03-2 FH3-2节 金属合金相结构.pptx

第1页：晶体结构

第3章晶体结构Crystal Structure

• 0绪论
• 第1章原子结构与结合键Atomic Structure and binding bond
• 第2章晶体学基础Basis of Crystallography
• 第4章晶体缺陷Crystal defects
• 第5章非晶体与准晶结构Amorphous andQuasicrystalStructure
• 第6章相图Phase Diagram
• 第7章固体扩散Solid Diffusion
• 第8章凝固与结晶Solidification and Crystallization
• 第9章烧结与聚合Sintering and Polymerization
• 第10章固态相变Solid Phase Transformation

第2页：晶体结构

第3章晶体结构Crystal Structure3.1晶体化学（Crystal chemical）3.1.1原子半径与离子半径3.1.2球体紧密堆积与间隙3.1.3配位数与配位多面体3.2金属的晶体结构（Crystal structure of metals）3.2.1单质金属的晶体结构3.2.2金属合金的晶体结构3.3无机非金属材料结构3.3.1离子晶体的结构规则3.3.2典型的离子晶体结构3.3.3硅酸盐晶体结构(Silicate crystal structure)3.4高分子的晶态结构(Crystalline structure of polymers)

第3页：晶体结构·合金

1.合金alloy2.组元component3 .2金属的晶体结构3.2.2金属合金的晶体结构3.相phase基本概念

第4页：合金

1.合金alloy≥2种金属元素，或金属/非金属元素，经熔炼/烧结等形成的具有金属特性的物质.2.组元component组成合金最基本的独立的物质。元素/化合物Elemment/compound3 .2金属的晶体结构3.2.2金属合金的晶体结构黄铜（Cu-Zn）、Fe-Fe3C等Elemment:金属元素Fe、Cu、Al等，非金属元素C、N、O等合金的组元一定是金属吗？

第5页：合金·相

.相phase具有同一聚集状态，相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。金刚石与石墨共析钢室温组织

第6页：相·间隙固溶体置换固溶体

间隙固溶体置换固溶体正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物相固溶体中间相(金属化合物)拓扑密堆相(TCP相)

第7页：间隙固溶体置换固溶体

.固溶体的晶体结构Crystal structure of solid solution(一)固溶体的概念Concept ofsolid solution(二)固溶体的分类Classification of Solid Solution(三)固溶体的性能－－固溶强化Solid SolutionStrengthening

第8页：间隙固溶体置换固溶体

• 组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、结构与组元之一相同的固相，称为固溶体solid solution。
• 与固溶体结构相同的组元为溶剂，另一组元为溶质。(一)固溶体的概念Concept ofsolid solution
• 固溶体的最大特点:
• 保持溶剂的晶体结构。1.固溶体的晶体结构Crystal structure of solid solution

第9页：间隙固溶体置换固溶体

Zn-Cu合金：少量Cu溶解于Zn中形成的以Zn为基的固溶体，具有Zn的hcp点阵。α黄铜：Cu-Zn,Zn溶于Cu中形成的以Cu为基的α固溶体。溶剂（Cu）的fcc点阵。

第10页：间隙固溶体置换固溶体

⑵按溶质原子在固体中的溶解度⑶按溶质原子在固溶体内分布是否有规则间隙固溶体置换固溶体有限固溶体无限（连续）固溶体有序固溶体无序固溶体(二)固溶体的分类Classification of Solid Solution（1）按溶质原子在溶剂晶格中的位置

第11页：间隙固溶体置换固溶体·离子间隙

离子间隙：阳离子：Na+,Ca+,阴离子：Cl－,F－(一)间隙固溶体与置换固溶体1.间隙固溶体interstitial solid solution小溶质原子(H，B，C，N)进入晶格的间隙位置形成的固溶体。

第12页：离子间隙

Cu-Zn,Cu-Ni2.置换固溶体substitutionsolid solution溶质原子（离子）取代了溶剂原子（离子）后形成的固溶体。

第13页：间隙

间隙（置换）固溶体→ →点阵畸变（晶格畸变）→ →材料物理与力学性能的变化。缺陷

第14页：间隙·MgO晶体内常含有

MgO晶体内常含有FeO，Fe2+离子置换了Mg2+：3.缺陷方程：（放在晶体缺陷中）1个正电荷1个空位,2个负电荷2个负电荷间隙Ca2+，2个正电荷

第15页：有限固溶体和无限（连续）固溶体

（二）有限固溶体和无限（连续）固溶体limited/unlimitedsolid solution

• 形成无限固溶体条件：
• 晶体结构类型相同,离子半径差<15%,电负性相近。

第16页：有序固溶体和无序固溶体

（三）有序固溶体和无序固溶体(ordered/disorderedsolid solution)

