第三章材料的相结构 概述 固溶体 >化合物 CORONA
第三章 材料的相结构 ➢概述 ➢固溶体 ➢化合物
第一节相关概念 合金:由两种或两种以上的元素组成,其中至少有一种为金属, 组成具有金属性的材料称为合金。 组元:通常把组成材料的最简单、最基本、能够独立存在的物质 称为组元。组元大多数情况下是元素;在研究的范围内既不 分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可成为组元。 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。在固态材料中,按其晶格结构的基本 属性来分,可分为固溶体和化合物两大类。 组织:人们用肉眼或借助某种工具(放大镜、光学显微镜、电子 显微镜等)所观察到的材料形貌。它决定于组成相的类型、 形状、大小、数量、分布等。 组织组成物:组织中形貌相同的组成部分
第一节 相关概念 合金：由两种或两种以上的元素组成，其中至少有一种为金属， 组成具有金属性的材料称为合金。 组元：通常把组成材料的最简单、最基本、能够独立存在的物质 称为组元。组元大多数情况下是元素；在研究的范围内既不 分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可成为组元。 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。在固态材料中，按其晶格结构的基本 属性来分，可分为固溶体和化合物两大类。 组织：人们用肉眼或借助某种工具（放大镜、光学显微镜、电子 显微镜等）所观察到的材料形貌。它决定于组成相的类型、 形状、大小、数量、分布等。 组织组成物：组织中形貌相同的组成部分
第二节固溶体 固溶体: 当材料由液态结晶为固态时,组成元素间会象溶液那样 互相溶解,形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其它元 素原子的新相,称为固溶体。与固溶体的晶格相同的组成元 素称为溶剂,在固溶体中一般都占有较大的含量;其它的组 成元素称为溶质,其含量与溶剂相比为较少。固溶体即一些 元素进入某一组元的晶格中,不改变其晶体结构,形成的均 匀相。 CORONA 溶质原子溶入固溶体中的量称为固溶体的浓度。在一定的 条件下,溶质元素在固溶体中的极限浓度叫做溶质元素在固溶 体中的溶解度。浓度或溶解度一般用溶质元素所占的重量百分 比来表示(%W);有时也用溶质元素所占的原子数量百分比来 表示,这时也称为摩尔浓度(%Wa)
第二节 固溶体 一、 固溶体： 当材料由液态结晶为固态时，组成元素间会象溶液那样 互相溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其它元 素原子的新相，称为固溶体。与固溶体的晶格相同的组成元 素称为溶剂，在固溶体中一般都占有较大的含量；其它的组 成元素称为溶质，其含量与溶剂相比为较少。固溶体即一些 元素进入某一组元的晶格中，不改变其晶体结构，形成的均 匀相。 溶质原子溶入固溶体中的量称为固溶体的浓度。在一定的 条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度叫做溶质元素在固溶 体中的溶解度。浓度或溶解度一般用溶质元素所占的重量百分 比来表示(%Wt)；有时也用溶质元素所占的原子数量百分比来 表示，这时也称为摩尔浓度(%Wa)
第二节固溶体 二、固溶体的分类 1.按溶质原子在固溶体(溶剂) 晶格中的位置不同可分为: 1)置换固溶体溶质原子取代了 部分溶剂晶格中某些节点上的 溶剂原子而形成的固溶体 2)间隙固溶体溶质原子嵌入溶 剂晶格的空隙中,不占据晶格 结点位置
二、固溶体的分类 第二节 固溶体 1.按溶质原子在固溶体(溶剂) 晶格中的位置不同可分为： 1) 置换固溶体 溶质原子取代了 部分溶剂晶格中某些节点上的 溶剂原子而形成的固溶体。 2) 间隙固溶体 溶质原子嵌入溶 剂晶格的空隙中，不占据晶格 结点位置
第二节固溶体 二、固溶体的分类 2.按溶解度 溶质原子溶于固溶体中的量称为固溶体的浓度,一般用重量百 分比表示,即 溶质元素的重量 ×1009 固溶体的总重量 也可以用原子百分比表示,即溶质元素的原子数 100%0 固溶体的总原子数 1)无限溶解固溶体溶质可以任意比例溶入溶剂晶格中。构 成无限固溶体。这是把含量较高的组元称为溶剂,含量较少的 组元称为溶质。 2)有限溶解固溶体溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度, 超过这个限度就会有其它相(另一种固溶体或化合物)的形成。 间隙固溶体都是有限溶解固溶体。在金属材料中,通常是过渡 族金属元素为溶剂,小尺寸的C、N、H、0、B等元素为溶质
二、固溶体的分类 第二节 固溶体 2.按溶解度 溶质原子溶于固溶体中的量称为固溶体的浓度，一般用重量百 分比表示，即 也可以用原子百分比表示，即 1)无限溶解固溶体 溶质可以任意比例溶入溶剂晶格中。构 成无限固溶体。这是把含量较高的组元称为溶剂，含量较少的 组元称为溶质。 2)有限溶解固溶体 溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度， 超过这个限度就会有其它相(另一种固溶体或化合物)的形成。 间隙固溶体都是有限溶解固溶体。在金属材料中，通常是过渡 族金属元素为溶剂，小尺寸的C、N、H、O、B等元素为溶质
