《材料科学基础》课程教学课件（PPT讲稿）合金相结构

※2.3合金相结构>两种或两种以上的金属或金属+非金属组合而成>具有金属特性的物质>组成合金的基本独立的物质为组元，组元可以是金属、非金属元素、化合物>合金分为固溶体和中间相两大类置换固溶体固溶体晶体结构未改变填隙固溶体合金正常价化合物中间相晶体结构改变电子化合物（金属间化合物）原子尺寸因素有关的化合物超结构（有序固溶体）

※ 2.3 合金相结构 ➢ 两种或两种以上的金属或金属+非金属组合而成 ➢ 具有金属特性的物质 ➢ 组成合金的基本独立的物质为组元，组元可以是金属、非金属元素、化合物 ➢ 合金分为固溶体和中间相两大类 合金 晶体结构未改变 固溶体 晶体结构改变 中间相 （金属间化合物） 置换固溶体 填隙固溶体 正常价化合物 电子化合物 原子尺寸因素有关的化合物 超结构(有序固溶体)

2.3.1固溶体》以某一组元为溶剂，其晶体结构中溶入其他组元原子（溶质原子）形成均匀混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。按溶质原子在溶剂点阵中所处的位置，分为置换固溶体和间隙固溶体

2.3.1 固溶体 ➢ 以某一组元为溶剂，其晶体结构中溶入其他组元原子（溶质原子）形成 均匀混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。 ➢按溶质原子在溶剂点阵中所处的位置，分为置换固溶体和间隙固溶体

置换固溶体金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但溶解度不同有些能无限溶解，有的只能有限溶解。影响溶解度的因素：b.原子尺寸a.晶体结构C.化学亲和力（电负性）d.原子价无限置换固溶体中两组元素原子置换示意图动态示意图Vplay0stop过程分开示意图

逐一置换 置换固溶体 金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但溶解度不同， 有些能无限溶解，有的只能有限溶解。 影响溶解度的因素： a.晶体结构 b.原子尺寸 c.化学亲和力（电负性） d.原子价

1.晶体结构晶体结构相同一→无限固溶体的必要条件晶体结构类型不同一→组元间溶解度有限，形成有限固溶体时溶质元素与溶剂元素结构类型相同一→溶解度大2.原子尺寸因素其他条件相近情况下，原子半径差△r15%时，△r越大，则溶解度越小

1. 晶体结构 ✓ 晶体结构相同 → 无限固溶体的必要条件 ✓ 晶体结构类型不同 → 组元间溶解度有限，形成有限固溶体时 ✓ 溶质元素与溶剂元素结构类型相同 → 溶解度大 2.原子尺寸因素 ✓ 其他条件相近情况下，原子半径差△r<15％，有利于形成溶解度较大的固溶体 ✓ △r≥15％时，△r越大，则溶解度越小

室温下在α-Fe中在-Fe中最大在a-Fe中最大元素结构类型的溶解度/%溶解度/%溶解度/%方六c2.110.02180.008(600C)型金刚石N简单立方2.80. 10.001(100C)正B交0,018~0,026~0,008882℃）Ti0.637~~9~2.5(600℃)α-Ti密排六方（882C）βZr体心立方（>862）Zr0.7~0.30.3(385C)a-Zr密排六方（862℃）V体心立方1. 4100100α-Fel.&(989'C)Nb体心立方2.00.1~~0.2-Fe4.5(1360C)Mo体心立方1. 4~337.5W体心立方35.5~3,24.5(700℃)Cr体心立方12.81001008Mn体心立方（>1133℃）Mny-Mn面心立方（1095~1133℃）~31003α，β-Mn复杂立方（1095℃）βCo面心立方（>450℃）Co7610076α-Co密排六方（<450%）Ni面心立方100~10~10Cu面心立方~80.22.13Si金刚石型152.1518.5合金元素在铁中的溶解度

合金元素在铁中的溶解度

3.化学亲和力（电负性因素）溶质元素与溶剂元素间的化学亲和力愈强→合金组元间电负性差愈大一生成化合物而不利于形成固溶体生成的化合物愈稳定，则固溶体的溶解度就愈小只有电负性相近的元素才可能具有大的溶解度FO.CE-N.3.Br我剪AuCoS.+SenRhHRuaPdOeaoPtAtoPaAs-TeCuBeTSAB:IRio"Po21FeCocGrSi-ShResMo7ofSnPBTo..Cr.GaCaW+FeHgoA.nTi.PaeTs"2nMaScTheL-Lu.oHfMg+Y.AcoNpCaeSr.1iNa-BasRa.RbeK.CsFre2030405771S010SU90原子序数元素的电负性（虚线表示铁的电负性数值）

3.化学亲和力(电负性因素) 溶质元素与溶剂元素间的化学亲和力愈强 → 合金组元间电负性差愈大 → 生成化合物而不利于形成固溶体 ✓ 生成的化合物愈稳定，则固溶体的溶解度就愈小 ✓ 只有电负性相近的元素才可能具有大的溶解度 元素的电负性(虚线表示铁的电负性数值)

