存在一個有序化轉變的臨界溫度Tc。當溫度低于Tc時，固溶體從無序或短程無序轉變到長程有序；當溫度高于Tc時，固溶體從長程有序轉變到無序或短程有序狀態(tài)。

②冷卻速度一般而言，冷卻速度越高，越容易呈現(xiàn)無序。

③合金成分理想成分容易呈現(xiàn)有序。例如AB、AB3等。

④塑性變形塑性變形將破壞有序，使有序程度降低。變形程度越大，S就越低，即無序性增加。5/22/2023IntroductiontoMaterialScience5.有序銳固溶給體(超點腐陣、鉆超結憂構)(續(xù))1)有序光固溶怨體的扎組織有序押固溶鞭體由嬌許多鹿有序狂疇塊胖組成這，各胃有序保疇塊土中的艘原子浪排列呈順序魂往往產不一匠致，享使得睜疇塊焦之間掘產生蛾反向原疇界徹。2)有序杰化固念溶體盟的性逆能變第化①電阻識率下敞降；②硬度變升高旨；原子綢間結揪合力咐升高杏，而蠟且反珍相疇商界的再存在燦增加提塑性彩變形帖的阻偶力，嬸所以轟有序域化可去作為弟合金悉強化謙的一閣種手決段。③磁性喜轉變懸；4.有序左固溶牛體的納組織贏和性帖能5/派18筆/2叫02似3In鬼tr辜od奮uc效ti酬on玻t典o楊Ma帽te潛ri伶al回S皂ci簽en妖ce第二次節(jié)腳金屬鮮間化捐合物1.定義A、B兩組需元可座形成蠻合金殊時，經(jīng)除了吐可以淋形成A或B為基冒的兩胡種固代溶體牽外，帝當合機金成將分超忙過了宣兩種臭固溶深體的掌最大區(qū)溶解繪度時牲，就芽可能初形成瘡與A、B兩組山元晶自格類泡型均兄不相盜同的物新相僚，稱渡為金兆屬間素化合謠物。事由于紡其成月分多勤處于性兩種堡固溶講體極蹤蝶限溶錦解度長之間遣的范揪圍，青故又豎稱為好中間僅相。2.特點①點陣壺類型品既不接同于A，也不敢同于B，有其置獨特老結構扒；②具有恨金屬街性，門但其摘性能肉不同墾于A，也不塌同于B；③有序嫌；④通常歸有一仆定的破原子死比例淺，能屑用分賊子式榴表示音，但瞞是分殺子式澡不一猾定符擔合化價合價種規(guī)律陷。⑤可以態(tài)在一艙定成底分范周圍內扛存在福。（極所以憶可以廊形成渾以中亭間相崗為基情的固升溶體畝）5/貸18炕/2君02普3In克tr鄰od羊uc淹ti豎on賓t柄o降Ma胡te辛ri裹al波S善ci仍en煩ce1.正常算價化途合物正常灣價化沾合物烏的元榨素遵辯循原夏子價采規(guī)律波，且兩受負刷電性圖控制牛。1.組成金屬毛元素鳳與第IV夢A、VA、VI沿A族的鳴非金辭屬元繁素或鵝亞金太屬元懸素（傳還有Pb）組成扮。如論：Mg2si、Mg2Si、Zn板S等。2.特點⑴符合拐原子呼價規(guī)母律；⑵組元乖的電矩負性違相差原很大喂，化萌合物繩性能殼穩(wěn)定柳，硬解、脆倍、熔駕點高蔑。⑶有序障；⑷主要業(yè)鍵型醫(yī)為離開子鍵腰或共埋價鍵特，也俯有少仇量的陳金屬言鍵，哲是金毅屬化根合物違中金粱屬性繩最弱雄的一羽種。3.類型主要龜包括①AB型鳴、②AB2型、③A2B型幾欺種類尺型。5/宇18渴/2芽02銜3In吃tr截od手uc南ti企on揪t持o版Ma扎te百ri銅al喬S煤ci印en墨ce2.電子教化合袍物電子鐮化合里物是蝴指晶淚體結訪構與填電子貌濃度璃有關托的化捕合物歌。根據(jù)e/予a（電子吳濃度勻）的術不同革，電痰子化軋合物朗可以餓分為戚三類襯。Material5/挖18雅/2尖02夫3In捉tr探od屢uc給ti窮on嘴t傍o穿Ma贈te笛ri鉆al拘S調ci某en絨ce2.電子勺化合鴿物(續(xù))1.電子魚化合筍物的桿組成過渡翁族或尚堿金供屬元坊素誤＋Ⅱ～V族金響屬元故素摧或顯一價贊（Cu、Ag、Au）金屬安＋II耽B元素盤。2.結構殘類型β相——歪e/遮a婆=3湖/2虎=碰21懷/1寫4，多為bc乒c、也有hc有p。γ相——姐e/騾a味=2暑1/身13，屬于維復雜睛立方盡結構聲。ε相——齒e/胖a測=7顆/4盡=2醒1/旗12，多為hc老p，c/承a約為1.滲55～1.桐58。3.特點?不符黎合原兆子價舌規(guī)律菜；?成分藥可變服，能套溶解兆一定專量的謀組元勢，形烈成以蹈電子徒化合燭物為抱基的愉固溶絹體；?多為曲金屬刻鍵結和合，號是金袋屬化認合物免中金扇屬性樸最強到的；?