合金相的结构基础知识培训资料

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1、 合金合金:指由指由两种两种或或两种以上两种以上的的金属金属或或金属与金属与非金属非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成并经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有具有金属金属特性的物质。特性的物质。组成合金的基本的独立的物质称为组成合金的基本的独立的物质称为组元组元。一般，组元就是组成合金的元素（化合物）。一般，组元就是组成合金的元素（化合物）。E.g.E.g.黄铜，铁碳合金。黄铜，铁碳合金。相：相：指金属或合金中具有同一聚集状态，指金属或合金中具有同一聚集状态，同一结构和性质，并与其它部分有明显界面同一结构和性质，并与其它部分有明显界面分开的均匀组成部分。分开的均匀组成部分。合金相基本上分为合金相

2、基本上分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物（中中间相）间相）两大类。两大类。组织：由尺寸、形态和分布方式不同的一种或多种相构成的总体，以及缺陷，损伤。宏观组织（用肉眼或借助于放大镜观察）显微组织(用显微镜观察)电子显微组织（电子显微镜观察）相组织材料相的分类及影响因素相的分类及影响因素 相：固溶体和金属化合物 影响因素：1）负电性因素 2）原子尺寸因素 3）电子浓度因素固溶体是以某一组元为溶剂，在其晶体点固溶体是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶质原子）所形成阵中溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固态溶体，它保持着的均匀混合的固态溶体，它保持着溶剂溶剂的晶的晶

3、体结构类型。体结构类型。按溶质原子在溶剂点阵中所处的位置，可按溶质原子在溶剂点阵中所处的位置，可将固溶体分为将固溶体分为置换固溶体置换固溶体（substitutional solid solutionsubstitutional solid solution）和）和间间隙 固 溶 体隙 固 溶 体（i n t e r s t i t i a l s o l i d i n t e r s t i t i a l s o l i d solution solution）。）。(1).(1).置换固溶体置换固溶体当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质溶质原子占据溶

4、剂点阵的阵点原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称为称为置换固溶体置换固溶体。金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但溶解度视不同元素而异，有些能无限溶解，但溶解度视不同元素而异，有些能无限溶解，有的只能有限溶解。有的只能有限溶解。(a)完全互溶的液态完全互溶的液态Cu-Ni合金单相液体；（合金单相液体；（b）完）完全互溶的固态全互溶的固态Cu-Ni合金单相固溶体；（合金单相固溶体；（c）WZn 39%的的Cu-Zn合金中由固溶体和化合物合金中由固溶体

5、和化合物CuZn两相两相组成。组成。影响溶解度的因素影响溶解度的因素主要取决于：主要取决于：a.a.晶体结构，晶体结构，b.b.原子尺寸，原子尺寸，c.c.化学亲和力（电负性），化学亲和力（电负性），d.d.原原子价子价a.a.晶体结构晶体结构-晶体结构相同是组元间形成无限晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件。固溶体的必要条件。b.b.原子尺寸因素原子尺寸因素-原子半径差原子半径差r15rrrA A时，时，平均点阵常数增大；当平均点阵常数增大；当r rB BrrA A时，平均点阵时，平均点阵常数减小。对间隙固溶体而言，点阵常数常数减小。对间隙固溶体而言，点阵常数随溶质原子的溶入总是增大

6、的。随溶质原子的溶入总是增大的。b b产生固溶强化产生固溶强化 和纯金属相比，固溶体和纯金属相比，固溶体的一个最明显的变化是由于溶质原子的溶入，的一个最明显的变化是由于溶质原子的溶入，使固溶体的强度和硬度升高。这种现象称为使固溶体的强度和硬度升高。这种现象称为固溶强化。固溶强化。c c物理和化学性能的变化物理和化学性能的变化 固溶体合金随固溶体合金随着固溶度的增加，点阵畸变增大，一般固溶着固溶度的增加，点阵畸变增大，一般固溶体的电阻率体的电阻率 升高，同时降低电阻温度系数升高，同时降低电阻温度系数。E.g.E.g.SiSi溶入溶入-FeFe中可以提高磁导率；不锈中可以提高磁导率；不锈钢中至少含

