主讲教师主讲教师李香芝李香芝§2-2 金属间化合物金属间化合物§2-1 固溶体固溶体《材料科学基础》第二章第二章 合金的相结构合金的相结构 《材料科学基础》 §2-1 固溶体固溶体一一. .固溶体特性固溶体特性第一页第一页 第一节第一节合金：由两种或两种以上的元素合金：由两种或两种以上的元素 （至少（至少一种金属元素）经熔炼、烧结等组合而一种金属元素）经熔炼、烧结等组合而成的具有成的具有金属特性金属特性的物质保持溶剂晶体结构；保持溶剂晶体结构； 成分可变结构不变成分可变结构不变,在相图中为一个相区；在相图中为一个相区；保持金属键结合；保持金属键结合； 产生固溶强化产生固溶强化 二二、、固固溶溶体体分分类类1.按溶质在溶剂中的位置划分：按溶质在溶剂中的位置划分：置换固溶体置换固溶体 间隙固溶体间隙固溶体2.按溶质在溶剂中的溶解度划分：按溶质在溶剂中的溶解度划分：有限固溶体有限固溶体 无限固溶体无限固溶体3.按溶质在溶剂中分布规律划分：按溶质在溶剂中分布规律划分：有序固溶体有序固溶体 无序固溶体无序固溶体第第2页页 第一节第一节第第3 3页页 置换固溶体置换固溶体- -溶质原子占据溶剂陣点位置所形成的。
溶质原子占据溶剂陣点位置所形成的 固溶体固溶体. . CuCu（（NiNi）或）或 Ni Ni（（Cu Cu ））三、置换固溶体三、置换固溶体 分类分类无限固溶体：无限固溶体：Cu-NiCu-Ni、、Au-AgAu-Ag……有限固溶体：有限固溶体：Cu-Zn(39%)Cu-Zn(39%)、、Cu-Cu-Sn(9%)Sn(9%) 无序固溶体：无序固溶体：Cu-NiCu-Ni、、Au-AgAu-Ag、、Cu-ZnCu-Zn 有序固溶体：有序固溶体：Cu-25%AuCu-25%Au（（CuCu3 3AuAu））.... 形成无限固溶体时两组元原子连续置换示意图形成无限固溶体时两组元原子连续置换示意图 第一节第一节第第4页页原子半径相近两类原子相互溶解原子半径相近两类原子相互溶解Cu-Ni 、、、、 Cu-Zn；； 保持溶剂晶体结构；保持溶剂晶体结构；保持溶剂晶体结构；保持溶剂晶体结构；溶剂原子占据陣点位置；溶剂原子占据陣点位置；产生产生固溶强化固溶强化-随着溶质原子的溶入导致固溶体的随着溶质原子的溶入导致固溶体的晶格畸变增加晶格畸变增加, ,从而使从而使σσb b、、HB↑HB↑、、δδ及及ααk k稍稍↓↓现象现象特特性性 无序置换固溶无序置换固溶 体结构示意图体结构示意图有序固溶体有序固溶体 Cu Cu3 3AuAu 置换固溶体点阵畸变示意图置换固溶体点阵畸变示意图 第第5页页第一节第一节晶晶体体结结构构因因素素原原子子尺尺寸寸因因素素 影响置换固溶体溶解度因素影响置换固溶体溶解度因素负负电电性性因因素素电电子子浓浓度度因因素素 晶体结构因素晶体结构因素●●组元间晶体结构相同是形成无限固溶体的必组元间晶体结构相同是形成无限固溶体的必 要条件。
如要条件如：：Cu-Ni合金无限固溶体）合金无限固溶体）●形成有限固溶体时，溶质元素与溶剂的结构形成有限固溶体时，溶质元素与溶剂的结构 类型相同类型相同, ,则溶解度通常也较不同结构时为大则溶解度通常也较不同结构时为大第第6页页 电子浓度因素（化合价因素）电子浓度因素（化合价因素）电子浓度电子浓度 v- v- 溶剂的原子价溶剂的原子价溶剂的原子价溶剂的原子价u- u- 溶质的原子价溶质的原子价溶质的原子价溶质的原子价x- x- 溶质的摩尔分数溶质的摩尔分数溶质的摩尔分数溶质的摩尔分数 极限电子浓度：形成固溶体的最大溶解度时对应的值极限电子浓度：形成固溶体的最大溶解度时对应的值一定溶剂的晶体结构对应一定的极限电子浓度值一定溶剂的晶体结构对应一定的极限电子浓度值一价的一价的bcc结构的金属为溶剂时，结构的金属为溶剂时，一价的一价的fcc结构的金属为溶剂时，结构的金属为溶剂时， 如：如：如：如： Cu（（Ni-无限）合金无限）合金如：如：如：如： Cu（（Zn-39%）合金）合金Cu（（Sn-9%）合金）合金 只有只有0价或价或1价的元素与价的元素与1价的元素相互溶解有可能形成价的元素相互溶解有可能形成无限固溶体。