4.原子价因素当原子尺寸因素较为有利时，在某些以一价金属(如Cu，Ag，Au)为基的固溶体中，溶质的原子价越高，其溶解度越小。“电子浓度”：合金中价电子数目与原子数目的比值，即e/aA(100 - x)+ Bxe/a:A，B:溶剂和溶质的原子价100x:溶质的原子数分数（%）一价溶剂极限电子浓度：fcc1.36bcc1.48；hcp1.75超过极限电子浓度，固溶体不稳定，形成另外的相10001100915902S00900Cu-CCo-Za235823724702692Ag-CdCu-GeA-SbAg-SnAg-In2689-700CuAs40050030020H1020304803001心2040原子数分数/%原子数分数/%银合金的固相线和固溶度曲线铜合金的固相线和固溶度曲线

“电子浓度” ：合金中价电子数目与原子数目的比值，即e/a 4.原子价因素 当原子尺寸因素较为有利时，在某些以一价金属(如Cu，Ag，Au)为基的固溶 体中，溶质的原子价越高，其溶解度越小。 A，B: 溶剂和溶质的原子价 x: 溶质的原子数分数(％) ( ) 100 100 / A x Bx e a − + = ✓ 一价溶剂极限电子浓度: fcc 1.36；bcc 1.48；hcp 1.75 ✓ 超过极限电子浓度，固溶体不稳定，形成另外的相 铜合金的固相线和固溶度曲线 银合金的固相线和固溶度曲线

间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成7溶质与溶剂的原子半径差△r>30%时，不易形成置换固溶体当溶质原子半径很小（△r>41%），溶质原子就可能进入溶剂晶格间隙中√间隙固溶体比置换固溶体造成更大的晶格畸变√形成间隙固溶体的溶质原子通常是原子半径小于0.1nm的一些非金属元素。如H,B,C,N,O等√间隙固溶体溶解度：溶质原子的大小溶剂晶体结构中间隙形状和大小

间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成 ✓ 溶质与溶剂的原子半径差△r>30％时，不易形成置换固溶体 ✓ 当溶质原子半径很小（△r>41％），溶质原子就可能进入溶剂晶格间隙中 ✓ 间隙固溶体比置换固溶体造成更大的晶格畸变 ✓ 形成间隙固溶体的溶质原子通常是原子半径小于0.1nm的一些非金属元素。 如H，B，C，N，O等 ✓ 间隙固溶体溶解度：溶质原子的大小 溶剂晶体结构中间隙形状和大小

固溶体的微观不均匀性·溶质原子的分布：宏观均匀，微观不均匀一定条件下，它们甚至会呈有规则分布，形成有序固溶体（溶质原子存在于溶质点阵中的固定位置上，每个晶胞中的溶质和溶剂原子之比一定）(EA +EBB)/2EAB部分或完全有序

• 溶质原子的分布：宏观均匀，微观不均匀 • 一定条件下，它们甚至会呈有规则分布，形成有序固溶体 （溶质原子存在于溶质点阵中的固定位置上，每个晶胞中的溶质和溶剂原子之比一定） ( ) EAA + EBB 2  EAB ( ) EAA + EBB 2  EAB 固溶体的微观不均匀性 EAA  EBB  EAB 原子结合能 无序 偏聚 部分或完全有序

固溶体的性质a.点阵常数改变溶质与溶剂的原子大小不同引起点阵畸变，点阵常数变化。·对置换固溶体而言，原子半径>r时，溶质原子周围点阵膨胀，平均点阵常数增大；rB<rA时，溶质原子周围点阵收缩，平均点阵常数减小。·间隙固溶体而言，点阵常数随溶质原子的溶入总是增大的，影响比置换固溶体大b.产生固溶强化·和纯金属相比，由于溶质原子的溶入，使固溶体的强度和硬度升高c.物理和化学性能的变化·固溶体合金随着固溶度的增加，点阵畸变增大，一般固溶体的电阻率p升高，电阻温度系数α降低。不锈钢中至少含有13%以上的Cr原子：Cr固溶于α-Fe中，当Cr的原子数分数达到12.5%时，Fe的电极电位由-0.60V突然上升到+0.2V，从而有效地抵抗空气、水气、稀硝酸等的腐蚀

固溶体的性质 a．点阵常数改变 溶质与溶剂的原子大小不同引起点阵畸变，点阵常数变化。 • 对置换固溶体而言， 原子半径rB>rA时，溶质原子周围点阵膨胀，平均点阵常数增大； rB<rA时，溶质原子周围点阵收缩，平均点阵常数减小。 • 间隙固溶体而言，点阵常数随溶质原子的溶入总是增大的，影响比置换固溶体大 b．产生固溶强化 • 和纯金属相比，由于溶质原子的溶入，使固溶体的强度和硬度升高 c．物理和化学性能的变化 • 固溶体合金随着固溶度的增加，点阵畸变增大，一般固溶体的电阻率升高，电阻温度 系数降低。 不锈钢中至少含有13％以上的Cr原子：Cr固溶于-Fe中，当Cr的原子数分数达到12．5％时，Fe的电 极电位由-0.60V突然上升到+0.2V，从而有效地抵抗空气、水气、稀硝酸等的腐蚀