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大学材料科学基础 第五章材料的相结构和相图(1)

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第五章 材料的相结构及相图

第五章 材料的相结构及相图
第五章 材料的相结构及相图
第一节 第二节 第三节 材料的相结构 二元相图及其类型 复杂相图分析
第一节 材料的相结构
工业上应用的金属材料主要是合金。合金中的相结构是多种多样的， 但可分为两大类：固溶体和化合物。 一、固溶体 溶质原子完全溶入固态溶剂中，所生成的合金相与溶剂的晶格结构相同， 该合金相叫固溶体。固溶体的成分一般可在一定范围内连续变化，随溶质 的溶入，将引起溶剂晶格畸变，使合金强度硬度升高这便是固溶强化。
(三)固溶体的微观不均匀性
图4-2 固溶体中溶质原子分布示意图 a）无序分布 b）偏聚分布 c）短程有序分布 图4-3 有序固溶体的晶体结构 a）CuAu b）Cu3Au
二、金属间化合物
• A、B组元间组成合金时，可形成晶体结构不同于A、B两组元的化合物相 。这种相的成分处在A在B中和B在A中的最大溶解度之间，因此也叫中间 相。中间相的结合键主要为金属键，兼有离子键和共价键。因此中间相 又称金属间化合物。
2. 结晶过程分析
图4-8 结晶过程示意图
晶核的形成有两种方式。在液体内部，存在大量时聚时散的近程有序的大小 不等的原子集团即晶胚。在过冷的情况下，借助液体中的能量起伏，某些晶胚 的尺寸有可能大于临界尺寸，这些晶胚可自发生长，成为结晶核心，所以这种 形核方式叫自发形核或均匀形核。另一种形核方式为结晶时，依附过冷液相中 的高熔点固态杂质形成晶核，所以称非自发形核或非均匀形核。非均匀形核所 需能量比均匀形核低得多，所以实际金属结晶大多是非均匀形核。 由晶核长成的小晶体叫晶粒，晶粒之间的交界叫晶界。晶粒的二维平衡形貌 为多边形块状，三叉晶界，晶界夹角为120℃。 （2）固溶体的结晶 对于二元合金，组元数为2，结晶时两相共存，故f=2－2+1=1 ，所以固溶体合金在一定 温度范围结晶。典型合金平衡结晶过程，如图4-9所示。合金冷至液相线t1温度开始结晶 出含高熔点组元Ni多的1固溶体。随温度的下降，固溶体的数量不断增多，液相的数量 不断减少，同时液固两相的成分也分别沿液相线和固相线不断变化。冷至固相线温度t3 时，结晶结束。由于平衡结晶，原子有充分扩散时间，所以结晶出的固溶体成分均匀一 致。

材料的相结构及相图第一、二节2014

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

第五章材料相结构和相图

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

0501材料相结构和相图

0501材料相结构和相图

2
5.1
材料相结构
以合金中某一组元为溶剂， 固溶体：以合金中某一组元为溶剂，其 他组元为溶质形成的、与溶剂有相同晶 他组元为溶质形成的、 体结构、 体结构、晶格常数稍有变化的固相 它可在一定成分范围内存在，性能随成 它可在一定成分范围内存在， 分变化。 分变化。 几乎所有金属都可形成固溶体
3
一、固溶体
性差小—固溶度大 —差大化合 差大化合 电负性差值∆X<0.4~0.5时，有利于形 时 电负性差值 成固溶体，随电负差值增加固溶度增加。 成固溶体，随电负差值增加固溶度增加。 ∆X>0.4~0.5，倾向于形成稳定的化合 ， 其电负性差值越大， 物，其电负性差值越大，固溶体中固溶 度越小。 度越小。
正常价化合物： 正常价化合物：电负性差起主要作用 电子化合物：不符合正常化学价规律， 电子化合物：不符合正常化学价规律，电子浓度规律为主 尺寸因素化合物：畸变能增至一定容限， 尺寸因素化合物：畸变能增至一定容限，原结构不稳定
12
正常价化合物：电负性差起主要作用， 正常价化合物：电负性差起主要作用，电负性差值较大 的元素按通常的化学价规律形成的化合物， 的元素按通常的化学价规律形成的化合物，可用化学式 表示，金属元素与IV、 、 族元素组成 表示，金属元素与 、V、VI族元素组成 •电负性差值越大，稳定性越高，愈接近离子键合，反之趋 电负性差值越大，稳定性越高，愈接近离子键合， 电负性差值越大 向于金属键合 •包括从离子键、共价键过渡到金属键为主的一系列化合物 包括从离子键、共价键过渡到金属键为主的一系列化合物 包括从离子键 •通常具有较高的强度和脆性，固溶度范围极小 通常具有较高的强度和脆性， 通常具有较高的强度和脆性 •在相图上为一条垂直线 在相图上为一条垂直线

