合金相基本知识-固溶体课件

1、2020/9/22,合金相与相变 易丹青 教授 材料科学与工程学院 ,2020/9/22,1、合金相的类型 2、合金相的稳定性 3、合金相的参变量 4、固溶体 5、有序固溶体,第二讲、合金相的基本知识（一）,2020/9/22,一、合金相的类型,1、按照组成合金相的原子类型和化学键的性质分类,金属键晶体（纯金属Fe、Al、Cu和固溶体Cu-Ni） 离子键晶体（NaCl、MgO等） 共价键晶体（金刚石、硼、硅） 分子键晶体（He、H2、HCl）,表1- 各种晶体的价电子及结合能,2020/9/22,一、合金相的类型,2、按照合金相在相图中的位置分类,按照在相图中的位置，可将合金相分为四类： 纯金属 固溶体 有序固溶体 金属间化合物,2020/9/22,图1、合金相图中的固溶体和中间相,一、合金相的类型,2020/9/22,一、合金相的类型,图2- Cu-Ni二元合金相图,固态相： 连续（Cu，Ni）固溶体 温度降低，（Cu, Ni) 固溶体分解成1+2 两个固溶体,2020/9/22,一、合金相的类型,图3- Pb-Sn二元合金相图,2020/9/22,一、合金相的类型,图4- Cu-Z

2、n二元合金相图,2020/9/22,一、合金相的类型,图5- Ti-Al二元合金相图,2020/9/22,1、固溶体 固溶体是一种基本的合金相. 固溶体是由两种或两种以上元素的原子组成的合金相。固溶体的种类有:以纯组元为基的初级固溶体(端际固溶体)、以化合物为基的 次级固溶体、替代式固溶体、间隙式固溶体、缺位式固溶体。 2、金属间化合物(中间相)。金属间化合物由两种或两种以上元素的原子组成。各种元素的原子按一定的方式排列.金属间化合物的结构不同于纯金属，键合方式也具有多种类型。,一、合金相的类型,2020/9/22,二、合金相的稳定性,恒温恒压下，采用自由焓或自由能作稳定性的判据：,相平衡时，则采用化学位作判据，并用公切线作图法求相平衡时相的成分：,图6 - 用公切线法求相平衡时相的成分,2020/9/22,二、合金相的稳定性,设C及分别是合金的成分及结构，及T分别是有序度及温度，则四类合金相的热力学问题如表所示，其中FC(,T)表示成分(C)恒定时，F与、T的关系；C(T)=0表示成分恒定时，随T的变化；余类推。,2020/9/22,三、描述合金相的参变量,电子因素 原子尺寸因素,2

3、020/9/22,三、描述合金相的参变量,凡是与元素核外电子以及电子迁移所引起的离子性质有关的因素，统称为电子因素，包括： （1）外层或最外层电子的数目，即原子价 (电子浓度因素) （2）价电子的能量，能量分布形式，费米面，布里渊区 （3）电子浓度的空间分布曲线 （4）离化程度，即离子的电荷性质及数目 （5）电负性 (化学亲和力因素),电子因素,2020/9/22,三、描述合金相的参变量,原子尺寸因素 将原子半径R、单价原子半径R1、离子半径r、3d壳层半径r3d、摩尔体积Vm，每个原子的平均体积v、原子球间空隙Vr等，称为原子尺寸因素，其中：,式中，N0为阿伏伽德罗常数。 原子半径是最常用的参数，随着相邻原子的数目、键型、种类及系统的外界条件而有少量变化. 也将溶质原子与溶剂原子的原子半径的相对差值叫做原子尺寸因素：,2020/9/22,固溶体的基本类型,根据溶质原子在点阵上的情况，可以将固溶体分成三类：一类是替代式的，溶质原子替代了母相点阵上的溶剂原子；第二类是填隙式的，溶质原子填充在母相点阵中的间隙位置；第三类是以化合物为基的，在点阵中的某一类原子出现空缺，它的成分和理想的化合物