7、有钢中至少含有1313以上的以上的CrCr原子。原子。两组元两组元A A和和B B组成合金时，除了可形成以组成合金时，除了可形成以A A为为基或以基或以B B为基的固溶体为基的固溶体(端际固溶体端际固溶体)外，还可外，还可能形成晶体结构与能形成晶体结构与A A，B B两组元均不相同的新两组元均不相同的新相。由于它们在二元相图上的位置总是位于相。由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为（中间，故通常把这些相称为（金属化合物）金属化合物）中间相中间相。中间相可以是化合物，也可以是以化合物中间相可以是化合物，也可以是以化合物为基的固溶体（第二类固溶体或称二次固溶为基的固溶体（第二类

8、固溶体或称二次固溶体）。体）。(1).(1).金属化合物的特点金属化合物的特点a.a.晶体结构不同于组成元素。组元原子在中晶体结构不同于组成元素。组元原子在中间相中各占一定的点阵位置，呈有序排列。间相中各占一定的点阵位置，呈有序排列。b.b.大多数中间相中原子间的结合方式属于金大多数中间相中原子间的结合方式属于金属键与其他典型键（如离子键、共价键和分属键与其他典型键（如离子键、共价键和分子键）相混合的一种。因此，它们都具有金子键）相混合的一种。因此，它们都具有金属性。属性。c.c.中间相通常可用化合物的化学分子式表示。中间相通常可用化合物的化学分子式表示。(2).(2).金属化合物的分类金属化

9、合物的分类电负性、电子浓度和原子尺寸对中间相的形电负性、电子浓度和原子尺寸对中间相的形成及晶体结构都有影响。据此，可将中间相成及晶体结构都有影响。据此，可将中间相分为：分为：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）原子尺寸因素有关的化合物）原子尺寸因素有关的化合物4 4）超结构）超结构(有序固溶体有序固溶体)1)1)正常价化合物正常价化合物正常价化合物服从原子价规律，即具有一定的正常价化合物服从原子价规律，即具有一定的化学成分，并可用化学分子式来表示。化学成分，并可用化学分子式来表示。形成条件：形成条件：通常由金属与电负性较强的通常由金属与电负性较强的AA，V

10、AVA，AA族的一些元素形成。如族的一些元素形成。如MgMg2 2PbPb，MgMg2 2SnSn，MgMg2 2SiSi等。等。正常价化合物的稳定性与组元间电负性差有关。正常价化合物的稳定性与组元间电负性差有关。电负性差愈小，化合物愈不稳定，愈趋于金属电负性差愈小，化合物愈不稳定，愈趋于金属键结合；电负性差愈大，化合物愈稳定，愈趋键结合；电负性差愈大，化合物愈稳定，愈趋于离子键结合。于离子键结合。特点：特点：正常价化合物符合化合价规律。正常价化合物符合化合价规律。组元原子间的结合往往含有金属结合的组元原子间的结合往往含有金属结合的成分。成分。正常价化合物的分子式一般有正常价化合物的分子式一般

11、有ABAB，A A2 2B(B(或或ABAB2 2)，A A3 3B B2 2型。型。正常价化合物具有较高的硬度和脆性。正常价化合物具有较高的硬度和脆性。2 2）电子化合物）电子化合物电子化合物不遵循原子价规律，而是按照电子化合物不遵循原子价规律，而是按照一定的电子浓度组成一定晶体结构的化合一定的电子浓度组成一定晶体结构的化合物。物。是指化合物中价电子数与原子数的比值。是指化合物中价电子数与原子数的比值。形成条件：形成条件：由由IBIB族元素与族元素与IIBIIB、IIIAIIIA、IVAIVA族元素所组成。族元素所组成。特点：特点：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

12、要因素。原子间的结合方式系以金属键为主，故电原子间的结合方式系以金属键为主，故电子化合物具有明显的金属特性。子化合物具有明显的金属特性。电子化合物虽然可用化学分子式表示，但电子化合物虽然可用化学分子式表示，但不符合化合价规律，而且实际上其成分是不符合化合价规律，而且实际上其成分是在一定范围内变化，在一定范围内变化，因此因此其电子浓度也在其电子浓度也在一定范围内变化。一定范围内变化。常见的电子化合物及其结构类型常见的电子化合物及其结构类型 3 3）与原子尺寸因素有关的化合物）与原子尺寸因素有关的化合物当两种原子半径差很大的元素形成化合物时，当两种原子半径差很大的元素形成化合物时，倾向于形成间隙相

