材料科学基础第2章3.ppt
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1、2.2.2 多晶型性,多晶型性指某些金属在不同温度和压力下具有不同的晶体结构。 多晶型性转变指金属在外部条件 (如 T 和 P) 改变时,其内部从一种晶体结构向另一种晶体结构的转变,又称同素异构(同素异性)转变 例如纯铁:,2.2.3 晶体的各向异性,各向异性:由于在不同方向上的原子排列的紧密程度不同使晶体在不同方向上的物理、化学和力学性能不同。而一般整个晶体不显示各向异性,称为伪等向性。 晶粒:组成晶体的结晶颗粒。 多晶体:凡由两颗以上晶粒组成的晶体一般金属都是多晶体。,晶 粒,多相合金,2.3 合金相结构,概 述,1. 合金(alloy)-两种或两种以上的金属或金属与非金属经冶炼、烧结或其
2、他方法组合而成并具有金属特性的物质。组元-组成合金的基本单元。(如一元、二元、三元合金)。组元可以是金属和非金属,也可以是化合物 2. 组织(structure)-材料中的直观形貌,可以用肉眼观察到,也可以借助于放大镜、显微镜观察到的微观形貌。分为: 宏观组织:肉眼或是30倍放大镜所呈现的形貌;显微组织:显微镜观察而呈现的形貌。 3. 相(phase)-合金中具有同一聚集状态,同一化学成分、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合体。 如单相、两相、多相合金。金属及合金的组织一般应用显微镜才能看到,所以常称显微组织。,相分类:固溶体和中间相(
3、金属间化合物) 固溶体 中间相 中间相可以用分子式来大致表示其组成。 合金相的性质由以下三个因素控制: (1)电化学因素(电负性或化学亲和力因素) 电负性化学亲和力越大越容易形成化合物,电负性相近的元素容易形成固溶体。 (2)原子尺寸因素 r=(rArB)/rA r越大,越易形成中间相。 r越小,越易形成固溶体 (3)原子价因素(电子浓度因素): C电子=A(100x) Bx/100 C越大,越易形成化合物; C越小,越易形成固溶体,2.3.1 固溶体,固溶体(solid solution) : 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。 固溶体的最大特点
4、是保持溶剂的晶体结构。 与固溶体晶格相同的组元为溶剂,一般在合金中含量较多;另一组元为溶质,含量较少。 固溶体用、等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B), 其中A为溶剂, B为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用表示, 亦可表示为Cu(Zn)。,1. 固溶体分类,(1)按溶质原子在点阵中所占位置分为: 置换固溶体(substitutional solid solution):溶质原子置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。(Cu-Ni合金) 间隙固溶体(interstitial solid solution) :溶质原子分布于溶剂晶格间隙中。 (2)按溶质原子在溶剂原子中溶解度
5、分类: 有限固溶体:在一定条件下,溶质原子在溶剂中的溶解量有一个上限,起过这个限度就形成新相。 无限固溶体:溶质原子可以任意比例溶入溶剂晶格中形成的。如: CuNi AuAg TiZr,结构相同。,(3)按溶质原子在溶剂中的分布特点分类 无序固溶体:溶质原子在溶剂中任意分布,无规律性。 有序固溶体:溶质原子按一定比例和有规律分布在溶剂晶格的点阵或间隙里。 (4)按基体类型分类: 一次固溶体:以纯金属为基形成的固溶体。 二次固溶体:以化合物为基形成的固溶体。,固溶体的两种类型(置换和间隙),有序固溶体短程,有序固溶体长程,有序固溶体偏聚,2. 置换固溶体,置换固溶体一般在金属元素之间形成,但要有
