材料科学基础第二章材料中相结构课件.ppt
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1、返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构第二章第二章 材料中的相结构材料中的相结构 多组元(合金)结构特点多组元(合金)结构特点返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构章章 目目 录录2.1 2.1 固溶体固溶体2.2 2.2 金属化合物金属化合物2.3 2.3 陶瓷中的相结构陶瓷中的相结构返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构基基 本本 概概 念念单组元材料性能有局限,实际使用的材料大多为多单组元材料性能有局限,实际使用的材料大多为多组元的合金。组元的合
2、金。合金:在单组元的基础上,人为加入其它组元,使合金:在单组元的基础上,人为加入其它组元,使之成为性能更加优异的材料。之成为性能更加优异的材料。由两个组元组成的材料称为二元合金;三个组元称由两个组元组成的材料称为二元合金;三个组元称为三元合金;三个以上称多元合金。为三元合金;三个以上称多元合金。材料中,由于各种组元之间存在复杂的物理和化学材料中,由于各种组元之间存在复杂的物理和化学作用,会出现众多成分、结构各异的相。作用,会出现众多成分、结构各异的相。返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构 相:相:热力学平衡系统中,结构、成分、化学和物理性质相热
3、力学平衡系统中,结构、成分、化学和物理性质相同,与其它部分有相界面分开的均匀部分。同,与其它部分有相界面分开的均匀部分。金属金属固溶体固溶体金属化合物(中间相)金属化合物(中间相)陶瓷陶瓷晶体相晶体相玻璃相玻璃相气相气相高分子高分子晶相晶相非晶相非晶相返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构2.12.1 固溶体固溶体凡溶质原子处于固态溶剂晶格中所形成的合金相,称凡溶质原子处于固态溶剂晶格中所形成的合金相,称为为固溶体。固溶体。固溶体分类:固溶体分类:置换式固溶体置换式固溶体间隙固溶体间隙固溶体位置位置溶解度溶解度无限固溶体无限固溶体有限固溶体有限固
4、溶体排列秩序排列秩序无序固溶体无序固溶体有序固溶体有序固溶体返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构一、置换式固溶体一、置换式固溶体除少数原子半径小的非金属元素,除少数原子半径小的非金属元素,H H、O O、N N、C C、B B等等以外,绝大多数元素之间均能形成置换式固溶体。以外,绝大多数元素之间均能形成置换式固溶体。差别在于溶解度大小不同,对材料性能影响不一。差别在于溶解度大小不同,对材料性能影响不一。溶质原子取代溶剂原子的某溶质原子取代溶剂原子的某些正常位置所形成的固溶体。些正常位置所形成的固溶体。溶剂溶剂溶质溶质返回返回2023/2/13材
5、料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构影响溶解度大小的因素影响溶解度大小的因素(1 1)晶体结构类型晶体结构类型结构类型相同或相近具有较大的溶解度。结构类型相同或相近具有较大的溶解度。结构相同是结构相同是无限固溶无限固溶的前提条件。要无限互溶结构必的前提条件。要无限互溶结构必须相同,但结构相同,不一定无限互溶。须相同,但结构相同,不一定无限互溶。例如:例如:Cu f.c.c aCu f.c.c a0 0=0.361 nm d=0.255 nm=0.361 nm d=0.255 nm Ni f.c.c a Ni f.c.c a0 0=0.352 nm d=0.249 nm=0
