材料科學基礎

主講：吳潤緒論材料學科的定義及重要性材料學科研究內(nèi)容材料學科的學習方法材料學科的定義及重要性定義：研究材料的制備加工，成分，組織，性能及使用環(huán)境之間的關系的學科在現(xiàn)代科學領域，材料被列為三大支柱之一。21世紀，高性能、多用途的先進材料將會更加顯示出它強大的推動力，繼續(xù)成為科學和工程研究的重點。材料科學技術的發(fā)展水平及規(guī)模，已成為衡量一個國家科技進步、綜合國力的重要標志。對材料科學的研究和學習主要是以對金屬的研究展開的，金屬學擁有近百年的歷史，在方法、理論、實踐等方面都有著其它材料不能比擬的優(yōu)勢。其它材料的研究都是基于研究金屬的方法而擴展的。學習材料科學，主要是而且關鍵是把金屬學學習好。然后以此為基礎，再建高臺。金屬學以人類使用金屬制品器械的經(jīng)驗和技術為實踐基礎、以金屬組織結(jié)構(gòu)和性能分析方法為研究手段，以物理、化學和物理化學為理論而建立和發(fā)展起來的一門學科。索拜是金相學之父，是一位礦物學家。金屬學學科特點大部分概念不是定量的，而是定性的，很少演繹、推理、計算。學生對實驗結(jié)果進行歸納分析，找出各種事物和因素之間聯(lián)系以及它們相互制約的規(guī)律，并去解決實際問題初學者常認為這門課程內(nèi)容龐雜，實際上系統(tǒng)性強，有很強的自然哲學內(nèi)涵是一門專業(yè)基礎課材料學科研究內(nèi)容材料的結(jié)構(gòu)相圖與材料的凝固擴散理論結(jié)構(gòu)缺陷理論變形與再結(jié)晶理論材料的強韌化理論材料結(jié)構(gòu)理論——結(jié)構(gòu)缺陷理論——變形再結(jié)晶理論——相圖凝擴散固理論——強韌化理論。材料主要應用其性能，而性能首先取決于結(jié)構(gòu)。因而開始講解材料結(jié)構(gòu)，接著講解結(jié)構(gòu)缺陷理論，是順理成章之舉。而變形再結(jié)晶理論是在材料結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)缺陷理論為基礎建立起來的，故要緊湊相接。相圖凝固擴散理論要用到的材料結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)缺陷知識，必須緊跟其后。最后的材料強韌化理論要綜合運用前面講解的各種理論。放在最后講解可幫助學生掌握本課程的知識體系并能融會貫通全面靈活運用教學內(nèi)容解決實際問題。材料學科的學習方法宏觀和微觀相結(jié)合理論和實驗相結(jié)合學習是一種革命!第一章純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1晶體中原子間的結(jié)合1.2晶體學基礎1.3純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.4相結(jié)構(gòu)1.1晶體中原子間的結(jié)合★原子結(jié)合物質(zhì)的性質(zhì)不僅決定于組成物質(zhì)整體的質(zhì)點（分子、原子、離子）的種類和數(shù)目，同時還在于這些質(zhì)點的相互聯(lián)系特點及排列方式。原子結(jié)合起來后是體系能量降低，會有一定能量釋放出來。原子間可以相互吸引，也可以相互排斥，吸引在在遠距離是主要的，而排斥在近距離是主要的，吸引是電荷之間的庫侖引力，排斥是同性電荷間庫侖斥力。化學鍵定義特征范圍離子鍵陰陽離子間通過靜電作用所形成的化學鍵無方向性，無飽和性ⅠA、ⅡA與ⅥA、ⅦA元素原子之間形成的化合物。NH4Cl、NaOH等共價鍵原子間通過共用電子對所形成的化學鍵有方向性，有飽和性非金屬元素原子之間形成的單質(zhì)或化合物金屬鍵金屬離子跟自由電子之間存在的較強的作用無方向性，無飽和性金屬元素或金屬元素之間的結(jié)合★結(jié)合鍵★原子間作用力引力fa=-a/Rm

斥力fr=b/Rn

凈作用力f=fa+fr=-a/Rm

+b/Rn※R大時,fr很小，|fa|大，f＜0,吸引※R小時,fr很大，|fa|小，f＞0,排斥※R＝R0時,fr=|fa|，f=0,作用力平衡斥力引力位能WR0frffaR→↑↑↓金屬(mg鎂)分子(異戊烷)離子(NaCl)晶體結(jié)構(gòu)：空間點陣與晶體點陣，晶格，晶胞，布拉菲點陣晶面與晶向：定義，指數(shù)標定，晶帶與晶帶軸1.2晶體學基礎晶體：晶體是內(nèi)部質(zhì)點在三維空間成周期性重復排列的固體，即晶體是具有格子構(gòu)造的固體。晶體具有各向異性,非晶體呈各向同性

