材料中的相结构
H
O
Hale Waihona Puke NCBf.c.c间隙 0.5-0.54
b.c.c间隙 0.35-0.38
0.32 0.66 0.70 0.77 0.82
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影响浓度的因素： • 溶剂晶格类型 一般 f.c.c > b.c.c, ∵ f.c.c间隙大
• 溶质原子半径
一般金属原子半径： 1.2～1.3 Ǻ
f.c.c八面体间隙：
排列秩序
有序固溶体
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一、置换式固溶体
• 溶质原子取代溶剂原子的某 些正常位置所形成的固溶体。
溶剂 溶质
• 除少数原子半径小的非金属元素，H、O、N、C、B等
以外，绝大多数元素之间均能形成置换式固溶体。
• 差别在于溶解度大小不同，对材料性能影响不一。
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影响溶解度大小的因素
• AB2C4： MgAl2O4（尖晶石）
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1、AB型（数十种以上）
典型结构：CsCl(8)、NaCl(6)、立方ZnS、六方ZnS(4) (1) CsCl
两组元构成的正常价化合物常具有AB、AB2、A2B3等定
比关系。通常由元素周期表中Zintl线左边的ⅡA(B)、ⅢA
族与右边ⅥA, ⅤA, ⅥA族电负性相差较大的元素间形成。
ⅡA(B) Be ⅢA B ⅣA C ⅤA N ⅥA O
Mg
Zn Cd
Al
Ga In
Si
Ge Sn
P
As Sb
S
Se Te
Hg
21/13
复杂立方 γ相 Cu5Zn8 Cu9Ga4 Cu31Sn8 Cu31Si8 Ag5Zn8 Ag5Cd8 Au5Zn8
21/12
h.c.p ε相 CuZn3 Cu3Sn Cu3Si Ag5Al3 AgZn3 AgCd3 AuZn3
Cu3Ga* Cu5Si* Ag3Al*
Ag3Al* AgZn* AgCd*
～3200 3200-3800 2450 3500-3800
2800 2100
2800 1550 1500-1800 1780
VC
ZrC TaC Mo2C WC
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Cr3C2
Cr7C3 Cr23C6 Cr27M2C6 M6C
1890
1665 1550
1300
1450 1060 1520
有序化转变：
• 由于有序固溶体组态熵低于无序固溶体，G —T℃曲 线如图：T0 — 有序化转变温度。 • 固溶体的有序化，将带来 许多性能的突变：
有序 G 无序
S无> S有
如：电阻率下降50％～70％ 由顺磁 → 铁磁
硬度升高一倍以上
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T0
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T℃
2.2 金属间化合物（中间相）
• 形式：MX、M2X、MX2、M4X
M4X Fe4N、Mo4N f.c.c
M2X Ti2H、Zr2H、Fe2N、Cr2N、V2N、Mn2C、V2C、 Mo2C
TaC、TiC、ZrC、VC、ZrN、VN、TiN、ZrH、TiH MX MX TaH、NbH
h.c.p
f.c.c b.c.c
WC、MoN
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s.c
f.c.c
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TiH2、ThH2、ZnH2
2、间隙化合物
• 半径比rX/rM>0.59时形成 • M构成复杂结构 • X规则地分布在间隙中。
M3X M6X M7X3
Fe3C、Mn3C、(Fe,Mn)3C Fe3W3C、Fe4W2C Cr7C3
M23X6 Cr23C6、(Cr,Fe,Mo)23C6
（1）晶体结构类型
• 结构类型相同或相近具有较大的溶解度。 • 结构相同是无限固溶的前提条件。要无限互溶结构必 须相同，但结构相同，不一定无限互溶。 例如：Cu Ni f.c.c f.c.c a0=0.361 nm a0=0.352 nm d=0.255 nm d=0.249 nm 无限
Pb-Sn合金，虽然原子半径相近，但Pb为f.c.c， 而Sn为四方晶系，为有限固溶体。
• 对于一价金属的每种结构，都存在一个极限电子浓度，