• 有序固溶体：
• 各组元分别占据各自点阵；
• 是由各组元的分点阵组成的复杂点阵——超点阵或超结构。
• 无序固溶体：
• 各组元原子随机（无规）分布。

第17页：有序固溶体

Cu-Au有序固溶体的晶体结构——超点阵或超结构CuAu型:四方点阵Pearson符号t Cu3Au型：简单立方Pearson符号c

第18页：

第19页：有序固溶体

有序固溶体：2)长程有序（完全有序）1)短程有序（部分有序）异类原子间结合能大于同类原子。

第20页：有序固溶体·3)偏聚

3)偏聚：aggregation同类原子间结合能大于异类原子。

第21页：影响固溶体结构的因素①尺寸大小

（四）影响固溶体结构的因素①尺寸大小

• 两离子半径差<15%，可形成连续（无限）固溶体；
• 两离子半径差=15%～30%，只形成有限固溶体。
• 离子半径差>30％，形成中间相或化合物。

第22页：影响固溶体结构的因素①尺寸大

②晶体结构类型MgO——FeO，Al2O3——Cr2O3，Mg2SiO4——Fe2SiO4：晶体结构类型相同，两种离子半径差<15%。BeO(α-ZnS)——CaO(NaCl)不能形成连续固溶体。晶体结构型不同。两组分的晶体结构相同能形成连续固溶体。

第23页：影响固溶体结构的因素①尺寸大

③电负性的影响电负性相近(<0.4-0.5)：－有利于形成固溶体；电负性相差大：－形成中间相或化合物。④电子浓度因素电子浓度=价电子数/原子数Cu3Al电子浓度=（3×1+3）/4=3/2

第24页：贵金属

贵金属（Cu、Ag、Au）为基的最大固溶度合金达到最大溶解度时，电子浓度都近似等于1.4__极限电子浓度，与晶体结构类型有关。

第25页：固溶体的性能－－固溶强化

三、固溶体的性能－－固溶强化Solid solution strengthening

• 通过形成固溶体而产生晶格畸变，使材料强度和硬度提高的现象称为固溶强化。
• 固溶强化是材料强化的重要方式（四大机理）之一。
• 固溶体的综合力学性能较好，常为结构合金的基体相。

第26页：固溶体的性能－－固溶强化

• 金属间化合物-----中间相：
• 合金中形成的具有金属性质的新相（晶体结构不同于组元），称为金属间化合物(intermetallic compound)。
• 金属间化合物在系统的平衡相图上总是位于中间位置，称为中间相(intermediatephase)。2.金属间化合物的晶体结构Structure of Intermetallic Phase

第27页：正常价化合物

（1）正常价化合物（2）电子化合物(3)间隙相(4)间隙化合物

• 符合化合物原子价规律。
• 晶体结构与相应分子式的离子化合物相同。NaCl；CaF２金属元素和周期表中IVA、VA、VIA族的一些元素形成的化合物。2.金属间化合物的晶体结构
• 钢中Fe3C、MnS FeS(5)拓扑密堆相(TCP相)NO电子浓度=价电子数/原子数

第28页：正常价化合物

(1)正常价化合物Normal valence compounds①NaCl型：MgSe；②CaF2型：Mg2Si；③闪锌矿型(立方ZnS)；④纤锌矿型(六方ZnS)：MnS和AlN。

第29页：正常价化合物

电子浓度=价电子数/原子数贵金属Au、Ag、Cu与Zn、Al、Sn等元素组成。(2)电子化合物(电子相)Electron phase组元间不符合化学价规律，是按照一定的电子浓度形成一定晶格类型的化合物。

第30页：正常价化合物·是有色金属中

• 高熔点，高硬度，塑性较差;
• 是有色金属中的重要强化相。原子半径差小原子半径差大

第31页：是有色金属中

0ⅦⅥⅤⅣⅢⅡbⅠbⅧbⅦbⅥbⅤbⅣbⅢbⅡⅠHeHNeFONCBBeLiArCiSPSiAlMgNaKrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaKXeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRbRnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHfLaBaCsRfAcRaFr位于Fe左边的过渡族元素d层电子缺额多，与C亲和力比铁强，能形成间隙相或化合物。(3)间隙相Interstitial phase过渡族金属M(Fe、Mn、Cr、Ti等)与原子半径很小的非金属X(C、N等)形成结构简单的金属间化合物。

第32页：是有色金属中

0ⅦⅥⅤⅣⅢⅡbⅠbⅧbⅦbⅥbⅤbⅣbⅢbⅡⅠHeHNeFONCBBeLiArCiSPSiAlMgNaKrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaKXeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRbRnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHfLaBaCsRfAcRaFr(3)间隙相Interstitial phase当组元之间原子半径之比rx/rM小于0.59时，形成结构简单的间隙相。

第33页：是有色金属中·晶格类型化学式类型

晶格类型化学式类型fccFe4N，Nb4C，Mn4CM4XhcpFe2N，Cr2N，W2C，Mo2CM2Xfccbcc简单六方TaC，TiC，ZrC，VCTiN，ZrN，VNMoN，CrN，WCMXfccVC2，CeC2，ZrH2，TiH2，LaC2MX2间隙相类型MoCWCTaCNbCVCZrCTiC化学式1480173015502050201028402850硬度HV25272785±539803680±5026503472±203080熔点/℃钢中的间隙相：间隙相具有高硬度和高熔点。脆性较大，是钢中重要的强化相之一。

