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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,2.3,合金相结构,第二章 固体结构,（,Solid Structure）,重点掌握：,1.,合金、,相、组织、固溶体、中间相（金属间化合物）的概念,2.,固溶体、中间相的分类、特点和用途,一般了解,1.,离子、共价和聚合物的晶态结构及相对应的性能特点,2.3 合金相结构 第二章 固体结构（Solid Str,1,概 述,1.,合金,(alloy)-,两种或两种以上的金属或金属与非金属经冶炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。,组元,-,组成合金的基本单元。组元可以是金属和非金属,也可以是化合物,2.,组织,(structure)-,材料中的直观形貌,可以用肉眼观察到,也可以借助于放大镜、显微镜观察到的微观形貌。分为,:,宏观组织,:,肉眼或是,30,倍放大镜所呈现的形貌；,显微组织,:,显微镜观察而呈现的形貌。,3.,相,(phase)-,合金中具有同一聚集状态,同一化学成分、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。,概 述 1.合金(alloy)-两种或两种以,2,相分类,:,固溶体和中间相,(,金属间化合物,),固溶体,中间相,中间相可以用分子式来大致表示其组成。,合金相的性质由以下三个因素控制,:,（,1,）电化学因素,(,电负性或化学亲和力因素,),电负性,（,2,）原子尺寸因素 ,r=,（,r,A,r,B,)/r,A,r,越大，越易形成中间相。,r,越小，越易形成固溶体,（,3,）原子价因素,(,电子浓度因素,):,C,电子,=A(100,x),Bx/100 C,越大，越易形成化合物；,C,越小，越易形成固溶体,相分类:固溶体和中间相(金属间化合物),3,2.3.1,固溶体,固溶体,(solid solution),：,固溶体的最大特点是保持溶剂的晶体结构。,2.3.1 固溶体 固溶体(solid solution),4,1.,固溶体分类,(,1),按溶质原子在点阵中所占位置分为：,置换固溶体,(substitutional solid solution),：,溶质原子置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。,间隙固溶体,(interstitial solid solution),：,溶质原子分布于溶剂晶格间隙中。,(2),按溶质原子在溶剂原子中溶解度分类：,有限固溶体：,在一定条件下,溶质原子在溶剂中的溶解量有一个上限,起过这个限度就形成新相。,无限固溶体：,溶质原子可以任意比例溶入溶剂晶格中形成的。如,:CuNi AuAg TiZr,，结构相同。,1.固溶体分类(1)按溶质原子在点阵中所占位置分为：,5,(3),按溶质原子在溶剂中的分布特点分类,无序固溶体,：溶质原子在溶剂中任意分布,无规律性。,有序固溶体,：溶质原子按一定比例和有规律分布在溶剂晶格的点阵或间隙里。,(4),按基体类型分类：,一次固溶体,：以纯金属为基形成的固溶体。,二次固溶体,：以化合物为基形成的固溶体。,(3)按溶质原子在溶剂中的分布特点分类,6,固溶体的两种类型（置换和间隙）,固溶体的两种类型（置换和间隙）,7,有序固溶体短程,有序固溶体短程,8,有序固溶体长程,有序固溶体长程,9,有序固溶体偏聚,有序固溶体偏聚,10,2.,置换固溶体,置换固溶体一般在金属元素之间形成，但要有一定条件。,(1),晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件。否则只能形成有限固溶体。,(2),原子尺寸在其它条件相近时,r0.85,固溶体中溶解度较大,否则较小。,如,:,铁基合金中，,r8%,才能形成无限固溶体。,铜基合金中，,r41%,或,r,质,/r,剂,r,剂,，,a,增大；,r,质,r,剂,，,a,减小。