称为临界电子浓度；
• 当晶体中e/a超过临界值时，结构就不稳定了，将转
变成另一种临界电子浓度更高的结构。
一价金属极限电子浓度 结 构 f.c.c 1.36 b.c.c 1.48
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h.c.p 1.75
极限电子浓度
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例：
• 不同原子价的合金元素在f.c.c铜中的最大极限溶解度？ • Cu: f.c.c; 极限电子浓度 1.36; 原子价 1; 合金元素 Zn Ga 价电子数 2 3 理论值％ 实际值％ 36 18 38 20
b.c.c四面体间隙：
0.5～0.54 Ǻ
0.35～0.38 Ǻ
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几点说明：
• 氢原子半径小于间隙半径是吸氢合金的基础，也是储存
的困难。
• 其它元素半径较大，溶入后将引起晶格畸变，能量升高。 • 溶剂晶格中间隙数量有限，间隙固溶体只能是有限溶解。 • C、N与铁形成间隙固溶体，在γ-Fe中位于八面体间隙； 在α-Fe中位于八面体和四面体间隙内，引起不对称畸 变，对钢的相变和强化有重要意义。
价电子数
1 2
e-自由电子数 x-溶质原子浓度 u-溶剂原子价
a-原子数 v-溶质原子价
元
素
Cu、Ag、Au Be、Mg、Zn、Cd、Hg
3 4 5
0
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Ga、Al、In Si、Ge、Sn、Pb P、As、Bi、Sb
Fe、Co、Ni、Ru、Pd、Pt、Ir、Os
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临界电子浓度概念
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五、有序固溶体（超结构、超点阵）
完 全 无 序 偏 聚
部 分 有 序
•
A-B原子对键合能决定分布
EAB (EAA EBB )
1 2
无序 偏聚 有序
E <
AB
1 2
(E E )
AA BB
完 全 有 序 AB、AB3、A3B
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EAB >
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1 2
( EAA EBB )
e/a 晶体结构
固溶体
特征：
CuZn
Cu5Zn8
CuZn3
Cu-Zn合金，随Zn﹪↑， e/a↑，结构依次变化。
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电子化合物例表
电子浓度=21/14
b.c.c β相 CuZn Cu3Ga* Cu5Sn Cu5Si* Ag3Al* AgZn* AgCd* AuZn 复杂立方 β_Mn h.c.p
第二章 材料中的相结构
— 多组元（合金）结构特点
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章目录
2.1 2.2 2.3 固溶体 金属化合物 陶瓷中的相结构
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基本概念
• 单组元材料性能有局限，实际使用的材料大多为多 组元的合金。 • 合金：在单组元的基础上，人为加入其它组元，使 之成为性能更加优异的材料。 • 由两个组元组成的材料称为二元合金；三个组元称 为三元合金；三个以上称多元合金。 • 材料中，由于各种组元之间存在复杂的物理和化学 作用，会出现众多成分、结构各异的相。
(3) 电负性因素 电负性相差越小，溶解度越大。电负性差别大时， 易形成金属化合物，不利于固溶体的形成。 如： 无限互溶 Ni-Cu Fe-Co Pb-Tl 鲍林电负性 1.9 1.9 1.8 1.9 1.9 1.8 <0.2
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(4) 电子浓度 (e/a)
xv (100 x)u e/a 100
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结构相同是无限固溶的必要条件! 溶质 溶剂 α-Fe b.c.c V b.c.c 无限 Cr b.c.c 无限 Mn f.c.c <3 Co Ni f.c.c f.c.c <76 <10