★晶體及其特征1)自范性:晶體具有自發(fā)地形成封閉的凸幾何多面體外形能力的性質(zhì),又稱為自限性.2)均一性:指晶體在任一部位上都具有相同性質(zhì)的特征.3)各向異性:在晶體的不同方向上具有不同的性質(zhì).4)對稱性:指晶體的物理化學性質(zhì)能夠在不同方向或位置上有規(guī)律地出現(xiàn),也稱周期性.5)最小內(nèi)能和最大穩(wěn)定性

特征：★晶體的對稱晶體多面體最顯著特點就是對稱，對于參觀者來說，對稱就是幾何形體中相同部分有規(guī)律地重復出現(xiàn)。對稱形體經(jīng)一定變換后恢復原狀----該變換稱對稱變換或?qū)ΨQ操作。任何一對稱變換總是要憑借一幾何元素（點、直線、平面）進行，此幾何元素稱為對稱元素。對稱操作有幾種類型，通常采用熊夫利符號或國際符號表示。晶體對稱定律：在晶體中，只可能出現(xiàn)軸次為一次、二次、三次、和六次的對稱軸，而不可能存在五次和高于六次的對稱軸。準晶才可能有五次對稱軸或高于六次的對稱軸。

對稱中心：是晶體中心的一個假想點，任意通過此點的直線的等距離兩端，必定找到對應的點。對稱中心的對稱操作是對此點的反伸。晶體中可以沒有對稱中心，或者有一個對稱中心。晶體中如果有對稱中心，晶體上的晶面必然都是兩兩平行（或兩兩反向平行）且相等。反演：點i是平行六面體的中心點，從平行六面體上任意一點P1,經(jīng)i延伸至另一點P2,則P1i＝iP2.同時P2點經(jīng)過i點延伸至P1，則P2i＝iP1----反演。i點稱為反演中心，國際符號為“”，而熊氏符號為“i”.iP1P2反演操作反映：平面mm兩邊F1和F2是兩個相等的部分，F(xiàn)1中的A1與F2中的任意一點A2連接成的線段A1A2，若被平面mm所垂直平分，稱F1為F2的反映圖形，反映前后，由F1和F2構(gòu)成的圖形形狀與對觀察者來說無位置變化。mm稱反映面或?qū)ΨQ面。國際符號為“m”,熊氏為“σ”。對稱操作mmA1F1F2A2旋轉(zhuǎn)：以晶體中一固定直線C作為旋轉(zhuǎn)軸，整個晶體繞C旋轉(zhuǎn)一定角度θ而得到規(guī)律性重復---旋轉(zhuǎn)操作。C---旋轉(zhuǎn)對稱軸。顯然，旋轉(zhuǎn)一周所需要轉(zhuǎn)動的次數(shù)n=2π/α稱n次旋轉(zhuǎn)，國際符號為“n”,熊氏為“Cn”晶體中只有C1，C2，C3，C4和C6，不存在五次旋轉(zhuǎn)及大于六次的旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)象轉(zhuǎn)：旋轉(zhuǎn)反演。是Cn旋轉(zhuǎn)與晶體中心i的反演結(jié)合起來的復合對稱操作。---幾何元素為直線，---象轉(zhuǎn)軸，記為“Cin”(熊氏)，“”(國際符號)鏡轉(zhuǎn)：旋轉(zhuǎn)反映，由旋轉(zhuǎn)Cn與垂直于旋轉(zhuǎn)軸對稱面σ結(jié)合起來的復合操作。--幾何元素為直線，--鏡轉(zhuǎn)軸。Sn(熊),(國際符號)象轉(zhuǎn)Ci1Ci2Ci3Ci4Ci6S3=Ci646S4=Ci4S6=Ci3點群由反演，反映，旋轉(zhuǎn)，象轉(zhuǎn)和鏡轉(zhuǎn)這幾類操作構(gòu)成的對稱群，----至少有一個不動點，即各種對稱元素都要相交這一點。