,间隙固溶体：,a,始终随溶质原子溶入而增大。,(2),固溶强化,：溶质原子溶入,使其硬度和强度升高。,(3),物理化学性能改变,。,5.固溶体的性质 固溶体中由于含有溶质原子会引,19,2.3.2,中间相,中间相是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相,它可以是化合物,也可以是以化合物为基的固溶体,(,二次固溶体,),一般可以用化学分子式来表示,但不一定符合化合价规律。,中间相中原子的结合方式为金属键与其它结合键相混合的方式。它们都具有金属特性。,中间相如：钢中,Fe3C,、铝铜合金中,CuAl,、黄铜中,CuZn,、半导体中,GaAs,、形状记忆合金中,NiTi,和,CuZn,、核反应堆材料中,Zr,3,Al,、储氢能源材料中,LaNi,5,等。,中间相分类：正常价化合物、电子化合物、原子尺寸有关化的化合物,(,间隙相、间隙化合物、,TCP,相,),、超结构。,2.3.2 中间相 中间相是合金组元间发生相互作用而形成的一,20,1.,正常价化合物,正常价化合物（,valence compound,）,是一些金属与电负性较强的,A,、,A,、,A,族的一些元素按照化学上的原子价规律所形成的化合物。其特点是符合化合物规律。具有严格的化合比、成分固定不变，成分可用化学式表示,一般为,AB,型、,AB,2,型或,A,2,B,型、,A,3,B,2,型。,正常价化合物的晶体结构通常对应于同类分子式的离子化合物结构,。例如,:A,2,B,型,Mg,2,Pb Mg,2,Sn Mg,2,Ge Mg,2,Si AB,型,MgS MnS FeS,正常价化合物在常温时有很高的硬度和脆性,。在工业合金中,能起到提高材料强度和硬度的作用,称为强化相。如,Al,Mg,Si,合金中,Mg,2,Si,；但有时也是有害相,如钢中,FeS,会引起钢的脆性。,1.正常价化合物 正常价化合物（valence,21,2.,电子化合物,电子化合物（,electron compound,）是由,B,族（,Cu,、,Au,、,Ag,）或过 渡族金属（,Fe,、,Co,、,Ni,）与,B,、,A,、,A,族元素形成的金属化合物。电子价化合物的特点是不遵循原子价规律，电子浓度是决定其晶体结构的主要因素。电子浓度相同,相的晶体结构类型相同。,电子浓度,=,（化合物元素价电子总数,/,化合物原子数）,注,:,计算时过渡族元素时价电子数视为,0,。,电子浓度、相、结构对应关系如下：,C,电子,=7/4,（即,21/12,）,密排六方结构,C,电子,=21/13 ,复杂立方结构,C,电子,=3/2,（即,21/14,）,体心立方结构,Mn,复杂立方或密排六方结构,电子价化合物具有金属特性,具有高熔点、高硬度但塑性低,与固溶体适当搭配使合金得到强化,作为非,Fe,合金中重要组成相。,2.电子化合物 电子化合物（electron c,22,3.,原子尺寸因素有关的化合物,A,尺寸因素有关的化合物（,size,factor compound,）,类型与组成元素的原子尺寸关别关。比较复杂。,(1),间隙相和间隙化合物,间隙相和间隙化合物是由过渡族金属（,M,）与原子半径很小的非金属元素（,X,）（,C,、,H,、,N,、,B,等）组成的。,r,X,/r,M,0.59,时形成复杂结构的间隙化合物,a,、间隙相,间隙相的晶格类型比较简单且与组元的结构不同。在间隙相晶格中金属原子占据正常位置,非金属原子占据间隙位置,有如下规律：,r,X,/r,M,0.414,时进入八面体间隙,化学式：,M4X M2X MX MX2,。间隙相的化学式与晶格类型有一定的对应关系。表,2.11.,间隙相具有金属特性如有金属光泽、良好的导电性、极高的硬度和熔点,是合金工具钢、硬质合金和高温金属陶瓷材料的重要组成相。,3.原子尺寸因素有关的化合物A尺寸因素有关的化合物（siz,23,b.,间隙化合物,间隙化合物的晶体结构比较复杂。其表达式有如下类型：,M3C,、,M7C3,、,M23C6,、,M6C,。间隙化合物中金属元素,M,常被其它金属元素所代替形成化合物为基的固溶体（二次固溶体）。