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1、材料科学基础,2010.9,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,2,第二章 固体中的相结构,主要内容 固溶体 金属间化合物 陶瓷晶体相 玻璃相 分子相,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,3,第二章 固体中的相结构,组元：组成材料最基本、独立的物质。 组元可以是纯元素(金属或非金属)也可以是化合物； 材料可以是单组元的，也可由多组元组成。 相：合金中具有同一聚集状态、同一晶 体结构和性质并以界面隔开的均匀 组成部分。 分类：固溶体、中间相(金属间化合物)。,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,4,2.1 固溶体什么是固熔体?,固溶体:固态下一种组元(溶质)溶解在另 一种
2、组元(溶剂)中形成的新相. 固溶度:溶质原子在溶剂中的最大含量(极 限溶解度,摩尔分数). 特点:固溶体具有溶剂组元的点阵类型, 晶格常数稍有变化. 晶格与固溶体相同的组元为溶剂;其他组元为溶质.,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,5,2.1 固溶体什么是固熔体?,固溶体的分类:,按溶质原子位置不同,可分为: 置换固溶体、间隙固溶体,置换固溶体 间隙固溶体,按固溶度不同,可分为: 有限固溶体、无限固溶体,按溶质原子分布不同,可分为: 无序固溶体、有序固溶体,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,6,2.1 固溶体置换固溶体,置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位 置的固溶体。 有限
3、置换固溶体 无限置换固溶体,摩尔分数x大于50%的组元为溶剂,小于50%的组元为溶质.,无限置换固溶体中两组元素原子置换示意图,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,7,2.1 固溶体置换固溶体,置换固溶体的溶解度(表2-1):,部分合金元素在铁中的溶解度(质量分数),2019/2/14,第二章 固体中的相结构,8,2.1 固溶体置换固溶体,原子尺寸因素 原子尺寸差越小，越易形成置换固溶体，且溶解度越大。r=(rA-rB)/rA,当r15%时，有利于大量互溶。,影响置换固溶体溶解度的因素:,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,9,2.1 固溶体置换固溶体,晶体结构因素 结构相同，
4、溶解度大，有可能形成无限固溶体; 电负性因素 电负性:从其他原子夺取电子而成为负离子的能力; 电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大; 电子浓度因素 电子浓度:合金中两组元价电子总数(e)与其原子总数之比; 电子浓度e/a越大，溶解度越小。 e/a有一极限值，超过该值后固溶体不稳定,形成新相.极限值与溶剂晶体结构有关,一价面心立方金属为1.36，一价体心立方金属为1.48.,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,10,2.1 固溶体间隙固溶体,组成：原子半径较小(小于0.1nm)的非金属元 素溶入金属晶体的间隙。 影响因素：原子半径和溶剂结构。 溶解度：一般都很小,只能形成有限固溶体.
5、如:C在-Fe中的最大溶解度2.11%;在-Fe中的最大溶解度仅为0.0218%.,间隙固溶体:溶质原子分布于溶剂晶格间 隙而形成的固溶体。,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,11,2.1 固溶体有序固溶体,分布状态取决于同类原子和异类原子间结合力的相对大小: 偏聚:同类原子间结合能大于异类原子间结合能; 有序:同类原子间结合能小于异类原子间结合能.,完全无序:基本不存在微观不均匀,偏聚:A-A原子间结合能大于A-B原子间结合能,部分有序:有序分布在短距离小范围内存在短程有序,完全有序:全部达到有序分布状态 长程有序,原子达到一定原子分数,有序固溶体:溶质原子呈完全有序分布的固溶体.