超过极限电子浓度值越大溶解度越小无限固溶体超过极限电子浓度值越大溶解度越小,过过渡族元素化合价为渡族元素化合价为”零零”价价.（如：（如：Cu一一1价，价，Ni一一0价）价） 元素的化合价元素的化合价元素的化合价元素的化合价 化合价因素小结化合价因素小结化合价因素小结化合价因素小结 原子尺寸原子尺寸因素因素 只有当只有当△△r r＜＜1414％～％～1515％才可能无限互溶％才可能无限互溶● ● 以以FeFe为溶剂时为溶剂时△△r r＜＜8 8％才可能无限互溶％才可能无限互溶● ● 以以CuCu为溶剂时为溶剂时△△r r＜＜1010％～％～1111％才可能无限互溶％才可能无限互溶 原因是：原因是：△△r r越大晶格畸变越大，溶解度越小越大晶格畸变越大，溶解度越小如：如：Cu（（Ni-无限）合金无限）合金-第第7页页－溶剂原子半径－溶剂原子半径－溶剂原子半径－溶剂原子半径－溶质原子半径－溶质原子半径－溶质原子半径－溶质原子半径 负电性因素（化学亲合力）负电性因素（化学亲合力）负电性；原子负电性；原子接受电子而显示负电性的能力接受电子而显示负电性的能力 。
以负电性大小来衡量化学亲合力以负电性大小来衡量化学亲合力●两元素负电性差值两元素负电性差值ΔX＜＜0.4～～0.5时，有利于时，有利于 形成固溶体形成固溶体●ΔX＞＞0.4～～0.5，倾向于形成稳定的化合物，，倾向于形成稳定的化合物， 其负电性差值越小，固溶体中固溶度越大其负电性差值越小，固溶体中固溶度越大 如元素的负电性值：如元素的负电性值：Cu-1.9, Ni-1.9; Zn-1.6 , Sn-1.8Cu-Ni合金可能无限互溶；合金可能无限互溶； Cu-Zn,Cu-Sn合金溶解度小于合金溶解度小于Cu-Ni合金合金 第第8页页 四、四、间隙固溶体间隙固溶体 （（interstitial solidinterstitial solid））形成规律－原子半径较小的非金属元素形成规律－原子半径较小的非金属元素C C、、N N、、H H溶入溶入 过渡族元素的间隙位置过渡族元素的间隙位置 一一. .特点：特点：保持溶剂结构保持溶剂结构溶质原子均位于溶质原子均位于bccbcc、、fccfcc、、hcphcp 八面体间隙位置。
八面体间隙位置产生固溶强化，间隙固溶强化其强产生固溶强化，间隙固溶强化其强 化效果大于置换固溶强化化效果大于置换固溶强化第第9页页 间隙原子在间隙原子在bcc 结构中的位置结构中的位置间隙固溶体中间隙固溶体中的固溶强化的固溶强化 二二. .间隙固溶体的分类－间隙固溶体的分类－ ①①永远是有限固溶体永远是有限固溶体 ②②永远是无序固溶体永远是无序固溶体三三. .影响溶解度因素－影响溶解度因素－ 1. 1.溶剂一定时，溶质的原子半径越小，溶解度越大溶剂一定时，溶质的原子半径越小，溶解度越大1 1）温度相同时，溶剂晶体结构不同溶解度不同；）温度相同时，溶剂晶体结构不同溶解度不同； 727℃ 727℃时：时：C C原子溶入原子溶入γ-Feγ-Fe中最大溶解度为中最大溶解度为0.77%；； C原子溶入原子溶入α-Fe中最大溶解为中最大溶解为0.0218%；； （（2 2）溶剂晶体结构相同时，温度越高溶解度越大溶剂晶体结构相同时，温度越高溶解度越大C C原子溶入原子溶入γγ－－FeFe：：1148℃1148℃时最大溶解度为时最大溶解度为2.11%C2.11%C727℃727℃时最大溶解度为时最大溶解度为0.77%C0.77%C 有序固溶体及固溶体的微观不均匀性有序固溶体及固溶体的微观不均匀性●固溶体的微观不均匀性固溶体的微观不均匀性过去认为原子在固溶体中分布是统计的、均匀的过去认为原子在固溶体中分布是统计的、均匀的和无序的。