6、一定条件。 (1)晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件。否则只能形成有限固溶体。 (2)原子尺寸在其它条件相近时,r0.85固溶体中溶解度较大,否则较小。 如:铁基合金中,r8%才能形成无限固溶体。 铜基合金中,r10%才能形成无限固溶体。 (3)电负差越大,两者间亲和力大,易形成中间相。否则易形成固溶体。 (4)电子浓度值大易形成化合物;电子浓度小易形成固溶体。 (上述四个因素并非相互独立,其统一的理论的是金属与合金的电子理论。),置换固溶体示意图,置换固溶体大小溶质原子引起的点阵畸变,3. 间隙固溶体,间隙固溶体的的溶质原子是一些原子半径小于0.1nm的非金属元素(如C、N、O、H、B)
7、。 其形成条件是 r41% 或 r质/r剂0.59 间隙固溶体只能是有限固溶体,一般溶解度较小。如:碳原子在Fe(最大Wt=0.0218%)和Fe(最大Wt=2.11%)中形成的间隙固溶体为有限固溶体。,间隙固溶体示意图1,间隙固溶体示意图2,间隙固溶体中的点阵畸变,4.固溶体的微观不均匀性,固溶体中溶质原子的分布并不是完全无序的。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
8、阵。例如:在CuAl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。,5.固溶体的性质,固溶体中由于含有溶质原子会引起点阵常数、性能的变化。表现: (1)点阵常数改变 置换固溶体:r质r剂,a增大;r质r剂,a减小。 间隙固溶体:a始终随溶质原子溶入而增大。 (2)固溶强化:溶质原子溶入,使其硬度和强度升高。 (3)物理化学性能改变。,2.3.2 中间相,中间相是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相,它可以是化合物,也可以是以化合物为基的固溶体(二次固溶体),一般可以用化学分子式来表示,但不一定符合化合价规律。 中间相中原子的结
9、合方式为金属键与其它结合键相混合的方式。它们都具有金属特性。 中间相如:钢中Fe3C、铝铜合金中CuAl、黄铜中CuZn、半导体中GaAs、形状记忆合金中NiTi和CuZn、核反应堆材料中Zr3Al、储氢能源材料中LaNi5等。 中间相分类:正常价化合物、电子化合物、原子尺寸有关化的化合物(间隙相、间隙化合物、TCP相)、超结构。,1.正常价化合物,正常价化合物(valence compound)是一些金属与电负性较强的A、A、A族的一些元素按照化学上的原子价规律所形成的化合物。其特点是符合化合物规律。具有严格的化合比、成分固定不变,成分可用化学式表示,一般为AB型、AB2型或A2B型、A3B
10、2型。 正常价化合物的晶体结构通常对应于同类分子式的离子化合物结构。例如:A2B型 Mg2Pb Mg2Sn Mg2Ge Mg2Si AB型 MgS MnS FeS 正常价化合物在常温时有很高的硬度和脆性。在工业合金中,能起到提高材料强度和硬度的作用,称为强化相。如AlMgSi合金中Mg2Si;但有时也是有害相,如钢中FeS会引起钢的脆性。,2.电子价化合物,电子价化合物(electron compound)是由B族(Cu、Au、Ag)或过 渡族金属(Fe、Co、Ni)与B、A、A族元素形成的金属化合物。电子价化合物的特点是不遵循原子价规律、电子浓度是决定其晶体结构的主要因素。电子浓度相同,相的
11、晶体结构类型相同。 电子浓度 = (化合物元素价电子总数 / 化合物原子数) 注:计算时过渡族元素时价电子数视为0。 电子浓度、相、结构对应关系如下: C电子=7/4(即21/12) 密排六方结构 C电子=21/13 复杂立方结构 C电子=3/2(即21/14) 体心立方结构 Mn 复杂立方或密排六方结构 电子价化合物具有金属特性,具有高熔点、高硬度但塑性低,与固溶体适当搭配使合金得到强化,作为非Fe合金中重要组成相。,3.原子尺寸因素有关的化合物A,尺寸因素有关的化合物(sizefactor compound)类型与组成元素的原子尺寸关别关。比较复杂。 (1) 间隙相和间隙化合物 间隙相和间
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