NaCl,

3C4,

4C3,

6C2,

9σ,

i,

i----點群中心。組合元素組合到一起存在同一個晶體結(jié)構(gòu)中，受到對稱的約束，故五種對稱變換組合起來只有32種，稱為32點群。★晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣結(jié)點：質(zhì)點的中心位置稱為晶格的結(jié)點?？臻g點陣：組成晶體的粒子（原子、離子或分子）在三維空間中形成有規(guī)律的某種對稱排列，如果用點來代表組成晶體的粒子，這些點的總體就稱為空間點陣(也叫晶體點陣)例。點陣中的各個點，稱為陣點。假想連線穿過陣點形成的空間格子，稱為晶格。

空間點陣是一種數(shù)學上的抽象!圖1金剛石晶格模型(空間點陣)晶體中質(zhì)點排列具有周期性和對稱性

晶體的周期性：整個晶體可看作由結(jié)點沿三個不同的方向按一定間距重復出現(xiàn)形成的，結(jié)點間的距離稱為該方向上晶體的周期。同一晶體不同方向的周期不一定相同?？梢詮木w中取出一個單元，表示晶體結(jié)構(gòu)的特征。取出的最小晶格單元稱為晶胞。晶胞是從晶體結(jié)構(gòu)中取出來的反映晶體周期性和對稱性的重復單元。圖2可以說明這種關系★晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣的區(qū)別晶體結(jié)構(gòu)和空間點陣，盡管有著密切的聯(lián)系，仍然是兩個不同的概念，不能混淆。二者之間的關系是：

點陣+基元=晶體結(jié)構(gòu)晶格(lattice)：把晶體中質(zhì)點的中心用直線聯(lián)起來構(gòu)成的空間格架即晶體格子，簡稱晶格。晶胞(unitcell)：在空間點陣中，能代表空間點陣結(jié)構(gòu)特點的小平行六面體。整個空間點陣可由晶胞作三維的重復堆砌而構(gòu)成。布拉菲點陣：法國學者A.布拉菲根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的最高點群對稱和平移群（所有平移軸的組合）對稱及以上原則，將所有晶體結(jié)構(gòu)的空間點陣劃分成十四種類型的空間格子，稱14種空間格子或布拉菲格子，如下表1-1★晶格、晶胞、布拉菲點陣單胞abcαβγXYZ表1-1布拉菲點陣的結(jié)構(gòu)特征

（table1-1thestructuralfeatureofBravaislattice）晶系晶胞參數(shù)關系點陣名稱陣點坐標三斜

(triclinic)abc90o簡單三斜[0,0,0]單斜(monoclinic)abc==90o簡單單斜底心單斜[0,0,0][0,0,0][1/2,1/2,0]斜方（正交）(orthorhombic)abc===90o簡單斜方體心斜方底心斜方面心斜方[0,0,0][0,0,0][1/2,1/2,1/2][0,0,0][1/2,1/2,0][0,0,0][1/2,1/2,0][1/2,0,1/2][0,1/2,1/2]四方（正方）(tetragonal)a=bc===90o簡單四方體心四方[0,0,0][0,0,0][1/2,1/2,1/2]立方(cubic)a=b=c===90o簡單立方體心立方面心立方[0,0,0][0,0,0][1/2,1/2,1/2][0,0,0][1/2,1/2,0][1/2,0,1/2][0,1/2,1/2]三方（菱方）(rhombohedral)a=b=c==90o簡單三方[0,0,0]六方(hexagonal)a=b=dc

(a=bc)==90o=120o簡單六方[0,0,0]簡單三斜簡單單斜底心單斜C=PI=PF=PI=CF=C簡單正交底心正交體心正交面心正交簡單六方三方菱面體簡單四方體心四方C:與本晶系對稱不符I=PF=PC、I、F不符六方對稱C=PF=I簡單立方

