《金属结构》PPT课件.ppt

第三节第三节 合金相结构合金相结构o纯金属的缺点：纯金属的缺点：强度、硬度低。强度、硬度低。o合金：合金：两种或两种以上的金属或金属与非金属制成的具两种或两种以上的金属或金属与非金属制成的具有金属特性的物质。有金属特性的物质。o合金优点：合金优点：（1 1）具有较高的机械性能；）具有较高的机械性能；（2 2）具有特殊的物理、化学性能；）具有特殊的物理、化学性能；（3 3）可调成分，获得一系列性能不同的合金。）可调成分，获得一系列性能不同的合金。在金属中加入其它金属或非金属元素组成合金，合金组元间在金属中加入其它金属或非金属元素组成合金，合金组元间交互作用会形成具有一定结构和一定成分的交互作用会形成具有一定结构和一定成分的合金相合金相。固溶体固溶体(端际固溶体端际固溶体)中间相中间相p合金相类型：合金相类型：定义：定义：两种或两种以上的组元在固态下互溶，形成在两种或两种以上的组元在固态下互溶，形成在某种元素晶格中包含有其它元素原子的固体。某种元素晶格中包含有其它元素原子的固体。（以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入溶质原子所（以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入溶质原子所形成的均匀混合的固态溶体）。形成的均匀混合的固态溶体）。其中：其中：量多的叫量多的叫溶剂溶剂；量少的叫量少的叫溶质溶质。特点：特点：保持溶剂晶体结构，保持溶剂晶体结构，具体结构有所变化。具体结构有所变化。o 一、固溶体一、固溶体u按溶质原子占位分为按溶质原子占位分为u按溶质原子的固溶度分为按溶质原子的固溶度分为u按溶质原子在固溶体中分布分按溶质原子在固溶体中分布分置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体无限固溶体无限固溶体有限固溶体有限固溶体无序固溶体无序固溶体有序固溶体有序固溶体p（一）固溶体分类：（一）固溶体分类：o1、定义：、定义：溶质原子置换了溶剂原子位置而形成的固溶溶质原子置换了溶剂原子位置而形成的固溶体。体。o2、形成规律、形成规律：（1）溶质与溶剂原子半径相近，绝大多数金属彼此能溶质与溶剂原子半径相近，绝大多数金属彼此能形成置换固溶体。形成置换固溶体。（2）溶质和溶剂的电化学性质相近。）溶质和溶剂的电化学性质相近。p（二）置换固溶体（二）置换固溶体o(1)(1)尺寸因素尺寸因素。r r 表表示示溶溶质质原原子子半半径径（r r质质）和和溶溶剂剂原原子子半半径径（r r剂剂）的的相相对差异：对差异：r=r=（r r剂剂 r r质质）/r/r剂剂 或或r r 小于小于1515对获得较大固溶度是有利的。对获得较大固溶度是有利的。结论结论：两组元的原子半径差越小，固溶度大。两组元的原子半径差越小，固溶度大。o 3 3、影响置换固溶体固溶度的因素、影响置换固溶体固溶度的因素电负性：电负性：元素的原子在化学反应或形成合金时，元素的原子在化学反应或形成合金时，能够得到电子成为负离子的能力。能够得到电子成为负离子的能力。两组元电负性差大，越易形成稳定化合物，则两组元电负性差大，越易形成稳定化合物，则固溶度越低。固溶度越低。结论结论：只有电负性相近的元素，固溶度较大。只有电负性相近的元素，固溶度较大。