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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,15/11/2024,1,第五章 材料的相结构及相图,13/09/20231第五章 材料的相结构及相图,15/11/2024,2,一、概述,二、材料的相结构,三、二元相图及其类型,13/09/20232一、概述二、材料的相结构三、二元相图及,15/11/2024,3,一、概述,1.,组元,(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,化学元素,或,化合物,。,按组元数目，将系统分为：,一元系,二元系,三元系,化学元素：,Cu,Ni,Fe,等,化合物：,Al,2,O,3,MgO,Na,2,O,SiO,2,等,13/09/20233一、概述1.组元(Componen,15/11/2024,4,2,、合金：,多组元组成,的金属材料,，,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金。,获得：,通过熔炼,常见合金：,钢、铝合金、钛合金,13/09/202342、合金：获得：常见合金：钢、铝合金、,15/11/2024,5,3,、相：,在一个系统中，,成分、结构相同，性能一致的均匀的组成部分,叫做相，不同相之间有明显的,界面,分开,该界面称为,相界面,。在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分，可分为固溶体和化合物两大类。,注意：,相在物理性能和化学性能上是均匀的。,相界面和晶界的区别。,例如：单一的液,单一的固相；,液相、固相两相共存；,问题：,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？,13/09/202353、相：注意：例如：单一的液问题：,15/11/2024,6,4,、相图：,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；,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；,制定材料的制备工艺！,13/09/202364、相图：描写在平衡条件下，系统状态或,15/11/2024,7,1,、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,固溶体,。,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；,溶质：含量较少；,13/09/202371、固溶体：当材料由液态结晶,15/11/2024,8,浓度或溶解度一般用溶质元素所占的重量百分比来表示,(%Wt),；,有时也用溶质元素所占的原子数量百分比来表示，这时也称为摩尔浓度,(%Wa),。,表征：浓度,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体中的,溶解度,（与液体溶液类似）,13/09/20238 浓度或溶解度一般用溶质元素所占,15/11/2024,9,2,）固溶体的分类,（,1,）按溶质原子在固溶体,(,溶剂,),晶格中的位置不同可分为：,置换固溶体,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。,间隙固溶体,溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中，不占据晶格结点位置。,置换固溶体,间隙固溶体,溶剂原子,溶质原子,溶剂原子,溶质原子,A,B,13/09/202392）固溶体的分类（1）按溶质原子在固,15/11/2024,10,置换型固溶体,：取代型。,MgO-CoO,、,MgO-CaO,、,PbTiO,3,-PbZrO,3,、,Al,2,O,3,-Cr,2,O,3,13/09/202310置换型固溶体：取代型。,15/11/2024,11,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,13/09/202311在合金中较为常见，间隙式固溶体,15/11/2024,12,（,2,）按溶解度,无限溶解固溶体,溶质可以任意比例溶入溶剂晶格中。构成无限固溶体。这时把含量较高的组元称为溶剂，含量较少的组元称为溶质。,有限溶解固溶体,溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度，超过这个限度就会有其它相,(,另一种固溶体或化合物,),的形成。,间隙固溶体,都是有限溶解固溶体。在金属材料中，通常是过渡族金属元素为溶剂，小尺寸的,C,、,N,、,H,、,O,、,B,等元素为溶质。,13/09/202312（2）按溶解度无限溶解固溶体 溶,15/11/2024,13,（,3),按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点,无序固溶体,溶质原子在溶剂晶格中分布是任意的，没有任何规律性，仅统计角度上是均匀分布的,。,有序固溶体,溶质原子以一定的比例，按一定方向和顺序有规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。,在有些材料中，固溶体还存在有序化转变，即在一定的条件,(,如温度、压力,),下，无序固溶体和有序固溶体之间会发生相互转变。,13/09/202313（3)按溶质原子在溶剂晶格中的分布,15/11/2024,14,3,）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：,尺寸因素,从晶体结构的稳定观点来看，相互替代的质点尺寸愈接近，则固溶体愈稳定，其固溶量将愈大。,！,13/09/2023143）影响固溶体溶解度的因素（对置换型,15/11/2024,15,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。