6、.352 nm d=0.249 nm Pb-Sn Pb-Sn合金,虽然原子半径相近,但合金,虽然原子半径相近,但PbPb为为f.c.cf.c.c,而而SnSn为四方晶系,为有限固溶体。为四方晶系,为有限固溶体。无限无限返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构结构相同是无限固溶的必要条件结构相同是无限固溶的必要条件!溶质溶质 溶剂溶剂V V b.c.cb.c.cCr Cr b.c.cb.c.cMn Mn f.c.cf.c.cCo Co f.c.cf.c.cNi Ni f.c.cf.c.c-Fe b.c.c-Fe b.c.c无限无限无限无限3 3767
7、61010-Fe f.c.c-Fe f.c.c1.41.412.812.8无限无限无限无限无限无限结构相同,但不一定无限互溶结构相同,但不一定无限互溶!溶质溶质 溶剂溶剂Al Al f.c.cf.c.cCu Cu f.c.cf.c.cNb Nb b.c.cb.c.cMo Mo b.c.cb.c.cW W b.c.cb.c.c-Fe b.c.c-Fe b.c.c-4.54.537.537.535.535.5-Fe f.c.c-Fe f.c.c0.6250.6258 8-返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构(2)(2)原子尺寸因素原子尺寸因素 (3
8、)(3)电负性因素电负性因素 电负性相差越小,溶解度越大。电负性差别大时,电负性相差越小,溶解度越大。电负性差别大时,易形成金属化合物,不利于固溶体的形成。易形成金属化合物,不利于固溶体的形成。如:如:无限互溶无限互溶 Ni-Cu Fe-Co Pb-TlNi-Cu Fe-Co Pb-Tl 鲍林电负性鲍林电负性 1.9 1.9 1.8 1.9 1.9 1.8 1.9 1.9 1.8 1.9 1.9 1.8 0.20.2尺寸相差大,晶格畸变能升高,不稳定。尺寸相差大,晶格畸变能升高,不稳定。b.c.c,f.c.cf.c.c b.c.c,f.c.c间隙大间隙大溶质原子半径溶质原子半径 一般金属原子半
9、径:一般金属原子半径:1.21.21.3 1.3 f.c.c f.c.c八面体间隙:八面体间隙:0.50.50.54 0.54 b.c.c b.c.c四面体间隙:四面体间隙:0.350.350.38 0.38 返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构几点说明:几点说明:氢原子半径小于间隙半径是吸氢合金的基础,也是储存氢原子半径小于间隙半径是吸氢合金的基础,也是储存 的困难。的困难。其它元素半径较大,溶入后将引起晶格畸变,能量升高。其它元素半径较大,溶入后将引起晶格畸变,能量升高。溶剂晶格中间隙数量有限,溶剂晶格中间隙数量有限,间隙间隙固溶体只能是有
10、限溶解。固溶体只能是有限溶解。C C、N N与铁形成间隙固溶体,在与铁形成间隙固溶体,在-Fe-Fe中位于八面体间隙;中位于八面体间隙;在在-Fe-Fe中位于八面体和四面体间隙内,引起不对称畸中位于八面体和四面体间隙内,引起不对称畸 变,对钢的相变和强化有重要意义。变,对钢的相变和强化有重要意义。返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构晶格畸变示意图晶格畸变示意图返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构三、固溶体的结构特点三、固溶体的结构特点结构类型同溶剂结构类型同溶剂点阵常数有变化点阵常数有变化成分可
11、变成分可变溶质多呈统计均匀分布溶质多呈统计均匀分布返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构四、固溶体的性能四、固溶体的性能力学:固溶强化,强度硬度升高,塑性和韧性下降。力学:固溶强化,强度硬度升高,塑性和韧性下降。物理:电阻、导磁率、矫顽力上升。物理:电阻、导磁率、矫顽力上升。例例1 1:电阻丝要求高电阻,采用:电阻丝要求高电阻,采用Fe-Cr-AlFe-Cr-Al或或Cr-NiCr-Ni固溶固溶 体型材料。体型材料。例例2 2:硅钢片,:硅钢片,SiSi溶入溶入-FeFe,电阻,电阻,导磁率,导磁率。例例3 3:CrCr溶入溶入-FeFe,12.
