固体中相结构及形成规律
材料科学基础_第2章_固体材料的结构
4
共价键
原子间不产生电子的转移，借共用电子对产生的力结合， 如金刚石，单质硅，SiC 特点： 1.饱和性：电子必须由（8－N）个邻近原子共有；
2.具有方向性：氧化硅四面体中硅氧键为109°
3. 脆性：外力作用，原子间发生相对位移，键将被 破坏
配位数与致密度 配位数 CN=12 致密度 k=0.74
25
体心立方结构(特征）
体心立方晶格密排面
26
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
体心立方晶格（间隙及堆垛方式）
间隙: 也是两种，为八面体和四面体间隙， 八面体间隙位于晶胞六面体每个面的中心和每个棱的 中心由一个面上四个角和相邻两个晶胞体心共6个原围成， 即数量为6。大小为rB=0.154R(在<100>) 或rB=0.633R (在<110>) 。
配位数： CN=8 致密度： k=0.68
31
密排六方晶格原子位置
32
密排六方晶格晶胞原子数
33
密排六方晶格密排面
34
密排六方晶格原子配位数
35
密排六方晶格(间隙及堆垛方式）
• 间隙: 较为复杂，如图2.34 八面体间隙rB=0.414R 有 6 个 四面体间隙rB=0.225R 有 12 个
图1 Cl和Na离子保持r0的距离
图2 NaCl 晶体
9
•
分子键（范德华力)
以若静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的。
特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性， 无方向性。
氢键： 分子间特殊作用力
表达为：X—H—Y 特点：具有饱和性和方 向性，可存在于分子内 或分子间。氢键主要存 在于高分子材料内。
m相o相 晶相-概述说明以及解释
m相o相晶相-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述：M相、O相和晶相是材料科学中常见的概念，它们在材料的结构和性质方面起着重要作用。
M相代表着材料中的一种特定相，通常与材料的结构、成分和性能密切相关。
O相则是另一种相，与M相具有不同的结构和特性。
晶相则是指材料中的晶体结构，是材料内部排列有序的结晶形态。
本文旨在分析和比较M相、O相和晶相的特点，探讨它们之间的关系以及其在科学和工程领域中的应用。
我们将从理论和实践的角度出发，深入探讨这些概念对材料研究和应用的重要性，同时展望未来在这一领域的研究方向和发展趋势。
通过对M相、O相和晶相的深入分析，可以更好地理解材料的特性和行为，为材料设计和制备提供重要参考。
1.2 文章结构文章结构部分的内容如下：本文将首先介绍M相和O相的特点，分析它们在材料科学中的重要性。
接着将讨论晶相的概念和在科学和工程领域中的应用。
最后，结论部分总结M相和O相的关系，并展望晶相在未来的研究方向。
通过对这些内容的详细探讨，读者可以更全面地了解M相、O相和晶相在材料领域的重要作用，以及未来的研究方向。
目的部分的内容如下：1.3 目的本文旨在深入探讨M相、O相和晶相三者之间的关系及其特点。
通过对这三种相态的特点和重要性进行分析，我们可以更加充分地了解它们在科学和工程领域中的应用价值，对今后的研究和实践工作提供一定的指导和启发。
同时，本文还将展望未来研究方向，探讨晶相在材料科学、化学工程等领域的潜在作用，以促进相关研究的深入发展和应用。
通过本文的阐述，希望能够为读者提供有益的参考和启示，推动相态研究领域的进一步探索和创新。
2.正文2.1 M相的特点M相是一种特殊的晶体结构，在固态材料中具有独特的性质和特点。
以下是M相的主要特点：1. 高稳定性：M相具有较高的热稳定性和化学稳定性，能够在高温和恶劣环境下保持其结构的稳定性。
2. 高硬度：M相通常具有较高的硬度，能够抵抗外界的磨损和刮擦，常用于制造耐磨材料和刀具等领域。
材料科学基础 固相反应
材料科学基础-----固相反应
动力学的任务之一是把反应量和时间的关 系用数学式表示出来，以便知道在某个温度， 时间条件下，反应进行到什么程度，反应要 经过多少时间完成。
由于不同的反应机理，动力学公式是不一 样的，测定不同的反应速度，可用具体的动 力学方程。
材料科学基础-----固相反应
反应速度以单位时间内，单位体积中反应 物的减少（或产物的增加）表示，对于最简 单反应AB，反应速度表示为
（1）蒸发反应 蒸发反应的起因是固相物质的饱和蒸汽压，当饱和蒸汽
