海南大学：《材料科学基础》课程教学资源（PPT课件）Chapter 2 固体结构 2.3 合金相结构、2.4 离子晶体结构、2.5 共价结构

2.3合金相结构 基本概念 纯金属：物理、化学性能良好，力学性能差。价格昂贵、种类有限 合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属经一定方法合成的 具有金属特性的物质 组元：组成合金最基本的独立的物质。（如一元、二元、三元合金)， 可以是元素，也可以是化合物 合金系：给定元素以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。 如Fe-C,Fe-Cr等

2.3 合金相结构 纯金属：物理、化学性能良好，力学性能差。价格昂贵、种类有限 合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属经一定方法合成的 具有金属特性的物质 组元：组成合金最基本的独立的物质。（如一元、二元、三元合金〕， 可以是元素，也可以是化合物 合金系：给定元素以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。 如Fe-C，Fe-Cr等 基本概念

相：具有同一聚集状态、同一化学和物理构成、并以界面与 其他不同部分分开的均匀组成部分。 Water ·vapor" Water Alcohol Ice Solution Water (b) Saturated Oil brine Excess salt Water (d)

相：具有同一聚集状态、同一化学和物理构成、并以界面与 其他不同部分分开的均匀组成部分

◆合金成分表示法： (1)重量（质量)百分数 mB ×100% A-B二元合金为例 ma+me 元素B的重量（质量） m4—元素A的重量（质量） (2)原子(mo)百分数 C nB ×100% na+nB ng—元素B的原子数 nA 元素A的原子数 m一合金中某元素的质量(g) M—某元素的原子(mol质量)量(g) —阿伏加得罗常数6.02×1023

合金成分表示法： (1) 重量（质量）百分数 A-B二元合金为例 100% + = A B B wB m m m C mB——元素B的重量(质量) mA——元素A的重量(质量) (2)原子(mol)百分数 100% + = A B B aB n n n C nB——元素B的原子数 nA——元素A的原子数 m——合金中某元素的质量(g) M——某元素的原子(mol质量)量(g) NA——阿伏加得罗常数6.02×1023

★合金组元混合后可能的存在形式： 相互溶解形成固溶体、形成化合物、机械混合。主 要取决于组元的电化学因素、原子尽寸因素和电子浓度。 A+B 固溶体 ↓ 机械混合 保持A(B)晶体结构， 化合物 B(A)原子占据的晶格阵 A和B保持各自独立的晶体 点位置或间隙位置。 晶体结构不同于 结构，两者以界面隔开。 A或B的新物质： ○O。○OOOON O○0○OO○●cu 0●00●0○0 0.000 Solid solution O●QQ0Q002zm 00●○。0○cm 。0.0。Q f Zn in Cu 0000○○0O 0●。○000○ 0O0O。Ni 0o0o6o“ 。0oOo0o -Compound of Cu and Zn 00000000 5

5 ★合金组元混合后可能的存在形式： 相互溶解形成固溶体、形成化合物、机械混合。主 要取决于组元的电化学因素、原子尺寸因素和电子浓度。 A+B 固溶体 化合物 机械混合 保持A(B)晶体结构， B(A)原子占据的晶格阵 点位置或间隙位置。 晶体结构不同于 A或B的新物质。 A和B保持各自独立的晶体 结构，两者以界面隔开

固溶体、机械混合物和化合物的区别 名称 相组成 混合尺度 组成 结构 固溶体 单相均匀 原子尺度 有一定范围 主晶相结构 化合物 不同于A和B 原子尺度 一定比例 不同于A和B A相和B相 机械混合物 不均匀 颗粒 任意 颗粒堆积 6

6 名 称 相组成 混合尺度 组 成 结构 固溶体 单相均匀 原子尺度 有一定范围 主晶相结构 化合物 不同于A和B 原子尺度 一定比例 不同于A和B 机械混合物 A相和B相 不均匀 颗粒 任意 颗粒堆积 固溶体、机械混合物和化合物的区别