6、,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,12,2.1 固溶体有序固溶体,有序化:,有序固溶体有确定的化学成分 Cu-Au合金:,有序化温度:有序化临界转变温度.,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,13,2.1 固溶体固溶体的性能,点阵常数改变 产生固溶强化 现象:固溶体的强度和硬度高于纯组元,塑性则较低. 固溶强化:由于溶质原子的溶入而引起的强化效应. 特点及规律: 间隙固溶体的强化效果高于置换固溶体，前者产生柯氏气团,后者主要靠有序强化. 溶质和溶剂原子尺寸相差越大,固溶强化越显著; 固溶度越小,固溶强化效果越强. 物理、化学性能改变,2019/2/14,第二章 固体中的相结
7、构,14,2.2 金属间化合物,金属间化合物:由金属与金属或金属与类金属元素之间形成的化合物,也称为中间相. 分类： 正常价化合物符合原子价规则的化合物. 电子化合物(电子相)电子浓度起主要作用,不 符合原子价规则. 间隙化合物尺寸因素起主要作用. 主要影响因素: 电负性、电子浓度、原子尺寸,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,15,2.2 金属间化合物正常价化合物,形成:金属元素+A,A,VIIA族元素构成,电负性差起主要作用,对AmBn有: mec=n(8-eA). 键型：随电负性差的减小，分别形成离子键、共价键、金属键; 电负性差越大,稳定性越高. 组成：AB或A2B(AB2)两
8、种.,ZnS,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,16,2.2 金属间化合物电子化合物,形成：B或过渡族金属元素与B,A,A族 金属元素构成,电子浓度起主要作用,不 符合原子价规则. 键型：金属键(金属金属). 组成：电子浓度对应晶体结构，可用化学式表 示.,可形成以化合物为基的固溶体. 有明显的金属特性.,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,17,2.2金属间化合物间隙化合物,形成：过渡族元素+原子半径很小的非金属元 素,尺寸因素起主要作用。 结构： 由非金属原子半径/过渡族金属原子半径(RX/RM)确定; 简单间隙化合物(间隙相)： (RX/RM)0.59且(R30%),主
9、要是铁、钴、铬、锰的化合物，结构复杂，如Fe3C。 组成：可用化学式表示，可形成固溶体，复杂 间隙化合物的金属元素可被置换。 键型：共价键和金属键。,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,18,2.2金属间化合物特性,力学性能：高强度、高硬度、低塑性 可广泛用作强化相: 正常价化合物及电子化合物有色金属的强化相; 简单间隙化合物合金钢及硬质合金中重要强化相; 复杂间隙化合物合金钢及高温合金中的强化相. 物化性能：具有电学、磁学、声学、催化性质以及电子发射性质、化学稳定性、热稳定性和高温强度等 已经或正在用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料 、耐热材料等.,2019/2/14,第二章 固
10、体中的相结构,19,2.3 陶瓷晶体相陶瓷简介,按用途可分为： 结构陶瓷(利用其力学性能)：强度(叶片、活塞)韧性(切削刀具)硬度(研磨材料)。 功能陶瓷(利用其物理性能)：精细功能陶瓷(导电、气敏、湿敏、生物、超导陶瓷等);功能转换陶瓷(压电、光电、热电、磁光、声光陶瓷等)。 按结构可分为：氧化物陶瓷、硅酸盐陶瓷,现代陶瓷的分类,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,20,2.3 陶瓷晶体相陶瓷简介,陶瓷晶体的共同特点： 以离子键为主，或含有一定量的共价键； 有确定成分，可以用准确的分子式表示； 具有典型的非金属性质。,陶瓷的基本相：晶体相(主晶相)决定陶瓷的力学及理化性能。,2019
11、/2/14,第二章 固体中的相结构,21,2.3 陶瓷晶体相氧化物结构,氧化物陶瓷是典型的离子化合物；,分类： AB型NaCl结构; AB2型CaF2结构; A2B3型Al2O3结构; ABO3型CaTiO3结构; AB2O4型MgAl2O4结构。,并非一定含有氧元素,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,22,2.3 陶瓷晶体相氧化物结构,AB型化合物的结构,阴离子按立方最紧密方式堆积，阳离子填充于全部的八面体空隙中，阴、阳离子的配位数都为6。,NaCl晶体晶格,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,23,2.3 陶瓷晶体相氧化物结构,立方晶系，阳离子位于立方面心的节点位置上，阴
