材料科学基础(第3章)幻灯片.ppt

第三章 二元合金的相结构与结晶 虽然纯金属在工业上获得了一定的应用，但由于其性能的局限性，不能满足各种使用场合的要求。如何提高金属材料的性能？实践证明，合金化是最主要的途径。因此，目前应用的金属材料绝大多数是合金。 合金的定义：由两种或两种以上的金属/金属或者金属/非金属，经熔炼、烧结或其它方法合成的具有金属特性的材料称为合金。 第一节 合金的相结构 一、合金中的相 1、合金中组成元素间的交互作用 相的定义：金属（包括合金）中内部成分、结构与性质一致的物质称为相。 要了解合金元素的加入是如何提高金属的性能，首先要知道合金中各组元之间的交互作用情况，可能形成的合金相及其成分、结构类型和性能特点；然后再来分析合金的组织特征：各组成相的形态、大小、数量和分布，并进一步探讨组织和性能的关系。 相可以由一种或者两种及两种以上的元素所组成，前者称为纯金属相，后者称为合金相。 2、影响合金相结构的主要因素 （1）电化学因素 通常用元素的电负性（指原子吸收外来电子形成负离子的倾向性）作为合金相组元之间的电化学亲和能力及形成化合物倾向的判据。 两个组元间的电负性相差越大，形成中间相的倾向越大。反之，有利于形成固溶体。 电负性的大小： 元素周期表中，同族元素的电负性由上至下逐渐减小；而同周期元素的电负性则由左向右逐渐增大。 （2）电子浓度因素 电子浓度是指合金中各组元的价电子总数e与组元的原子总数a之比 ?? e/a。 电子浓度 e/a ={A(100-X)+BX}/100 式中为溶质的含量，为溶剂的原子价，为溶质的原子价。 研究表明，当异类原子的价电子数之差大时，有利于形成中间相；反之，有利于形成固溶体。 （3）原子尺寸因素 经常用各组元原子半径相对差△r=|rB-rA|/rA 来表示，其中rA为主组元A的原子半径，rB为 副组元B的原子半径。原子尺寸差因素影响主 要体现在对固溶体类型上。 二、固溶体 固溶体是溶质原子溶入溶剂中所形成的均一的合金相，其晶体结构仍保持溶剂原子的晶体结构。 1、固溶体的分类 固溶体的分类方法很多: （1）按溶质原子的固溶能力划分 a、无限固溶体（连续固溶体）??两组元在固态呈现无限互溶时所形成的固溶体。 B、有限固溶体（端际固溶体）??两组元在固态呈现部分溶解时所形成的固溶体。 （2）按溶质原子在固溶体结构中的位置划分 a、置换固溶体 溶质原子置换了溶剂点阵中的一些溶剂原子。 B、间隙固溶体 溶质原子存在于溶剂点阵的间隙处。 有些固溶体同时兼有这两种方式，例如钢中铁素体，它既是置换固溶体又是间隙固溶体，Mn、Si、Cr等原子以置换方式溶于Fe中，而C则是以间隙方式溶入。 （3）按溶质原子在固溶体结构中的分布划分 a、无序固溶体 溶质原子以随机方式无规则地分布于固溶体的点阵中。 b、有序固溶体（超结构） 溶质原子按一定组成比在固溶体点阵中的特定位置呈有规则分布。 2、置换固溶体 形成置换固溶体时，溶质原子替代了一部分溶剂原子而占据了本应该由溶剂原子占据的位置，此时由于溶质原子与溶剂原子的半径尺寸差异，将引起晶格畸变，即在溶质原子周围产生了晶格的弹性应变。 溶质原子所引起的点阵畸变将波及一定的范围；此外，点阵畸变还将引起固溶体的能量增加??畸变能。 研究发现，影响置换固溶体溶解度大小的有如下因素： （1）点阵类型的影响 组元的点阵类型是决定能否形成无限固溶体和影响有限固溶体溶解度的重要因素。 形成无限固溶体的组元间必须具有相同的点阵类型（是必要条件，但不是充分条件）。 对于有限固溶体来说，具有同样点阵类型或点阵类型相近的组元之间相互溶解度就大一些；否则反之。例如W、Mo、Cr具有bcc结构，它们在体心立方的α?Fe中的溶解度高于它们在γ?Fe（fcc点阵）中的溶解度。而具有fcc点阵的Co、Ni等在γ? Fe中的溶解度大于在α?Fe中的溶解度。 （2）原子尺寸因素 组元原子间的相对尺寸大小是决定溶解度的以个重要因素，在其它条件相近的情况下，溶质与溶剂原子半径相对差△r(△r=|rB-rA|/rA)越大，其溶解度越小。 研究表明，当△r15%时，只能形成溶解度很小的固溶体。尺寸因素是决定固溶度的一个必要条件，而不是充分条件。 （3）化学亲和力（电负性因素） 溶质元素与溶剂之间的化学亲和力对固溶体的溶解度有显著的影响，如果两者之间的化学亲和力很强，则倾向于形成化合物而不利于形成固溶体；生成的化合物越稳定，则固溶体的溶解度就越小。因此，只有电负性相近的元素才可能具有大的溶解度。 （4）电子浓度因素 原子尺寸因素有利时，在一价的面心立方结构的金属Cu、Ag、Ag为基的固溶体中，溶质原子的原子价越高，则其溶解度越小。 如以原子百分数表示，各元素在Cu中的最大溶解度为： 2价锌