压大于固相表面处平衡蒸汽压时，固相物质就不断离开固 相表面。相反过程就是表面处的蒸汽原子落回到表面处， 产生凝聚过程。利用这种蒸发-凝聚过程，控制其热力学、 动力学条件，可制备出各种新型薄膜类材料。
（2）气相生长反应 气相生长反应可制备具有高纯、高分散性和高均匀性要
固体材料在一定的温度、压力范围内具有一种热力学稳 定的晶体结构，随着温度、压力条件变化，其晶体结构 会发生变化，并伴随着材料的力学、电学、磁学性能等 的变化
不同固体结构之间的关联规律可以通过相图进行分析和 判读。这种化学组成不变、晶型发生转变的固相-固相转 变反应称为固态相变反应
材料科学基础-----固相反应
材料科学基础-----固相反应
第三节 固 相 反 应 动 力 学
固相反应动力学是化学反应动力学的一个组成部分，任 务是研究固相之间反应速度，机理和影响反应速度因素
固相反应本身很复杂，一个固相反应过程，除了界面上 化学反应，反应物通过产物层扩散等方面，还可能包括 升华、蒸发、熔融、结晶、吸附等
固相反应的速度由构成它的各方面的反应速度组成。在 不同固相反应中（或同一固相反应的不同阶段），往往 只是某个反应速度最慢的过程起控制作用。
固体中的相结构分类和形成规律
２）ΔX>0.4~0.5，倾向于形成稳定的化合物，其电负性差值越大
，固溶体中固溶度越小。
7
二、影响置换固溶体固溶度的因素
3．电子浓度因素（原子价因素） 电子浓度是合金中价电子数目与原子数目的比值
e/aV(100x)ux 100
例 溶剂IB
不同溶质的溶解度（at%）
4周期Cu Zn（IIB） Ga（IIIA）Ge（IVA） As（VA）
构 1、Cu3Au型
14
四、长程有序固溶体（超结构）在fcc固溶体中形成超结构
2、CuAuI型
Cu Au
15
四、长程有序固溶体（超结构）在fcc固溶体中形成超结
构 2、CuAuII型
16
四、长程有序固溶体（超结构）在fcc固溶体中形成超结
构 4、CuPt型
17
四、长程有序固溶体（超结构） 在体心立方中形成超结
③ 温度低于某一温度下；
④ 冷却速度；
⑤
塑性变形使合金有序度下降。
22
4．长程有序参数
用来衡量有序度
定义
SPAXA PBXB 1XA 1XB
其 中 ： PA、PB：表示A、B原子出现在正确位置上的几 率
XA、XB：A或B原子的摩尔分数 S=1，PA=PB=1，完全有序 S=0，PA=XA，PB=XB，完全无序
固体中的相结构分 类和形成规律
固体中的相结构分类：
合金相可归纳为 ·固溶体
·中间相
陶瓷晶体相
玻璃相
分子相
2
固溶体
一、固溶体的类型
固溶体 按溶质原子所占 间 置位 隙 换置 固 式溶 固:有 体 溶 按 按 限 体原 固 固子 溶 溶排 度 体 有 无 列 分限 限 的固 固 程溶 溶 序 有 无体 体 性 序 序分 固 固溶 溶 按基体类次 端 型级 际固 固溶 溶:以体 体金初属极间 :以 固化纯 溶合金 体物属 固 为为 溶 基基 体 的的固溶体
材料科学基础名词解释
材料科学基础名词解释第一章固体结构1、晶体 :原子按一定方式在三维空间内周期性地规则重复排列，有固定熔点、各向异性。
非晶体 :原子没有长程的周期排列，无固定的熔点，各向同性等。
2、中间相 : 两组元 A 和 B 组成合金时，除了形成以 A 为基或以 B 为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与 A，B 两组元均不相同的新相。
由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相。
3、晶体点阵：由实际原子、离子、分子或各种原子集团，按一定几何规律的具体排列方式称为晶体结构或晶体点阵。
4、配位数 :晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。
5、晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
6、晶胞 :在点阵中取出一个具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。
7、空间点阵：由周围环境相同的阵点在空间排列的三维列阵成为空间点阵。
8、晶向：在晶格中，穿过两个以节点的任一直线，都代表晶体中一个原子列在空间的位向，称为晶向。
9、晶面：由节点组成的任一平面都代表晶体的原子平面，称为晶面。
10、晶向指数（晶面指数）：为了确定晶面、晶向在晶体中的相对取向、就需要一种符号，这种符号称为晶面指数和晶向指数。
