6.固溶体的结构和性能
工程材料习题集参考答案(第四章)
习题集部分参考答案4合金的结构与相图思考题1.何谓合金？合金中基本的相结构有哪些？答：合金是指两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。
合金中基本的相结构有固溶体、金属化合物两类。
2.相组成物和组织组成物有何区别？答：相组成物是指组成合金中化学成分、结构和性能均匀一致的部分。
组织组成物是指显微组织中具有某种形貌特征的独立部分。
两者的区别在于相组成物是不涉及金相形态的。
3.固溶体合金和共晶合金的力学性能和工艺性能有什么特点？答：固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，但由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度、硬度提高，且大多固溶体还保持着良好的塑性。
而共晶合金组织为二相混合物时，合金的性能与成分呈直线关系。
当共晶组织十分细密时，硬度和强度会偏离直线关系而出现峰值。
共晶合金熔点低，流动性好，易形成集中缩孔，不易形成分散缩孔，铸造性能较好。
4.合金的结晶必须满足哪几个条件？答：合金的结晶需要满足结构、能量和化学成分三个条件（或者叫三个起伏）。
5.纯金属结晶与合金结晶有什么异同？答：相同点：形成晶核、晶核长大；能量和结构条件。
不同点：合金结晶还需要“化学成分条件”；从结晶的自由度看，纯金属结晶是一个恒温过程，而合金的结晶常常在某个温度范围内进行。
6.固溶体的主要类型有哪些?影响固溶体的结构形式和溶解度的因素有哪些？答：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和间隙固溶体；按固溶度可分为有限固溶体和无限固溶体；置换固溶体按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点可分为无序固溶体和有序固溶体。
影响固溶体的结构形式和溶解度的因素很多，目前比较公认的有①原子尺寸因素；②晶体结构因素；③电负性因素；④电子浓度因素。
7、试述固溶强化、加工硬化和弥散强化的强化原理，并说明三者的区别。
答：固溶强化是由于溶质原子的溶入，造成了晶格畸变，阻碍了晶体滑移，结果使固溶体的强度和硬度增加。
第三节固溶体的结构
AB2和A2B型:
二、电子化合物
金属原子 Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt Cu, Ag, Au Be, Mg, Zn, Cd, Hg Al, In, Ga Sn, Si, Ge, Pb 价电子数 0 1 2 3 4
1.离子尺寸因素 形成固溶体条 件：
R1 − R 2 < 15 % R1
R1>R2
本质：固体膨胀系数>15%,开始融化
热振动的振幅达到键长的15%, 开始熔化
2.晶体结构因素 晶体结构相同是形成连续固溶体的必要条件
3.电负性相近⊿χ<0.4 4.电子浓度因素:
电子浓度是指合金中各组元电子总数与原 子总数之比 e ZA ZB = + a 1− X A X B
三、填隙型固溶体
1. 结构间隙大小起决定作用 2. MgO 3. TiO2 岩盐结构 Mg占据全部八面体空隙 金红石 Ti占据1/2八面体空隙
低温ZrO2 萤石型 Zr 的配位数为8,体心空隙 沸石 笼状结构 空旷 沸石>萤石>金红石>岩盐
固溶度:
电中性,
引起晶格常数变化
第四节 金属间化合物
金属间化合物中各组元的原子占据一定 位置,呈有序排列
3.拓扑密堆相 晶体结构符合拓扑学规律, 两种大小不 同的原子构成的高密度和高配位数合金. 1.拉弗氏相 2.σ相 3.Cr3Si
Cr周围有10 个Cr 和4Si, CN=14
Si周围有12个 Cr, CN=12
第三章 固溶体
rZr 4 0.072nm nm PbZrO3-PbTiO3体系：rTi 4 0.061 0.072 0.061 15.28% 15% 0.072
Jiangsu University
材料科学基础
Jiangsu University
材料科学基础
(2)ZrO2是一种高温耐火材料，熔点2680℃，但发生相变时
单斜四方
伴随很大的体积收缩，这对高温结构材料是致命的。若加 入CaO，则和ZrO2形成固溶体，无晶型转变，体积效应减少， 使ZrO2成为一种很好的高温结构材料。
1200C
Jiangsu University
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材料科学基础
5.形成固溶体后对晶体性质的影响
• 1、 稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生
• 2、活化晶格
• 3、固溶强化
