材料科学及工程教程第五章-材料的相结构及相图(一)课件.ppt

03/02/20231第五章第五章 材料的相结构及相图材料的相结构及相图03/02/20232一、概述一、概述二、材料的相结构二、材料的相结构三、二元相图及其类型三、二元相图及其类型03/02/20233一、概述一、概述1.1.组元组元 (Component)(Component)组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来，并能独立存组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来，并能独立存在的化学纯物质，在一个给定的系统中，组元就是构成系统的各在的化学纯物质，在一个给定的系统中，组元就是构成系统的各种种化学元素化学元素或或化合物化合物。按组元数目，将系统分为：按组元数目，将系统分为：一元系一元系二元系二元系三元系三元系化学元素：化学元素：Cu,Ni,Fe等等化合物：化合物：Al2O3,MgO,Na2O,SiO2等等03/02/202342、合金：、合金：多组元组成多组元组成的金属材料的金属材料，由两种或两种以上的元素组成，由两种或两种以上的元素组成，其中至少有一种为金属，组成具有金属性的材料称为合其中至少有一种为金属，组成具有金属性的材料称为合金。金。获得：获得：通过熔炼通过熔炼常见合金：常见合金：钢、铝合金、钛合金钢、铝合金、钛合金03/02/202353、相：、相：在一个系统中，在一个系统中，成分、结构相同，性能一致的均匀的组成部成分、结构相同，性能一致的均匀的组成部分分叫做相，不同相之间有明显的叫做相，不同相之间有明显的界面界面分开分开,该界面称为该界面称为相界面相界面。在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分，可分为固溶在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分，可分为固溶体和化合物两大类。体和化合物两大类。注意：注意：相在物理性能和化学性相在物理性能和化学性能上是均匀的。能上是均匀的。相界面和晶界的区别。相界面和晶界的区别。例如：单一的液例如：单一的液 单一的固相；单一的固相；液相、固相两相共存；液相、固相两相共存；问题：问题：水、油混装在一个瓶子里，是几个相？水、油混装在一个瓶子里，是几个相？将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？03/02/202364、相图：、相图：描写在平衡条件下，系统状态或相的转变与成分、温描写在平衡条件下，系统状态或相的转变与成分、温度及压力间关系的图解；度及压力间关系的图解；可以分析和了解材料在不同条件下的相转变及相的平衡可以分析和了解材料在不同条件下的相转变及相的平衡存在状态，预测材料的性能和研制新的材料；存在状态，预测材料的性能和研制新的材料；制定材料的制备工艺！制定材料的制备工艺！03/02/202371、固溶体：固溶体：当材料由液态结晶为固态时，组成元素间会象溶液那样当材料由液态结晶为固态时，组成元素间会象溶液那样互相溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其它元互相溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其它元素原子的新相，称为素原子的新相，称为固溶体固溶体。二、材料的相结构二、材料的相结构固溶体即一些元素进入某一组元的晶格中，不改变其晶固溶体即一些元素进入某一组元的晶格中，不改变其晶体结构，形成的均匀相。体结构，形成的均匀相。溶剂：与固溶体晶格相同，占有较大含量；溶剂：与固溶体晶格相同，占有较大含量；溶质：含量较少；溶质：含量较少；03/02/20238 浓浓度度或或溶溶解解度度一一般般用用溶溶质质元元素素所所占占的的重重量量百百分分比比来来表表示示(%Wt)(%Wt)；有有时时也也用用溶溶质质元元素素所所占占的的原原子子数数量量百百分分比比来来表表示示，这这时也称为摩尔浓度时也称为摩尔浓度(%Wa)(%Wa)。表征：浓度表征：浓度溶质原子溶入固溶体中的量！溶质原子溶入固溶体中的量！