12、离子则位于立方体内8个小立方体的中心; 阳离子的配位数位8，而阴离子的的配位数为4。,AB2型化合物的结构,萤石(CaF2)结构,晶胞结构,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,24,2.3 陶瓷晶体相氧化物结构,Al2O3的晶体结构,A2B3型化合物的结构,密排面堆积,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,25,2.3 陶瓷晶体相氧化物结构,六方晶系.阴离子按六方紧密堆积排列，而阳离子填充于2/3的八面体空隙，因此阳离子的分布必须有一定的规律，其原则就是在同一层和层与层之间，阳离子之间的距离应保持最远，这是符合于鲍林规则的.,密堆积结构在(0001)面投影,2019/2/14,第
13、二章 固体中的相结构,26,2.3 陶瓷晶体相硅酸盐陶瓷,硅酸盐陶瓷的结构特点 基本结构单元：SiO4四面体; 结合键与结构：主要是离子键结合，含一定比例的共价键, 硅位于氧四面体的间隙; 每个氧最多被两个多面体共有,氧在两个四面体之间充当桥梁作用，称为氧桥。,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,27,2.3 陶瓷晶体相硅酸盐陶瓷,SiO4的四面体排列,双重的四面体单元(Si2O7)6-,硅酸盐的基本结构单元,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,28,2.3 陶瓷晶体相硅酸盐陶瓷,硅酸盐陶瓷的结构分类,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,29,2.3 陶瓷晶体相硅酸盐陶
14、瓷,链状硅酸盐：Si-O团共顶连接成一维结构，又含单链和双链两类。,链状硅氧 四面体,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,30,2.3 陶瓷晶体相硅酸盐陶瓷,单链结构类型,1节链 2节链 3节链 4节链 5节链 7节链,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,31,2.3 陶瓷晶体相硅酸盐陶瓷,层状硅酸盐:Si-O团底面共顶连接成二维结构。,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,32,2.3 陶瓷晶体相硅酸盐陶瓷,骨架状硅酸盐:Si-O团共顶连接成三维网络结构.,方石英的晶体结构,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,33,2.4 玻璃相,玻璃:从液态凝固下来的、结构与
15、液态连 续的非晶态固体。 形成条件：内部黏度; 外部冷却速度. 结构:长程无序,短程有序 多面体连续无规网络模型; 多面体无规密堆模型; 无规则线团模型.,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,34,2.4 玻璃相,性能特点: 各向同性; 无固定熔点; 高强度、高耐蚀性、高导磁率。,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,35,2.5 分子相大分子及其构成,基本概念 分子相：固体中分子的聚集状态高分子 材料 高分子化合物：由一种或多种化合物聚合 而成的相对分子质量很大 的化合物,又称聚合物或高 聚物.,高分子化合物,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,36,2.5 分子相大分
16、子及其构成,高分子化合物的分类 按相对分子质量：分为低分子聚合物(5000). 按组成物质：分为有机聚合物和无机聚合物. 按性能与用途：塑料、橡胶、纤维、胶黏剂等; 按生成反应类型：加聚物、缩聚物; 按物质的热行为： 热塑性聚合物和热固性聚合物.,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,37,2.5 分子相大分子及其构成,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,38,2.5 分子相大分子及其构成,聚合度n：大分子链中链节的重复次数; 相对分子质量: M=mn 多采用平均分子相对质量,化学组成(以氯乙烯聚合成聚氯乙烯为例),单体：组成高分子化合物的低分子化合物; 链节：组成大分子的结构单元:,2019/2/14,第二章 固体中的相结构,39,2.5 分子相大分子及其构成,加聚反应 概念：由一种或多种单体相互加成而连接成聚 合物的反应(其产物为聚合物). 组成：