γ-Fe f.c.c
<1.4
<12.8
无限
无限
无限
结构相同，但不一定无限互溶! 溶质
溶剂 α-Fe b.c.c
～3250
3800 2500 2900
～1520
～1440
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1350(Fe3Mo3C) 1070(Fe4Mo2C)
2.3 陶瓷中的相结构
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一、典型相结构
分类：按阴、阳离子比分六大类。共包含十二种
典型结构。 • A： • AB： • AB2： • A2 B3 ： • ABC3： 石墨、金刚石 NaCl、CsCl、立方ZnS、六方ZnS CaF2、CdI2、TiO2（金红石） Al2O3 CaTiO3（钙钛矿）
• 由金属原子M构成骨架，非金属元素X在间隙处规则分布。 • 两组元的原子大小相差悬殊，按差别分为两类： 间隙相（简单间隙化合物） 间隙化合物（复杂间隙化合物）
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1、间隙相
• 半径比 rX/rM≤0.59时形成 • M构成b.c.c、f.c.c或h.c.p等简单结构 • X规则分布在间隙之中
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Tl
Pb
Bi
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Po
键合与结构特点
• 组元间的键合主要是离子键，共价键，并向金属键过渡。 例： MgS Mg2Sn Mg2Pb 离子键 共价键（半导体） 金属键为主（导体） ∵ 电负性：S＞Sn＞Pb • 典型晶体结构：NaCl、CaF2、ZnS、α-Al2O3型，硬而脆。
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合金的相结构
图2-2-13置换固溶体
（2）间隙固溶体
溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而形成的固溶体称为间隙固溶体，其中的溶质原子不占据晶格的正常位置，其结构见图2-2-14。
图2-2-14间隙固溶体
2金属化合物
金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。一般可用分子式大致表示其组成。金属化合物一般有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性。合金中出现化合物时，可提高强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。根据金属化合物的形成规律及结构特点，可将其分为三大类型。
具有复杂结构的间隙化合物也具有很高的熔点、硬度和脆性，但与பைடு நூலகம்隙相相比要稍低一些，加热时也易于分解。这类化合物是碳钢及合金钢中重要的组成相。金属化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金属化合物为基的固溶体。
铜合金分类与牌号普通黄铜的相组成及各相的特性Cu-Zn二元系相图中的相有α、β、γ、δ、ε、η。黄铜普通黄铜37.5 32.5 36.8 α相：以铜为基的固溶体。α晶格常数随锌含量增加而增大，锌在铜中的溶解度与一般合金相反，随温度降低而增加，在456℃时固溶度达最大值(39％Zn)；之后，锌在铜中的溶解度随温度的降低而减少。含锌25％左右合金，存在Cu 3 Zn化合物的两种有序化转变：450℃左右：α无序固溶体→α l有序固溶体217℃左右：α l有序固溶体→α 2有序固溶体。α相塑性良好，可进行冷热加工，并具有良好焊接性能。β相：以电子化合物CuZn为基的体心立方晶格固溶体。冷却时：468～456℃，无序相β→成有序相β??。β??塑性低，硬而脆，冷加工困难，所以含有β??相的合金不适宜冷加工。但加热到有序化温度以上，β??→β后，又具有良好塑性。β相高温塑性好，可进行热加工。γ相：以电子化合物Cu 5 Zn 8为基的复杂立方晶格固溶体。硬而脆，难以压
（2）间隙固溶体
溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而形成的固溶体称为间隙固溶体，其中的溶质原子不占据晶格的正常位置，其结构见图2-2-14。
图2-2-14间隙固溶体
2金属化合物