第二节固溶体 二、固溶体的分类 2.按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点 1)无序固溶体溶质原子在溶剂晶格中分布是任意的, 没有任何规律性,仅统计角度上是均匀分布的。 2)有序固溶体溶质原子以一定的比例,按一定方向 和顺序有规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。 ORON 在有些材料中,固溶体还存在有序化转变,即在一定的 条件(如温度、压力)下,无序固溶体和有序固溶体之间会发生 相互转变
二、固溶体的分类 第二节 固溶体 2.按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点 1)无序固溶体 溶质原子在溶剂晶格中分布是任意的， 没有任何规律性，仅统计角度上是均匀分布的。 2)有序固溶体 溶质原子以一定的比例，按一定方向 和顺序有规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。 在有些材料中，固溶体还存在有序化转变，即在一定的 条件(如温度、压力)下，无序固溶体和有序固溶体之间会发生 相互转变
第三节固溶体 、影响固溶体溶解度的因素 在一定条件下,溶质元素在固溶体中的极限浓度叫该元素 在固溶体中的溶解度。影响溶解度的因素很多,目前还在研究 中,现在公认的有: 1.尺寸因素 原子尺寸差别△=剂一质|×100%来表示 容剂 在置换固溶体中,溶质原子的尺寸和溶剂相近,溶解度也 愈大,△r小于15%时才有利于形成置换固溶体,要能达到无限 互溶,△r的值还要小一些。 间隙固溶体的形成的基本条件D/D<0.59。在间隙固溶体 中,显然DD愈小,即溶质原子的尺寸愈小,溶解度也大。 间隙固溶体只能有限溶解
三、影响固溶体溶解度的因素 第三节 固溶体 在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度叫该元素 在固溶体中的溶解度。影响溶解度的因素很多，目前还在研究 中，现在公认的有： 1．尺寸因素 在置换固溶体中，溶质原子的尺寸和溶剂相近，溶解度也 愈大，Δr小于15%时才有利于形成置换固溶体，要能达到无限 互溶，Δr的值还要小一些。 间隙固溶体的形成的基本条件D质/D剂<0.59。在间隙固溶体 中，显然D质/D剂愈小，即溶质原子的尺寸愈小，溶解度也大。 间隙固溶体只能有限溶解
第三节固溶体 、影响固溶体溶解度的因素 2.晶体结构因素 组元间晶体结构相同时,固溶度一般都较大,而且才有可 能形成无限固溶体。若组元间的晶体结构不同,便只能生成有 限固溶体。 3.电负性差 电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离 子的能力。反映两元素的化学性能差别。一 两元素间电负性差越小,则越容易形成固溶体,且所形成 的固溶体的溶解度也就越大;随两元素间电负性差增大,溶解 度减小,当其差别很大时,往往形成较稳定的化合物
三、影响固溶体溶解度的因素 第三节 固溶体 2．晶体结构因素 组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且才有可 能形成无限固溶体。若组元间的晶体结构不同，便只能生成有 限固溶体。 3．电负性差 电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离 子的能力。反映两元素的化学性能差别。 两元素间电负性差越小，则越容易形成固溶体，且所形成 的固溶体的溶解度也就越大；随两元素间电负性差增大，溶解 度减小，当其差别很大时，往往形成较稳定的化合物
第三节固溶体 、影响固溶体溶解度的因素 4.电子浓度 在金属材料(合金)中,价电子数目(e)与原子数目(a)之比 称为电子浓度。由于溶质和溶剂的价电子数可能不同,电子浓 度e/a=V4(1-x)+VBx。其中x为溶质的原子百分比浓度 (摩尔分数),VA、V分别为溶剂和溶质的价电子数。 方面,溶质和溶剂的价电子数目相差大,它们的电负性 的差别也大,溶解度会下降。另一方面,当e/a为某些特定 值时形成一新的晶体结构,因此它们的溶解度也就受到相应的 限制
三、影响固溶体溶解度的因素 第三节 固溶体 4．电子浓度 在金属材料(合金)中，价电子数目(e)与原子数目(a)之比 称为电子浓度。由于溶质和溶剂的价电子数可能不同，电子浓 度 e/a = VA (1-x) + VB x。其中x为溶质的原子百分比浓度 (摩尔分数)，VA、VB分别为溶剂和溶质的价电子数。 一方面，溶质和溶剂的价电子数目相差大，它们的电负性 的差别也大，溶解度会下降。另一方面，当 e/a 为某些特定 值时形成一新的晶体结构，因此它们的溶解度也就受到相应的 限制
第三节固溶体 四、固溶体的性能特点 1)由于固溶体的晶体结构与溶剂相同,固溶体的性能 基本上与原溶剂的性能相近,换句话说,固溶体的 性能主要决定于溶剂的性能,或在溶剂性能基础上 发生一些改变。 2)固溶体的性能与原溶剂性能的差别,或称性能变化 的大小,随着溶质的浓度(含量)的增加而加大。 )以金属元素为溶剂的固溶体,随着溶质的溶入,强 度将提高,称为固溶强化,溶质的溶入可造成晶格 畸变,材料的塑性变形的阻力加大,同时塑性略有 下降,但不明显。在材料中是有效提高金属材料力 学性能的途径之一
四、固溶体的性能特点 第三节 固溶体 1) 由于固溶体的晶体结构与溶剂相同，固溶体的性能 基本上与原溶剂的性能相近，换句话说，固溶体的 性能主要决定于溶剂的性能，或在溶剂性能基础上 发生一些改变。 2) 固溶体的性能与原溶剂性能的差别，或称性能变化 的大小，随着溶质的浓度(含量)的增加而加大。 3) 以金属元素为溶剂的固溶体，随着溶质的溶入，强 度将提高，称为固溶强化，溶质的溶入可造成晶格 畸变，材料的塑性变形的阻力加大，同时塑性略有 下降，但不明显。在材料中是有效提高金属材料力 学性能的途径之一