體心立方(body-centeredcubic)面心立方(face-centeredcubic)C：與本晶系對稱不符晶面：晶體點陣在任何方向上可分解為相互平行的結(jié)點平面，這樣的結(jié)點平面稱為晶面。晶面上的結(jié)點，在空間構(gòu)成一個二維點陣。同一取向上的晶面，不僅相互平行、間距相等，而且結(jié)點的分布也相同。不同取向的結(jié)點平面其特征各異。任何一個取向的一系列平行晶面，都可以包含晶體中所有的質(zhì)點。晶面指數(shù)：國際上通常用密勒指數(shù)(millerindices)來標定晶面和晶向。晶面指數(shù)由數(shù)字(hkl)表示，hkl是晶面在三個坐標軸（晶軸）上截距的倒數(shù)的互質(zhì)整數(shù)比。★晶面、晶向、晶帶、晶帶軸晶面族：晶體結(jié)構(gòu)中原子排列狀況相同但不平行的兩組以上的晶面，構(gòu)成一個晶面族。常存在對稱性高的晶體（如立方晶系）中。晶面族指數(shù)（符號）：通常用晶面族中某個最簡便的晶面指數(shù)填在大括號{}內(nèi)，稱為晶面族指數(shù)，用符號{hkl}表示。將{hkl}中的h、k、l，改變符號和順序，進行任意排列組合，就可構(gòu)成這個晶面族所包括的所有晶面的指數(shù)。同一晶面族各平行晶面的面間距相等。YXZDCBOβN晶面指數(shù)的確定晶向：點陣可在任何方向上分解為相互平行的直線組，結(jié)點等距離地分布在直線上。位于一條直線上的結(jié)點構(gòu)成一個晶向。同一直線組中的各直線，其結(jié)點分布完全相同，故其中任何一直線，可作為直線組的代表。不同方向的直線組，其質(zhì)點分布不盡相同。任一方向上所有平行晶向可包含晶體中所有結(jié)點，任一結(jié)點也可以處于所有晶向上。晶向指數(shù)：用密勒指數(shù)[uvw]來表示。其中u、v、w三個數(shù)字是晶向矢量在參考坐標系X、Y、Z軸上的矢量分量經(jīng)等比例化簡而得出。晶向指數(shù)的確定：將坐標原點選在OP的任一結(jié)點O點，把OP的另一結(jié)點P的坐標經(jīng)等比例化簡后按X、Y、Z坐標軸的順序?qū)懺诜嚼ㄌ朳]內(nèi)，則[uvw]即為OP的晶向指數(shù)。圖3晶向指數(shù)的確定晶向族：晶體中原子排列周期相同的所有晶向為一個晶向族，用〈uvw〉表示。同一晶向族中不同晶向的指數(shù)，數(shù)字組成相同。已知一個晶向指數(shù)后，對u、v、w進行排列組合，就可得出此晶向族所有晶向的指數(shù)。如〈111〉晶向族的8個晶向指數(shù)代表8個不同的晶向；〈110〉晶向族的12個晶向指數(shù)代表12個不同的晶向。晶帶：平等于某一晶向直線的所有晶面的組合晶帶軸：晶帶中的晶面都平行的那條晶向所在直線就是晶帶軸晶帶用晶帶的晶向指數(shù)來表示：晶帶面∥晶帶軸，用數(shù)學式表示為hu+kv+lw=0

☆六方晶系的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)六方晶系的晶胞如圖4所示，是邊長為a，高為c的六方棱柱體。四軸定向：晶面符號一般寫為（hkil），指數(shù)的排列順序依次與a軸、b軸、d軸、c軸相對應，其中a、b、d三軸間夾角為120o，c軸與它們垂直。它們之間的關系為：i=－（h＋k）。晶向指數(shù)和晶向族指數(shù)分別用[uvtw]和〈uvtw〉來表示。其中t=－（u＋v）。圖4六方晶系的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)：bcc,fcc,hcp，原子數(shù)，原子半徑，致密度，配位數(shù)多型性,原子堆垛，間隙位置，四面體間隙，八面體間隙亞金屬晶體結(jié)構(gòu)特點1.3純金屬的晶體結(jié)構(gòu)★三個典型金屬結(jié)構(gòu)（a）面心立方

fcc

（A1型）（b）體心立方bcc（A2型）（c）密排六方(hexagonalclose-packed

)hcp（A3型）★一些基本概念原子數(shù)：平均每個晶胞含有的原子個數(shù)。原子半徑：原子核到最外層電子的平均距離，它集中反映了原子核對核外電子的吸引力和核外電子間相互排斥的平衡結(jié)果。致密度：晶胞內(nèi)原子球所占體積與晶胞體積之比值K=nv/V配位數(shù)：一個原子（或離子）周圍同種原子（或異號離子）的數(shù)目稱為原子（或離子）的配位數(shù)，用CN來表示。原子數(shù)(Atomicnumber)fcc的原子數(shù)為4。(8×1/8+6×1/2)bcc的原子數(shù)為2。(1+8×1/8)hcp的原子數(shù)為6。(12×1/6+2×1/2+3)原子半徑根據(jù)固體的X射線衍射和氣體分子的電子衍射結(jié)果，定義了原子在不同環(huán)境下的半徑，即共價半徑（rC）；金屬半徑(rM)和范德華半徑（rv）。同核雙原子以共價鍵相結(jié)合，兩核間距離的一半叫做原子的共價半徑。金屬晶體中相鄰兩原子核間距離的一半為金屬原子的半徑，一般說，RM>RC；分子晶體中兩個相鄰非鍵合原子的核間距之半稱為范德華半徑，它是三種半徑中最大的。晶胞棱邊的長度稱為點陣常數(shù)或晶格常數(shù)。對立方晶系，a=b=c,點陣常數(shù)用a表示即可；對六方晶系，a1=a2=a3≠c,需要用a和c兩個點陣常數(shù)來表示晶胞的大小。1．面心立方：最密排方向<110>即面對角線方向，原子半徑為R=2．體心立方：最密排方向為體對角線方向即<111>半徑為R=3．密排六方(1)c/a=1.633（理想情況）底面上原子間距和上下層間距相等R=a/2(2)c/a≠1.633底面上原子間距和上下層間距不相等R1=a/2,