第五章材料的相结构及相图

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

材料科学基础I 第五章 (相图)

材料科学基础I 第五章 (相图)

F = 0的含义是：在保持系统平衡状态不变的条件下，没有可以 的含义是：在保持系统平衡状态不变的条件下， 的含义是 独立变化的变量。 独立变化的变量。即，任何变量的变化都会造成系统平衡状态 的变化。 的变化。
纯水的PT相图： 纯水的 相图：在a点，水在 相图 点 水在1 大气压、 ℃ 条件下 保持液(水 条件下， 大气压、(0℃)条件下，保持液 水) –固(冰)二相平衡。温度升高，冰 二相平衡。 固 冰 二相平衡 温度升高， 溶化成水；温度降低， 溶化成水；温度降低，水结晶成 也就是说，此时水的液-固平 冰。也就是说，此时水的液 固平 衡转变是在恒温(0℃ 下进行的 下进行的。 衡转变是在恒温 ℃)下进行的。 b点是气 液二相平衡点，意义与 点是气–液二相平衡点 点是气 液二相平衡点，意义与a 点相似。 之间(0℃ 点相似。在a、b之间 ℃~100℃)， 、 之间 ℃， 水是单一的液相(P =1)，此时F =1， 水是单一的液相 ，此时 ， 这说明在此范围内温度的变化不 会引起状态的改变。 会引起状态的改变。
二、相图的建立
建立相图的方法有两种： 建立相图的方法有两种： 利用已有的热力学参数，通过热力学计算和分析建立相图； 利用已有的热力学参数，通过热力学计算和分析建立相图； 依靠实验的方法建立相图。 依靠实验的方法建立相图。 目前计算法还在发展之中，实际使用的相图都是实验法建立的。 目前计算法还在发展之中，实际使用的相图都是实验法建立的。 实验法建立相图的原理和步骤： 实验法建立相图的原理和步骤： 二元合金相图的建立为例。 以A-B二元合金相图的建立为例。 二元合金相图的建立为例 首先， 首先，将A-B二元合金系分成 二元合金系分成 若干种不同成分的合金。 若干种不同成分的合金。 1) 合金成分间隔越小，合金数目 合金成分间隔越小， 越多，测得的相图越精确； 越多，测得的相图越精确； 2) 合金成分间隔不需要相等。 合金成分间隔不需要相等。

材料科学基础-第五章 材料的相结构及相图


相律在相图中的应用
C
2 二元系
P 1 2
3 1
f 2 1 0
3 2 1 0
含义
单相合金，成分和温度都可变 两相平衡，成分、相对量和温度 等因素中只有一个独立变量 三相平衡，三相的成分、相对 量及温度都确定 单相合金其中两个组元的含量 及温度三个因素均可变 两相平衡，两相的成分、数量 及温度中有两个独立变量 三相平衡，所有变量中只有 一个是独立变量 四相平衡所有因素都确定不变
结构简单的具有极高的硬度及熔点，是合金工具钢和硬 质合金的重要组成相。
I. 间隙化合物
间隙化合物和间隙固溶体的异同点
相同点： 非金属原子以间隙的方式进入晶格。
不同点： 间隙化合物：间隙化合物中的金属组元大多与自 身原来的结构类型不同 间隙固溶体：间隙固溶体中的金属组元仍保持自 身的晶格结构
I. 尺寸因素
II. 晶体结构因素 组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且有可 能形成无限固溶体。若不同只能形成有限固溶体。
III. 电负性差因素
两元素间电负性差越小，越易形成固溶体，且形成的 固溶体的溶解度越大；随两元素间电负性差增大，固 溶度减小。