• 4、形成固溶体后对材料物理性质的影响
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材料科学基础
1、稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生
(1) PbTiO3是一种铁电体，纯PbTiO3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。PbZrO3是一种反铁电体，居里点为230℃。两 者结构相同，Zr4+、Ti4+离子尺寸相差不多，能在常温生 成连续固溶体Pb(ZrxTi1-x)O3，x=0.1~0.3。在斜方铁电体 和四方铁电体的边界组成Pb(Zr0.54Ti0.46)O3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。
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固溶体
固溶体
掺杂、溶解
M gVO M g O A l2 O 3 2 ' 2
A l O
O
A l M gO 2x
x
3x(x0~2) 2
原子（离子）尺度
与主相Al2O3相同 均匀单相
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3
固溶体、化合物、机械混合物
形成方式 反应式
化学组成 混合尺度
结构 相组成
化合物 化学反应
M g O A l2 O 3 A lM g 2 O 4 AlMg2O4
原子（离子）尺度 AB2O4型结构－新相
单相
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4
固溶体、化合物、机械混合物
形成方式 反应式
化学组成 混合尺度
结构 相组成
机械混合物 简单的机械混合 MgOAl2O3 均匀混合
MgOAl2O3
晶体颗粒态 MgO结构＋Al2O3结构 两相（或多相），有界面
r1 r2 r1
<15%
形成连续固溶体
15％～30％ 形成有限固溶体
>30%
不能形成固溶体
如：MgO-CoO固溶体，溶质－溶剂晶体可
按任意比例无限互溶
(MgXCo1-X)O，X＝0～1， (rMg2+= 0.08nm; rCo2+=0.074nm)
结构相同 半径相似
【电例负】性半相径近差别大电：价M相gO同-CaO系SS----有限
Z r
i
O
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小结:期在不等价置换固溶体中，可能出现的四种 “组分缺陷”
高价置换低价
阳离子出现空位 阴离子进入间隙 低价置换高价
C2 a K C C C lK l V a K 2 C C C2 a K C C C lK lC a li C C
固溶体
Pb(ZrxTi1-x)O3, x = 0 ~ 1 连续变化。
又称为连续固溶体或完全互溶固溶体
11
有限固溶体 杂质原子在固溶体中的溶解度是有限的，存
在一个溶解度极限。 也称为不连续固溶体或部分互溶固溶体。 例如MgO-CaO体系，虽然两者都是NaCl结构，
MgO-CaO两结构不同，只能形成有限固溶体 或不形成固溶体。
24
4.2.3 离子电荷
离子价相同或离子价态和相同，可形成连续 固溶体。例如：
钠长石Na[AlSi3O8]—钙长石Ca[Al2Si2O8]中, 离子电价总和为+5价：
N a Si4 C a 2 A l3
25
复合钙钛矿型压电陶瓷材料(ABO3型)中，
35
许多存在1种以上氧化态的过渡金属化合物是
非整比的，可看做是一种固溶体。如方铁矿Fe1-xO
Fe123xFe32x O
事实上，方铁矿的实际结构比Fe2+、Fe3+和阳
离子空位遍布于岩盐的八面体阳离子位置要复杂得
多，而代之以缺陷簇的形成。
1 2
O2
FeO 2FeFe
+ VF"e
+ OO
36
2. 填隙阴离子
在CaO稳定的立方氧化锆中有阴离子空位
Zr1xCax O2+x (0≤x≤0.2)
CaO
ZrO2
Ca
" Zr
+ VO
耐火材料和氧离子传导的固体电解质。
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4. 填隙阳离子
典型代表是“填充硅石”。 硅石（石英、磷石英或方石英）的结构可以
通过Si4+被Al3+部分代替而修饰，与此同时，碱金 属阳离子就进入硅石骨架中正常空着的间隙位置。
工程材料及成型技术基础(吕广庶张元明著)课后习题答案
《工程材料》复习思考题参考答案第一章金属的晶体结构与结晶1．解释下列名词点缺陷，线缺陷，面缺陷，亚晶粒，亚晶界，刃型位错，单晶体，多晶体，过冷度，自发形核，非自发形核，变质处理，变质剂。