国际上通用的是密勒指数。
一个晶向指数并不是代表一个晶向，二十代表一组互相平行、位向相同的晶向。
11、晶向族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族，以<uvw>表示。
12、晶面间距：相邻两个平行晶面之间的垂直距离。
低指数晶面的面间距较大，而高指数晶面的面间距较小。
晶面间距越大，则该晶面上原子排列越紧密，该原子密度越大。
13、配位数：每个原子周围最近邻且等距离的原子数目，称为配位数。
14、多晶型性：有些金属固态在不同温度或不同压力范围内具有不同的晶体结这种性质构，称为晶体的多晶型性。
15、多晶型性转变：具有多晶型性的金属在温度或压力变化由一种结构转变为另一种结时，构的过程称为多晶型性转变，也称为同素异构转变。
物质状态的变化与相变规律
物质状态的变化与相变规律物质是组成物质世界的基本单位，它可以呈现出不同的状态，如固体、液体、气体和等离子体等。
而一种物质状态与另一种状态之间的转变称为相变，这种相变始终遵循着相变规律，其背后的物理机制也十分有趣。
一、固体状态固体是指物质中分子、原子或离子之间通过相互作用力而形成的三态之一。
这种物质呈现强的分子互相吸引的特点，因此其原子、分子或离子按照一定的位置排列，不具有比较明显的“流动性”。
此时，如果外界对它施加压强，固体本身并不具有向各个方向的任意形变能力，只有在达到一定的应力时，它才会发生塑性变形或破坏。
二、液体状态液体是指分子、原子或离子之间相互作用力较弱，可以克服彼此之间的吸引力而在空间中自由流动、不规则流动的系统。
与固体不同，液体的分子间距较大，它们可以在相对平行的表面上滑动，因此液体具有一定的流动性和随动性。
而在压强作用下，液体也可以缩小或扩大，具有一定的“弹性”。
三、气体状态气体是由分子、原子或离子组成的体积容易调整，分子间距比液体要大得多，分子间互相碰撞、相互作用力比液体和固体要弱很多的一种状态。
因此，气体具有更强的流动性和随动性，且具有更大的自由度。
在压强作用下，气体也会发生压缩或膨胀，但它们在这些过程中通常不保持其初始形态，而是表现出比较难以理解的特性。
四、等离子体状态等离子体是由高温或高能量等因素激发分子、原子或离子而形成的气态物质，它的性质介于普通气态和普通固态之间。
物质进入等离子态后，分子、离子之间的相互作用力相对于其他状态来说更为微弱，允许它们自由移动，因此等离子体通常呈现出高电导率、较高热导率和强的发光等特点。
五、物质状态的相变规律物质状态之间的相变过程主要遵循热力学第一定律、第二定律和第三定律的相关规律。
1、固体状态的相变当固体通过加热、减压等作用发生相变，这种相变过程被称为“升华”或“凝华”。
在升华过程中，固态物质从它的固态过渡到飞腾的状态，物质的热量增加，温度升高。
第2章合金的相结构与二元合金相图
有序变化：导致合金硬度、脆性增加，塑性、电阻率下降。
固态合金中的相结构
完全无序
第二章
偏聚
部分有序
完全有序
固态合金中的相结构
第二章
（二）溶质元素在固溶体中的溶解度
c
溶质元素的质量 固溶体的总质量
100％
质量分数
c
溶质元素的原子数 固溶体的总原子数
100％
摩尔百分数
固态合金中的相结构
第二章
（三）影响固溶体结构和溶解度的因素
第二章
（2）具有复杂结构的间隙化 合物
如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C称渗碳体，是钢中重要 组成相，具有复杂斜方晶格。
化合物也可溶入其它元素原
Fe3C的晶格
子，形成以化合物为基的固
溶体。
高温合金中的Cr23C6
（3） 拉弗斯相： 组元间的原子尺寸之差处于间隙化合 物与电子化合物之间。
第二章
3、电子含量因素（原子价因素）: 电子含量：各组成元素的价电子数的总和与原子数的比值。 如溶质的摩尔分数为 x ％ ，则电子含量表示为：
c e a [xv u(100 x)]/100 一定形式的固溶体，能稳定地存在于一定的电子含量范围内。 一价金属溶剂，bcc电子极限含量1.36
fcc电子极限含量1.48
固态合金中的相结构
第二章
4.相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面 分开的物质均匀组成部分，称之为相。
5.组织：是观察到的在金属及合金内部组成相的大 小、方向、形状、分布及相互结合状态。
(a)纯铁单相显微组织
(b)Al+Cu两相显微组织
固态合金中的相结构