12、512.5,铁电极电位从,铁电极电位从0.6V0.6V 上升到上升到0.2V0.2V,大大提高耐蚀性。,大大提高耐蚀性。返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构五、有序固溶体五、有序固溶体(超结构、超点阵)(超结构、超点阵)完完全全无无序序偏偏聚聚部部分分有有序序完完全全有有序序 A-B A-B原子对键合能决定分布原子对键合能决定分布无序无序偏聚偏聚有序有序AB、AB3、A3B)(21BBAAABEEE+返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构有序化转变:有序化转变:由于有序固溶体组态熵低于无序固溶体,
13、由于有序固溶体组态熵低于无序固溶体,G T曲曲线如图:线如图:T0 有序化转变温度。有序化转变温度。固溶体的有序化,将带来固溶体的有序化,将带来 许多性能的突变:许多性能的突变:如:电阻率下降如:电阻率下降5070 由顺磁由顺磁 铁磁铁磁 硬度升高一倍以上硬度升高一倍以上 S无无 S有有T0GT无序无序有序有序返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构2.2 2.2 金属间化合物金属间化合物(中间相)(中间相)金属与金属或金属与类金属之间形成的化合物,统金属与金属或金属与类金属之间形成的化合物,统称为金属化合物,由于它们位于相图中间,也称中间相。称为
14、金属化合物,由于它们位于相图中间,也称中间相。结构特点结构特点:典型成分可用化学分子式表示。典型成分可用化学分子式表示。A Am mB Bn n 具有与组成组元不同的结构类型,各组元独立呈具有与组成组元不同的结构类型,各组元独立呈 规则分布。规则分布。大部分可以化合物为基,形成固溶体,成分可变。大部分可以化合物为基,形成固溶体,成分可变。返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构一、正常价化合物一、正常价化合物 (服从正常的化合价规律服从正常的化合价规律)两组元构成的正常价化合物常具有两组元构成的正常价化合物常具有ABAB、ABAB2 2、A A2
15、2B B3 3等定等定比关系。通常由元素周期表中比关系。通常由元素周期表中ZintlZintl线左边的线左边的A(B)A(B)、AA族与右边族与右边A,A,AA,A,A族电负性相差较大的元素间形成。族电负性相差较大的元素间形成。A(B)A(B)AAAAAAAABeBeB BC CN NO OMgMgAlAlSiSiP PS SZnZnGaGaGeGeAsAsSeSeCdCdInInSnSnSbSbTeTeHgHgTlTlPbPbBiBiPoPo返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构键合与结构特点键合与结构特点组元间的键合主要是离子键,共价键,并向
16、金属键过渡。组元间的键合主要是离子键,共价键,并向金属键过渡。例:例:MgS MgMgS Mg2 2Sn MgSn Mg2 2PbPb 离子键离子键 共价键(半导体)共价键(半导体)金属键为主(导体)金属键为主(导体)电负性:电负性:S SSnSnPbPb典型晶体结构:典型晶体结构:NaClNaCl、CaFCaF2 2、ZnSZnS、-Al-Al2 2O O3 3型,硬而脆。型,硬而脆。NaClNaCl型型立方立方ZnSZnS型型六方六方ZnSZnS型型CaFCaF2 2型型反反CaFCaF2 2型型MgSeMgSeZnSZnSZnSZnSPtSnPtSn2 2MgMg2 2SiSiCaSeC
17、aSeMnSMnSMgTeMgTePtInPtIn2 2MgMg2 2SnSnPbTePbTeSiCSiCAlNAlNAuAlAuAl2 2MgMg2 2PbPb返回返回2023/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构二、电子化合物二、电子化合物 电子浓度是决定晶体结构的主要因素。电子浓度是决定晶体结构的主要因素。Zn36 1.5 1.615 1.75Zn36 1.5 1.615 1.75 e/a e/a 0.590.59时形成时形成M M构成复杂结构构成复杂结构X X规则地分布在间隙中。规则地分布在间隙中。数字小,间隙相:数字小,间隙相:WCWC、VCVC数字复
18、杂,间隙化合物:数字复杂,间隙化合物:FeFe3 3C C、CrCr7 7C C3 3、M M2323C C6 6、M M6 6C C区分:区分:M M3 3X XFeFe3 3C C、MnMn3 3C C、(Fe,Mn)(Fe,Mn)3 3C CM M6 6X XFeFe3 3W W3 3C C、FeFe4 4W W2 2C CM M7 7X X3 3CrCr7 7C C3 3M M2323X X6 6CrCr2323C C6 6、(Cr,Fe,Mo)(Cr,Fe,Mo)2323C C6 6H N C BH N C B间隙相间隙相间隙化合物间隙化合物两者之间两者之间r rX X返回返回202
19、3/2/13材料科学基础第二章材料中相结构材料科学基础第二章材料中相结构性能:性能:间隙相间隙相熔点熔点硬度硬度(HV)(HV)间隙化间隙化合物合物熔点熔点硬度硬度(HV)(HV)TiCTiC320032003200-38003200-3800NbCNbC35003500-3800380024502450FeFe3 3C C1650165013401340VCVC2800280021002100CrCr3 3C C2 21890189013001300ZrCZrC3250325028002800CrCr7 7C C3 31665166514501450TaCTaC380038001550155
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