答：点缺陷：原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，主要指空位间隙原子、置换原子等。
线缺陷：原子排列的不规则区域在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。
如位错。
面缺陷：原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。
如晶界和亚晶界。
亚晶粒：在多晶体的每一个晶粒内，晶格位向也并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，它们相互镶嵌而成晶粒，称亚晶粒。
亚晶界：两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。
刃型位错：位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。
滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。
如果相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。
单晶体：如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为单晶体。
多晶体：由多种晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。
过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。
自发形核：在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心。
非自发形核：是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核。
变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些难熔固态颗粒，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。
变质剂：在浇注前所加入的难熔杂质称为变质剂。
2.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Pb 、Cr 、V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格；α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格；γ－Fe 、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格；Mg、Zn属于密排六方晶格；3.配位数和致密度可以用来说明哪些问题？答：用来说明晶体中原子排列的紧密程度。
固溶体和金属化合物的特点
固溶体和金属化合物的特点
固溶体和金属化合物是两种常见的金属合金类型。
下面我们来详细介绍这两种金属合金的特点。
固溶体
固溶体是指由两种或多种金属或金属间化合物组成的均匀固体溶液。
它具有以下特点：
1. 均匀性强：固溶体由多种金属原子组成，它们在晶格中是均匀分布的，这使得固溶体具有均匀性强、结构稳定性高的特点。
2. 可调性强：固溶体的成分可以根据需要进行调整，通过添加不同的元素或改变元素的相对含量，可以得到不同性质的固溶体。
3. 机械性能高：固溶体在机械性能方面表现优良，比如硬度、延展性、强度等性能都较为突出。
4. 抗腐蚀性强：在一些特殊环境下，固溶体能够表现出良好的抗腐蚀性能，可以有效地延长其使用寿命。
金属化合物
金属化合物是指由金属原子和非金属原子组成的化合物，它们具有以下特点：
1. 组成稳定：金属化合物的组成成分是固定的，它们会按照一定比例组成化合物，这保证了化合物的结构与成分的稳定性。
2. 具有高硬度：金属化合物通常是由金属原子和非金属原子之间的牢固键结构构成的，这使这些化合物具有高硬度、高熔点等特点。
3. 抗腐蚀性能好：金属化合物在特定的环境下相对稳定，不会随着时间的增长而发生化学反应而导致腐蚀。
4. 热电性能优良：不同的金属化合物具有不同的热电性能，在制造热电偶、热电电池等方面具有广泛的应用。
总结
固溶体和金属化合物是两种非常重要的金属合金类型。
虽然这两种金属合金有很多相似之处，但它们也有一些显著的不同之处。
简单来说，固溶体注重的是均匀性和可调性，而金属化合物注重的是组成稳定性和硬度性能。
固溶体性能特点及应用
固溶体性能特点及应用
固溶体是指由两种或更多种元素组成的晶体，在化学成分上互相溶解，形成具有稳定结构、统一成份和一致晶格的金属合金。
固溶体具有以下的性能特点：
1. 合金成份可变
固溶体是由两种或多种元素构成的合金，其共同组成的比例可以发生变化。
