材料科学基础第二章.pptVIP

第二章 固体中的相结构 在任一给定的物质系统中，具有同一化学成分、同一原子聚集状态和性质的均匀连续组成部分称为相phase。 从结构上可以将相分为固熔体、化合物、陶瓷晶体相、玻璃及分子相五类。 2.1 固熔体Solid solution 固熔体是固态下一种组元(熔质)熔解于另一种组元(熔剂)中而形成的新相，特点是固熔体具有熔剂组元的点阵类型。熔质原子在熔剂中的最大含量叫极限熔解度或固熔度，通常用摩尔分数表示。 按熔质原子在点阵中的位置分为置换固熔体和间隙固熔体；按熔解度大小分为无限固熔体和有限固熔体；按各组元原子在点阵中的排列秩序性分为无序固熔体和有序固熔体。 2.1.2 置换固熔体：影响置换固熔体的因素很多，不同元素间的原子尺寸、化学亲和力(电负性)、电子浓度和晶体结构等因素对固熔度都有明显影响。 Hume-Rothery三大经验定律： 1 熔质原子的相对半径差超过14~15?，则固熔度(摩尔分数)极为有限； 2 熔质和熔剂的电化学性质要相近； 3 两个给定元素的相互固熔度(摩尔分数)与各自的原子价有关； 2.1.2.1 原子尺寸因素：熔质和熔剂原子尺寸差别越小越容易形成置换固熔体，且固熔度越大。 2.1.2.2 晶体结构因素：熔质和熔剂的晶体结构类型相同是形成无限固熔体的必要条件。同种间隙原子在面心立方中的熔解度大于在体心立方中的熔解度。 2.1.2.3 化学亲和力：熔质原子与熔剂原子的负电性相差越大，异种原子间的亲和力越强，有利于增大固熔度。 2.1.2.4 电子浓度因素：合金中两组元的价电子总数e原子总数a之比称为电子浓度c： c=e/a=xu+(1-x)v (2-1) 式中v和u为熔质和熔剂的原子价；x为熔质的摩尔分数。 实验发现：不同熔剂有各自确定的电子浓度极限，熔质元素的原子价越高，同样数量的熔质原子熔解时的电子浓度增加越快，因此其固熔度越小。(见表2-2) Ⅱ-Ⅴ族元素在铜中的极限固熔度(摩尔分数)及电子浓度 合金系 理论极限固熔度 电子浓度 Cu-Zn(2) 36 1.388 Cu-Ga(3) 18 1.400 Cu-Ge(4) 12 1.360 Cu-Sn(4) 12 1.276 Cu-As(5) 9 1.258 2.1.3 间隙固熔体：原子半径小于0.1nm的非金属元素(H、N、C、P及O等)熔入熔剂金属晶体点阵的间隙中形成间隙固熔体。间隙固熔体只能是有限固熔体。 2.1.4 有序固熔体：固熔体有序与否取决于同类原子A-A或异类原子A-B间的结合能的相对大小。当同类原子结合能小于异类原子结合能时，形成部分有序或完全有序固熔体。有序固熔体有确定的化学成分，可用化学式表达。 Cu-Au合金中，当原子数之比等于1:1或3:1时可分别形成Cu-Au和Cu3-Au两种有序固熔体，前者铜金原子分层位于(001)面；后者铜原子在晶胞面心，金原子在顶角。 当有序固熔体加热到某一临界温度时，将转变为无序固熔体；而在缓慢冷却到这一温度时，又可转变为有序固熔体。 这一转变过程称为有序化，临界转变温度称为有序化温度。 2.1.5 固熔体的性能：固熔体的硬度和强度通常高于各单一元素，而塑性较低，这种现象叫固熔强化。其规律为： 1) 间隙式原子的强化效果高于置换式原子，熔质与熔剂原子的尺寸相差越大效果越明显。原因是间隙式原子往往择优分布于位错线上，形成间隙原子“气团”，造成位错钉扎而强化。 2) 某些具有无序-有序转变的固熔体，其有序态强度高于无序态强度。这种现象叫有序强化。其原因为：有序态中相邻原子为异种原子，A-B键强于A-A键。 熔质原子的引入还会引起固熔体某些物理性能发生变化。如熔质原子增加会引起材料电阻率升高，且电阻值与温度关系不大。Fe-Cr-Al和Cr-Ni电阻丝皆为固熔体合金。 2.2 金属间化合物 金属与金属，或金属与类金属之间所形成的化合物统称金属间化合物。是高合金钢及高温合金、功能材料中重要的组成相 。 由于金属间化合物常处于相图中的中间位置，因此也称为中间相。其结构与熔剂的结构不同。 决定金属间化合物相结构的主要因素有电负性、尺寸因素和电子浓度等。 金属间化合物中的原子结合具有很大程度的金属性，故具有金属光泽、导电性和导热性。但其电子云分布并非完全均匀，存在一定的方向性，故具有