第二章
在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分， 可分为固溶体和中间相两大类。
合金在固体状态的相结构
合金的相结构是指在固体状态下，合金中结构和成分均一的组成部分。
根据合金中各组元间相互作用不同，固态合金中的相可分为固溶体和金属化合物两类。
固溶体是指固态合金组元间互相溶解而形成的均匀相。
固溶体中保持原来晶格结构的组元称为溶剂，其含量较多；其他溶入且晶格结构消失了的组元称为溶质，其含量较少。
固溶体是合金的一种基本相结构，其晶格与溶剂组元晶格相同。
按溶质原子在溶剂晶格中所占位置不同，可分为间隙固溶体和置换固溶体两类。
间隙固溶体：溶质原子处于溶剂原子的间隙中而形成的固溶体。
由于溶剂晶格空隙有限，故间隙固溶体能溶解的溶质原子的数量也是有限的。
由于溶剂晶格空隙尺寸很小，因此能形成间隙固溶体的溶质原子，通常是一些半径很小的非金属元素，如碳、氮、硼等非金属元素溶于铁中形成的固溶体。
置换固溶体：单胞中的原子数目保持与纯溶剂相同，由一种元素替代另一种元素或替代一个化合物中的某一元素，或一个化合物替代另一个化合物。
形成置换固溶体的条件是：相互替代的组元应该具有相同的晶胞形状，原子半径差不超过15%，电负性和电子结构相近。
此外，金属化合物是指合金中的各组元通过相互作用，形成了与组元性质完全不同的新相。
金属化合物一般具有复杂的晶体结构，其晶格结构与单一组元相的晶格结构均不相同。
金属化合物在合金中以脆性相形式存在，降低合金的力学性能。
综上所述，相是组织的基本单元，组织是相的综合体。
如需了解更多关于合金在固体状态的相结构的信息，建议查阅金属学书籍或咨询材料学家获取。
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§1 固溶体 §2 金属间化合物（中间相） §3 陶瓷晶体相 §4 玻璃相 §5 分子相
固体中相结构及形成规律
1
§1 固体中的相结构及形成规律
固体中的相结构分类：
合金相可归纳为 ·固溶体
·中间相
陶瓷晶体相
玻璃相
分子相
固体中相结构及形成规律
2
固溶体
一、固溶体的类型
·电负性；原子吸引电子形成负离子的倾向，以电负性因素来衡量
化学亲和力。
1） 电负性差值ΔX<0.4~0.5时，有利于形成固溶体，随电负差值增
加固溶度增加。
２）ΔX>0.4~0.5，倾向于形成稳定的化合物，其电负性差值越大，
固溶体中固溶度越小。
固体中相结构及形成规律
7
二、影响置换固溶体固溶度的因素
0原子偏聚
固体中相结构及形成规律
11
固体中相结构及形成规律
12
四、长程有序固溶体（超结构）
1．主要类型
1） 在fcc固溶体中形成超结构
1 Cu3Au型 2 CuAuI型
3 CuAuII型
4 CuPt型
2）在体心立方中形成超结构
1 CuZn型
2 Fe3Al型
3）在密排六方固溶体中形成超结构
固体中相结构及形成规律
固体中相结构及形成规律
10
三、固溶体的微观不均匀性
1．无序分布
eAB
eAAeBB 2
2．偏聚状态 3．短程有序
eABeAA2eBB
eAB
eAAeBB 2
·短程序参数
1 PA
PA：固溶体中B原子周围出x A 现A
原子的几率
xA：固溶体中A原子的摩尔分数
0 完全无序状态
0 短程有序
固溶体 按溶质原子所占 间 置位 隙 换置 固 式溶 固:有 体 溶 按 按 限 体原 固 固子 溶 溶排 度 体 有 无 列 分限 限 的固 固 程溶 溶 序 有 无体 体 性 序 序分 固 固溶 溶 按基体类次 端 型级 际固 固溶 溶:以体 体金初属极间 :以 固化纯 溶合金 体物属 固 为为 溶 基基 体 的的固溶体
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四、长程有序固溶体（超结构）在fcc固溶体中形成超结
构 4、CuPt型
固体中相结构及形成规律
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四、长程有序固溶体（超结构） 在体心立方中形成超结
构 1 CuZn型
固体中相结构及形成规律
18
四、长程有序固溶体（超结构） 在体心立方中形成超结
构 2、Fe3Al型
固体中相结构及形成规律
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四、长程有序固溶体（超结构） 3）在密排六方固溶体
密排六方
Cu-Sn系
β（Cu5Sn） 3/2