13、和间隙化合物。倾向于形成间隙相和间隙化合物。间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物-一般是由原子半径较一般是由原子半径较小的非金属元素如小的非金属元素如C C，H H，N N，B B等与金属元素等与金属元素(主要是过渡族金属主要是过渡族金属)Fe)Fe、CrCr、MoMo、W W、V V等组等组成。成。NoticeNotice！间隙固溶体与间隙相和间隙化合物的区别。间隙固溶体与间隙相和间隙化合物的区别。间隙固溶体间隙固溶体：指溶质原子位于溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体。间隙相间隙相：非金属原子半径与过渡族金属原子半径之比小于0.59形成的化合物具有较简单的晶体结构，称间隙相间隙相。如WC,TiN

14、,VC间隙化合物间隙化合物：非金属原子半径与过渡族金属原子半径之比大于等于0.59，形成的化合物具有复杂的晶体结构，称间隙化合物间隙化合物。4 4）超结构）超结构(有序固溶体有序固溶体)对某些成分接近于一定的原子比对某些成分接近于一定的原子比(如如ABAB或或ABAB3 3)的无序固溶体中，当它从高温缓冷到某一临界的无序固溶体中，当它从高温缓冷到某一临界温度以下时，溶质原子会从统计随机分布状态温度以下时，溶质原子会从统计随机分布状态过渡到占有一定位置的规则排列状态，即发生过渡到占有一定位置的规则排列状态，即发生有序化过程，形成有序固溶体。有序化过程，形成有序固溶体。超结构的类型较多。超结构的类

15、型较多。(a)Cu3Au I型超点阵型超点阵(b)CuAu I型超点阵型超点阵(c)CuAu II型超点阵型超点阵 几种典型的超结构几种典型的超结构(3).(3).金属间化合物的性质和应用金属间化合物的性质和应用金属间化合物由于原子键合和晶体结构的多样金属间化合物由于原子键合和晶体结构的多样性，使得其具有许多特殊的物理、化学性能。性，使得其具有许多特殊的物理、化学性能。1)1)具有超导性质的金属间化合物，如具有超导性质的金属间化合物，如NbNb3 3GeGe，NbNb3 3AlAl，NbNb3 3SnSn，V V3 3SiSi，NbNNbN等。（等。（NbNb：铌）：铌）2)2)具有特殊电学性

16、质的金属间化合物，如具有特殊电学性质的金属间化合物，如InTe-PbSeInTe-PbSe，GaAs-ZnSeGaAs-ZnSe等在半导体材料用。等在半导体材料用。3)3)具有强磁性的金属间化合物，如稀土元素具有强磁性的金属间化合物，如稀土元素（CeCe，LaLa，SmSm，PrPr，Y Y等）和等）和CoCo的化合物，具的化合物，具有特别优异的永磁性能。有特别优异的永磁性能。4)4)具有奇特吸释氢本领的金属间化合物（常具有奇特吸释氢本领的金属间化合物（常称为贮氢材料），如称为贮氢材料），如 LaNiLaNi5 5，FeTiFeTi，R R2 2MgMg1717和和R R2 2NiNi2 2M

17、gMg1515。(R(R等仅代表稀土等仅代表稀土 LaLa，CeCe，PrPr，NdNd或混合稀土）是一种很有前途的储能和换能或混合稀土）是一种很有前途的储能和换能材料。材料。5 5）具有耐热特性的金属间化合物，如具有耐热特性的金属间化合物，如NiNi3 3AlAl，NiAlNiAl，TiAlTiAl，TiTi3 3AlAl，FeAlFeAl，FeFe3 3AlAl，MoSiMoSi2 2，NbBeNbBe1212。ZrBeZrBe1212等不仅具有很好的高温强度，等不仅具有很好的高温强度，并且，在高温下具有比较好的塑性。并且，在高温下具有比较好的塑性。6)6)耐蚀的金属间化合物，如某些金属的碳化耐蚀的金属间化合物，如某些金属的碳化物，硼化物、氨化物和氧化物等在侵蚀介质物，硼化物、氨化物和氧化物等在侵蚀介质中仍很耐蚀，若通过表面涂覆方法，可大大中仍很耐蚀，若通过表面涂覆方法，可大大提高被涂覆件的耐蚀性能。提高被涂覆件的耐蚀性能。7)7)具有形状记忆效应、超弹性和消震性的金具有形状记忆效应、超弹性和消震性的金属间化合物，如属间化合物，如 TiNiTiNi，CuZnCuZn，CuSiCuSi，MnCuMnCu，CuCu3 3AlAl等已在工业上得到应用。等已在工业上得到应用。