4、成分发生偏离，这一类固溶体称为缺位式的。,图7、固溶体的三种类型,四、固溶体,2020/9/22,图8- Cu-Ni二元合金相图,Cu原子在Ni的晶格上替代Ni原子，形成无限互溶的替代式固溶体。Cu与Ag的相互溶解度有限，形成端际固溶体。,替代式无限互溶和有限互溶的固溶体相图,图9- Cu-Ag二元合金相图,四、固溶体,2020/9/22,图10- Fe-C二元合金相图,填隙式固溶体相图,Fe原子占据面心立方点阵位置，C原子占据填隙位置。填隙原子的半径要小于0.1nm，如H(0.046nm)、N(0.071nm)、C(0.077nm)、B(0.097nm)、O(0.060nm)。,四、固溶体,2020/9/22,固溶体类型的确定,根据固溶体点阵参数精密测量的结果，参照密度的数据，可确定固溶体所属的类型。 n=p /（A1.6510-24） 其中，n为晶胞中的平均原子数， p 为晶胞体积， 为密度，A为固溶体平均原子量，常数 1.6510-24氧原子质量的1/16，n0为根据晶体结构确定的晶胞中原子数。 n= n0 ：表示所有的原子正好占满点阵上的位置, 表明为替代式固溶体 nn0 ：

5、为填隙式固溶体 nn0 ： 为缺位式固溶体,四、固溶体,2020/9/22,溶质原子含量对固溶体点阵参数的影响,随着固溶体类型的不同，溶质原子大小及含量对点阵参数的影响有三种情况： 填隙式固溶体：点阵参数恒加大 缺位式固溶体：随溶质原子含量的增加，点阵参数减小 替代式固溶体：r溶质 r溶剂，点阵参数随成分增大而加大 r溶质 r溶剂，点阵参数随成分增加而减小,四、固溶体,2020/9/22,四、固溶体,在离子晶体固溶体中，点阵参数a与固溶体成分x 存在下面的线性关系 a = a1 + (a2 a1) x 这里的a1和a2分别表示溶剂和溶质原子的点阵参数,Vegard 定理,图11- 奥氏体的点阵参数,2020/9/22,溶质原子含量对固溶体点阵参数的影响,四、固溶体,2020/9/22,固溶体的微观不均匀性,长期以来认为原子在点阵坐位上的分布是完全无序的，但实际上或多或少存在着和完全无序状态相偏离的情况；用短程序参数a表示。对A、B形成的固溶体： a=1- zpAB/(Nxz(1-z) = 1-ZpAB/(Nx(1-x) x为B组元成分，N为总原子数， zpAB为固溶体中近邻对中AB对的

6、数目， zpAB/Nxz相当于固溶体中B原子最近邻为A原子的几率。 如果 zpAB/Nxz等于A原子成分（1-x） a= 0 即为完全无序状态， 如果pAB/Nx1-x，异类原子为最近邻的几率比完全无序状态要大，存在短程有序； a 0,2020/9/22,固 溶 体 的 微 观 不 均 匀 性,四、固溶体,图14 固溶体中原子的三种分布情况,2020/9/22,形成替代式固溶体的一些经验规律,原子尺寸因素：原子半径比愈大的两种金属不易形成固溶体。当溶剂原子与溶质原子的半径比超过14%-15%时，尺寸因素不利于固溶体的形成, 溶质在溶剂中的溶解度很小。 化学亲和力因素：两种元素化学亲和力强，往往形成稳定的化合物，而不形成固溶体。两种元素的电负性差值的大小标志了化学亲和力的强弱,电负性差值大的元素不易形成固溶体 价电子因素：高价金属和低价金属相互溶解时，高价元素在低价元素中的溶解度较大，而低价元素在高价元素中的溶解度较小相对价效应。,四、固溶体,2020/9/22,固溶体的性质 （1）点阵常数变化 （2）固溶强化 （3）电阻率升高 （4）改变合金的磁性 （5）改变合金的抗腐蚀性,四、固溶体

7、,2020/9/22,固溶体的物理性能,点阵参数：理论上点阵参数a与固溶体成分x的线性关系遵从费伽定律 a=a1+(a2-a1)x；但实际上存在偏差a=k(zB-zA)2 其中：k为常数， zB及zA分别表示溶质与溶剂的原子价。 弹性模量：固态无限互溶的二元合金的弹性模量和成分的关系多半是线性的(如Cu-Ni, Cu-Pt, Cu-Au)或近似线性的(如Ag-Au)；对于铜基和银基合金，杨氏模量随合金含量而线性减小 电阻率：加入少量溶质原子使电阻率增大，连续的固溶体的电阻率随成分作连续的变化。= + xB(T)+(1-x) A(T) ，为合金的剩余电阻率，和温度无关。对于稀固溶体，= +A(T) 热容量：一般情况下，合金的热容量等于纯组元热容量cA及cB的叠加，即 c = x cB + (1-x)cA,四、固溶体,2020/9/22,固溶体的物理性能,磁性：对镍基合金饱和磁矩与合金成分的研究表明，当铜锌等合金元素加入后，使饱和磁矩下降。,图15- 少量溶质原子对镍与钴的磁矩的影响,四、固溶体,2020/9/22,图16- 立方晶格的间隙位置（a）面心立方；（b）体心立方,图17- 六方