金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。一般可用分子式大致表示其组成。金属化合物一般有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性。合金中出现化合物时，可提高强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。根据金属化合物的形成规律及结构特点，可将其分为三大类型。
具有复杂结构的间隙化合物也具有很高的熔点、硬度和脆性，但与பைடு நூலகம்隙相相比要稍低一些，加热时也易于分解。这类化合物是碳钢及合金钢中重要的组成相。金属化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金属化合物为基的固溶体。
铜合金分类与牌号普通黄铜的相组成及各相的特性Cu-Zn二元系相图中的相有α、β、γ、δ、ε、η。黄铜普通黄铜37.5 32.5 36.8 α相：以铜为基的固溶体。α晶格常数随锌含量增加而增大，锌在铜中的溶解度与一般合金相反，随温度降低而增加，在456℃时固溶度达最大值(39％Zn)；之后，锌在铜中的溶解度随温度的降低而减少。含锌25％左右合金，存在Cu 3 Zn化合物的两种有序化转变：450℃左右：α无序固溶体→α l有序固溶体217℃左右：α l有序固溶体→α 2有序固溶体。α相塑性良好，可进行冷热加工，并具有良好焊接性能。β相：以电子化合物CuZn为基的体心立方晶格固溶体。冷却时：468～456℃，无序相β→成有序相β??。β??塑性低，硬而脆，冷加工困难，所以含有β??相的合金不适宜冷加工。但加热到有序化温度以上，β??→β后，又具有良好塑性。β相高温塑性好，可进行热加工。γ相：以电子化合物Cu 5 Zn 8为基的复杂立方晶格固溶体。硬而脆，难以压
5 1材料的相结构
特点：
• 保持电中性 1、等价代换 2、异价代换 注意：a、以肖特基空位为主，正负离子都移除
晶内； b、离子间数量不等的置换会在晶体内部形成点
缺陷 c、在化合物中存在变价离子，当其电价改变时
，也会在晶体中产生空位。 • 有利于晶格的能量降低。
四、固溶体中溶质原子的偏聚与有序
通常认为，溶质原子在固溶体中的分 布是随机的、均匀无序的。事实上，完全无 序的固溶体是不存在的，总是在一定程度上 偏离完全无序状态，即存在着分部的微观不 均匀性。溶质原子在溶剂晶格中的分部状态， 主要取决于固溶体中同类原子结合能与异类 原子结合能的相对大小。
–对离子晶体而言，正好相反。 –如果在某一成分下合金呈有序状态，则电阻率急剧下降
• 因为有序合金中势场也是严格周期性的，因而电子波受 到的散射较小
-磁矫顽力下降
CuNi合金0℃的电阻 率与成分关系
CuAu 合 金 电 阻 率 与 成 分 关系
(a) 淬火态 (b) 退火态
总结
• 固溶体、超点阵、有序化、柯氏气团 • 固溶体的分类：有限-无限，有序-无序，置换-
2、电子化合物
• 它们的形成主要是电子浓度起主导作用。也与尺寸因素及组 元的电负性差有一定关系。熔点及硬度较高，脆性大。
e a
VA (1
x)
VB x
3、尺寸因素化合物
间隙，一次-二次 • 置换固溶体形成的条件 • 陶瓷材料的固溶方式 • 固溶体对力学性能和物理性能的影响
二、中间相
• 定义：两组元间的相对尺寸差、电子浓度及电 负性差都有一溶限，当溶质原子的加入量超过 此溶限时便会形成一种新相，这种新相称为中 间相。
• 特点：一般都是化合物，不同元素形成的中间 相键合不同，结构不同
材料科学基础相结构
材料科学基础相结 构
-
1
引言
2 相结构的基本概念
3相结构的分类4源自相结构的应用5结论
1 引言
01
材料科学是研究 材料组成、结构、 性能及其应用的 一门科学
引言
02
相结构是材料科 学中的重要概念， 对于材料的性能 和用途有着决定 性的影响
03
本文将介绍材料 科学基础相结构 的基本概念、分 类及应用
2 相结构的基本概念
01
02
相结构的基本概念
相结构是指材料中不同相的组 成、分布及相互关系。这些不 同相可能是晶体、非晶体、液 体或气体等。在材料中，这些 相通常是由化学元素、化合物 或混合物组成的 相结构的确定对于材料性能的 研究至关重要。例如，材料的 强度、韧性、导电性、导热性 等性能都与其相结构密切相关。 因此，了解材料的相结构是研 究材料科学的基础
无机非金属材料：无机非金属材 料的硬度、耐磨性和电学性能等 与其相结构有关。通过调整材料 的成分和烧结工艺，可以制备出 具有优异性能的无机非金属材料 ，如陶瓷、玻璃等
PART-01
相结构的应用
3. 高分子材料
高分子材料的力学性能、化学反应活性等与其相结构有 关。通过控制高分子材料的合成和加工工艺，可以制备 出具有不同性能的高分子材料，如塑料、橡胶等