1）电负性差值ΔX<0.4~0.5时，有利于形成固溶体 2）ΔX>0.4~0.5，倾向于形成稳定的化合物
Mg2Si
Mg—Si相图
(2)电子化合物
由ⅠB族或过渡金属元素与ⅡB，ⅢB，ⅣB族元素 形成的金属化合物。 不遵守化合价规律，晶格类型随化合物电子浓度 而变化。 电子浓度为3/2时： 呈体心立方结构（b相）； 电子浓度为21/13时：呈复杂立方结构（g相）； 电子浓度为21/12时。呈密排六方结构（e相）；
NaCl型 CaF2型 闪锌矿型 硫锌矿型 （面心立方） （面心立方） （立方ZnS） （六方ZnS）

材料科学基础(讲稿5章)


Cu-Ni合金的铸态组织 ×50 树枝状
39
3）特点 (ⅰ) 冷却速度较快. (ⅱ) 开始结晶温度低于液相线. (ⅲ) 结晶中，剩余液相特别是晶粒内部成分不 均匀，先结晶的部分含高熔点组元较多，后 结晶的部分含低熔点组元较多；固相平均成 分偏离固相线，液相平均成分是否偏离液相 线随冷却速度而异. (ⅳ) 结晶终了温度低于固相线. (ⅴ) 通常不能应用杠杆定律. (ⅵ) 室温铸态有晶内偏析，形成树枝状组织.
Zn 2+、Ga 3+、Ge 4+、As 5+在Cu+中的最大固溶度（摩尔分数） 分别为38%、20%、12%、7%
6
Zn 2+、Ga 3+、Ge 4+、As 5+在Cu+中达最大 固溶度时所对应的e/a≈1.4→极限电子浓度


超过极限电子浓度，固溶体就不稳定，会 形成新相。 计算电子浓度时，元素的原子价指的是： 原子平均贡献出的共有电子数，与该元素 在化学反应时的价数不完全一致。

不平衡共晶形成原因分析
56
3）离异共晶——合金中 先共晶相的量很多，共晶 体的量很少时，共晶体中 与先共晶相相同的相依附 于先共晶相生长，将共晶 体中的另一相孤立在先共 晶相的晶界处．这种共晶 体两相分离的组织称为离 异共晶.
57ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Pb-Sb共晶离异组织（铸态）×400 α 相依附初生晶α 析出，形成离异的 白色网状β
58
3、包晶相图及其结晶
（1）相图分析 液相线 单相区 两相区 固相线 三相区 固溶度曲线 （2）包晶反应 在一定温度下，由一固定成分的液相与一个固定成 分的固相作用，生成另一个成分固定的固相的反应， 称为包晶反应。