溶质元素在固溶体中的极限浓度叫做溶质元素在固溶溶质元素在固溶体中的极限浓度叫做溶质元素在固溶体中的体中的溶解度溶解度（与液体溶液类似）03/02/202392 2）固溶体的分类）固溶体的分类 （1 1）按溶质原子在固溶体）按溶质原子在固溶体(溶剂溶剂)晶格中的位置不同可分为：晶格中的位置不同可分为：置换固溶体置换固溶体 溶质原子取代了部分溶剂晶格中某些结点上溶质原子取代了部分溶剂晶格中某些结点上的溶剂原子而形成的固溶体。的溶剂原子而形成的固溶体。间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中，不占据晶溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中，不占据晶格结点位置。格结点位置。置换固置换固溶体溶体间隙固间隙固溶体溶体溶剂原子溶剂原子溶质原子溶质原子溶剂原子溶剂原子溶质原子溶质原子AB03/02/202310置换型固溶体：取代型。MgO-CoO、MgO-CaO、PbTiO3-PbZrO3、Al2O3-Cr2O303/02/202311在合金中较为常见，金属和H、B、C、N等元素形成的固溶体 间隙式固溶体间隙式固溶体03/02/202312（2 2）按溶解度）按溶解度无无限限溶溶解解固固溶溶体体 溶溶质质可可以以任任意意比比例例溶溶入入溶溶剂剂晶晶格格中中。构构成成无无限限固固溶溶体体。这这时时把把含含量量较较高高的的组组元元称称为为溶溶剂剂，含含量量较较少少的的组组元称为溶质。元称为溶质。有有限限溶溶解解固固溶溶体体 溶溶质质原原子子在在固固溶溶体体中中的的浓浓度度有有一一定定限限度度，超超过过这这个个限限度度就就会会有有其其它它相相(另另一一种种固固溶溶体体或或化化合合物物)的的形形成成。间间隙隙固固溶溶体体都都是是有有限限溶溶解解固固溶溶体体。在在金金属属材材料料中中，通通常常是是过过渡渡族金属元素为溶剂，小尺寸的族金属元素为溶剂，小尺寸的C C、N N、H H、O O、B B等元素为溶质。等元素为溶质。03/02/202313（3)3)按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点 无无序序固固溶溶体体 溶溶质质原原子子在在溶溶剂剂晶晶格格中中分分布布是是任任意意的的，没没有有任任何何规规律律性性，仅仅统统计计角度上是均匀分布的角度上是均匀分布的。有有序序固固溶溶体体 溶溶质质原原子子以以一一定定的的比比例例，按按一一定定方方向向和和顺顺序序有有规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。在在有有些些材材料料中中，固固溶溶体体还还存存在在有有序序化化转转变变，即即在在一一定定的的条条件件(如如温温度度、压压力力)下下，无无序序固固溶溶体体和和有有序序固固溶溶体体之之间间会会发发生生相相互转变。互转变。03/02/2023143 3）影响固溶体溶解度的因素（对置换型固溶体来说）影响固溶体溶解度的因素（对置换型固溶体来说）在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度叫该元素在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度叫该元素在固溶体中的溶解度。影响溶解度的因素很多，目前还在研究在固溶体中的溶解度。影响溶解度的因素很多，目前还在研究中，现在公认的有：中，现在公认的有：尺寸因素尺寸因素 从从晶晶体体结结构构的的稳稳定定观观点点来来看看，相相互互替替代代的的质质点点尺尺寸寸愈愈接接近近，则固溶体愈稳定，其固溶量将愈大。则固溶体愈稳定，其固溶量将愈大。！03/02/202315经验证明：当30%时，溶质和溶剂之间不生成固溶体，仅在高温下有少量固溶。03/02/202316晶体结构类型晶体结构类型 连连续续固固溶溶体体必必要要条条件件：具具有有相相同同的的晶晶体体结结构（不是充分条件）构（不是充分条件）晶晶体体结结构构不不同同，最最多多只只能能形形成成有有限限型型固固溶溶体（满足尺寸条件前提下）体（满足尺寸条件前提下）03/02/202317 MgO-NiO、Al2O3-Cr2O3、ThO2-UO2、Cu-Ni、Cr-Mo、Mo-W、Ti-Zr：连续固溶体 Fe2O3Al2O3，=18.4%，有限固溶体03/02/202318电负性差电负性差 电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离子的能力。