【材科基干货】第11期：合金相的晶体结构（一）

我们讲解了纯金属的三种典型晶体结构，而合金才是工业上广泛应用的金属材料。本期将对上海交通大学版《材料科学基础》第2章内容：固体结构，合金相结构进行讲解。

01概念辨析

（1）合金：两种或多种元素（其中至少有一种金属元素）通过化学键合而形成的具有金属特性的物质。

（2）组元：组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质，是组成一个系统的基本单元，例如，单质(元素)、化合物构成合金的元素，不包括“含量”意义。

（3）合金系：具有相同组元和不同组元含量的合金总称。

（4）相：具有相同状态(气、液、固)，相同物理与化学性能，相同成分和结构，并与其它部分以界面分开的物质。

（5）单相合金：由一种相组成，在凝固过程中只析出一个固相的合金，如固溶体、金属间化合物。

（6）多相合金：由多种不同的相组成，在凝固过程中析出两种以上新相的合金，如具有共晶、包晶或偏晶转变的合金。

（7）组织：金属材料可观察到的微观形貌，其中包括晶粒大小，形状，种类及晶粒之间的相对数量和相对分布。组织由基本的相组成，如珠光体为铁素体（相）+渗碳体（相）。

（8）合金相：合金相是指组成合金组织的相的总称。合金的组成相多种多样，但根据合金组成元素及其原子相互作用的不同，合金相可分为固溶体和中间相两大类。

02置换固溶体

根据溶质原子占据溶剂点阵的位置，可将固溶体分为两类，置换固溶体和间隙固溶体。

置换固溶体：溶质原子取代了溶剂点阵中的原子或离子所形成的固溶体，如图1所示。

固溶度：溶剂溶解溶质的能力。

连续型（无限型）固溶体：溶质原子与溶剂原子以任意比例固溶，只有置换固溶体存在连续固溶体。

有限型固溶体：溶质在溶剂中部分固溶，间隙固溶体只能是有限固溶体。

影响置换固溶体固溶度的因素：

①原子或离子尺寸的影响

以r1代表半径大的溶剂（主晶相）原子的半径，r2代表半径小的溶质（杂质）原子的半径，则两者的原子半径差为

根据∆r数值的不同，会有以下几种情况：

• 当∆r<15%时，形成连续固溶体；

• 当15%≤∆r<30%时，形成有限型固溶体；

• 当∆r>30%时，很难或不能形成固溶体。

②晶体结构类型的影响

形成连续固溶体的条件：

若溶质与溶剂的晶体结构不同，则只能形成有限固溶体或不能形成固溶体

③电负性的影响

若溶质与溶剂原子（离子）的电负性相近，则化学亲和力小，有利于形成固溶体，不易于形成化合物；电负性相差越大，溶质与溶剂间的溶解度越小，当电负性相差很大时则形成中间相或化合物。

④电子浓度的影响

电子浓度：合金相中各组元价电子总数与原子总数之比。

电子浓度的计算方式如下：

A,B分别为溶剂和溶质的原子价，X为溶质的原子分数（%）

极限电子浓度：合金达到最大溶解度时的电子浓度都近似等于1.4。

溶质的电子浓度小则有利于溶于溶剂。

03间隙固溶体

间隙固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格的间隙位置而形成的固溶体，如图3所示。

影响间隙固溶体固溶度的因素：

• 如上所述，当溶质与溶剂的原子半径差∆r>30%时，不易形成置换固溶体。
  但当溶质与溶剂的原子半径比值为

时，有可能形成间隙固溶体。

• 溶剂：大多是过渡族元素。

• 溶质：一般是半径小于0.1 nm的非金属元素，如H, B, C, N, O等。

• 溶剂的晶格类型（间隙大小）与溶质的原子尺寸都影响固溶度。

• 溶剂晶格中间隙位置是有一定限度的，所以间隙固溶体只能是有限固溶体。
  

如图4所示，分别展示了纯金属（左上），置换固溶体（右上），间隙固溶体（左下）右下，置换固溶体和间隙固溶体的混合（右下）。

04固溶体的微观不均匀性

无序固溶体：溶质原子在溶剂晶体结构中的分布是任意的、无规则的。

有序固溶体：溶质原子一般呈无序分布，但在一定条件下它们可能局部或全部成为有序排列，即溶质原子与溶剂原子分别占据固定位置，如图4所示。这种有序结构也称超点阵。

• 同类、异类原子间亲合力相同 → 原子随机分布 → 无序

• 同类原子亲合力大，异类间小 → 同类原子偏聚 → 偏聚

• 同类原子亲合力小，异类间大→ 相间排列 → 有序

05固溶体的性质

（1）结构变化：存在点阵畸变，点阵常数变化，出现偏聚和有序化

• 置换式
  溶质原子> 溶剂原子 → 膨胀 → 点阵常数增大
  溶质原子< 溶剂原子 → 收缩 → 点阵常数减小

• 间隙式
  溶质原子一般均大于间隙 → 撑开 → 点阵常数增大

（2）力学性能：硬度、强度提高，塑形下降，即产生固溶强化。（固溶强化的讲解在后续章节）

（3）理化性能：电阻加大，导电率下降

固溶体部分的知识点汇总，见表1。

06重要思考题

Ag 和 Al 都是面心立方结构，且原子半径相似，r(Ag)=0.288mm，r(Al)=0.286nm，但都不能形成连续（无限）固溶体，为什么？

07易错题分享

表2给出了几种元素的原子半径、晶体结构、电负性、以及最常见的化合价；表中的非金属素只给出了原子半径。你认为上表中列出的哪些元素可以与铜形成：

(1) 完全互溶的置换固溶体，为什么？

(2) 部分互溶的置换固溶体，为什么？

(3) 间隙固溶体，为什么？

上期答案

（1）FCC和HCP结构的致密度均为0.74，配位数均为12，为什么是两种晶体结构？

（2）根据FCC和HCP晶体的堆垛特点论证这两种晶体中的八面体和四面体间隙的尺寸必相同。

解：

（1）为研究此问题，必须分析两种结构的堆垛特点。FCC的密排面为{111}，HCP的密排面为{0001}，两种结构最密排面的原子排列方式完全相同，但堆垛方式不同，FCC的堆垛方式为A-B-C-A-B-C···，而HCP的堆垛方式为ABABAB···。

（2）由（1）已阐述，两种结构最密排面上的原子排列方式完全相同。再观察两种结构的相邻两层密排面，发现层间结构也完全相同。而再观察两种结构的相邻三层密排面时，发现FCC和HCP的区别，如图7所示。八面体间隙和四面体间隙只与两层密排原子有关，对于这两种间隙，FCC与HCP的微观环境完全相同，因此两种间隙的尺寸也必相同。

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