材料科学基础 第五章 5.1-5.4相图


5.2.3 杠杆定律
设成份为 X的合金的总重量为1，液相的相对重量为 QL，其 成份为 X1，固相相对重量为Qα，其成份为X2，则 ：
5.2.4 相图的类型和结构 根据组元的多少，可分为单元系、二元系、三元 系 …. 相图。
二元系相图的类型有：
① 液态无限溶解，固态无限溶解 -匀晶相图； ②液态无限溶解，固态有限溶解 -共晶相图和包晶
共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）
共晶合金的特殊性质： ①比纯组元熔点低，简化了熔化和铸造的操作； ②共晶合金比纯金属有更好的流动性，其在凝固之 中防止了阻碍液体流动的枝晶形成，从而改善铸造 性能； ③恒温转变（无凝固温度范围）减少了铸造缺陷， 例如偏聚和缩孔； ④共晶凝固可获得多种形态的显微组织，尤其是规 则排列的层状或杆状共晶组织可能成为优异性能的 原位复合材料（in－situ composite ）。
5.2.2 相律
相律(phase rule)是表示在平衡条件下，系统的自 由度数、组元数和相数之间的关系，是系统的平 衡条件的数学表达式。 相律数学表达式：f = C – P + 2 式中 P—平衡相数 C—体系的组元数 f—体系自由度（degrees of freedom） 数 2－温度和压力 自由度数 f：是指不影响体系平衡状态的独立可 变参数（温度、压力、浓度等）的数目。 在恒压下，相律表达式： f = C – P + 1
相律的应用
① 利用它可以确定系统中可能存在的最多平衡相数 单元系，因f ≥0，故 P≤1-0+1=2，平衡相最大为二个。 注意：这并不是说，单元系中能够出现的相数不能超过二 个，而是说，某一固定 T下，单元系中不同的相只能有两 个同时存在，而其它相则在别的条件下存在。

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第5章材料的相结构及相图一、选择题三元系统相图中，若存在有n条界线，则此系统相图中能连接出（）条连线。

A．3B．n－1C．nD．n＋1【答案】C【解析】三元系统相图中，存在几条界线就能在相图中连接出几条连线。

二、填空题1．Fe-Fe3C相图中含碳量小于______为钢，大于______为铸铁；铁碳合金室温平衡组织均由______和______两个基本相组成；奥氏体其晶体结构是______，合金平衡结晶时，奥氏体的最大含碳量是______；珠光体的含碳量是______；莱氏体的含碳量为______；在常温下，亚共析钢的平衡组织是______，过共析钢的平衡组织是______；Fe3CⅠ是从______中析出的，Fe3CⅡ是从______中析出的，Fe3CⅢ是从______中析出的，它们的含碳量为______。

【答案】2.11％C；2.11％C；铁素体（a）；渗碳体（Fe3C）；FCC；2.11％；0.77％；4.3％；铁素体和珠光体；珠光体和Fe3CⅡ；液相；奥氏体；铁素体；6.69％2．置换固溶体的溶解度与原子尺寸因素、______、电子浓度因素和______有关。