反映两元素的化学性能差别。子的能力。反映两元素的化学性能差别。两元素间电负性差越小，则越容易形成固溶体，且所形成的两元素间电负性差越小，则越容易形成固溶体，且所形成的固溶体的溶解度也就越大；固溶体的溶解度也就越大；随两元素间电负性差增大，溶解度减小，当其差别很大时，随两元素间电负性差增大，溶解度减小，当其差别很大时，往往形成较稳定的化合物。往往形成较稳定的化合物。03/02/202319电子浓度电子浓度 在金属材料在金属材料(合金合金)中，价电子数目中，价电子数目(e)(e)与原子数目与原子数目(a)(a)之比之比称为电子浓度。由于溶质和溶剂的价电子数可能不同，电子浓称为电子浓度。由于溶质和溶剂的价电子数可能不同，电子浓度度 e/a=Ve/a=VA A(1-x)+V(1-x)+VB Bx x。其中其中x x为溶质的原子百分比浓度为溶质的原子百分比浓度(摩尔分数摩尔分数)，V VA A、V VB B分别为溶剂和溶质分别为溶剂和溶质的价电子数。的价电子数。*此原子价为用来表示形成合金时每一原子平均贡献出的此原子价为用来表示形成合金时每一原子平均贡献出的公有电子数（或参加结合键的电子数），与化学反应时所公有电子数（或参加结合键的电子数），与化学反应时所表现出来的价数并不一致表现出来的价数并不一致例如：例如：Cu作一价；过度族元素作作一价；过度族元素作0价处理。价处理。03/02/202320 在生成有限固溶体条件下，价态差别越大，固溶度降低。Cu溶剂：Zn 2价 38%；Ga 3价 20%Ge 4价 12%；As 5价 7%在某些合金中，固溶度的主要影响因素是电子浓度！在某些合金中，固溶度的主要影响因素是电子浓度！但有一个极限浓度1.4，超过极限电子浓度，固溶体就不稳定而形成新相；极限电子浓度与溶剂的晶体结构密切相关，面心：1.36；体心：1.4803/02/202321 对于间隙型固溶体来说，只有原子半径接近于溶剂晶格某对于间隙型固溶体来说，只有原子半径接近于溶剂晶格某些间隙半径的溶质原子，才有可能进入溶剂晶格的间隙中而些间隙半径的溶质原子，才有可能进入溶剂晶格的间隙中而形成间隙固溶体。形成间隙固溶体。溶质元素通常都是一些原子半径小于溶质元素通常都是一些原子半径小于0.1nm的非金属的非金属元素（元素（H、O、N、C、B等），而溶剂元素都是过渡族元等），而溶剂元素都是过渡族元素！溶质原子半径仍较间隙大。素！溶质原子半径仍较间隙大。4）影响固溶体溶解度的因素（间隙固溶体）影响固溶体溶解度的因素（间隙固溶体）溶质原子进入溶剂晶格间隙时会引起晶格畸变！溶质原子进入溶剂晶格间隙时会引起晶格畸变！间隙型固溶体只能是有限固溶体，它们的溶解度都很小！间隙型固溶体只能是有限固溶体，它们的溶解度都很小！03/02/2023225 5）金属固溶体的性能特点）金属固溶体的性能特点（1）由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上）由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能基本上与原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的性能主要决定于与原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的性能主要决定于溶剂的性能溶剂的性能，或在溶剂性能基础上发生一些改变。，或在溶剂性能基础上发生一些改变。（2）固溶体的性能与原溶剂性能的差别，或称性能变化的大小，）固溶体的性能与原溶剂性能的差别，或称性能变化的大小，随着溶质的浓度随着溶质的浓度(含量含量)的增加而加大。的增加而加大。（3）以金属元素为溶剂的固溶体，随着溶质的溶入，强度将提）以金属元素为溶剂的固溶体，随着溶质的溶入，强度将提高，称为高，称为固溶强化固溶强化，溶质的溶入可造成晶格畸变，材料的塑，溶质的溶入可造成晶格畸变，材料的塑性变形的阻力加大，同时塑性略有下降，但不明显。