和无序的 第第11页页近年来研究表明无序固溶体只是宏观的一种说法，近年来研究表明无序固溶体只是宏观的一种说法，从微观尺度讲是不均匀的，可能出现完全无序、从微观尺度讲是不均匀的，可能出现完全无序、偏聚、短程有序和完全有序四种结构偏聚、短程有序和完全有序四种结构1 1）完全无序）完全无序当原子间作用力满足当原子间作用力满足f fABAB ＝＝ f fAAAA ＝＝ f fBBBB关系时呈关系时呈完全无序排列，如图（完全无序排列，如图（a a）所示 固溶体中溶质原子示意图固溶体中溶质原子示意图（（3 3）短程有序）短程有序 当部分原子间作用力当部分原子间作用力满足满足f fABAB > > f fAAAA( (或或 f fBBBB) )时，固溶体部分原子呈时，固溶体部分原子呈为短程有序，如图为短程有序，如图（（c c）4 4）有序分布（超结构）－当处于短程有序排列）有序分布（超结构）－当处于短程有序排列的原子达到一定的原子分数时，固溶体发生了有的原子达到一定的原子分数时，固溶体发生了有序化转变，从而形成了有序固溶体，如（序化转变，从而形成了有序固溶体，如（d d）图。
图2 2）偏聚）偏聚当原子间作用力满足当原子间作用力满足 fAA 或或 fBB > fAB 时出现时出现偏聚现象如图（偏聚现象如图（b b）） ●有序固溶体－超结构有序固溶体－超结构图图2－－7 Cu3Au 有序固溶体有序固溶体Cu-Au25％％合金：合金：390℃℃以上为置换固溶体；以上为置换固溶体； 390℃℃以下为有序固溶体以下为有序固溶体Cu3Au为面心立方点阵，为面心立方点阵，Cu原子占据面心原子占据面心 ，，Au原子位于陣点位置原子位于陣点位置Cu:Au＝＝3:1固溶体从无序固溶体从无序 有序称为有序称为有序化有序化,晶体结构发生了变化，晶体结构发生了变化，又称超结构又称超结构 - Cu原子原子 ● - Au原子原子固溶体有序化后强度、硬度上升，塑性明显下固溶体有序化后强度、硬度上升，塑性明显下降，磁性也发生变化，本质上是中间相降，磁性也发生变化，本质上是中间相 中间相中间相－－当溶质超过了在溶剂当溶质超过了在溶剂中的溶解度极限以后形成的中的溶解度极限以后形成的结构不同于任一组元的新相结构不同于任一组元的新相 第第二二节节中中间间相相或或金金属属化化合合物物 中间相中间相正正常常价价化化合合物物电电子子化化合合物物间间隙隙相相间间隙隙化化合合物物第第13页页第二节第二节 第二节第二节 （一）正常价化合物（一）正常价化合物1.1.形成规律及特点形成规律及特点（（1 1）是由负电性相差较大的两类元素（金属元素与）是由负电性相差较大的两类元素（金属元素与 ⅣⅣA、、ⅤⅤA、、ⅥⅥA族元素）所组成。