【答案】电负性；晶体结构三、判断题1．中间相只是包括那些位于相图中间且可以用一个分子式表示的化合物相。

（）【答案】×【解析】凡是位于相图中间的各种合金相结构都统称为中间相，这其中当然包括一个分子式表示的化合物相以及一些固溶体相。

2．三元相图中的三元无变量点都有可能成为析晶结束点。

（）【答案】×【解析】三元相图中三条界线的交点是三元无变量点，也是低共熔点，它的液相同时对三种晶相饱和。

低共熔点也是存在液相的最低温度点。

通过低共熔点平行于底面的平面称为固相面或结晶结束面。

固相面之下全部是固相。

四、名词解释1．中间相答：中间相是指合金中组元之间形成的、与纯组元结构不同的相。

在相图的中间区域。

2．间隙固溶体答：间隙固溶体是指若溶质原子比较小时可以进入溶剂晶格的间隙位置之中而不改变溶剂的晶格类型所形成的固溶体。

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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。
一．固溶体 (Solid Solution) 溶质原子完全溶于固态溶剂中，并能 并能 保持溶剂元素的晶格类型， 保持溶剂元素的晶格类型，这种类型的合 金相称为固溶体。在合金中固溶体是基体 相。 根据溶质原子在溶剂中的位置，可将 其分为： 置换式固溶体与间隙式固溶体。 根据溶剂金属中溶质的溶解度，可将 其分为： 无限固溶体和有限固溶体。
异价代换的对角线法则—— 处于周期表对角线上的元素间 容易发生异价代换。 有些元素可以双向代换，有 些只能单向代换。 (2) 晶格能量 朝有利于降低 晶体内能的方向进行。 离子的能量与电荷的平方成 反比，与半径成正比。高电价 离子置换低电价离子，小半径 置换大半径的情况容易发生。
图5—2 异价类物质同向代换的对角向 法则
本章学习重点： 本章学习重点： 1 掌握组元、相的概念； 2 相的分类； 3 能够运用相图正确分析合金在凝固过程中所 发生的组织转变； 4 掌握合金成分变化对组织的影响规律和成分、 组织、性能三者之间的关系。
第一节 材料的相结构
(Structure of Phase)
组元：组成合金最基本的独立物质 ，可以 是元素，也可以是稳定的化合物 如钢铁中 Fe是元素，Fe3C是化合物。 相：合金中具有同一聚集状态、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。 材料中的相可分成两大类：固溶体和中间相。
影响陶瓷材料固溶度的因素： 1. 与金属固溶体类似：原子半径差越小，温度越 高，电负性差越小，固溶度越大。两化合物的晶 体结构相同，且在其它条件都有利的情况下，相 同电价的离子间可能完全互换而形成无限固溶体。 2. 与金属固溶体不同： (1) 代换前后离子的总电价必须相等以保持晶 格的电中性 等价代换——相互代换的离子电价相等。 异价代换——代换离子间电价不相等 偶合代换：钠长石—钙长石系统 Ca2++Al3+→Na++Si4+ 附加阴离子：钆萤石 Y3+ + F- → Ca2+ 置换与间隙式固溶混合：绿柱石 Li+ + Cs+ → Be2+
溶质原子周围的溶剂原子偏离正常点 阵位置的现象，形成弹塑性应力场。
1.2 影响置换固溶体溶解度的因素
1. 原子尺寸因素 一般用组元间原子半径之差与其中一组元的 原子半径之比表示： ⊿r = (rA-rB)/rA， rA – 溶剂金属半径 ⊿r越小，则固溶度越大，反之，固溶度越小， 因为点阵畸变增大。 ⊿ r超过30%不易形成置 换固溶体。 大量固溶条件： ⊿r ～±14－15%
4. 晶体结构因素 溶质与溶剂晶格结构相同则固溶度较大， 反之则较小。 晶体结构类型相同是组元间形成无限固溶 体的必要条件，形成有限固溶体时，组元 间晶体结构相同溶解度也比不同时大。 影响溶解度是一个较复杂的问题，有 时是几个因素共同其作用，需要综合考虑。 一般来说，固溶体中溶解度都是有限的， 能形成无限固溶体的体系不多，如： Cu-Ni, Au-Ag, Fe-Cr, W-Mo等。
４. 陶瓷材料与金属及金属固溶体的差别
围绕维持晶体的电中性，陶瓷 维持晶体的电中性， 维持晶体的电中性 化合物中离子代换的限制： 1) 多数离子型晶体因排列紧密， 形成弗兰克尔（原子）空位的 可能性较小；形成肖脱基（空 位+间隙原子）空位时必须是 电价总和为零的正、负离子同 时移出晶体，在晶体中形成正、 负离子的空位对。
3. 尺寸因素化合物 晶体结构主要受组元的原子尺寸因素的 控制的中间相，通常是由过渡族金属与原子 半径很小的非金属元素氢、氮、碳、硼所组 成。 根据组元原子半径的比值，可将其分 为两类：rX/rM<0.59时，形成具有简单晶体 结构的化合物，称为间隙相；当rX/rM>0.59 时，则形成具有复杂晶体结构的化合物， 称为间隙化合物