因此，它具有多种不同的成份或化学组成的可能性。
用这一特性可以研究和制造出各种不同种类的金属材料。
2. 对某些物理性能的改善
当固溶体的组成发生微小变化时，它的物理性能有可能会发生改善。
例如，当合金中含有一定量的铜、镍和铝时，它的强度和硬度都会得到提高。
而当合金中含有适量的铝和钛时，就会增强其耐腐蚀性。
3. 改善材料的可加工性
固溶体的可加工性和成份的比例有密切的关系。
一些金属合金的加工性能，如成型和加工难度以及耐磨性等，都与合金成份的比例相关。
通过改变成份的比例，可以更好的改善合金的可加工性。
4. 优良的力学性能
由于固溶体的共晶固化和固溶体强化机制能够在特定的成份范围内提高合金的强度和硬度。
这种特殊的力学性能在一些特定的应用中得到了应用。
在现代工业中，固溶体应用极为广泛。
例如，身穿纤维防护服的硬质合金、在汽车工业中广泛使用的铝合金轮毂、在火箭发射器发动机上广泛使用的镍等。
另外，固溶体也用于生产儿童玩具、生产家居用品，还广泛用于其他汽车部件的生产，如汽车制动器、车门锁等等。
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()五固溶体的结构
固溶体的结构发生了变化：
虽然固溶体仍保持着溶剂的晶格类型，但若与纯组元相比，结构还是发生了变化，有的变化还相当大，主要表现在以下凡个方面：晶格畸变；偏聚与有序；有序固溶体
()A晶格畸变
造成晶格畸变形成弹性应力场
由于溶质与溶剂的原子大小不同，因而在形成固溶体时，必然在溶质原子附近的局部范围内造成晶格畸变，并因此而形成一个弹性应力场。
晶格畸变的大小可由晶格常数的变化所反映
对置换固溶体来说，当溶质原子较溶剂原子大时，晶格常数增加；反之，当溶质原子较溶剂原子小时,则晶格常数减小。
形成间隙固溶体时，晶格常数总是随着溶质原子的溶入而增大。
()B偏聚与有序
1.长期以来，人们认为溶质原于在固溶体中的分布是统计的、均匀的和无序的，
如图3-8a所示。
2.但经X射线精细研究表明，溶质原子在固溶体中的分布，总是在一定程度上
偏离完全无序状态，存在着分布的不均匀性
3.当同种原子间的结合力大于异种原子间的结合力时，溶质原子倾向于成群地
聚集在一起，形成许多偏聚区图3.8
4. 反之，当异种原子（即溶质原子和溶剂原子）间的结合力较大时，则溶质原
子的近邻皆为溶剂原子，溶质原子倾向于按一定的规则呈有序分布，这种有序分布通常只在短距离小范围内存在，称之为短程有序(图3-8c)
()C 有序固溶体
有序固溶体的概念
● 具有短程有序的固溶体，当低于某一温度时，可能使溶质和溶剂原子在整个
晶体中都按―定的顺序排列起束，即由短程有序转变为长程有序，这样的固溶体称为有序固溶体。
● 当溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布时，
这种固溶体就叫有序固溶体
有序固溶体有确定的化学成分可以用化学式来表示
● 例如在Au Cu -合金中，当两组元的原子数之比()Au Cu :即等于1:1()CuAu 和
3:1()Au Cu 3时，在缓慢冷却条件下，两种元素的原子在固溶体中将由无序排列转变为有序排列，铜、金原子在晶格中均占有确定的位置，如图3.9所示 ● 对CuAu 来说，铜原子和金原于按层排列于()001晶面上，一层晶面上全部是
铜原子，相邻的一层全部是金原子
● 由于铜原子较小，故使原来的面心立方晶格略变形为93.0=a
c 的四方晶格 ● 对Au Cu 3来说，金原子位于晶胞的顶角上，铜原子则占据面心位置 固溶体的有序化温度：
当有序固溶体加热至某一临界温度时，将转变为无序固溶体,而在缓慢冷却至这一温度时，又可转变为有序固溶体。
这一转变过程称为有序化.发生有序化的临界温度称为固溶体的有序化温度。
无序变有序的性能突变：
当无序固溶体转变为有序固溶体时，性能发生突变：硬度及脆性显著增加，而塑性和电阻则明显降低。
有序固溶体的相本质：
由于溶质和溶剂原子在晶格中占据着确定的位置，因而发生有序化转变时有时会引起品格类型的改变。
严格说来，有序固溶体实质上是介于固溶体和化合物之间的一种相，但更接近于金属化合物。
()五固溶体的性能
总的来说固溶强化：
随着溶质浓度的增加强度硬度升高塑性韧性下降
强化效果：
1.原子尺寸相差越大晶格畸变越大强化效果越好
2.间隙固溶体强化效果强于置换固溶体，因为造成的晶格畸变大
固溶体的硬度和屈服强度和抗拉强度
一般来说，固溶体的硬度、屈服强度和抗拉强度等总是比组成它的纯金属的平均值高，随着溶质原子浓度的增加，硬度和强度也随之提高。
固溶体的塑性韧性方面
在塑性韧性方面，如延伸率、断面收缩率和冲击功等，固溶体要比组成它的两个纯金属的平均值低，但比一般化合物要髙得多。
因此，综合起来看，固溶体比纯金属和化合物具有较为优越的综合机械性能，因此，各种金属材料总是以固溶体为其基体相。