在材料性变形的阻力加大，同时塑性略有下降，但不明显。在材料中是有效提高金属材料力学性能的途径之一。中是有效提高金属材料力学性能的途径之一。（置换与间（置换与间隙均可）隙均可）03/02/202323(1）点阵常数改变）点阵常数改变（2）产生固溶强化）产生固溶强化03/02/202324固溶体的结构固溶体的结构（1 1）晶格畸变。）晶格畸变。（2 2）偏聚与有序：取决于同类原子和异类原子间结合力）偏聚与有序：取决于同类原子和异类原子间结合力 的相对大小。的相对大小。完全无序、偏聚、部分有序、完全有序完全无序、偏聚、部分有序、完全有序。温度可导致有序温度可导致有序-无序转变无序转变03/02/2023256）陶瓷材料中的固溶方式）陶瓷材料中的固溶方式 也可形成置换、间隙固溶体，有些甚至也可形成无限固溶体！也可形成置换、间隙固溶体，有些甚至也可形成无限固溶体！但是大多数固溶度是有限的。但是大多数固溶度是有限的。影响因素：影响因素：有些与金属固溶体类似，如原子半径差越小、有些与金属固溶体类似，如原子半径差越小、温度越高、电负性差越小固溶度越大；温度越高、电负性差越小固溶度越大；晶格的电中性，代换前后离子的总电价必须相等，晶格的电中性，代换前后离子的总电价必须相等，等价代换异价代换（对角线法则）【周期表中对角线上的原子容易取代】晶格能量，有利于降低晶体内能，代换容易进行，高价置换低价，小半径置换大半径容易发生。Li Be B CNa Mg Al SiK Ca Sc Ti V03/02/202326陶瓷固溶体与金属及金属固溶体的差别：陶瓷固溶体与金属及金属固溶体的差别：形成弗兰克尔空位的可能性较小；形成肖特基空位时，会形形成弗兰克尔空位的可能性较小；形成肖特基空位时，会形成空位对；成空位对；异价取代时，会形成点缺陷；异价取代时，会形成点缺陷；存在变价离子时，电价改变也会在晶体中产生空位。存在变价离子时，电价改变也会在晶体中产生空位。03/02/2023277)形成固溶体后对晶体性质的影响（固溶体的应用）形成固溶体后对晶体性质的影响（固溶体的应用）稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生活化晶格活化晶格 固溶强化固溶强化形成固溶体后对材料物理性质的影响形成固溶体后对材料物理性质的影响03/02/202328稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生(1)PbTiO3是一种铁电体，纯是一种铁电体，纯PbTiO3烧结性能极差，居里烧结性能极差，居里点为点为490，发生相变时，晶格常数剧烈变化，在常温下，发生相变时，晶格常数剧烈变化，在常温下发生开裂。发生开裂。PbZrO3是一种反铁电体，居里点为是一种反铁电体，居里点为230。两。两者结构相同，者结构相同，Zr4+、Ti4+离子尺寸相差不多，能在常温生离子尺寸相差不多，能在常温生成连续固溶体成连续固溶体Pb(ZrxTi1-x)O3，x=0.10.3。在斜方铁电体。在斜方铁电体和四方铁电体的边界组成和四方铁电体的边界组成Pb(Zr0.54Ti0.46)O3处，压电性能、处，压电性能、介电常数都达到最大值，烧结性能也很好，被命名为介电常数都达到最大值，烧结性能也很好，被命名为PZT陶瓷。陶瓷。在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性03/02/202329(2)ZrO2是一种高温耐火材料，熔点是一种高温耐火材料，熔点2680，但发生相变时，但发生相变时伴随很大的体积收缩，这对高温结构材料是致命的。若加伴随很大的体积收缩，这对高温结构材料是致命的。若加入入CaO，则和，则和ZrO2形成固溶体，无晶型转变，体积效应减形成固溶体，无晶型转变，体积效应减少，使少，使ZrO2成为一种很好的高温结构材料。成为一种很好的高温结构材料。03/02/202330活化晶格活化晶格 形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应。如，活化状态，有利于进行化学反应。