我們講解了純金屬的三種典型晶體結構，而合金才是工業(yè)上廣泛應用的金屬材料。本期將對上海交通大學版《材料科學基礎》第2章內(nèi)容：固體結構，合金相結構進行講解。

01概念辨析

（1）合金：兩種或多種元素（其中至少有一種金屬元素）通過化學鍵合而形成的具有金屬特性的物質。

（2）組元：組成合金的最簡單、最基本、能夠獨立存在的物質，是組成一個系統(tǒng)的基本單元，例如，單質(元素)、化合物構成合金的元素，不包括“含量”意義。

（3）合金系：具有相同組元和不同組元含量的合金總稱。

（4）相：具有相同狀態(tài)(氣、液、固)，相同物理與化學性能，相同成分和結構，并與其它部分以界面分開的物質。

（5）單相合金：由一種相組成，在凝固過程中只析出一個固相的合金，如固溶體、金屬間化合物。

（6）多相合金：由多種不同的相組成，在凝固過程中析出兩種以上新相的合金，如具有共晶、包晶或偏晶轉變的合金。

（7）組織：金屬材料可觀察到的微觀形貌，其中包括晶粒大小，形狀，種類及晶粒之間的相對數(shù)量和相對分布。組織由基本的相組成，如珠光體為鐵素體（相）+滲碳體（相）。

（8）合金相：合金相是指組成合金組織的相的總稱。合金的組成相多種多樣，但根據(jù)合金組成元素及其原子相互作用的不同，合金相可分為固溶體和中間相兩大類。

02置換固溶體

根據(jù)溶質原子占據(jù)溶劑點陣的位置，可將固溶體分為兩類，置換固溶體和間隙固溶體。

置換固溶體：溶質原子取代了溶劑點陣中的原子或離子所形成的固溶體，如圖1所示。

固溶度：溶劑溶解溶質的能力。

連續(xù)型（無限型）固溶體：溶質原子與溶劑原子以任意比例固溶，只有置換固溶體存在連續(xù)固溶體。

有限型固溶體：溶質在溶劑中部分固溶，間隙固溶體只能是有限固溶體。

影響置換固溶體固溶度的因素：

①原子或離子尺寸的影響

以r1代表半徑大的溶劑（主晶相）原子的半徑，r2代表半徑小的溶質（雜質）原子的半徑，則兩者的原子半徑差為

根據(jù)?r數(shù)值的不同，會有以下幾種情況：

• 當?r<15%時，形成連續(xù)固溶體；

• 當15%≤?r<30%時，形成有限型固溶體；

• 當?r>30%時，很難或不能形成固溶體。

②晶體結構類型的影響

形成連續(xù)固溶體的條件：

若溶質與溶劑的晶體結構不同，則只能形成有限固溶體或不能形成固溶體

③電負性的影響

若溶質與溶劑原子（離子）的電負性相近，則化學親和力小，有利于形成固溶體，不易于形成化合物；電負性相差越大，溶質與溶劑間的溶解度越小，當電負性相差很大時則形成中間相或化合物。

④電子濃度的影響

電子濃度：合金相中各組元價電子總數(shù)與原子總數(shù)之比。

電子濃度的計算方式如下：

A,B分別為溶劑和溶質的原子價，X為溶質的原子分數(shù)（%）

極限電子濃度：合金達到最大溶解度時的電子濃度都近似等于1.4。

溶質的電子濃度小則有利于溶于溶劑。

03間隙固溶體

間隙固溶體：溶質原子溶入溶劑晶格的間隙位置而形成的固溶體，如圖3所示。

影響間隙固溶體固溶度的因素：

• 如上所述，當溶質與溶劑的原子半徑差?r>30%時，不易形成置換固溶體。
  但當溶質與溶劑的原子半徑比值為

時，有可能形成間隙固溶體。

• 溶劑：大多是過渡族元素。

• 溶質：一般是半徑小于0.1 nm的非金屬元素，如H, B, C, N, O等。

• 溶劑的晶格類型（間隙大?。┡c溶質的原子尺寸都影響固溶度。

• 溶劑晶格中間隙位置是有一定限度的，所以間隙固溶體只能是有限固溶體。
  

如圖4所示，分別展示了純金屬（左上），置換固溶體（右上），間隙固溶體（左下）右下，置換固溶體和間隙固溶體的混合（右下）。

04固溶體的微觀不均勻性

無序固溶體：溶質原子在溶劑晶體結構中的分布是任意的、無規(guī)則的。

有序固溶體：溶質原子一般呈無序分布，但在一定條件下它們可能局部或全部成為有序排列，即溶質原子與溶劑原子分別占據(jù)固定位置，如圖4所示。這種有序結構也稱超點陣。

• 同類、異類原子間親合力相同 → 原子隨機分布 → 無序

• 同類原子親合力大，異類間小 → 同類原子偏聚 → 偏聚

• 同類原子親合力小，異類間大→ 相間排列 → 有序

05固溶體的性質

（1）結構變化：存在點陣畸變，點陣常數(shù)變化，出現(xiàn)偏聚和有序化

• 置換式
  溶質原子> 溶劑原子 → 膨脹 → 點陣常數(shù)增大
  溶質原子< 溶劑原子 → 收縮 → 點陣常數(shù)減小

• 間隙式
  溶質原子一般均大于間隙 → 撐開 → 點陣常數(shù)增大

（2）力學性能：硬度、強度提高，塑形下降，即產(chǎn)生固溶強化。（固溶強化的講解在后續(xù)章節(jié)）

（3）理化性能：電阻加大，導電率下降

固溶體部分的知識點匯總，見表1。

06重要思考題

Ag 和 Al 都是面心立方結構，且原子半徑相似，r(Ag)=0.288mm，r(Al)=0.286nm，但都不能形成連續(xù)（無限）固溶體，為什么？

07易錯題分享

表2給出了幾種元素的原子半徑、晶體結構、電負性、以及最常見的化合價；表中的非金屬素只給出了原子半徑。你認為上表中列出的哪些元素可以與銅形成：

(1) 完全互溶的置換固溶體，為什么？

(2) 部分互溶的置換固溶體，為什么？

(3) 間隙固溶體，為什么？

上期答案

（1）FCC和HCP結構的致密度均為0.74，配位數(shù)均為12，為什么是兩種晶體結構？

（2）根據(jù)FCC和HCP晶體的堆垛特點論證這兩種晶體中的八面體和四面體間隙的尺寸必相同。

解：

（1）為研究此問題，必須分析兩種結構的堆垛特點。FCC的密排面為{111}，HCP的密排面為{0001}，兩種結構最密排面的原子排列方式完全相同，但堆垛方式不同，F(xiàn)CC的堆垛方式為A-B-C-A-B-C···，而HCP的堆垛方式為ABABAB···。

（2）由（1）已闡述，兩種結構最密排面上的原子排列方式完全相同。再觀察兩種結構的相鄰兩層密排面，發(fā)現(xiàn)層間結構也完全相同。而再觀察兩種結構的相鄰三層密排面時，發(fā)現(xiàn)FCC和HCP的區(qū)別，如圖7所示。八面體間隙和四面體間隙只與兩層密排原子有關，對于這兩種間隙，F(xiàn)CC與HCP的微觀環(huán)境完全相同，因此兩種間隙的尺寸也必相同。

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