浙大材料科学基础课件part7

(六)晶界的特性晶界的特性：不完整，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结构不发生转变。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，不破坏晶体结构的最大溶解度量中间相：超过固溶体的溶解限度时，可能形成晶体结构不同，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,如错误!未找到引用源。所示溶体的有序和无序分类：据溶质原子在溶剂晶体结构中排列的有序与否区分。达某一尺度为有序畴；长程有序可为超结构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影响固溶度的因素结构相同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，100)100(vxxVae（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,如错误!未找到引用源。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：xaaaa)(121。离子晶满足，但合金偏离（有正、负偏差），如错误!未找到引用源。所示,表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15.0212rrr，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，分离产生新相，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%规律并不是十分严格的，还应考虑与具体的结构有关宽容系数：由ABO3型的钙钛矿型结构可得)(2ObOarrrr(错误!未找到引用源。)；但实际上，)(2)(2ObOaObOarrrrtrrtrr，rb值可以在一定范围内变化，不至于使结构发生变化三、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，如错误!未找到引用源。和错误!未找到引用源。所示。极限电子浓度与晶体结构类型：对铜锌合金的电子结构进行计算，得出面心立方的固溶体极限电子浓度为1.36，而体心立方的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，虽可贡献外层电子，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2.91008010206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8.4，体心立方钼为基约为6.62、离子晶体：离子价对固溶体的影响：离子价相同或离子价总和相同时才生成连续固溶体。如A2+B4+O3型钙钛矿结构，A位和B位平均原子价之和等于6，离子半径符合条件：9.01.1)(2trrrrtOBOA。错误!未找到引用源。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，可能与结构相似有关。随着离子价差别的增大，中间化合物的数目增多，固溶度则下降四、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，则固溶度越小。见错误!未找到引用源。和表3-1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±0.4是一个边界达肯经验规律：±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错误!未找到引用源。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比较n=n0为置换固溶体，nn0为间隙，nn0为缺位固溶体。VAn241065.1(1002211ACACA)V为晶胞体积，为固溶体密度一、置换固溶体在金属铁中：结构相容与置换：晶体结构相同有较好的相容性错误!未找到引用源。。如体心立方的Mo、W、V、Cr等元素在体心立方的-Fe中溶解度要大于-Fe中；面心立方结构的Co、Ni、Cu等在-Fe中的溶解度大于在-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。错误!未找到引用源。可解释，至于C和N在-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在氧化物中：晶体结构相同和尺寸相近有较好的相容性。MgO和FeO各自具有NaCl型结构，两种离子半径相差又不超过15%，完全互溶；CaO和MgO，超过了15%，部分互溶；钙钛矿结构的钛酸铅PT也可以形成一系列完全互溶的置换型固溶体表3-2合金元素在铁中的溶解度二、间隙固溶体间隙固溶体：原子接近于溶剂结构中某些间隙的大小，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，但与具体情况有关。-Fe中溶入碳原子，八面体间隙0.535A，碳0.77A，点阵畸变，溶解度受限，(1148C)仅2.11wt%，约相当于9.2atm%；-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。且测定表明，碳在-Fe八面体间隙中在无机非金属材料中：可利用的空隙较多。面心立方结构的MgO，四面体空隙可利用；TiO2中还有八面体空隙可利用；CaF2结构中则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，如错误!未找到引用源。(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，如错误!未找到引用源。(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，如错误!未找到引用源。(c)。短程有序：有序分布通常只存在于短距离小范围内的情况。“短程序参数”：描述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iAiiCmn1；从最近邻原子的成键分析，AAABABCPNN111，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。i=0，完全无序；i负，有序分布；i正，偏聚态。短程序参数i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i的数值，还与其成分有关，错误!未找到引用源。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：描述固溶体点阵分布特点的参数之一。ABABABABNNNNmax)(。(NAB)max是完全有序时最大A-B键数。完全有序时，NAB=(NAB)max，=1；完全无序时NAB=NAB，=0。反相畴：短程有序，达到临界温度Tc时形成的畴。畴内有序完全，相邻的有序畴反相。如错误!未找到引用源。温度低于Tc时，畴壁不再稳定，由短程有序变为长程有序，可成为超结构。(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“超结构”。错误!未找到引用源。是Cu3Au的X射线德拜相出现明显的超结构线条的示意图长程序参数：AAACCP1，A原子占有某一位置的几率为PA，完全有序时，PA=1，=1；完全无序时PA=CA，=0。部分有序时PA在CA～1之间；在0～l之间。其中把格点分成、两类。完全有序时，A原子占据格点位置，B原子占据位置(如错误!未找到引用源。所示)。长程序和短程序的不同：如错误!未找到引用源。，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1=1-2P’A-1，=2P’A-11，近完全有序；从长程序的角度，PA=1/2，=0，无序典型有序结构：错误!未找到引用源。(a)Cu3Au面心立方；错误!未找到引用源。(b)CuAuI面心四方，c/a=0.935；错误!未找到引用源。(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，从而可以利用这类已知参数对固溶体进行理论分析和计算来获得其它的特性参数。分析示例：分析确定CaO溶入CeO2。CeO2为萤石（CaF2）结构，如错误!未找到引用源。所示。若已知加入xmol%CaO形成固溶体，并测得固溶体密度为g/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应计算（其中为CaO的溶入摩尔数）：缺陷反应方程如下：OOCeCeOOVaCCaO2这时固溶体的分子式为：21)(OVCaCeO已知的CaO含量x，可以求出并写出与溶入物CaO的量x直接相关的两个分子式如下：xxxxxCeCa有111因而生成置换型固溶体时的分子式为：xxOxxOVCaCe21][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s3231002.6])2()1[(4aMxMxMxOCaCes2、生成填隙型固溶体时的缺陷反应计算（其中为