,13/09/202315经验证明：,15/11/2024,16,晶体结构类型,连续固溶体必要条件：具有相同的晶体结构（不是充分条件）,晶体结构不同，最多只能形成有限型固溶体（满足尺寸条件前提下）,13/09/202316晶体结构类型,15/11/2024,17,MgO-NiO,、,Al,2,O,3,-Cr,2,O,3,、,ThO,2,-UO,2,、,Cu-Ni,、,Cr-Mo,、,Mo-W,、,Ti-Zr,：连续固溶体,Fe,2,O,3,Al,2,O,3,，,=18.4%,，有限固溶体,13/09/202317 MgO-NiO、Al2O3-Cr,15/11/2024,18,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，往往形成较稳定的化合物。,13/09/202318电负性差 电负性为这些元素,15/11/2024,19,电子浓度,在金属材料,(,合金,),中，价电子数目,(e),与原子数目,(a),之比称为电子浓度。由于溶质和溶剂的价电子数可能不同，电子浓度,e/a=V,A,(1-x)+V,B,x,。,其中,x,为溶质的原子百分比浓度,(,摩尔分数,),，,V,A,、,V,B,分别为溶剂和溶质的价电子数。,*,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,例如：,Cu,作一价；过度族元素作,0,价处理。,13/09/202319电子浓度 在金属材料(合金,15/11/2024,20,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！,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：,1.48,13/09/202320 在生成有限固溶体条件下，价态差,15/11/2024,21,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形成间隙固溶体。,溶质元素通常都是一些原子半径小于,0.1nm,的非金属元素（,H,、,O,、,N,、,C,、,B,等），而溶剂元素都是过渡族元素！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）,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！,13/09/202321 对于间隙型固溶体来说，只有原,15/11/2024,22,5,）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,，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，随着溶质的浓度,(,含量,),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，强度将提高，称为,固溶强化,，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。在材料中是有效提高金属材料力学性能的途径之一。,（置换与间隙均可）,13/09/2023225）金属固溶体的性能特点（1）由于固,15/11/2024,23,(1,）点阵常数改变,（,2,）产生固溶强化,13/09/202323(1）点阵常数改变,15/11/2024,24,固溶体的结构,（,1,）晶格畸变。,（,2,）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。,完全无序、偏聚、部分有序、完全有序,。,温度可导致有序,-,无序转变,13/09/202324固溶体的结构温度可导致有序-无序转变,15/11/2024,25,6,）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！,但是大多数固溶度是有限的。,影响因素：,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；,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 C,Na Mg Al Si,K Ca Sc Ti V,13/09/2023256）陶瓷材料中的固溶方式 也可,15/11/2024,26,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，会形成空位对；,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。,13/09/202326陶瓷固溶体与金属及金属固溶体的差别：,15/11/2024,27,7),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,活化晶格,固溶强化,形成固溶体后对材料物理性质的影响,13/09/2023277)形成固溶体后对晶体性质的影响（,15/11/2024,28,稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生,(1)PbTiO,3,是一种铁电体，纯,PbTiO,3,烧结性能极差，居里点为,490,，发生相变时，晶格常数剧烈变化，在常温下发生开裂。,PbZrO,3,是一种反铁电体，居里点为,230,。两者结构相同，,Zr,4+,、,Ti,4+,离子尺寸相差不多，能在常温生成连续固溶体,Pb(Zr,x,Ti,1-x,)O,3,，,x=0.10.3,。在斜方铁电体和四方铁电体的边界组成,Pb(Zr,0.54,Ti,0.46,)O,3,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,PZT,陶瓷。,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，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性,13/09/202328稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生(,15/11/2024,29,(2)ZrO,2,是一种高温耐火材料，熔点,2680,，但发生相变时,伴随很大的体积收缩
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