材料科学基础——二元系相图

拓扑学形成空间利用率很高配位数大的一类结 构。利用两种尺寸不同原子的配合，尽是成四 面体堆垛(为主)。密堆结构配位数很高，都大 于12，可为14、15、16。
拓扑密堆结构可用配位多面体来描述：原子为 中心，周围原子用直线连接构成的多面体。多 面体的面为三角形，称为三角形配位多面体， 如此类推……

拓扑密堆相(Topologically ClosePacked Phase)
配位多面体的几何特性

拓扑结构也可以看作层状结构，主要原子层通常 由较小的原子所组成。具有一定的形状，常常包 含有六角形、四角形和三角形的图案。次层由大 原子组成并分布于主层的大空隙中。 拓扑密堆结构相通常有下面几种：拉弗斯(Laves) 相、 σ相、R相和P相。
正常价化合物 电子化合物 间隙相与 间隙化合物 拓扑密堆相
合金相结构总结

当二组元的电负性差别较大时，可能形成正常价化合 物。 当电子浓度是控制因素，并达到21/12、21/13、 21/14时，可能形成电子化合物。


当尺寸因素为主要因素时，还要看电子浓度因素与电 化学因素：
影响固溶度的因素
(1) 尺寸因素(Size Factor)
溶质和溶剂的相对尺寸差别
Δr＝(r质-r剂)/r剂
必须小于15%，才可能有比较大的固溶度。
点阵畸变： rb＞ra rb＜ra
膨胀 收缩
影响固溶度的因素
(2) 电负性因素(Electronegativity Factor)
电负性：原子吸引电子形成负离子的倾向。
是有限固溶体。晶体结构相同并同时满足电负
性和尺寸相近的条件下可能形成无限固溶体。
Ni-Cu, Fe-Cr, Au-Ag
3.间隙固溶体 (Interstitial SS)
尺寸很小的溶质原子，在固溶体中处在晶胞 的间隙位置，形成间隙固溶体。 Δr>0.41
溶质原子
原子半径(Å)
H
0.46
B
0.97
C
0.77
Zn,Ga,Ge,As在一价铜中最大溶解度分别为
38%,20%,12%,7%;
溶剂元素为1价面心立方时，C电子极限＝1.36
溶剂元素为1价体心立方时，C电子极限＝1.48
溶剂元素为1价密排六方时，C电子极限＝1.75
影响固溶度的因素
(4) 晶体结构因素(Structure Factor)
溶质原子与溶剂原子的晶体结构不同时，一般
正常价化合物


纤维锌矿(ZnS), 密排六方: AlN, γ-MnS, GaAs, GaSb, InSb, AlP。 NiAs: As组成密排六方，Ni在其间隙中。
2. 电子化合物

Hume(休姆)：电子浓度和晶体结构有明确对应 关系。 电子浓度通常为21/14，21/13，21/12。
几种电子化合物的电子浓度与晶体结构 电子浓度＝21/14＝3/2 β体心立方 复杂立方 β-Mn结构 密排六方δ Cu5Ge, AgZn, Ag3Al, Cu5Sn 21/13 γ黄铜结 构 Cu5Zn8, Cu31Si8, Ni5Be21, Fe5Zn21 21/12 密排六 方结构 CuZn3 , Cu3Sn, Cu3Si, Ag3Sn, Au5Al3
CuBe, FeAl Cu5Si, Ag3Al, CuZn, NiAl AgHg, Au3Al Cu3Al, Cu3Sn, Cu3In
计算电子浓度，各元素的价电子
价电子 1 2 3
元素 Cu, Ag, Au Be, Mg, Zn, Cd, Hg Ga, Al, In
价电子 4 5 6
元素 Si, Ge, Sn, Pb P, As, Bi, Sb Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Pt, Ir, Ds
影响固溶度的因素
溶剂原子与溶质原子的电负性差越大， 固溶度越小。
(3) 电子浓度因素(Electron concentration Factor)
电子浓度：合金相中各组元价电子总数与原子 总数之比。
C电子
VA 100 x VB x 100
尺寸因素有利情况下，溶质元素的原 子价越高，固溶度越小。
(1) 间隙相

结合一般是共价键和金属键，一般可用简单 化学式表示，并且一定化学式对应一定的晶 体结构。
具有极高硬度和熔点，
多数具有金属性，是
合金工具钢及硬质合
金中的强化相。
(2) 间隙化合物
种类多，结 构复杂。
熔点和硬度 均比间隙相 略低，是钢
中最常见的 强化相。
Fe3C
4. 拓扑密堆相(Topologically ClosePacked Phase)

