合金的相结构与二元相图.ppt

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1、材料科学基础太原科技大学材料科学与工程学院材料科学基础课程教学团队2第4章二元相图4.1合金相结构4.2相图的基本知识4.3二元相图的基本类型4.4二元相图的分析和使用4.1合金相结构4.1.1合金相结构基本概念一、组元：组成材料最基本的、独立的物质称为组元，或简称元。组元可以是纯元素，如金属元素Cu、Ni、Al、Ti、Fe等以及非金属元素C、N、B、O等；也可以是化合物，如Al2O3、SiO2、ZrO2、TiC、BN、TiO2等。二、合金：多组元组成的金属材料称为合金。所谓合金，是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或用其它方法制成的具有金属特性

2、的物质。由两个组元组成的合金称为二元合金；由三个组元组成的合金称为三元合金，依此类推。三、相和相结构：在金属或合金中，凡成份相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均称为相。分单相合金和多相合金。根据相的结构特点可归纳为两大类：固溶体与中间相。四、相图：描写在平衡条件下系统状态或相的转变与成份、温度及压力间关系的图解，便是相图或状态图。4.1.2固态合金中的相结构一、固溶体：以合金中某一元素作为溶剂，其他组元作为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构的固相称为固溶体。1、置换固溶体当溶质原子由于代替了一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格中的某些结点位置时，所形

3、成的固溶体称为置换固溶体。2、间隙固溶体当溶质原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点位置，而是嵌入各结点之间的空隙中时，所形成的固溶体便称为间隙固溶体。固溶体二、溶质元素在固溶体中的溶解度溶质原子溶于固溶体中的量，称为固溶体的含量。固溶体的含量一般用质量分数表示，也可以用摩尔分数表示，其具体数值（以c表示）等于：c=溶质元素的质量/固溶体的总质量×100%（质量分数）或c=溶质元素的原子数/固溶体的总原子数×100%（摩尔百分数）按固溶度的大小，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体。有限固溶体是指在一定条件下，溶质原子在溶剂中的溶解度有一极限浓度的固溶体；无限固溶体是指

4、溶质与溶剂可以任何比例相互溶解，即溶解度可达100%，对于这种固溶体，很难区分溶质与溶剂，通常以摩尔分数大于50%的元素称为溶剂，小于50%的组元称为溶质。显然，只有在溶剂与溶质元素之间形成置换固溶体时，才有可能形成无限固溶体；而对于间隙固溶体，只能形成有限固溶体。三、影响固溶体结构形式和溶解度的因素1.晶格结构因素（原子大小）：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。若组元间晶体结构不同，便只能形成有限固溶体。2.尺寸因素：当溶剂与溶质的原子直径差别较小时，容易形成置换固溶体，而且两者的尺寸差别愈小所形成的置换固溶体的溶解度愈大。当原

5、子尺寸差别小于某一数值时将形成无限固溶体。3.电负性因素：两元素间电负性差别愈大，它们之间的化学亲和力愈强，它们就愈倾向于形成化合物，而不利于形成固溶体，所形成的固溶体的溶解度也就愈小。4.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的总和与原子数的比值，记做e/a五、中间相不同元素之间所形成的中间相往往在晶体结构、结合键等方面都不相同。由于中间相具有一定的金属特性，所以亦称为金属间化合物。中间相一般具有较高的熔点及硬度，可使合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性提高，有些中间相还具有某些特殊的物理、化学性能，其中不少正在开发应用中。如性能远远优于硅半导体

6、材料的GaAs；具有形状记忆效应的NiTi、CuZn；新一代能源的储氢材料LaNi5等。按中间相相成时起只要作用的因素，可把中间相分为三类：正常价化合物、电子化合物、尺寸因素化合物。1.正常价化合物正常价化合物是两组元间电负性差起只要作用而形成的化合物，通常是有金属元素与周期表中第Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ族元素组成。这类化合物符合化合的原子价规律，可用化学式表示，故称正常价化合物。如Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、MgS、AlN、SiC等。2.电子化合物这类化合物大多是第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族金属元素形成的中间相，虽然它们也可以用分子式表示，但大多数不符合化学价规

7、律，而是按电子含量规律来进行化合的，只要电子含量达到某一范围，就会形成具有一定结构的相，3/2（21/14）时，通常具有体心立方结构，简称β相（也有少数出现复杂立方结构和密排六方结构）；电子含量为21/13时，具有复杂立方结构，简称γ相；电子含量为7/4（21/12）时，具有密排六方结构，简称ε相。3.尺寸因素化合物（间隙化合物和拉弗斯相）（1）间隙化合物：在这类化合物的新晶格（不同于组成元素）中，尺寸较大的过渡族元素占据晶格的正常位置，尺寸较小的非金属原子则有规则的嵌入晶格的空隙之中，因而称为间隙化合物。由典型的金属晶体结构构成的间隙化合物（也称间隙相）可近似

8、用化学式M4X、M2X、