浙大材料科学基础课件part7.docx

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浙大材料科学基础课件part7

（六）晶界的特性

晶界的特性：

不完好，畸变较大，存在晶界能，晶粒长大和晶界的平直化能减小晶界总面积，降低晶界总能量；

晶界常温下对塑性变形起阻碍作用，显然，晶粒越细，金属材料的强度、硬度也越高；

晶界有较高动能及缺陷，熔点较低，腐蚀速度较快

第三章固溶体

固溶体：

类似于液体中含有溶质的溶液，晶体中含有外来杂质原子的一种固体的溶液

固溶体特点：

掺入外来杂质原子后原来的晶体构造不发生转变。

但点阵畸变，性能变化

如多数合金，硅中掺入磷和硼都是固溶体

固溶度：

外来组分量可在一定范围内变化，不破坏晶体构造的最大溶解度量

中间相：

超过固溶体的溶解限度时，可能形成晶体构造不同，处于两端固溶体的中间部位的新相

固溶体分类：

置换固溶体，间隙固溶体，缺位固溶体,如图3-1所示

溶体的有序和无序分类：

据溶质原子在溶剂晶体构造中排列的有序与否区分。

达某一尺度为有序畴；长程有序可为超构造

有限和无限固溶体分类：

两组元在固态呈无限溶解，即为〔连§3-1影响固溶度的因素

构造一样只是完全固溶的必要条件，不是充分条件

续固溶体〕无限固溶体

一、休姆-罗瑟里（Hume-Rothery）规律

固溶体固溶度的一般规律：

1、尺寸因素:

当尺寸因素不利时，固溶度很小；

2、化学亲和力:

稳定中间相〔和组元的化学亲和力有关〕会使一次固溶体的固溶度下降〔中间相自由能曲线低〕；

3、电子浓度:

电子浓度〔价电子数和原子数的比值〕影响固溶度和中间相稳定性，

〔溶质价为v，溶剂价为V〕。

还有适用于某些合金系的“相对价效应〞，即高价元素在低价中的固溶度大

二、尺寸因素

尺寸与溶解度关系：

溶质与溶剂原子的尺寸相差大，畸变大，稳定性就低，溶解度小

点阵常数的改变：

置换固溶体，平均点阵常数增大或收缩,如图3-2所示；间隙固溶体，总是随溶质溶入而增大。

维伽定律：

固溶体点阵常数a与溶质的浓度x之间呈线性关系：

。

离子晶满足，但合金偏离〔有正、负偏向〕，如图3-3所示,说明点阵常数还受其他一些因素影响。

静位移:

当两种不同尺寸的原子固溶在一起时，各个原子将不同程度地偏离其理想的点阵位置（图中方格的交点），固溶体因溶质与溶剂原子尺寸不同而产生点阵畸变可以用原子的平均“静位移〞来估量。