决定合金相形成类别的主要因素： ①原子尺寸因素 异类原子的半径大小差别可影响所形成合金相的类型。 ②电负性 两元素电负性相差越大，越易形成化合物 ③价电子浓度 当异类原子价电子数之差较大时，利于形成化合物，反之， 利于形成固溶体。 7

7 决定合金相形成类别的主要因素： ①原子尺寸因素 异类原子的半径大小差别可影响所形成合金相的类型。 ②电负性 两元素电负性相差越大，越易形成化合物 ③价电子浓度 当异类原子价电子数之差较大时，利于形成化合物，反之， 利于形成固溶体

2.3.1固溶体 以合金某一组元为溶剂，在其晶格中溶入其他组元原子（溶 质)后所形成的一种合金相，其特征是仍保持溶剂晶格类型，结点 上或间隙中含有其他组元原子，有一定的成分范围，具有比较明显 的金属性质。 溶剂：原子分数多者。 溶质：原子分数少者。 Alcohol Water Liquid solution Mixing on the molecular scale O H2O ●C2H5OH

2.3.1 固溶体 以合金某一组元为溶剂，在其晶格中溶入其他组元原子（溶 质）后所形成的一种合金相，其特征是仍保持溶剂晶格类型，结点 上或间隙中含有其他组元原子，有一定的成分范围，具有比较明显 的金属性质。 溶剂：原子分数多者。 溶质：原子分数少者

固溶体的类别 1)按固溶体溶质原子所处位置分类 置换固溶体：溶质原子占据溶剂原子 位置形成的固溶体。 间隙固溶体：溶质原子占据溶剂原子 晶格间隙位置形成的固溶体。 置换固溶体 ★决定形成置换、间隙固溶体的主要因素 原子尺寸因素： 相对原子半径差△r=(rArB)/rA41%时， 间隙固溶体 倾向形成间隙固溶体。 式中：r4一溶剂原子半径； ●溶剂原子 rB—溶质原子半径 。溶质原子

9 固溶体的类别 1）按固溶体溶质原子所处位置分类 置换固溶体：溶质原子占据溶剂原子 位置形成的固溶体。 间隙固溶体：溶质原子占据溶剂原子 晶格间隙位置形成的固溶体。 溶剂原子 溶质原子 置换固溶体 间隙固溶体 ★ 决定形成置换、间隙固溶体的主要因素—— 原子尺寸因素： 相对原子半径差△r =(rA-rB)/rA＜15%时， 倾向形成置换固溶体。 相对原子半径差△r =(rA-rB)/rA＞41%时， 倾向形成间隙固溶体。 式中： rA— 溶 剂 原 子 半 径 ； rB—溶质原子半径

表2-1合金元索在铁中的溶解度（质量分数） 2)按溶质 结构类型 在了-Fe中最大溶 在a-Fe中最大溶 室温在？-Fe中的溶 原子溶解度 解度（质量分数）/10 解度（质量分数1八0 解度（贡昼分数）10 分类 六 方 2.11 0.0218 金刚石型 0.0086U0C) 简单立方 2.8 0.1 0.001(100C) 无限固溶体： 正交 0.018-0.026 0,008 882℃) 。-Ti密排六方(62C) Z 0.7 g-Zr密排六方(<862C) 0.3 0.3(385C) 有限固溶体： 体心立方 1.4 100 00 溶质溶解度 g-Fe1.8(989C) 体心立方 2.0 0.1-0.2 B-Fe4.5(1360C) 有限度 Mo 体心立方 、3 37.5 1.4 (100%)的 体心立方 -3.2 35.5 4.5(700() 固溶体 体心立方 12.8 100 100

10 2）按溶质 原子溶解度 分类 无限固溶体 ： 溶质 、溶剂 可以任意比 例互溶的固 溶体 有限固溶体 ： 溶质溶解度 有限度 (<100 % ) 的 固溶体

无限固溶体中两组元原子置换示意图 11

11 无限固溶体中两组元原子置换示意图