元素电负性与其在周期表中位置有关p(2)(2)电负性效应（化学亲和力）电负性效应（化学亲和力）定义：定义：晶体结构中价电子总数晶体结构中价电子总数e e与原子总数与原子总数a a的比值的比值(c=e/a)(c=e/a)。固溶体中的电子浓度：固溶体中的电子浓度：C=V(100-X)+UX/100C=V(100-X)+UX/100式中：式中：U为溶质的原子价；V为溶剂的原子价；X为溶质的原子百分数。原子价：原子价：形成合金时每个原子平均贡献出来的公有形成合金时每个原子平均贡献出来的公有电子数。电子数。p(3)(3)电子浓度电子浓度p原子价的确定：原子价的确定：对非过渡族元素，原子价为其价电子数；对非过渡族元素，原子价为其价电子数；过渡族元素的原子价定为零。过渡族元素的原子价定为零。过渡族元素次外层电子未满，形成合金时，可贡献出最外层电子，也可吸收电子填充次外层，贡献电子和吸收电子相抵消，原子价定为零贡献电子和吸收电子相抵消，原子价定为零。原子价效应：原子价效应：在以一价金属在以一价金属 CuCu、AgAg、AuAu作为溶剂，作为溶剂，以不同原子价的元素作为溶质，在原子尺寸因素有以不同原子价的元素作为溶质，在原子尺寸因素有利的条件下，利的条件下，溶质的原子价越高，则在溶质的原子价越高，则在 CuCu、AgAg、AuAu中的极限固溶度越小。中的极限固溶度越小。原因：原因：电子浓度是有限的，电子浓度是有限的，超过这一限度，引起晶体结构不稳定，甚至发生改组。p 电子浓度极限值：电子浓度极限值：溶剂为一价面心立方金属约为溶剂为一价面心立方金属约为；溶剂为一价体心立方金属约为溶剂为一价体心立方金属约为；溶剂为密排六方金属约为溶剂为密排六方金属约为。p 电子浓度因素影响固溶度表现：电子浓度因素影响固溶度表现：两组元晶体结构相同，才能形成无限固溶体；两组元晶体结构相同，才能形成无限固溶体；形成有限固溶体时，溶质与溶剂晶体结构相同，固溶度大。p（4 4）晶体结构）晶体结构1 1、定义：、定义：溶质原子分布于溶剂晶格间隙中形成的固溶溶质原子分布于溶剂晶格间隙中形成的固溶体。体。2 2、形成规律：、形成规律：l（1 1）溶质溶质是一些半径小于是一些半径小于的非金属；的非金属；非金属：非金属：氢氢 氧氧 氮氮 碳碳 硼硼 半径半径nmnm：、；l（2 2）溶剂溶剂绝大多数是过渡族金属；绝大多数是过渡族金属；l（3 3）溶质原子半径与溶剂原子半径比小于溶质原子半径与溶剂原子半径比小于。o（三）间隙固溶体（三）间隙固溶体l（1 1）溶质原子半径：）溶质原子半径：要和间隙尺寸相匹配。l（2 2）溶剂晶格类型：）溶剂晶格类型：决定了间隙半径大小和间隙数量。面心立方单胞面心立方单胞中八面体间隙半径0.414r,固溶度大。体心立方单胞体心立方单胞中八面体间隙半径0.154r,方向，固溶度小。3 3、间隙固溶体的固溶度、间隙固溶体的固溶度(有限固溶体有限固溶体)碳的原子半径，可以作为溶质与金属构成填隙碳的原子半径，可以作为溶质与金属构成填隙固溶体。固溶体。p 碳在铁中的间隙固溶体：碳在铁中的间隙固溶体：碳原子在碳原子在面心立方面心立方八面体间八面体间隙中隙中碳原子在碳原子在体心立方体心立方八面体间八面体间隙中隙中o保持溶剂的晶体结构，具体结构有所变化。保持溶剂的晶体结构，具体结构有所变化。o1 1、晶格发生畸变与点阵常数变化、晶格发生畸变与点阵常数变化 （1 1）晶格发生畸变：）晶格发生畸变：o（四）固溶体结构的特点（四）固溶体结构的特点 溶质原子引起点阵畸变，使固溶体的点阵常数溶质原子引起点阵畸变，使固溶体的点阵常数变化。