,在,H,、,N,、,C,、,B,等非金属元素中,由于,H,和,N,的原子半径很小,与所有过渡族金属都满足,r,X,/r,M,0.59,较大,r,B,/r,M,0.59,，硼化物均为间隙化合物；而碳原子半径处于中间,某些碳化物为间隙相,某些为间隙化合物。,间隙化合物的熔点、硬度较高，也是强化相。,(2)TCP,相,TCP,相（,topologically close-packed phase,）的特点：由配位数为,12,、,14,、,15,、,16,的配位多面体堆垛而成；呈层状结构。,TCP,相类型：,Lavs,相,AB2,型 镁合金、不锈钢中出现,相,AB,型或,AxBx,型 有害相,b.间隙化合物 间隙化合物的晶体结构比较复杂。其表达式有如下,24,4.,超结构,有序固溶体,超结构（,super structure/lattice,）,类型：,有序化条件：异类原子之间的相互吸引大于同类原子间,有序化影响因素：温度、冷却速度和合金成分,5.,金属间化合物的性质及应用（,P56,）（,1,）,（,7,）,4.超结构有序固溶体 超结构（super structu,25,CuAu,有序固溶体的晶体结构,CuAu有序固溶体的晶体结构,26,2.4,离子晶体,离子晶体有关概念,1.,离子晶体,(ionic crystal),：由正、负离子通过离子键按一定方式堆积起来而形成的。陶瓷大多数属于离子晶体。,2.,离子半径,(ionic radius),：从原子核中心到其最外层电子的平衡距离。对离子晶体，通常认为晶体中相邻的正负离子中心之间的距离作为正负离子半径之和，即,R,0,=R,+,+R,。但,利用,x,射线可求得,R,。离子半径大小并非绝对，同一离子随着价态和配位数而变。,3.,离子堆积,：离子晶体通常由负离子堆积成骨架，正离子按其自身大小居于相应负离子空隙（负离子配位多面体）。,2.4 离子晶体 离子晶体有关概念,27,4.,配位数,CN(coordination number),：与某一离子邻接的异号离子的数目。取决于正负离子的半径比,R,+,/R,，常见的是,4,、,6,、,8,，不同配位数时，离子半径间关系为：,0.97,CN=8,CN=6,1.1,CN=4,5.,负离子配位多面体,：离子晶体中与某一正离子成配位关系而邻接的各负离子中心线所构成的多面体。,6.,离子晶体的特点,：离子键、硬度高、强度大、熔点高、等。典型的离子晶体是无色透明的。,4.配位数CN(coordination number)：,28,2.4.1,离子晶体的结构规则,鲍林规则,1.,负离子配位多面体规则,这一规则符合最小内能原理,2.,电价规则,3.,负离子多面体共用顶、棱、面的规则,共用点、棱、面,会降低结构稳定性,4.,不同种类正离子多面体间连接规则,电价高、配位数低的正离子配位多面体之间有尽量互不结合的趋势,.,5.,节约规则,同种正离子和同种负离子的结合方式应最大限度地趋于一致,.,2.4.1 离子晶体的结构规则鲍林规则 1.负离子配位多,29,2.4.2,典型的离子晶体,1.,AB,型,(1)CsCl,型,(2)NaCl,型,(3),立方,ZnS(,闪锌矿,),型：,(4),六方,ZnS(,纤锌矿,),型：,2.,AB,2,型,(1)CaF,2,(,萤石型,),(2)TiO,2,(,金红石,),型,(3),SiO,2,(,方晶石,.,方石英,),型,3.,A,2,B,3,型,Al,2,O,3,4.,ABO,3,型,(1)CaTiO,3,(,钙钛矿、灰钛矿,),型,(2)CaCO,3,(,方解石,),型、三方晶系,5.,AB,2,O,4,型,尖晶石,(MgAl,2,O,4,),2.4.2 典型的离子晶体 1.AB型(1)CsC,30,CsCl,型结构,CsCl型结构,31,NaCl,型结构,NaCl型结构,32,CaF,2,型结构,CaF2型结构,33,2.4.3,硅酸盐的晶体结构,硅酸盐的结构组成：硅氧骨干一硅和氧按不同比例组成的负离子团、硅氧骨干以外的正离子和负离子。,
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