熔點溝高、彩硬度再高、岸塑性懂低；5/輪18薦/2運02順3In憤tr斥od蠶uc俘ti曾on膨t愛o巨Ma假te煌ri狹al牲S退ci從en謎ce3.間隙駝相1）間侍隙相間隙棗相由低過渡疼族金修屬（M）與原主子半遮徑很親小的查非金嬌屬（X）（忘如H、N、C、B）所組監(jiān)成。非金膝屬元濱素位瓶于化齡合物兵晶格郵的間桶隙中隱。2）分探類根據(jù)邊金屬網(wǎng)元素徹與非趨金屬跪元素毯的相包對原路子半倍徑大米小可想分為謊簡單決間隙淡相和腎復雜桃間隙梁相；①rx/rm<0她.5散9，即r>忽41吸%時，田形成罵簡單句間隙腸相。②rx/rm>0異.5芒9，則形繡成復亞雜間供隙相刊，又邪稱為竭間隙饅化合銳物。5/撓18哥/2點02悔3In東tr豎od姑uc界ti背on朗t亞o躲Ma地te堅ri侵al張S逝ci蝕en污ce3.間隙員相(續(xù))Material3-持1簡單州間隙注相簡單到間隙哪相具妻有如殼下特泡點：結構籍簡單誼，多合為fc霉c和hc膠p；具有城一定征的成蹈分范根圍；結合懸力強濃，穩(wěn)序定，接熔點融高；硬而叉脆，攪并具線有明析顯的工金屬匙性，我是高傳合金見工具丑鋼及敏硬質稱合金棉中的攝重要根強化切相。5/昆18暫/2滑02詠3In蹲tr植od嗓uc乓ti叢on眨t休o搭Ma度te甩ri翁al盒S禍ci鏡en卸ce3.間隙株相(續(xù))Material3-催2復雜坊間隙歷相復雜稠間隙濕相大銳多是繳由過擊渡族麗金屬年與碳眾原子堤形成頂?shù)奶贾Щ镩L。它晃結構眼復雜混、熔即點高已、硬城度高介，是偵合金答鋼中兔常見旱的強揀化相醉。例如漲：Fe3C（滲碳鑒體，M3C型）比。5/懶18越/2什02籌3In泄tr墾od午uc廳ti潛on樹t賽o撈Ma戶te凈ri張al盟S焰ci挑en齒ce4.拓撲癢密堆座結構拓撲誓密堆浸結構由大隨小不礎同的聯(lián)兩種營原子夸構成籍的中晴間相守，是昏一種減空間素利用賺率（醫(yī)致密頌度）小很高茅、配紛位數(shù)喉（Z>構12）較大除的復攪雜化凡合物撐，簡暖稱TC發(fā)P結構宇。需要較與之相區(qū)別遭的是贈幾個迷密堆膏結構鍛。幾何哄密堆冰結構由大局小相壇等的蜓同類爸原子掩形成貫的密堆堆結氏構。明如fc渾c和hc恐p，其中匯同時醬存在憐這四扎面體融間隙油和八府面體嶄間隙稠。幾侄何密徹堆結斧構的謹空間讀利用刮率（k=錄0.架74援)和密哭堆程險度（z=披12密)不是為最高儲的。MaterialMaterial5/端18界/2墻02粒3In腿tr疊od竹uc答ti剛on棗t寒o匙Ma娃te蓋ri滴al提S葛ci喉en窩ce4.拓撲徹密堆蹄結構(續(xù))1結構下特征在TC目P結構恥中，痕半徑當較小少的原僑子構顫成密筒排層揀，半逗徑較急大的載原子饞鑲嵌蓋在密禮排層用之間厭，以盒達到大高致候密度區(qū)，其遮中的糟間隙聯(lián)主要陶為四唉面體常間隙銷，八醉面體拿間隙建很少蠅，甚盾至于脅幾乎食沒有懷八面路體間攔隙。2類型拓撲煙密堆均結構御的種封類很線多，宵其中超典型曬的有蒸：拉威財斯(l特av袖es好)相；α相；β-衰w相；μ相；R相；P相；M相；δ相；5/巨18冊/2紹02祝3In魔tr休od閉uc都ti豪on釀t引o你Ma謹te成ri齊al呈S能ci珠en納ce4.拓撲誓密堆壓結構(續(xù))1)師La景ve殲s相①組銀成二元睛合金暖相的雖成分住為AB2，A、B兩組把元的條原子賊半徑住比rA/rB=1午.2喉25勻;②性能其性精能穩(wěn)桑定，反熔點它高，霸硬而請脆，海對材桂料性圓能特努別是木塑性沾和韌永性有盼害。疾需要壞控制渴合金翼成分寧及熱囑處理逮工藝渠，盡電可能災避免槽在高蔬合金沈鋼和雁高溫追合金脫中生宏成大屠量的La街ve冬s相。2)監(jiān)σ相該相除由過尊渡族香金屬度組成鉛，兩潛組元叔半徑疼相差后不大騾，rA/rB=1獎.0貓1～1.濫16，具有永復雜弓正方趴結構漆，c/皆a=懸0.貪52。由于魯這種癥相硬膜、脆還，對拿材料護的塑礙性和瀉韌性蟲不利纖，應波該控摟制合末金成陵分，蠟避免掃其出鳳現(xiàn)。5/擺18鬼/2齡02殼3In潮tr卵od揪uc復ti步on壘t狠o闊Ma溫te格ri脹al站S欄ci浮en稀ce第三譜節(jié)鳴合金飽中的到相主要冰內容：合金耕中組卻成元躲素間