族元素）所组成2 2）两元素负电性相差越大，化合物越稳定两元素负电性相差越大，化合物越稳定3 3）组元呈有序排列，有严格的成分比，符合化合价规）组元呈有序排列，有严格的成分比，符合化合价规 律一般有：律一般有：AB、、 AB2 （（A2B）和）和A3B2型三种4 4）具有较高的硬度和韧性，组元间结合为离子键、共）具有较高的硬度和韧性，组元间结合为离子键、共 价键和金属间价键和金属间 如：如：AB型型：：NaCl、、ZnS离子键（六方和立方离子键（六方和立方ZnS）） AB2型型：：CaF2离子键；离子键； A2B型型：：Mg2Sn 共价键；共价键； Mg2Pb 金属键 第第14页页 第二节第二节2.2.结构特点结构特点 （（1 1））AB型型 ② ② 立方的立方的 ZnS结构结构- -fccfcc点阵点阵 （闪锌矿结构）（闪锌矿结构） 类似于类似于金刚石结构金刚石结构 ，，S S原原 子处于子处于Zn原子组成的原子组成的fccfcc点点 阵的阵的4 4个四面体间隙位置。
个四面体间隙位置① ① NaClNaCl结构－结构－fccfcc点阵点阵 每一个点阵（每一个点阵（0 0，，0 0，，0 0）占）占 据另一点阵（据另一点阵（ ，，0 0，，0 0）） 的八面体间隙位置的八面体间隙位置 Na:Cl＝＝1:1 1:1 有有FeS 、、MnS 金刚石结构金刚石结构金刚石结构金刚石结构 第二节第二节③ ③ 六方的六方的ZnSZnS结构结构 （硫锌矿结构）（硫锌矿结构） ZnZn及及S S原子各自构成原子各自构成hcphcp结构结构 并沿并沿C C轴错开轴错开 距离，每个距离，每个 点阵占据另一点阵的四面体点阵占据另一点阵的四面体 间隙位置的一半间隙位置的一半 有有ZnO、、SiC （（2 2））ABAB2 2 型型- - CaF CaF2 2结构结构 可以看作可以看作CaCa原子构成原子构成fccfcc点点阵，阵，F F原子位于原子位于CaCa子子fccfcc点阵点阵的的8 8个原四面体间隙位置个原四面体间隙位置原子比为原子比为CaCa：：F F＝＝1 1：：2 2 第第16页页 第二节第二节（二）电子化合物（二）电子化合物 表表3 3－－1 1 钢合金中常见的电子化合物钢合金中常见的电子化合物第第17页页1.1.形成规律及特性形成规律及特性 ● ● 是由是由ⅠBⅠB族元素与族元素与ZnZn、、AlAl、、SnSn等元素组成。
等元素组成● ● 一定的电子浓度对应一定的晶体结构一定的电子浓度对应一定的晶体结构 电子浓度有电子浓度有 、、 、、 三种三种( (过渡族元素化合价过渡族元素化合价““0”0”价价) ) 第二节第二节●组元间一般呈无序排列但在一定条件下可以从组元间一般呈无序排列但在一定条件下可以从 无序无序→有序转变（有序固溶体）有序转变（有序固溶体）●成分可在一定范围内变化，故称为以化合物为基成分可在一定范围内变化，故称为以化合物为基 的固溶体的固溶体 ●组元结合为金属键结合，具有明显的金属特性：组元结合为金属键结合，具有明显的金属特性： 高熔点、高硬度、低塑性高熔点、高硬度、低塑性 （三）受原子尺寸因素影响的中间相（三）受原子尺寸因素影响的中间相 1.1.间隙相间隙相 （（1 1）间隙相－原子半径较小的非金属元素（）间隙相－原子半径较小的非金属元素（C C、、N N、、 B… B…）溶入过渡族元素的间隙位置形成的新相，）溶入过渡族元素的间隙位置形成的新相， 满足满足 ＜＜ 0.59 , 0.59 , 具有简单结构。
具有简单结构第第18页页 第二节第二节（（2 2）特性）特性 ①①具有简单结构如：具有简单结构如：fccfcc、、bccbcc、、hcphcp、简单六方等简单六方等 ② ②一定比例的化学式对应一定的晶体结构一定比例的化学式对应一定的晶体结构 表表3 3－－2 2 钢中常见的间隙相钢中常见的间隙相第第19页页M4X 、、M 2X、、MX、、MX2四种化学式：四种化学式： 第二节第二节如：如：VCVC中的中的V V原子位于原子位于fccfcc结构的结构的格点位置格点位置C C原子位于原子位于fccfcc结构的全结构的全部八面体间隙位置部八面体间隙位置VCVC属于属于NaClNaCl结构，面心立方点阵结构，面心立方点阵③③成分可在一定范围内变化，成成分可在一定范围内变化，成 为缺位固溶体为缺位固溶体WC(W)WWC(W)W过量过量④④具有明显的金属特性：具有明显的金属特性：极高的极高的 熔点和硬度熔点和硬度、脆性大；导电、、脆性大；导电、 导热、具有正的电阻温度系数导热、具有正的电阻温度系数( (明显的金属特性明显的金属特性) )。