4. 复合材料
复合材料的性能取决于其组成相的结构和性质。通过选 择不同的增强体和基体材料，以及优化复合材料的制备 工艺，可以制备出具有优异性能的复合材料，如碳纤维 增强树脂基复合材料、陶瓷颗粒增强金属基复合材料等
5 结论
结论
1
结论
2
3
相结构是材料科学中的重要概念，对于材料的性能和 用途有着决定性的影响
-
1
引言
2 相结构的基本概念
3相结构的分类4源自相结构的应用5结论
1 引言
01
材料科学是研究 材料组成、结构、 性能及其应用的 一门科学
引言
02
相结构是材料科 学中的重要概念， 对于材料的性能 和用途有着决定 性的影响
03
本文将介绍材料 科学基础相结构 的基本概念、分 类及应用
2 相结构的基本概念
01
02
相结构的基本概念
相结构是指材料中不同相的组 成、分布及相互关系。这些不 同相可能是晶体、非晶体、液 体或气体等。在材料中，这些 相通常是由化学元素、化合物 或混合物组成的 相结构的确定对于材料性能的 研究至关重要。例如，材料的 强度、韧性、导电性、导热性 等性能都与其相结构密切相关。 因此，了解材料的相结构是研 究材料科学的基础
无机非金属材料：无机非金属材 料的硬度、耐磨性和电学性能等 与其相结构有关。通过调整材料 的成分和烧结工艺，可以制备出 具有优异性能的无机非金属材料 ，如陶瓷、玻璃等
PART-01
相结构的应用
3. 高分子材料
高分子材料的力学性能、化学反应活性等与其相结构有 关。通过控制高分子材料的合成和加工工艺，可以制备 出具有不同性能的高分子材料，如塑料、橡胶等
4. 复合材料
复合材料的性能取决于其组成相的结构和性质。通过选 择不同的增强体和基体材料，以及优化复合材料的制备 工艺，可以制备出具有优异性能的复合材料，如碳纤维 增强树脂基复合材料、陶瓷颗粒增强金属基复合材料等
5 结论
结论
1
结论
2
3
相结构是材料科学中的重要概念，对于材料的性能和 用途有着决定性的影响
大学材料科学基础 第五章材料的相结构和相图(1)
弗兰克尔空位
肖脱基空位
2) 为了保持电中性，离子间数量不等的置换会 在晶体内部形成点缺陷。 如：2Ca2+→Zr4+ ，形成氧离子空缺。 3) 陶瓷化合物中存在变价离子，当其电价改变 时，也会在晶体中产生空位。 如：方铁矿中，部分Fe2+被氧化为Fe3+时， 2FeO+O → Fe2O3中，产生阳离子空缺。 同理，TiO2中，部分Ti4+被还原为Ti3+时，产 生阴离子空缺。 这种由于维持电中性而出现的空位，可以 当作电子空穴。欠缺或多出的电子具有一定的 自由活动性，因而降低了化合物的电阻。这种 现象在材料的电性能方面有重要意义。
3．陶瓷材料中的固溶方式
陶瓷材料——一般不具备金属特性，属无机非金属。 无机非金属化合物可以置换或间隙固溶的方式溶入其 它元素而形成固溶体，甚至无限固溶体，但是一般形 成有限固溶体。 如：Mg[CO3] → (Mg,Fe)[CO3] →(Fe,Mg)[CO3] →Fe[CO3] 菱镁矿 含铁菱镁矿 含镁菱铁矿 菱铁矿 不改变原来的晶格类型，晶格常数略有改变。
(3) 多为金属间或金属与类金属间的化合物， 以金属键为主，具有金属性，所以也称金属 间化合物。 (4) 晶体结构复杂。 (5) 在材料中是少数相，分布在固溶体基体 上，起到改善材料性能、强化基体的作用。 中间相可分为以下几类： 正常价化合物；电子化合物；间隙相；间隙 化合物；拓扑密堆相。
1. 正常价化合物 • 通常是由金属元素与周期表中第Ⅳ、Ⅴ、 Ⅵ族元素形成，它们具有严格的化合比， 成分固定不变，符合化合价规律，常具有 AB、AB2、A2B3分子式。 • 它的结构与相应分子式的离子化合物晶体 结构相同，如分子式具有AB型的正常价化 合物其晶体结构为NaCl型。正常价化合物 常见于陶瓷材料，多为离子化合物。如 Mg2Si、Mg2Pb、MgS、AuAl2等。 • 在合金材料中，起弥散强化的作用。
材料的相结构及相图第一、二节2014
MgCu2结构
3. 尺寸因素化合物
作业与工程作业
本节作业： P229：1，3 工程作业
1、文献调研铜合金、高温合金或不锈钢中的相组成，指出其中的固溶体及 各种化合物相。 2、纯金属原子间以金属键结合，密堆积结构常见有fcc、bcc和hcp。以面心 立方结构的纯铜为例，铜原子的半径为0.128nm，原子重量为63.5g/mol， 计算纯铜的理论密度，并于实际密度比较，分析Zn置换后形成的黄铜其 密度随Zn含量变化规律。 3、GaAs和GaP都具有闪锌矿结构，它们在整个浓度范围相互固溶。若要获 得一个边长为0.5570nm的固溶体需要在GaAs中加入多少GaP？已知GaAs 和GaP的密度分别为5.307和4.130g/cm3.