原子实际中心与其点阵位置之差称为静位移（从图3-4可见）

尺寸因素对固溶度的影响：

连续介质弹性力学估算。

得到尺寸条件为

，r1、r2溶剂和溶质原子半径

15%规律：

相对差小于14~15%，才可能形成溶解度较大甚至无限固溶体。

事实上，当键的长度变化到10～15%左右时，大多数的晶体变成不稳定，别离产生新相，如膨胀到10%左右熔化

15%规律，主要针对金属中的固溶体；用于非金属时，用离子半径或键长代替。

另外，15%规律并不是非常严格的，还应考虑与详细的构造有关

宽容系数：

由ABO3型的钙钛矿型构造可得

（图3-5）；但实际上，

，rb值可以在一定范围内变化，不至于使构造发生变化

　三、电价因素

1、在金属中：

电子浓度与溶解度：

溶解度受电子浓度控制。

固溶体的电子浓度有极限值（一价面心立方合金Cu、Ag约为1.4）。

因此，溶质元素的原子价越高，其溶解度就越小，如图3-6和图3-7所示。

极限电子浓度与晶体构造类型：

对铜锌合金的电子构造进展计算，得出面心立方的α固溶体极限电子浓度为1.36，而体心立方的β相为1.48，与实验结果甚为接近。

但有异议

过渡族元素的“平均族数〞（AGN）概念：

因为d壳层未被填满，虽可奉献外层电子，却又吸收电子填充d壳层，原子价在0～2范围变化。

各元素的族数以满壳层以外的s+p+d电子总数计值。

按各元素的原子百分数乘以其族数求平均值。

例如20atm%铬的镍基固溶体，平均族数为

固溶限度与平均族数：

一些面心立方固溶体的溶解限约位于平均族数为，体心立方钼为基约为

2、离子晶体：

离子价对固溶体的影响：

离子价一样或离子价总和一样时才生成连续固溶体。

如A2+B4+O3型钙钛矿构造，A位和B位平均原子价之和等于6，离子半径符合条件：

。

图3-8是PbTiO3-PbZrO3系统的高温相图及常温相图。

一般，不等价离子，又不发生复合取代，很少生成固溶体，即使能生成也只有百分之几范围。

也有例外，如MgAl2O4-Al2O3和CaO-ZrO2，基体中产生空位，大的固溶体区域，可能与构造相似有关。

随着离子价差异的增大，中间化合物的数目增多，固溶度那么下降

四、电负性因素

化学亲和力对固溶体溶解度的影响：

溶质元素与溶剂化学亲和力强，倾向于生成化合物。

化合物越稳定，那么固溶度越小。

见图3-9和表3-1

表3-1镁基固溶体的溶解度与所生成化合物稳定性的关系

化学亲和力与固溶度：

通常以电负性因素来衡量。

电负性差大，化学亲和力强，化合物越稳定。

电负性相近的元素可能具有大的溶解度，电负性之差小于±

达肯经历规律：

±0.4的边界主要针对金属，对氧化物，更决定于离子尺寸及电价因素。

场强与固溶度：

中间化合物的数目与场强之差∆（Z/d2）成正比〔二元系两种正离子的场强差〕。

∆（Z/d2）=0，固溶度最大，生成完全固溶的固溶体；∆（Z/d2）小于10%，互溶或具有大固溶度；∆（Z/d2）增大，一个低共熔点→两个低共熔点→许多中间化合物

图3-10是表示氧化物系统的场强差与化合物数目的实验结果的关系。

证明场强差大，导致生成化合物的数目增多

§3-2固溶体各论

三类固溶体的区分方法：

通过测定固溶体的点阵参数和密度。

固溶体的计算确定：

平均原子数n与理论原子数n0比拟

n=n0为置换固溶体，n>n0为间隙，n

（

）V为晶胞体积，ρ为固溶体密度

一、置换固溶体

在金属铁中：

构造相容与置换：

晶体构造一样有较好的相容性图3-11。

如体心立方的Mo、W、V、Cr等元素在体心立方的α-Fe中溶解度要大于γ-Fe中；面心立方构造的Co、Ni、Cu等在γ-Fe中的溶解度大于在α-Fe中

尺寸因素分析：

原子直径相差都不超过15%有较大固溶度。

如Ni、Co、Cr、V等元素与铁无限固溶，原子直径相差都不超过10%；Mg、Ca、Rb、Sr等元素在铁中溶解度均很小，直径相差在15%以上。

图3-12可解释，至于C和N在γ-Fe中一定的溶解度是形成了间隙固溶体。

合金元素在铁中的溶解度如下表所示

表3-2合金元素在铁中的溶解度

在氧化物中：

晶体构造一样和尺寸相近有较好的相容性。

MgO和FeO各自具有NaCl型构造，两种离子半径相差又不超过15%，完全互溶；CaO和MgO，超过了15%，局部互溶；钙钛矿构造的钛酸铅PT也可以形成一系列完全互溶的置换型固溶体

二、间隙固溶体

间隙固溶体：

原子接近于溶剂构造中某些间隙的大小，处于间隙位置，形成间隙固溶体

在金属中：

溶质元素是半径小于1A的一些非金属元素。

即氢、硼、碳、氮、氧等

间隙形状、大小与溶解度：

间隙元素小间隙大，溶解度相对较大，但与详细情况有关。

γ-Fe中溶入碳原子，八面体间隙，碳，点阵畸变，溶解度受限，（1148︒C）仅2.11wt%，约相当于9.2atm%；α-Fe中，虽四面体间隙大于八面体间隙，但尺寸仍远小于碳，溶解度极小。