⑤⑤相同结构的间隙相可以相互溶解，形成无限固溶体相同结构的间隙相可以相互溶解，形成无限固溶体 TiCTiC-VC-VC，， TiC-ZrCTiC-ZrC第第20页页VCVC的晶体结构的晶体结构- -NaClNaCl结构结构 第二节第二节2.2.间隙化合物间隙化合物（（1 1）间隙化合物－原子半径较小的非金属元素（）间隙化合物－原子半径较小的非金属元素（C C、、 N N、、B…B…）溶入过渡族元素的间隙位置形成的新）溶入过渡族元素的间隙位置形成的新 相，满足相，满足 ＞＞0.59 , 0.59 , 具有复杂结构具有复杂结构 （（2 2）特性）特性 ① ①具有复杂的晶体结构常见的有：具有复杂的晶体结构常见的有： M M3 3C C型－型－FeFe3 3C , MC , M3 3C C等；等； M M6 6C C型－型－FeFe3 3W W3 3C , FeC , Fe4 4W W2 2C C等等; ; M M7 7C C3 3型－型－CrCr7 7C C3 3 ; ; M M2323C C6 6型－型－ CrCr2323C C6 6；； FeFe3 3C C 的晶体结构是正交点陣的晶体结构是正交点陣。
第第21页页 ② ② FeFe3 3C C、、FeFe3 3W W3 3C C等可溶入等可溶入MnMn、、MoMo、、W W等形成新相等形成新相 如：如：(Fe(Fe、、Mn)Mn)3 3C-C-合金渗碳体；合金渗碳体； (Fe (Fe、、Mn)Mn)3 3(W(W、、Mo)Mo)3 3C-C-特殊碳化物特殊碳化物③ ③ 硬而脆，塑性近似为零硬而脆，塑性近似为零, 950, 950～～1050HV ,(800HB)1050HV ,(800HB)间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物合理分布合理分布时是钢中的重要的强化相时是钢中的重要的强化相 第第22页页（四）超结构（有序固溶体）（四）超结构（有序固溶体）Cu-25Cu-25％％AuAu合金：合金：390℃390℃以上无序固溶体以上无序固溶体- -Cu(AuCu(Au) ) ；；390℃390℃以下可以形成有序固溶体以下可以形成有序固溶体, ,由无序由无序→→有序转化有序转化形成形成Cu3Au和和CuAu 两种有序固溶体（超结构）两种有序固溶体（超结构）有序固溶体的强度、硬度高、塑性、韧性差有序固溶体的强度、硬度高、塑性、韧性差。
第二节返回首页 第第2424页页CuAuCuAu中中: :CuCu原子和原子和AuAu原子分层排原子分层排列于（列于（001001）晶面上；）晶面上；CuCu3 3AuAu中中: :CuCu原子占据面心原子占据面心,Au,Au原原子占据顶角位置子占据顶角位置有序化后其性能发生明显变化：有序化后其性能发生明显变化：（（1 1）电阻率急剧降低；）电阻率急剧降低；（（2 2）硬度明显增加；）硬度明显增加；（（3 3）无序时呈顺磁性，有序化呈铁磁性无序时呈顺磁性，有序化呈铁磁性 有序固溶体的晶体结构有序固溶体的晶体结构 （（a）） CuAu （（b）） Cu3Au 本教程： 得到河北工业大学 现代化教学中心 （办公02226564131） 的大力支持和帮助版权所有 侵权必究返回首页前一页 。