《材料科学基础》讲义
材料的相结构及相图
P HASE STR UCTUR E AN D P HASE DI AGR AM OF M ATER I ALS
关于《材料科学基础（II）》 2014秋季教学说明
内容分工：席、王 课堂教学：讲课、讨论 作业 考试
席生岐 2014年秋
工程作业：做题、讲评
教学学习参考书目
电子浓度 —各组成元素价电子总数 e 与原子总数a之比
式中， —溶质元素的摩尔分数 —溶剂的原子价 —溶质的原子价 溶质元素在一价溶剂元素中的最大溶解 度对应于
电子浓度（ ） 1.38
进一步学习内容：金属及合金的电子理论（金属物理）
陶瓷材料中的固溶方式第二大类Βιβλιοθήκη 程材料陶瓷材料中的固溶方式
例如，Cu-51wt%Au 合金，390℃以上为无序 固溶体， 缓冷到390℃以下时形成有 序固溶体
固溶体中溶质原子的偏聚与有序
固溶体中溶质原子的偏聚与有序
3. 尺寸因素化合物
作业与工程作业
本节作业： P229：1，3 工程作业
1、文献调研铜合金、高温合金或不锈钢中的相组成，指出其中的固溶体及 各种化合物相。 2、纯金属原子间以金属键结合，密堆积结构常见有fcc、bcc和hcp。以面心 立方结构的纯铜为例，铜原子的半径为0.128nm，原子重量为63.5g/mol， 计算纯铜的理论密度，并于实际密度比较，分析Zn置换后形成的黄铜其 密度随Zn含量变化规律。 3、GaAs和GaP都具有闪锌矿结构，它们在整个浓度范围相互固溶。若要获 得一个边长为0.5570nm的固溶体需要在GaAs中加入多少GaP？已知GaAs 和GaP的密度分别为5.307和4.130g/cm3.
《材料科学基础》讲义
材料的相结构及相图
P HASE STR UCTUR E AN D P HASE DI AGR AM OF M ATER I ALS
关于《材料科学基础（II）》 2014秋季教学说明
内容分工：席、王 课堂教学：讲课、讨论 作业 考试
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工程作业：做题、讲评
教学学习参考书目
电子浓度 —各组成元素价电子总数 e 与原子总数a之比
式中， —溶质元素的摩尔分数 —溶剂的原子价 —溶质的原子价 溶质元素在一价溶剂元素中的最大溶解 度对应于
电子浓度（ ） 1.38
进一步学习内容：金属及合金的电子理论（金属物理）
陶瓷材料中的固溶方式第二大类Βιβλιοθήκη 程材料陶瓷材料中的固溶方式
例如，Cu-51wt%Au 合金，390℃以上为无序 固溶体， 缓冷到390℃以下时形成有 序固溶体
固溶体中溶质原子的偏聚与有序
固溶体中溶质原子的偏聚与有序
材料科学基础第五章 材料的相结构及相图
电负性差ΔX<0.4时，易于形成固溶体。 如，Cu(1.9)-Ni(1.9)，可无限互溶。
SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
贵州师范大学
化学与材料科学学院
SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
贵州师范大学
化学与材料科学学院
第一节 材料的相结构
THE PHASE STRUCTURE OF MATERIALS
固溶体
中间相
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相：合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质 并以界面相互隔开的均匀组成部分。
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化学与材料科学学院
3）电负性差因素
电负性：衡量原子吸引电子能力的参数，电负性越强，吸引 电子的能力越强。
电负性差ΔX>0.4时，易于形成较稳定的金属间化合物；
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4）电子浓度因素
电子浓度：合金中各组成元素的价电子数总和与原子总数 的比值，记为e/a。
C电 合金中价电子数之和 原子数之和
例：合金含有摩尔分数为x、原子价为VB的溶质原子，溶剂 的原子价为VA，则合金的电子浓度为：
e V A 1 x V B x a
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第一节 材料的相结构
THE PHASE STRUCTURE OF MATERIALS
固溶体
中间相
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贵州师范大学
化学与材料科学学院
相：合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质 并以界面相互隔开的均匀组成部分。
SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
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3）电负性差因素
电负性：衡量原子吸引电子能力的参数，电负性越强，吸引 电子的能力越强。
电负性差ΔX>0.4时，易于形成较稳定的金属间化合物；
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4）电子浓度因素
电子浓度：合金中各组成元素的价电子数总和与原子总数 的比值，记为e/a。
C电 合金中价电子数之和 原子数之和
例：合金含有摩尔分数为x、原子价为VB的溶质原子，溶剂 的原子价为VA，则合金的电子浓度为：
e V A 1 x V B x a
材料科学基础第5章 材料的相结构与相图 ppt课件[1]
一、纯金属特点
1、优良的导电、导热性能； 2、高的化学稳定性； 3、美观的金属光泽； 4、但强度、硬度较低； 5、制取困难；价格高；资源有限
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二、合金的基本概念
1、定义
是由两种或两种以上金属元素， 或金属元素与非金属元素，经熔 炼、烧结等方法组合而成并具有 金属特性的物质。
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钢：Fe-C合金；
黄铜：Cu-Zn合金； 黄铜 防锈铝：Al-Mg合金。
2、合金的特点 Al-Cu两相合金 强度高、硬度高；性能可大幅 度调节；价格较低、应用广。
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3、相
是合金中具有晶体结构相同、 成分相同和性能相同，并以界 面相互分开的组成部分。
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纯铁：由α-Fe（铁素体相） 单相构成，为单相合金；
3、作用：为合金的强化相。
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（二）金属间化合物
1、定义
合金结晶时，当其溶质浓度大 于溶解度时，将析出结构不同于任 何组元的新相，该相具有一定的金 属特征，称为金属间化合物。
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3、分类：
正常价化合物、电子化合物 、 间隙相和间隙化合物 。
1）正常价化合物
P（珠光体）= F + Fe3C Fe3C形状：片状和球状。
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❖ 当Fe3C为片状 时，构成P片状
❖ HB≈200 ❖ δ=15% ❖ Ψ=30%
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珠光体
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当Fe3C为球状 时，构成P球状
HBS≈163 δ=20% Ψ=40%
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材料的相结构
1.置换式
2.间隙式 溶质原子一般均大于间隙——撑开——点阵常数增大
(五)固溶体的性质
固溶体的硬度、强度往往高于组成它的各
组元，而塑性则较低，这种现象就称为固溶强化。 强化的程度(或效果)不仅取决于它的成分，还取 决于固溶体的类型、结构特点、固溶度等一系列 因素。
固溶强化的特点及规律如下：
（4）电子浓度因素（原子价因素）：电子浓度↓（价电子总数/原子总数），有利于溶
入
2.间隙式固溶体
形成条件 ——溶质原子尺寸与溶剂晶体结构间隙尺寸相近 影响间隙固溶体溶解度的因素
溶质原子尺寸 溶剂晶体中的间隙形状和大小
半径小于0.1 nm的非金属
元素，如C、H、B、O、N通常
会溶入到溶剂金属晶体点阵中
(三)固溶体的均匀性
同类、异类原子间亲合力相同 -使原子随机分布 ——无序分布 同类原子亲合力大、异类间小 -同类原子偏聚 ——偏聚分布 同类原子亲合力小，异类间大 -相间排列 ——有序排列
有序固溶体和无序固溶体之间可以相互转变。 当有序固溶体加热到某一临界温度时，将转变为无 序固溶体。而在缓慢冷却到这个临界温度时，又可
的间隙内而形成固溶体。由于
间隙数量和尺寸有限，所以只
能形成有限固溶体。
bcc Fe与fcc Fe的对比：
体心立方体的致密度虽然低于面心立方，但是
因为它的间隙数量多，因此单个间隙半径反而比面心