第34页：晶格类型化学式类型

间隙化合物具有高硬度和高熔点。脆性较大，是钢中重要的强化相之一。比值rx/rM大于0.59时，形成复杂晶格的间隙化合物。M3C，M7C3，M23C6，M6C等。(Cr、Fe、W、Mo)23C6，Cr7C3，Cr3C2等。0ⅦⅥⅤⅣⅢⅡbⅠbⅧbⅦbⅥbⅤbⅣbⅢbⅡⅠHeHNeFONCBBeLiArCiSPSiAlMgNaKrBrSeAsGeGaZnCuNiCoFeMnCrVTiScCaKXeITeSbSnInCdAgPdRhRuTcMoNbZrYSrRbRnAtPoBiPbTlHgAuPtIrOsReWTaHfLaBaCsRfAcRaFr(4)间隙化合物Interstitial compound

第35页：晶格类型化学式类型

Fe3C--铁碳合金中重要的强化相。Fe3C的硬度为HV950～1050。Fe3C结构:复杂的正交结构，一个单胞内有16个原子(12Fe+4C)，这16个原子构成一个结构基元，是P单胞。

第36页：晶格类型化学式类型

• Fe3C结构:正交晶系
• [CFe6]八面体，每个Fe原子为两个八面体共用，C原子配位数为6，Fe原子配位数为2。

第37页：晶格类型化学式类型·M6C的结构

M6C的结构：M6C：共有112个原子，其中16个C原子。

第38页：M6C的结构

M23C6：复杂立方，24个C，92个金属原子。分为8个亚胞，14面体和正六面体交替分布于顶角上。C原子在亚胞棱边的中点。

第39页：纯金属

(5)拓扑密堆相(TCP相)Topologically close-packed phase

• 纯金属：同类等直径原子球堆垛，fcc,bcc,hcp,配位数最大为12，最大致密度为0.74。
• 大小不等的金属原子密堆??

第40页：纯金属·大小不等

(5)拓扑密堆相(TCP相)Topologically close-packed phase

• 由大小不等的原子形成的具有高配位数和高致密度结构的中间相，称为拓扑密堆相(TCP相)。
• 大小不等的金属原子按一定比例搭配(固定的原子比)，形成新相的配位数大于12（12，14，15，16），或致密度大于0.74，统称为拓扑密堆结构。

第41页：多面体的每个面都是三角形

(1)多面体的每个面都是三角形，

拓朴密堆相

由不规则四面体填充空间的密堆结构。

卡斯珀（Kasper）

满足TCP相的规则多面体：

(2)多面体是凸形的，

(3)多面体每一个角和5－6个棱相连接。

这些多面体称Kasper配位多面体，只有4种.（12，14，15，16）

第42页：多面体的每个面都是三角形

TCP结构有：Laves相、σ相、Cr3Si结构等。

第43页：多面体的每个面都是三角形

（1）Laves相：AB2型，rA/rB=1.225MgCu2（fcc）MgZn2（六方）MgNi2（六方）MgCu2：Pearson符号cF24。8个小立方体：Cu:16个；Mg：金刚石堆积。8个（4+4 M/N/P/Q）。

第44页：多面体的每个面都是三角形

Cu: CN=12(6个Mg+6个Cu）Mg：CN=16 (4个Mg+12个Cu）

第45页：σ相：AB型，复杂四方结构

（2）σ相：AB型，复杂四方结构，Pearson符号t 。FeCr，FeMo，FeV，MoCrNi等。c/a=0. 52。σ相：不锈钢，耐热钢，高温合金。脆性相。5种不同的位置，沿[001]方向以4层重复排列。（c/4、c/2和3c/4）。不同位置的原子CN不同（12/14/15).

第46页：σ相：AB型，复杂四方结构

（3）Cr3Si(A15)：Pearson符号c Si：2个。体心立方阵点；Cr：6个。｛100｝面的2个四面体间隙。

第47页：σ相：AB型，复杂四方结构

**金属间化合物（中间相）的性质和应用：特殊的物理、化学性能：（1）超导。Nb3Ge，Nb3Al，Nh3Sn，V3Si，Cr3Si，NbN等；（2）电学性质。InTe-PbSe，GaAs-ZnSe等，半导体材料；（3）强磁性，优异的永磁性能。稀土元素（Ce，La，Sm，Pr，Y等）和Co的化合物

第48页：σ相：AB型，复杂四方结构

（4）贮氢材料,储能和换能材料。LaNi5，FeTi，R2Mg17和R2Ni2Mg15。(R等仅代表稀土La，Ce，Pr，Nd或混合稀土)；（6）优异耐蚀性能。表面涂覆：某些金属的碳化物，硼化物和氧化物；（7）形状记忆效应、超弹性和消震性。TiNi，CuZn，CuSi，MnCu，Cu3Al等。（5）耐热特性,高温强度和高温塑性。Ni3Al，NiAl，TiAl，Ti3Al，FeAl，Fe3Al，MoSi2，NbBe12, ZrBe12；硬质合金刀具：WC、TiC和Co制成。

第49页：结束页

谢谢！