材料的相結(jié)構(gòu)與相

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1、第四章材料的相結(jié)構(gòu)與相圖由一種元素或化合物構(gòu)成的晶體稱為單組元晶體，該體系稱為單元系。對(duì)于單(多)元系材料而言，隨著溫度和壓力的變化，材料的組成相隨之而變化。從一種相到另一種相的轉(zhuǎn)變稱為相變.由液相至固相的轉(zhuǎn)變稱為凝固，如果凝固后的固體是晶體，則又可稱之為結(jié)晶。而由不同固相之間的轉(zhuǎn)變稱為固態(tài)相變，這些相變的規(guī)律可借助相圖直觀簡明地表示出來。單元系相圖表示了在熱力學(xué)平衡條件下所存在的相與溫度和壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在實(shí)際工業(yè)中，廣泛使用的不是前述的單組元材料，而是由二組元及以上組元組成的多元系材料。二元系

2、相圖是研究二元體系在熱力學(xué)平衡條件下，相與溫度、成分之間關(guān)系的有力工具(材料的地圖)。如此類推??4.1材料的相結(jié)構(gòu)所謂合金是指由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的基本的獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。組元可以是金屬和非金屬元素，也可以是化合物。固態(tài)下所形成的合金相基本上可分為固溶體和中間相兩大類。一.固溶體固溶體是以某一組元為溶劑，在其晶體點(diǎn)陣中溶人其他組元原子（溶質(zhì)原子）所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，它保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型。固溶體的分類置換固

3、溶體與間隙固溶體(溶質(zhì)原子位置)有限固溶體與無限固溶體(固溶度)有序固溶體與無序固溶體(有序度)一次固溶體(端際固溶體)與二次固溶體(中間相)(溶劑性質(zhì))1.置換固溶體:當(dāng)溶質(zhì)原子溶入溶劑中形成固溶體時(shí)，溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑點(diǎn)陣的陣點(diǎn)，或者說溶質(zhì)原子置換了溶劑點(diǎn)陣的部分溶劑原子，這種固溶體就稱為置換固溶體。金屬元素彼此之間一般都能形成置換固溶體，但溶解度視不同元素而異，有些能無限溶解，有的只能有限溶解。影響溶解度的因素很多，主要取決于四個(gè)因素：a.晶體結(jié)構(gòu):相似相溶原理b.原子尺寸因素:?r?15%有利于

4、形成無限固溶體c.化學(xué)親和力（電負(fù)性）:?Xd.原子價(jià):電子濃度:e/a=VA(1-x)+VBx存在極限電子濃度:一價(jià)fcc:1.36一價(jià)bcc:1.482.間隙固溶體溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱為間隙固溶體。影響固溶度的因素：晶體結(jié)構(gòu)原子尺寸因素電負(fù)性固溶體中溶質(zhì)原子分布事實(shí)上，完全無序的固溶體是不存在的?？梢哉J(rèn)為，在熱力學(xué)上處于平衡狀態(tài)的無序固溶體中，溶質(zhì)原子的分布在宏觀上是均勻的，但在微觀上并不均勻。在一定條件下，它們甚至?xí)视幸?guī)則分布，形成有序固溶體。這時(shí)溶質(zhì)原子存在于溶質(zhì)點(diǎn)陣中

5、的固定位置上，而且每個(gè)晶胞中的溶質(zhì)和溶劑原子之比也是一定的。有序固溶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)有時(shí)也稱超結(jié)構(gòu)。3.固溶體的微觀不均勻性4.固溶體的性質(zhì)和純金屬相比，由于溶質(zhì)原子的溶入導(dǎo)致固溶體的點(diǎn)陣常數(shù)改變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化及力學(xué)性能、物理和化學(xué)性能產(chǎn)生了不同程度的變化。間隙固溶體的點(diǎn)陣畸變大，引起的強(qiáng)化效果一般都比置換固溶體的大二.中間相中間相可以是化合物(金屬間化合物)，也可以是以化合物為基的固溶體（第二類固溶體或稱二次固溶體）。中間相通?？捎没衔锏幕瘜W(xué)分子式表示。大多數(shù)中間相中原子間的結(jié)合方式屬于金屬鍵與其他典

6、型鍵（如離子鍵、共價(jià)鍵和分子鍵）相混合的一種結(jié)合方式。因此，它們都具有金屬性。中間相的分類1.正常價(jià)化合物2.電子化合物3.原子尺寸因素有關(guān)的化合物4.超結(jié)構(gòu)(有序固溶體)正常價(jià)化合物A.成份：可用分子式表示，例如Mg2Si；B.結(jié)構(gòu)：對(duì)應(yīng)于同類分子式的離子化合物結(jié)構(gòu)；C.穩(wěn)定性：電負(fù)性差愈大，穩(wěn)定性愈高D.鍵合：金屬鍵+其他鍵，電負(fù)性差小，金屬鍵比例升高電子化合物晶體結(jié)構(gòu)主要取決于電子濃度e/a=21/12：hcpe/a=21/13：復(fù)雜立方e/a=21/14：bcc,?-Mn,hcpB.鍵合：

7、金屬鍵+其他鍵原子尺寸因素化合物I間隙相(簡單間隙相：氫化物，氮化物，部分碳化物)irx/rM<0.59(?r>0.41)時(shí)形成ii結(jié)構(gòu)較簡單iii進(jìn)入四面體間隙(rx/rM<0.414)或八面體間隙(rx/rM>0.414)iv鍵合：共價(jià)鍵+金屬鍵，金屬特性明顯v：高熔點(diǎn)，高硬度原子尺寸因素化合物II2.間隙化合物(復(fù)雜間隙相：硼化物，部分碳化物)irx/rM>0.59(?r<0.41)時(shí)形成ii結(jié)構(gòu)較復(fù)雜iii鍵合：共價(jià)鍵+金屬鍵v：較高熔點(diǎn)，較高硬度原子尺寸因素化合物III拓補(bǔ)密堆相(TCP)—

8、—原子半徑差別中等程度時(shí)形成，大小原子適當(dāng)配合，形成空間利用率和配位數(shù)都很高的相特點(diǎn)：i由配位多面體(12，14，15，16)堆垛而成，每個(gè)面都是三角形ii呈層狀結(jié)構(gòu)：小原子組成密排面，大原子嵌鑲于其中，密排面按一定的順序堆垛而成，所得結(jié)構(gòu)的空間利用率很高，只有四面體間隙iii性能：硬而脆iv：較高熔點(diǎn)，較高硬度超結(jié)構(gòu)(有序固溶體)有關(guān)概念：i有序固溶體：溶質(zhì)固定占據(jù)某些位置ii有序化：從高溫隨機(jī)分布到有序分布的過程iii超結(jié)構(gòu)(超點(diǎn)陣)：有序固溶體iv