变化。FeC，%aCuAuNi原子浓度，%a间隙固溶体间隙固溶体点阵常数一般随溶质增加而增大置换固溶体置换固溶体CuAuCuAu，CuNiCuNi：rNi rCu（2 2）点阵常数变化）点阵常数变化:o2、固溶体的微观不均匀性、固溶体的微观不均匀性溶质原子完全无序分布仅是一种理想情况。溶质原子完全无序分布仅是一种理想情况。图(a)无序置换固溶体；图(b)无序间隙固溶体；图(c)短程有序；图(d)偏聚定义：定义：某些在高温具有短程有序的固溶体，当其成某些在高温具有短程有序的固溶体，当其成分接近一定的原子比（例如分接近一定的原子比（例如ABAB，ABAB2 2，ABAB3 3等），在等），在低于一定的临界温度低于一定的临界温度T TC C时，可以转变为长程有序固时，可以转变为长程有序固溶体溶体.有序固溶体也称超结构。有序固溶体也称超结构。在其X X射线衍射图上出现额外的衍射线条射线衍射图上出现额外的衍射线条，称为超结构线，故将有序固溶体称为超结构超结构。o 3 3、有序固溶体（超结构）、有序固溶体（超结构）oCuAuICuAuI型型:化学式（原子比）化学式（原子比）CuAu Cu Cu：AuAu1 1：1 1p Cu3Au型：型：Cu:Au=3:1 Cu:Au=3:1o严格讲：严格讲：有序固溶体接近于金属化合物。有序固溶体接近于金属化合物。CuAuo1 1、产生固溶强化：、产生固溶强化：固溶强化：固溶强化：固溶体中随溶质含量的增加，固溶体的固溶体中随溶质含量的增加，固溶体的强度、硬度增加的现象。强度、硬度增加的现象。固溶强化的原因：固溶强化的原因：溶质的溶入产生点阵畸变。影响强化效果的因素：影响强化效果的因素：（1 1）固溶体的类型：）固溶体的类型：间隙型大于置换型；（2 2）溶质含量：）溶质含量：溶质含量越高，强化效果越大；（3 3）固溶度极限：）固溶度极限：固溶度极限越小，单位浓度溶质原子引起的强化效果越大。o（五）固溶体的性能（五）固溶体的性能o2 2、具有较好的塑性、韧性。、具有较好的塑性、韧性。o3 3、电学性能：、电学性能：固溶体中随溶质浓度的增加，电阻增加（对电子运动阻力增加）。o定义：定义：合金中各组元发生化学的相互作用，形成合金中各组元发生化学的相互作用，形成晶体结构不同于纯组元，在相图上处于中间位置晶体结构不同于纯组元，在相图上处于中间位置的新相。的新相。o分类：分类：1)1)正常价化合物；正常价化合物；2)2)电子化合物；电子化合物；3)3)尺寸因素化合物尺寸因素化合物（间隙相、间隙化合物）；（间隙相、间隙化合物）；p 二、中间相（金属间化合物）二、中间相（金属间化合物）ABAmBnL定义：定义：金属与电负性较强的元素形成的符合化合价金属与电负性较强的元素形成的符合化合价规律的金属化合物。规律的金属化合物。形成：形成：金属元素与A、A、A族元素形成。（周期表上相距较远、电化学性质相差较大元素组成）分子式：分子式：AB、AB2、A2B等。结合键：结合键：离子键、金属键、共价键。如：Mg2Si、MnS等正常价化合物的性能：正常价化合物的性能：具有较高硬度和脆性。o（一）正常价化合物（一）正常价化合物定义：定义：不遵循正常化合价规律，结构受电子浓度控不遵循正常化合价规律，结构受电子浓度控制的金属化合物。制的金属化合物。形成：形成：过渡族或B族元素与B、A、A、A族元素组成。