如，Al2O3熔点高熔点高（2050），不利于烧结，若加入），不利于烧结，若加入TiO2，可使烧结温度下，可使烧结温度下降到降到1600，这是因为，这是因为Al2O3 与与TiO2形成固溶体，形成固溶体，Ti4+置换置换Al3+后，后，带正电，为平衡电价，产生了正离子空位，加带正电，为平衡电价，产生了正离子空位，加快扩散，有利于烧结进行。快扩散，有利于烧结进行。03/02/202331固溶强化固溶强化定定义义：固固溶溶体体的的强强度度与与硬硬度度往往往往高高于于各各组组元元，而而塑塑性性则则较较低低，称为固溶强化。称为固溶强化。固固溶溶强强化化的的特特点点和和规规律律：固固溶溶强强化化的的程程度度(或或效效果果)不不仅仅取取决决与与它它的的成成分分，还还取取决决与与固固溶溶体体的的类类型型、结结构构特特点点、固固溶溶度、组元原子半径差等一系列因素。度、组元原子半径差等一系列因素。1）间间隙隙式式溶溶质质原原子子的的强强化化效效果果一一般般要要比比置置换换式式溶溶质质原原子子更显著。更显著。2）溶溶质质和和溶溶剂剂原原子子尺尺寸寸相相差差越越大大或或固固溶溶度度越越小小，固固溶溶强强化越显著。化越显著。03/02/202332实实际际应应用用：铂铂、铑铑单单独独做做热热电电偶偶材材料料使使用用，熔熔点点为为1450，而而将将铂铂铑铑合合金金做做其其中中的的一一根根热热电电偶偶，铂铂做做另另一一根根热热电电偶偶，熔熔点点为为1700，若若两两根根热热电电偶偶都都用用铂铂铑铑合合金金而只是铂铑比例不同，熔点达而只是铂铑比例不同，熔点达2000以上。以上。热电偶偶测温的基本原理是两种不同成份的材温的基本原理是两种不同成份的材质导体体组成成闭合回路合回路,当两端存在温度梯当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势热电动势热电动势03/02/202333形成固溶体后对材料物理性质的影响形成固溶体后对材料物理性质的影响 固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低。往高于各组元，而塑性则较低。03/02/2023342、化合物（中间相）化合物（中间相）1）概念）概念 当溶质的含量超过了其溶解度，在材料中将出现新相。若其晶体当溶质的含量超过了其溶解度，在材料中将出现新相。若其晶体结构与组元都不相同，表明生成了结构与组元都不相同，表明生成了新的物质新的物质。所以，。所以，化合物是构成的化合物是构成的组元相互作用，生成不同于任何组元晶体结构的新物质组元相互作用，生成不同于任何组元晶体结构的新物质。化合物结构的特点，一是化合物结构的特点，一是有基本固定的原子数目比有基本固定的原子数目比，可用化学分，可用化学分子式表示，二是子式表示，二是晶体结构不同于其任何组元晶体结构不同于其任何组元。在以下将学习的相图中，。在以下将学习的相图中，它们的位置都在相图的中间，所以也称为它们的位置都在相图的中间，所以也称为中间相。中间相。按照中间相形成时起主要作用的因素，可把中间相分为三类：正常价化合物、按照中间相形成时起主要作用的因素，可把中间相分为三类：正常价化合物、电子化合物、尺寸因素化合物电子化合物、尺寸因素化合物03/02/2023352 2）金属间化合物的类型）金属间化合物的类型正常价化合物正常价化合物 两组元服从原子价规律而生成的正常化合物。两组元服从原子价规律而生成的正常化合物。组成：组成：金属元素与非金属元素金属元素与非金属元素(IV(IV、V V、VIVI）组成，）组成，组元间电负性差起组元间电负性差起主要作用主要作用，两组元间电负性差较大，它们符合一般化合物的原，两组元间电负性差较大，它们符合一般化合物的原子价规律。子价规律。例如例如MnSMnS、AlAl2 2O O3 3、TiNTiN、ZrOZrO2 2等，其结合键为等，其结合键为离子键离子键；也有的是；也有的是共价键共价键，如，如SiCSiC；少数也有以；少数也有以金属键金属键结合结合,如如MgMg2 2PbPb。这类化合物通常具有较高的硬度，但是脆性较大这类化合物通常具有较高的硬度，但是脆性较大03/02/202336电子化合物电子化合物组成：组成：第第族或过渡族金属元素与第族或过渡族金属元素与第至第至第族金属元素结合而成族金属元素结合而成特点：特点：可以用分子式表示，但大多可以用分子式表示，但大多不符合正常化学价规律，而是按照电子不符合正常化学价规律，而是按照电子浓度规律来化合，浓度规律来化合，其形成是电子浓度起主导作用！