材料科学基础-第五章 材料的相结构及相图.ppt

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1、第五章材料的相结构及相图第一节材料的相结构第二节二元相图及其类型第三节复杂相图分析第四节相图的热力学基础第五节三元系相图及其类型合金：根据性能要求，选用两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素，经熔炼或烧结等方法形成具有金属性能的材料称为合金。例如：Fe-C钢铁；Cu-Zn铜合金；Mg合金；Al合金；Ni基合金等。第一节材料的相结构相：是合金中具有同一聚集状态，同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。根据相的结构特点分为两大类：固溶体中间相以合金中某一组元作为溶剂，其它组元为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变化的固相，称为固溶体。1.固

2、溶体固溶体的类型按溶质原子在溶剂晶体中所占位置间隙固溶体置换固溶体按固溶度的大小无限固溶体有限固溶体按溶质原子与溶剂原子的相对分布情况有序固溶体无序固溶体（1）置换固溶体溶质原子溶剂原子溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体尺寸因素溶质原子半径与溶剂原子半径之差越大，一个溶质原子引起的点阵畸变能就越大，溶质原子能溶入溶剂中的数量就越少，固溶体的溶解度就越小。相反就越大。（1）置换固溶体溶质与溶剂可以有限互溶也可以无限互溶，其溶解度与以下几个因素有关：尺寸因素晶体结构因素组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且有可能形成无限固溶体。若不同只能形成有限固

3、溶体。电负性差因素两元素间电负性差越小，越易形成固溶体，且形成的固溶体的溶解度越大；随两元素间电负性差增大，固溶度减小。1）电负性差值ΔX<0.4~0.5时，有利于形成固溶体2）ΔX>0.4~0.5，倾向于形成稳定的化合物电子浓度因素电子浓度的定义是合金中各组成元素的价电子数总和与原子总数的比值，记作e/a。电子浓度有一极限，超过这一极限，固溶体就不稳定，会形成新相。（2）间隙固溶体溶质原子溶剂原子溶质原子进入溶剂晶格的间隙所形成的固溶体，溶质原子不占据晶格的正常位置。溶质原子一般是半径小于0.1mm的非金属元素例如：H（0.046nm）；O（0.061nm）；

4、N（0.071nm）；C（0.077nm）；B（0.097nm）无论是置换固溶体还是间隙固溶体，均能引起固溶体的硬度、强度升高。对置换式固溶体，溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，溶质原子的浓度越高，其强化效果就越大。由于溶质原子的固溶而引起的强化效应，称为固溶强化。注意：2.中间相两组元间的相对尺寸差、电子浓度及电负性差都有一溶限，当溶质原子的加入量超过此溶限时便会形成一种新相，这种新相称为中间相。中间相一般具有较高的熔点及硬度，可使合金的强度、硬度、耐磨性及热腐蚀性提高。按中间相形成时起主要作用的因素分类：正常价化合物；电子化合物；尺寸因素化合物符合原子价规则

5、的化合物，在AmBn中，正离子的价电子数恰好使负离子具有稳定的电子层结构。(1)正常价化合物例如：Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、MgS、MnS等金属元素与周期表中的ⅣA，ⅤA，ⅥA元素形成正常价化合物。有较高的硬度，脆性很大。正常价化合物的分子式只有AB，A2B或AB2两种。常见类型：(1)正常价化合物NaCl型（面心立方）CaF2型（面心立方）闪锌矿型（立方ZnS）硫锌矿型（六方ZnS）正常价化合物其稳定性与两组元的电负性差值大小有关，电负性差值越大，稳定性越高，愈接近离子键合，反之趋向于金属键合。正常价化合物包括从离子键、共价键过渡到金属键为主的一系列

6、化合物，通常具有较高的强度和脆性，固溶度范围极小，在相图上为一条垂直线。(1)正常价化合物Mg—Si相图Mg2Si由ⅠB族或过渡金属元素与ⅡB，ⅢB，ⅣB族元素形成的金属化合物。不遵守化合价规律，晶格类型随化合物电子浓度而变化。(2)电子化合物电子浓度为3/2时：呈体心立方结构（b相）；电子浓度为21/13时：呈复杂立方结构（g相）；电子浓度为21/12时。呈密排六方结构（e相）；它们的形成主要是电子浓度起主导作用。也与尺寸因素及组元的电负性差有一定关系。溶点及硬度较高，脆性大。(2)电子化合物合金系中间相电子浓度e/a晶体结构Cu-Zn系β（CuZn）3/2体

7、心立方gCu5Zn8）21/13复杂立方ε（CuZn3）7/4密排六方Cu-Al系β（Cu3Al）3/2体心立方g（Cu32Al19）21/13复杂立方ε（Cu5Al3）7/4密排六方Cu-Sn系β（Cu5Sn）3/2体心立方g（Cu31Sn8）21/13复杂立方ε（Cu3Sn）7/4密排六方这类中间相的形成主要受组元的相对尺寸所控制。尺寸差别越大，造成的晶格畸变就越大，畸变能也就越高。(3)尺寸因素化合物分类：间隙化合物；拉弗斯（Laves）相间隙化合物由原子半径较大的过渡族金属元素和原子半径较小的非金属元素H，B，C，N，Si等形成的金属间化合物间隙化合物通

8、常可用一个化学式表示，并