3.1.2 固溶体 Solid Solution

固溶体：溶质原子完全溶入固态溶剂中，并 能保持溶剂元素的晶格类型所形成的合金相。
1.分类：
B
A为纯金属：第一类固溶体
A
A为化合物：第二类固溶体
置换固溶体(Substitutional SS)
间隙固溶体(Interstitial SS)
有限固溶体(Finitude SS)
Phase Diagrams
• Indicate phases as a function of Temp, Comp and Pressure. • Focus on: - binary systems: 2 components. - independent variables: T and C (P = 1 atm is almost always used).
材料科学基础
Fundamentals of Materials Science
第三章 合金相结构及二元相图
3.1 合金相结构★
3.2 液态合金固化★ ★
3.6 二元包晶相图 ★
3.3 二元相图的建立
3.4 二元匀晶相图 ★
3.7 其它类型二元相图
3.8 相图与性能
3.5 二元共晶相图 ★
3.9 二元相图热力学初步 ★

当二组元的电负性差别较大时，可能形成正常价化合 物。 当电子浓度是控制因素，并达到21/12、21/13、 21/14时，可能形成电子化合物。


当尺寸因素为主要因素时，还要看电子浓度因素与电 化学因素：
1.当二组元的原子半径差Δr<8-15%，结构类型相同、 电负性相差很小、价电子数相等时，可能形成无限固 溶体；如果，Δr<15%，但结构不同，或 15%<Δr<20%，均可能形成有限固溶体。
固溶体的性能
固溶强化：间隙原子造成的点阵不对称畸变， 产生一个强应力场，该应力场与位错产生强烈
的交互作用。
马氏体转变：马氏体具有较高的强度。
3.1.3 金属间化合物/中间相

定义：不和相图端际相连接的相。成分处在A于B
中和B于A中的最大溶解度之间。可以是化合物， 也可以是以化合物为基的固溶体。 结构不同于组成化合物的组元。 主要为金属键，兼有离子键、共价键。具有金属的
T(°C) 1600 1500 1400 L (liquid)
• 2 phases:
L (liquid) a (FCC solid solution)
Cu-Ni system
1300
1200
1100 1000
a (FCC solid solution)
• 3 different phase fields: L L+ a a
合金相结构

3.1
为何工业上很少使用纯金属，而多使用合金？ 纯金属性能有限。 合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属， 经熔炼或烧结，或用其他方法组合而成的具有金 属特性的物质。


组元：组成合金最基本的、独立的物质。(如二元、 三元、多元合金)可以是纯元素，也可以是化合物。
合金相结构

相(phase) ：合金中具有同一聚集状态、成分 和性能均一，并以界面分开的组成部分。 合金相由固溶体和中间相两大尺寸因素为主要因素时，还要看电子浓 度因素与电化学因素： 2. 30%<Δr<41%，电负性相差较大，可 能形成间隙化合物。 3.Δr>41%，电负性相差较大，可能形成 间隙相。 4. Δr>41%，电负性相差不大，可能形成 间隙固溶体。
3.3 二元相图的建立
由一种元素或化合物构成的晶体称为单组元晶体或 纯晶体，该体系称为单元系。
对于不含气相的凝聚体系，相律可写成：
二元合金相图的基本知识
相图的物理意义

二元相图通常用纵坐标表示温度，横坐标表示
成分
a.已知合金成分，根据相图找出不同温 度下合金所处的状态和相变点。 b.温度一定，合金所处的状态以及合金 随成分发生的相转变。
c.相图表明的是热力学的平衡状态。 d.相图并未表明各相的分布状态。如弥散度、晶 粒大小，与形状。 e.许多理论研究和实际生产工艺都是从相图出发 或以此为依据的。 f.不同温度时组织状态随成分而改变的规律---金 相分析的重要依据。 (新合金的研制--熔铸--加工--热处理工艺规范)
T(°C) 1600 1500 1400 L (liquid) B D
Cu-Ni system
1300 1200 1100 1000 Cu 0 20 A 40 a (FCC solid solution)
60
80
100
wt% Ni
48
合金相结构总结
置换固溶体 固溶体 间隙固溶体
合金相
中间相/ 金属间 化合物
N
0.71
O
0.60

间隙固溶体的固溶度还与晶格类型有关。
面心立方：八面体间隙>四面体间隙 体心立方：更容易进入到八面体间隙