立方的小。若以同样大小的间隙原子填人，将产生较
大畸变。因此碳原子在-Fe中的固溶度(质量分数)比在 -Fe中要大得多(碳原子在-Fe的最大溶解度的质量分 数为0.0218wt％)。
第五章材料相结构和相图
材料科学基础材料的相结构固溶体中间相置换固溶体间隙固溶体正常价化合物电子化合物尺寸因素化合物间隙化合物置换固溶体间隙固溶体有限固溶体无限固溶体无序固溶体有序固溶体间隙相间隙化合物理解重点理解重点影响置换固溶体溶解度的因素陶瓷与金属固溶体的差别中间相和固溶体的区间隙固溶体间隙相间隙化合物的区别典型材料的相结构的辨别材料科学基础陶瓷与金属固溶体的差别形成弗兰克尔空位的可能性较小形成肖脱基空位时移出的正负离子总电价为零
一般认为热力学上平衡状态的无序固溶体溶质原子 分布在宏观上是均匀的,在微观上是不均匀的。
在一定条件下,溶质原子和溶剂原子在整个晶体中按 一定的顺序排列起来,形成有序固溶体。有序固溶体 中溶质原子和溶剂原子之比是固定的,可以用化学分 子式来表示,因此把有序固溶体结构称为超点阵。
例如：在Cu－Al合金中,Cu：Al原子比是1：1或3：1 时从液态缓冷条件下可形成有序的超点阵结构,用 CuAl或Cu3Al来表示。
HRTEM for Ni precipitate in 8YSZ/Ni Nanocomposites
size of precipitated Ni nanoparticle ~ 20 nm
pore Ni
10 nm
Ni nanoparticle and accompanied nano-pore in 8YSZ/0.6 vol%Ni Nanocomposite
中间相分类：正常价化合物、电子化合物（电子 相）、间隙化合物
材料科学基础
1. 材料的相结构
材料的 相结构
固溶体
置换固溶体 间隙固溶体 正常价化合物
中间相
电子化合物 尺寸因素化合物
间隙化合物 拉弗斯相
2.1 正常价化合物
材料科学基础
一般认为热力学上平衡状态的无序固溶体溶质原子 分布在宏观上是均匀的,在微观上是不均匀的。
在一定条件下,溶质原子和溶剂原子在整个晶体中按 一定的顺序排列起来,形成有序固溶体。有序固溶体 中溶质原子和溶剂原子之比是固定的,可以用化学分 子式来表示,因此把有序固溶体结构称为超点阵。
例如：在Cu－Al合金中,Cu：Al原子比是1：1或3：1 时从液态缓冷条件下可形成有序的超点阵结构,用 CuAl或Cu3Al来表示。
HRTEM for Ni precipitate in 8YSZ/Ni Nanocomposites
size of precipitated Ni nanoparticle ~ 20 nm
pore Ni
10 nm
Ni nanoparticle and accompanied nano-pore in 8YSZ/0.6 vol%Ni Nanocomposite
中间相分类：正常价化合物、电子化合物（电子 相）、间隙化合物
材料科学基础
1. 材料的相结构
材料的 相结构
固溶体
置换固溶体 间隙固溶体 正常价化合物
中间相
电子化合物 尺寸因素化合物
间隙化合物 拉弗斯相
2.1 正常价化合物
材料科学基础
第五章材料的相结构及相图
电子浓度为21/13时，为复杂立方结构，或称γ黄铜结构
电子浓度为21/12时，为密排六方结构，或称ε黄铜结构。 其他影响因数：尺寸因素及组元的电负性差。 例：电子浓度21/14的电子化合物，当组元原子尺寸差较小时，倾向于形成密排六方 结构；当尺寸差较大时，倾向于形成体心立方结构；若电负性差较大，则倾向于形 成复杂立方及密排六方结构。 性能：结合键为金属键，具有明显的金属特性。电子化合物的熔点及硬度较高 ，脆性较大
有些与金属固溶体类似，如原子半径差越小，温度越高，电负性差越小，离子间的 代换越易进行 ，其固溶度也就越大。当两化合物的晶体结构相同，且在其他条件 有利的情况下 ，相同电价的离子间有可能完全互换而形成无限固溶体 。
此外，必须考虑以下情况 (1) 保持晶格的电中性 ，代换前后离子的总电价必须相等 若相互代换的离子间电价相等，称为等价代换， 例 钾 长 石 K [AlSi303］与钠长石Na [AlSi303〕中的K＋与Na＋的代换及上例中Si4＋代 换 Ti4+, Mg2+与Fe2+的互换等。
eC、eA分别为在非电离状态下正离子及负离子的价电子数
类型：一般有AB、A2B（或AB2）等类型 特点：种类繁多，晶体结构十分复杂，包括从离子键、共价键过渡到 金属键为主的一系列化合物 如： Mg2Si 电负性影响大，较强的离子键
Mg2Sn 电负性差减小，共价键为主，呈半导体特征 Mg2Pb 金属键占主导地位
之差超过14％~15％，则固溶度(摩尔分数)极为有限；
原因：点阵畸变导致能量升高，Δ r越大，点阵畸变能越高
2
r
rA rB rA
按弹性力学方法计算
2 3 r rB 3 8 G rB A 8 G rB r rA