其形成是电子浓度起主导作用！当当 e/a 为某些特定值时形成一新的晶体结构，并且电子浓度不同，为某些特定值时形成一新的晶体结构，并且电子浓度不同，其对应的晶体结构的类型也就不同。常见的电子浓度值有其对应的晶体结构的类型也就不同。常见的电子浓度值有21/14、21/13、21/12。由于这类中间相与电子浓度有关，所以就称为电子化合物，主要出由于这类中间相与电子浓度有关，所以就称为电子化合物，主要出现在金属材料中，它们的结合键为金属键。例如现在金属材料中，它们的结合键为金属键。例如Cu31Sn8，电子浓，电子浓度度21/13，具有复杂立方晶格。，具有复杂立方晶格。Cu3Sn03/02/202337它它它它具具具具有有有有严严严严格格格格的的的的化化化化学学学学比比比比，成成成成分分分分不不不不变变变变，可可可可用用用用化化化化学学学学式式式式表表表表示示示示；具具具具有有有有较较较较高高高高的硬度，脆性较大的硬度，脆性较大的硬度，脆性较大的硬度，脆性较大 正常价化合物正常价化合物正常价化合物正常价化合物：指严格：指严格：指严格：指严格服从原子价规律服从原子价规律服从原子价规律服从原子价规律的化合物。的化合物。的化合物。的化合物。电子化合物电子化合物电子化合物电子化合物：不遵守不遵守不遵守不遵守化合价规律化合价规律化合价规律化合价规律,但符合于一定但符合于一定但符合于一定但符合于一定电子浓电子浓电子浓电子浓 度的比值度的比值度的比值度的比值形成的化合物。形成的化合物。形成的化合物。形成的化合物。电子浓度越电子浓度越电子浓度越电子浓度越 形成固溶体的倾向越大；形成固溶体的倾向越大；形成固溶体的倾向越大；形成固溶体的倾向越大；电子浓度越电子浓度越电子浓度越电子浓度越 固溶体变得不稳定，形成金属化合物固溶体变得不稳定，形成金属化合物固溶体变得不稳定，形成金属化合物固溶体变得不稳定，形成金属化合物 的倾向增大的倾向增大的倾向增大的倾向增大 电子化合物可用化学式来表示，但其成分可在一定范围内变化，可以看作是电子化合物可用化学式来表示，但其成分可在一定范围内变化，可以看作是以化合物为基的固溶体！以化合物为基的固溶体！结合键为金属键，熔点和硬度较高，脆性大结合键为金属键，熔点和硬度较高，脆性大03/02/202338尺寸因素化合物尺寸因素化合物受组元的受组元的相对尺寸相对尺寸所控制，其他因素降为第二位或只起辅助作用。所控制，其他因素降为第二位或只起辅助作用。溶质原子进入晶格（间隙或格点），对溶剂晶格造成一定程度的畸变，溶质原子进入晶格（间隙或格点），对溶剂晶格造成一定程度的畸变，畸变越大，畸变能越大畸变越大，畸变能越大大到一定程度，原来结构被破坏而形成新相大到一定程度，原来结构被破坏而形成新相间隙化合物间隙化合物Laves相03/02/202339A A、间隙化合物、间隙化合物尺寸因素化合物尺寸因素化合物(间隙相与间隙化合物间隙相与间隙化合物)主要受组元的原子尺寸因素控制，通常是由主要受组元的原子尺寸因素控制，通常是由过渡族金属原子过渡族金属原子与原子半径小于与原子半径小于0.1nm0.1nm的非金属元素碳、氮、氢、氧、硼所组成。的非金属元素碳、氮、氢、氧、硼所组成。由于非金属元素由于非金属元素(X)(X)与金属元素与金属元素(M)(M)原子半径比不同，结构也有所原子半径比不同，结构也有所不同。不同。03/02/202340 当当rX/rM0.59时，形成的化合物的晶体结构也较复杂，通常称时，形成的化合物的晶体结构也较复杂，通常称它们为它们为间隙化合物间隙化合物，相应的分子式也较复杂，如钢中常见的，相应的分子式也较复杂，如钢中常见的Fe3C、Cr7C3、Cr23C6等。等。Fe3C渗碳体渗碳体 具有复杂的具有复杂的斜方晶格斜方晶格 合金元素（合金元素（Cr、Mo、W）与碳的亲合力较强，当含量较少时，它们主要固）与碳的亲合力较强，当含量较少时，它们主要固溶于渗碳体中，而含量较高时，才能形成特殊碳化物如：溶于渗碳体中，而含量较高时，才能形成特殊碳化物如：Cr23C6、WC、MoC、Cr7C6 具有复杂结构的具有复杂结构的间隙化合物也具有很间隙化合物也具有很高的熔点、硬度和脆高的熔点、硬度和脆性，但与间隙相相比性，但与间隙相相比要稍低一些，加热时要稍低一些，加热时也易于分解也易于分解 03/02/202342B、Laves(拉弗斯）相拉弗斯）相 组元间原子尺寸之差处于间隙化合物与电子化合之间组元间原子尺寸之差处于间隙化合物与电子化合之间时形成时形成Laves相。