体心立方
γ（Cu31Sn8） 21/13
复杂立方
ε（Cu3Sn） 7/4
密排方
这类化合物的结构稳定性主要取决于电子浓度因素。在相图上占有一 定成分范围，结合性质为金属键，有明显的金属特性。
13
四、长程有序固溶体（超结构）在fcc固溶体中形成超结
构 1、Cu3Au型
固体中相结构及形成规律
14
四、长程有序固溶体（超结构）在fcc固溶体中形成超结构
2、CuAuI型
固体中相结构及形成规律
Cu Au
15
四、长程有序固溶体（超结构）在fcc固溶体中形成超结
构 2、CuAuII型
固体中相结构及形成规律
26
二、电子化合物（Hume-Rothery相）
合金系
中间相 电子浓度e/a 晶体结构
Cu-Zn系 β（CuZn） 3/2
体心立方
ΓCu5Zn8） 21/13
复杂立方
ε（CuZn3） 7/4
密排六方
Cu-Al系
β（Cu3Al） 3/2
体心立方
γ（Cu32Al19） 21/13 复杂立方
ε（Cu5Al3） 7/4
由两种电负性差值较大的元素按通常的化学价 规律形成的化合物，其稳定性与两组元的电负性差值大小有
关，电负性差值越大，稳定性越高，愈接近离子键合，反之趋向于金属 键合。正常价化合物包括从离子键、共价键过渡到金属键为主的一系列 化合物，通常具有较高的强度和脆性，固溶度范围极小，在相图上为一 条垂直线。
固体中相结构及形成规律
3．电子浓度因素（原子价因素） 电子浓度是合金中价电子数目与原子数目的比值
e/aV(100x)ux 100
例 溶剂IB
不同溶质的溶解度（at%）
4周期Cu Zn（IIB） Ga（IIIA）Ge（IVA） As （ VA ）
38%
20% 12%
7%
5周期Ag Cd（IIB）In（IIIA）Sn（IVA） Sb （ VA ）
固体中相结构及形成规律
3
固体中相结构及形成规律
4
固体中相结构及形成规律
5
二、影响置换固溶体固溶度的因素
1．原子尺寸因素：溶质与溶剂原子半径的相对差小于 14~15%，才可能形成溶解度较大甚至无限溶解的固 溶体。
固体中相结构及形成规律
6
二、影响置换固溶体固溶度的因素
2．化学亲和力（电负性因素）
22
4．长程有序参数
用来衡量有序度
定义
SPAXA PBXB 1XA 1XB
其中：PA、PB：表示A、B原子出现在正确位置上的几 率
XA、XB：A或B原子的摩尔分数 S=1，PA=PB=1，完全有序 S=0，PA=XA，PB=XB，完全无序
固体中相结构及形成规律
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5．有序化对性能的影响： ① 通常提高硬度、强度、降低塑性——有序
42%
20% 12%
7%
固溶体中的电子浓度有其极限值。
固体中相结构及形成规律
8
二、影响置换固溶体固溶度的因素
4．晶体结构因素
晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必 要条件。
形成有限固溶体时，溶质元素与溶剂的结构 类型相同，则溶解度通常也较不同结构时为 大。
固体中相结构及形成规律
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机械合金化（MA，Mechanical Alloy）
中形成超结构
固体中相结构及形成规律
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四、长程有序固溶体（超结构） 2．反相畴与反相畴界
固体中相结构及形成规律
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3. 影响有序化的因素： ① eAB<(eAA+eBB/2)； ② 具有相当于一定化学式的成分； ③ 温度低于某一温度下； ④ 冷却速度； ⑤ 塑性变形使合金有序度下降。
固体中相结构及形成规律
强化； ② 电阻降低； ③ 影响铁磁性； ④ 影响弹性性质
固体中相结构及形成规律
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五、固溶体的性质
1．固溶强化：固溶体的强度总是比组成它的纯组元高， 且随溶质原子浓度增加，强度也增加。
2．改变物理、化学性质 3．改变点阵常数
固体中相结构及形成规律
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§2 金属间化合物（中间相）
一、正常价化合物：