且测定说明，碳在α-Fe八面体间隙中

在无机非金属材料中：

可利用的空隙较多。

面心立方构造的MgO，四面体空隙可利用；TiO2中还有八面体空隙可利用；CaF2构造中那么有配位为八的较大空隙存在

三、有序固溶体

包括短程有序和长程有序两类。

（一）短程有序-微观不均匀性

溶质原子分布的三种情况：

1、无序分布。

随机的、呈统计性，如图3-13（a），最近邻有溶质原子的几率等于溶质原子分数，甚低的稀薄固溶体中或在高温时才有可能；

2、偏聚状态。

同类原子对（AA或BB）的结合较异类原子对（AB）强，如图3-13（b）；

3、有序分布。

异类原子对（AB）的结合较同类原子对（AA或BB）强，如图3-13（c）。

短程有序：

有序分布通常只存在于短间隔小范围内的情况。

“短程序参数〞α：

描绘固溶体点阵分布特点的参数之一。

假想以B原子为中心的同心圆球，在i层球面上共Ci个原子，其A平均数ni个，而按合金成分层上A应为mACi个，有

；从最近邻原子的成键分析，

，NAB表示A-B键数，NAB*为溶质随机分布A-B键数目，P’A为B邻近出现A的几率，CA为A的浓度。

αi=0，完全无序；αi负，有序分布；αi正，偏聚态。

短程序参数αi可通过x射线分析方法予以估算。

实验得出，合金中短程序的程度，即αi的数值，还与其成分有关，图3-14所示为金镍固溶体的短程序参数与成分的关系。

短程序参数σ：

描绘固溶体点阵分布特点的参数之一。

。

（NAB）max是完全有序时最大A-B键数。

完全有序时，NAB=（NAB）max，σ=1；完全无序时NAB=NAB*，σ=0。

反相畴：

短程有序，到达临界温度Tc时形成的畴。

畴内有序完全，相邻的有序畴反相。

如图3-15

温度低于Tc时，畴壁不再稳定，由短程有序变为长程有序，可成为超构造。

（二）长程有序

长程有序：

溶质原子在整个晶体中完全呈有序分布，也称为“超构造〞。

图3-18是Cu3Au的X射线德拜相出现明显的超构造线条的示意图

长程序参数ϕ：

，A原子占有某一α位置的几率为PAα，完全有序时，PAα=1，ϕ=1；完全无序时PAα=CA，ϕ=0。

局部有序时PAα在CA～1之间；ϕ在0～l之间。

其中把格点分成α、β两类。

完全有序时，A原子占据α格点位置，B原子占据β位置（如图3-16所示）。

长程序和短程序的不同：

如图3-15，AB键比例很高，P’A≈1，考虑溶质浓度C=CA=1/2，从短程序角度有α1=1-2P’A≈-1，σ=2P’A-1≈1，近完全有序；从长程序的角度，PAα=1/2，ϕ=0，无序

典型有序构造：

图3-17（a）Cu3Au面心立方；

图3-17（b）CuAuI面心四方，；

图3-17（c）CuAuII反相畴，间隔五晶胞

四、固溶体的理论分析与计算

固溶体中的缺陷、固溶体的密度及晶格参数：

根据固溶体的基体物质及溶入物质的性质、固溶时的形成条件等不同，形成固溶体的形式也就不同，从而引起固溶体中的缺陷、固溶体的密度及晶格参数等出现明显的不同。

理论上分析：

固溶体的类型，固溶体中的缺陷形式，固溶体密度，晶格参数及溶入物的含量等之间必然存在着一定的关联。

实际中：

溶入物的含量、固溶体的密度及晶格参数等可以测定，从而可以利用这类参数对固溶体进展理论分析和计算来获得其它的特性参数。

分析例如：

分析确定CaO溶入CeO2。

CeO2为萤石〔CaF2〕构造，如图3-19所示。

假设参加xmol%CaO形成固溶体，并测得固溶体密度为ρg/cm3，晶格参数为aA，那么就可以确定固溶体的主要缺陷形式。

1、生成置换型固溶体时的缺陷反响计算〔其中α为CaO的溶入摩尔数〕：

缺陷反响方程如下：

这时固溶体的分子式为：

的CaO含量x，可以求出α并写出与溶入物CaO的量x直接相关的两个分子式如下：

因此生成置换型固溶体时的分子式为：

考虑每个晶胞含4个CeO2格点位置，分子量M，计算出生成置换型固溶体时的理论密度ρs

2、生成填隙型固溶体时的缺陷反响计算〔其中β为CaO的溶入摩尔数〕：

缺陷反响方程如下：

这时固溶体的分子式为：

的CaO含量x，可以求出β并写出与溶入物CaO的量x直接相关的两个分子式如下：

因此生成填隙型固溶体时的分子式为：

考虑每个晶胞含4个CeO2格点位置，分子量M，计算出生成填隙型固溶体时的理论密度ρi

固溶体形式最终确定：

比照实测密度ρ与理论计算密度ρs和ρi哪一个更接近，便可根本确定固溶体实际以哪一种缺陷形式存在。

五、中间相

中间相：

两组元A和B超过固溶体的溶解限度，形成晶体构造不同的新相。

它们在二元相图上所处的位置总是中间部位

金属中间相特点：

以化合物为基的固溶体。

构造不同于纯组元，可在一定浓度区间存在，反映了金属键的特征。

如Cu-Zn系中的β、γ、ε相，图3-20

金属间化合物：

在中间相稳定的整个温度区间内显示出长程序的中间相，较遵守一定的化合比，存在的浓度区间很窄。

金属键的特征少

中间相分类：

主要包括：

1、服从原子价〔具有离子键特征〕的正常价化合物、

2、受控于电子浓度（e/a）的电子化合物、

3、小尺寸原子与过渡族金属之间形成〔受原子尺寸因素控制〕的间隙相和间隙化合物、拓扑密堆相等

（一）电子化合物

电子相：

电子浓度和晶体构造间有明确对应关系的中间相。

Cu-Zn系合金的三个电子相β、γ、ε为CuZn、Cu5Zn8和CuZn3，对应的电子浓度为3/2、21/13和7/4。

图3-20，表3-5所示