晶体结构与电子浓度的对应关系：晶体结构与电子浓度的对应关系：l（1 1）电子浓度）电子浓度3/23/2（21/1421/14）时：）时：体心立方结构的体心立方结构的 相（称相（称 黄铜结构黄铜结构 ）如：CuZn；l（2 2）电子浓度为电子浓度为21/1321/13时：时：复杂立方的复杂立方的 相相（黄铜黄铜结构）。结构）。如：Cu5Zn8。Cu:ZnCu:Zn=20:32=5:8=20:32=5:8o（二）电子化合物（二）电子化合物l（3 3）当电子浓度为）当电子浓度为7/4=21/127/4=21/12时：时：密排六方密排六方结构，结构，如：CuZn3、Cu3Sn等。电子化合物的结合键：电子化合物的结合键：以金属键为主。电子化合物的性能：电子化合物的性能：熔点和硬度都很高，塑性较低。o1 1、间隙相（简单间隙相）、间隙相（简单间隙相）定义：定义：非金属的原子半径与金属的原子半径之非金属的原子半径与金属的原子半径之比小于时形成的具有简单结构的金属化合物。比小于时形成的具有简单结构的金属化合物。形成：形成：过渡族金属元素与氢、氮、部分碳原子。分子式：分子式：A4B、A2B、AB、AB2例如：例如：Fe4C、Fe2N、VC、TiC、NbC等。o（三）间隙相和间隙化合物（三）间隙相和间隙化合物 V V为为bccbcc。VC VC中的中的C C原子存在面心立方的八面体间隙中；原子存在面心立方的八面体间隙中；不能理解为纯几何性的填充间隙，有电化学因素起作不能理解为纯几何性的填充间隙，有电化学因素起作用。用。l VCVC结构：结构：fccfcc具有明显的金属性；具有极高的熔点；具有极高的硬度。是钢中重要的强化相。如：NbC的熔点3770，硬度2050HV;p 间隙相间隙相性能：性能：定义：定义：r rX X/r/rM M0.59 0.59 时形成的具有复杂结构的金属化时形成的具有复杂结构的金属化合物。合物。组成：组成：过渡族金属Fe、Cr、Mn、Mo、W等与C原子形成的碳化物。类型：类型：lM3CM3C型型:Fe3C,Ni3C,Co3CFe3C,Ni3C,Co3C，正交晶系复杂结构正交晶系复杂结构。（一个晶胞有（一个晶胞有1616个原子，其中个原子，其中1212个金属原子，个金属原子，4 4个碳原个碳原子）。子）。p2 2、间隙化合物（复杂间隙相）：、间隙化合物（复杂间隙相）：lM6C:M6C:Fe3W3C,(Fe2W4C),Fe3Mo3C,(Fe2Mo4V)，复杂复杂立方结构立方结构。（一个晶胞中有112个原子，其中96个金属原子，16个碳原子）lM23C6M23C6型型:Cr23C6,Fe21W2C6，复杂立方结构复杂立方结构。（一个晶胞中有116个原子，其中92个金属原子，24个碳原子）。lM7C3M7C3型型:Cr7C3，简单六方结构简单六方结构。结合键：结合键：lFe3CFe3C中各铁原子之间是纯金属键，中各铁原子之间是纯金属键，l铁原子和碳原子之间可能同时存在金属键和离子键。间隙化合物的性能：间隙化合物的性能：l具有明显的金属性；l具有高的熔点和硬度（比间隙相要低些）。p结合键与性能：结合键与性能：（1 1）作半导体材料）作半导体材料（2 2）超导性）超导性（3 3）强磁性）强磁性（4 4）吸释氢）吸释氢（5 5）耐热）耐热（6 6）耐蚀）耐蚀（7 7）形状记忆效应、超弹性和消震性）形状记忆效应、超弹性和消震性o 金属间化合物的性质和应用：金属间化合物的性质和应用：