8、晶格的间隙位置（a）八面体间隙；（b）四面体间隙,固溶体的晶体结构（间隙式）,四、固溶体,2020/9/22,五、有序固溶体,固溶体中一种原子的最近邻为异类原子的结构叫做有序结构；趋于有序结构的过程叫做有序化；所形成的有序结构的固溶体叫做有序固溶体。,几个概念,2020/9/22,呈现短程有序的固溶体，在低于一定的临界温度TC时，可能转变为长程有序的排列，并在X射线衍射图样上有超结构（或超晶格）线出现。,五、有序固溶体,图18 CuAu和Cu3Au有序固溶体的晶体结构,2020/9/22,有序化的驱动力： 混合能参量 m = AB-1/2 (AA + BB) 0， 有序化的阻力是组态熵，升温使它对自由能的贡献（- TS）增加，达到某个临界温度后，紊乱无序的固溶体更加稳定，有序固溶体消失。,有序化的驱动力与阻力,五、有序固溶体,2020/9/22,图19 Cu-Au系二元合金相图,有序固溶体的合金相图，以fcc为基的Cu-Au系、CuPt系有序固溶体，以bcc为基的Cu-Zn系、Fe-Al系有序固溶体，以hcp为基的Mg-Cd系有序固溶体。,五、有序固溶体,2020/9/22,有序化的程

9、度叫有序度，有序度有短程和长程之分。长程序不一定完全，其程度可用长程有序度参数（S）来表示，设A, B两种原子在完全有序状态分别占据两种位置与， 长程序参数被定义为 S =（R-XA) / (1-XA) = (R-XB) / (1-XB) 其中Xa及XB 为A、B两种原子的百分数， R表示位置为A原子所占据的分数， R 为表示位置为B原子所占的分数。 在完全无序状态R= XA， R = XB，因而 S=0； 在完全有序状态R=1， R=1，因而 S=1 在当长程有序接近零时短程有序还可以保持相当的数值，随着有序度的增加，先形成了有序畴（或反向畴），然后再逐渐长大。,有序度,五、有序固溶体,2020/9/22,有序度与温度的关系,采用统计热力学方法可以推导出长程有序参数与T的关系： = tgh(/2)=tgh(- Zm/2kT) （1） 令x= /2, = 2x / = (- 2kT/Z m) x （2） 在-x坐标系中，上式为一直线，其斜率为（- 2kT/Z m），将x值代入第一个式子，得到 = tghx= tgh (- Zm/2kT) （3） （3）式为双曲线正切函数，这一曲线与（2）式不同温度的直线的交点，就是不同温度的长程有序度,五、有序固溶体,2020/9/22,五、有序固溶体,图20、确定长程有序度的方法,当x=0，则=0，这时双曲正切函数曲线的斜率dtanhx/dx=1。要有大于零的解，则图20中直线和斜率应小于1，即温度超过某一临界温度(Tc)，则都是零。从公式（2）的直线斜率为1的条件得到Tc= -Zm/2k，由于m0，故Tc为正值， m的绝对值愈大，则有序固溶体愈稳定，需要较高的温度使它完全无序化，故Tc愈高。,2020/9/22,有序固溶体的结构和X-射线衍射特征,有序排列的证据在于X-射线衍射图样上有超结构线出现。当A原子平面的散射波和B原子平面的散射波的位相差正好为时，由于两种原子的散射因子不同，散射波不能互相抵消，就形成了所谓的超结构线。在无序排列的固溶体中，点阵中每个位置上原子的散射振幅相当于两种原子散射因子的平均值，因此，相邻原子平面的散射波完全抵消，没有超结构线出现。,五、有序固溶体,图21

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