借助大小原子的配合而实现密排结构，它相。借助大小原子的配合而实现密排结构，它们的特征是具有简单的原子比。们的特征是具有简单的原子比。在在二二元元系系合合金金中中,如如果果两两个个组组元元的的原原子子半半径径相相差差很很小小，组组元元间间的的电电化化学学交交互互作作用用不不显显著著，则则容容易易形形成成电电子子化化合合物物；如如果果两个组元原子半径相差大两个组元原子半径相差大，则容易形成间隙化合物。，则容易形成间隙化合物。Laves相就是一种化学式主要为相就是一种化学式主要为AB2型的密排立方或六方型的密排立方或六方结构的金属间化合物。结构的金属间化合物。A代表大原子，代表大原子，Laves相中原子半径相中原子半径比比r/rB约在约在1.11.6之间。之间。其组元不受周期表位置限制其组元不受周期表位置限制，在，在许多许多Laves相相(AB2)中，过渡族金属一般为组元中，过渡族金属一般为组元B，但有时也，但有时也可以起组元可以起组元A的作用。的作用。03/02/202343Laves相的晶体结构有三种类型：相的晶体结构有三种类型：MgCu2型属立方晶系 每个晶胞有每个晶胞有24个原子（图个原子（图4）。镁原）。镁原子形成闪锌矿型的结构（子形成闪锌矿型的结构（8个）个）,铜原铜原子形成四面体子形成四面体(16个个)。每个镁原子有。每个镁原子有4个近邻镁原子和个近邻镁原子和12个近邻铜原子；个近邻铜原子；每个铜原子有每个铜原子有6个近邻的铜原子和个近邻的铜原子和6个近邻的镁原子。个近邻的镁原子。MgZn2型属六方晶系 MgNi2属六方晶系 三者共同之处：较小的三者共同之处：较小的B原子，围原子，围绕绕A原子组成小四面体；原子组成小四面体；03/02/202344三、二元相图及其类型三、二元相图及其类型2）相图：描述系统的状态、温度、压力与成分之间关系的一种图解。）相图：描述系统的状态、温度、压力与成分之间关系的一种图解。1、有关相图的基本知识、有关相图的基本知识1）相）相 相是一个物系中，结构相同，成分和性能均一，并以界面相相是一个物系中，结构相同，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。互分开的组成部分。相与相之间的转变称为相变。相与相之间的转变称为相变。如果系统中各相经历很长时间而不互相转化，则是处于平衡如果系统中各相经历很长时间而不互相转化，则是处于平衡状态。状态。2）平衡相类型 液溶体 固溶体 金属间化合物03/02/2023452、相律吉布斯相律：吉布斯相律：f=c-p+2 C：系统的组元数：系统的组元数 P：共存的平衡相数：共存的平衡相数 f：自由度的数目，指给定合金系在平衡相数不变的前提下，：自由度的数目，指给定合金系在平衡相数不变的前提下，可独立改变（如温度、压力、浓度等）的数目。可独立改变（如温度、压力、浓度等）的数目。对于不含气相的凝聚系统，可视为恒压条件，相律表述为：对于不含气相的凝聚系统，可视为恒压条件，相律表述为：f=CP+1，f不可小于零！不可小于零！压力给定下，系统中可能出现的最多平衡相数比组元数多压力给定下，系统中可能出现的最多平衡相数比组元数多1一元系，一元系，C=1，P=1，二元系，二元系，C=2，P=3；三元系，三元系，C=3，P=4。03/02/2023462、二元相图的成分表示方法与相图的建立、二元相图的成分表示方法与相图的建立（1）成份表示）成份表示 可用质量分数（可用质量分数（wB)或摩尔分数（或摩尔分数（xB）表示，如果）表示，如果没有特别说明，通常是指质量分数。没有特别说明，通常是指质量分数。两者存在换算关系！两者存在换算关系！（2）相图的建立）相图的建立实验和计算方法，基本上通过实验方法确定，如热分析法、金相分析法等。实验和计算方法，基本上通过实验方法确定，如热分析法、金相分析法等。（3）杠杆定律）杠杆定律03/02/202347