2) 间隙化合物 特点：晶体结构复杂 晶体结构复杂，例如铁碳合金中的渗碳 晶体结构复杂 体Fe3C，具有复杂的正交晶格，其晶胞中含有 12个铁原子和4个碳原子。间隙化合物也具有 很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要 的强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合物 的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一些。 在合金钢中经常遇到的有： M3C(Fe3C, Mn3C)、M7C3 (Cr7C3)、M23C6 (Cr23C6)、M6C (Fe3W3C, Fe4W2C) 等类型。 间隙相、间隙化合物和间隙固溶体的区别？ 间隙相、间隙化合物和间隙固溶体的区别？
1) 间隙相 特点：晶体结构简单，多为sc,fcc,bcc,hcp。 非金属原子位于金属元素晶格的间隙处， 可以用简单的分子式表示：M4X、M2X、MX、 MX2，但是它们的成分可以在一定的范围内 变动。 具有极高的熔点和硬度，同时脆性也很大， 是高合金钢和硬质合金中的重要强化相。
钢中常见的间隙相 化学式 M4X Fe4N, Mn4N, Nb4C Ti2H, Zr2H, Fe2N, Cr2N, V2N, M 2X W2C, Mo2C, V2C TaC, TiC, ZrC, VC, VN, TiN, CrN, ZrH MX TaH, NbH WC, MoN MX2 TiH2, ThH2, ZnH2 结构类型 面心立方 密排六方 面心立方 体心立方 简单立方 面心立方
中间相的得名：从组成上看，它位于A在B中 和B在A中的最大溶解度之间，因此得名中间 相。这在相图中可看的非常清楚。 中间相特点： (1)与固溶体最大的区别是它的晶体结构 晶体结构不同 晶体结构 于组成中的任一组元。 (2) 按一定的原子比组成，可以用化学分子式 表示其成分。但实际上许多中间相成分并不 固定，可在一定范围内变化，其化学分子式 只是形式上的。
2. 电负性因素 指组成合金的组元原子，吸引电子形成 负离子的倾向。 组元间电负性相差越小，越容易形成固溶 体，溶解度也越大；反之容易形成化合 物。 因为电负性相差很大，即两组元之间化 学亲和力很大时，往往形成比较稳定的 化合物，即使形成固溶体，其固溶度往 往也小。
3. 电子浓度因素 指合金晶体中的价电子数与其原子数之比： a）在贵金属 (低价) 合金中，溶入高价溶质 金属时存在一极限电子浓度，这时溶质的 溶解度与它们的化合价有关，化合价越高， 溶解度越低。 b）极限电子浓度受固溶体晶体结构控制： fcc为1.36，bcc为1.48，hcp为1.75。
1 置换式固溶体 (substitutional solid solusion) 溶质原子取代溶剂晶格结点位置的原子而形 成的固溶体。金属元素彼此之间通常都形成置换 式固溶体，如Fe-Ni，Fe-Cr，Cu-Zn等。
1.1 置换固溶体的结构
固溶体的最大特点是保持溶剂的晶格类 保持溶剂的晶格类 型不变， 型不变，但与纯溶剂组元相比，结构已发生 了很大的变化，主要表现为： ⑴ 晶格畸变
第五章 料的相结构及相图
组元——组成材料最基本的、独立的物质。组元可 以是纯元素（Cu、Ni、A1、Ti、Fe等），非金属元 素（C、N、B、O等）；也可以是化合物（Al2O3、 SiO2，ZrO2、TiC、BN、TiO2等）。 合金——指由两种或两种以上的金属、或金属与非 金属经熔炼或用其他方法制成的具有金属特性的物 质。如黄铜是铜锌合金，钢、铁是铁碳合金。 二元合金——由两个组元组成的合金。 三元合金——由三个组元组成的合金。
2. 电子化合物 (Electron Phases ) 这类化合物的晶体结构主要受电子 浓度控制，见表5-2，但并非唯一因素。 电子化合物的组成虽然可以用化学式 表示，但其成分可以在一定的范围内变 化，因此可以把它看作是以化合物为基 的固溶体；缺位固溶体，亦称电子相。 常在贵金属Cu, Ag, Au 与Zn, Al, Sn 所形成的合金中出现，结合键为金属键， 具有很高的熔点和硬度，但脆性很大， 是有色金属中的重要强化相。
4．固溶体中溶质原子的偏聚与有序
无序
偏聚
有序
有序固溶体 具有短程有序固溶体，当其成分接近一 定原子比（如1:1）时，当低于某一温度时， 可能使溶质和溶剂原子在整个晶体中都按一 定的顺序排列起，即由短程有序转变为长程 有序，这样的固溶体称为有序固溶体，如 CuAu有序固溶体。