致密度

fcc

bcc

hcp配位數(shù)(coordinationnumber)n·fccCN=12n·bccCN=8n·hcpc/a=1.633CN=12n·hcpc/a≠1.633CN=6+6晶格參數(shù)一覽表結(jié)構(gòu)類型點陣常數(shù)原子數(shù)配位數(shù)致密度K=nυ/VA14120.74A2280.68A3R=a/26120.74★

原子堆垛（積）及間隙最緊密堆積原理：晶體中各離子間的相互結(jié)合，可以看作是球體的堆積。球體堆積的密度越大，系統(tǒng)的勢能越低，晶體越穩(wěn)定。此即球體最緊密堆積原理。適用于：典型的離子晶體和金屬晶體。質(zhì)點堆積方式：

根據(jù)質(zhì)點的大小不同，球體最緊密堆積方式分為等徑球和不等徑球兩種情況。

等徑球最緊密堆積時，在平面上每個球與6個球相接觸，形成第一層（球心位置標記為A）,如圖1-5所示。此時,每3個彼此相接觸的球體之間形成1個弧線三角形空隙,每個球周圍有6個弧線三角形空隙,其中3個空隙的尖角指向圖的上方(其中心位置標記為B),另外3個空隙的尖角指向圖的下方(其中心位置標記為C),這兩種空隙相間分布。圖1-5球體在平面上的最緊密堆積ABC

面心立方最緊密堆積和六方最緊密堆積球體在空間的堆積是按照ABAB……的層序來堆積。這樣的堆積中可以取出一個六方晶胞，稱為六方最緊密堆積，見圖1-6（a）。另一種堆積方式是按照ABCABC……的堆積方式。這樣的堆積中可以取出一個面心立方晶胞，稱為面心立方最緊密堆積。面心立方堆積中，ABCABC……重復層面平行于（111）晶面，見圖1-6（b）。兩種最緊密堆積中，每個球體周圍同種球體的個數(shù)均為12。

圖1-6(a)ABCABC…層序堆積

—面心立方密堆積(b)ABAB……的層序堆積

—六方密堆積兩種三層堆疊方式ABA:第三層位于第一層正上方ABC:第三層位于一二層間隙典型金屬晶體中原子間的間隙：由于球體之間是剛性點接觸堆積，最緊密堆積中仍然有空隙存在。從形狀上看，空隙有兩種：一種是四面體空隙，由4個球體所構(gòu)成，球心連線構(gòu)成一個正四面體；另一種是八面體空隙，由6個球體構(gòu)成，球心連線形成一個正八面體。顯然，由同種球組成的四面體空隙小于八面體空隙。間隙的分布情況：每個球體周圍有8個四面體空隙和6個八面體空隙，如圖1-6或圖1-7所示。

n個等徑球最緊密堆積時，整個系統(tǒng)四面體空隙數(shù)為2n個，八面體空隙數(shù)為n個。采用空間利用率（原子堆積系數(shù)）來表征密堆系統(tǒng)總空隙的大小。其定義為：晶胞中原子體積與晶胞體積的比值。兩種最緊密堆積的空間利用率均為74.05%，空隙占整個空間的25.95%。不等徑球堆積不等徑球進行堆積時，較大球體作緊密堆積，較小的球填充在大球緊密堆積形成的空隙中。其中稍小的球體填充在四面體空隙，稍大的則填充在八面體空隙，如果更大，則會使堆積方式稍加改變，以產(chǎn)生更大的空隙滿足填充的要求。這對許多離子化合物晶體是適用的。三種典型晶體中的間隙晶體點陣間隙類型間隙個數(shù)rb/rAA1四面體80.225八面體40.414A2四面體120.291八面體

6〈100〉0.154A3四面體120.225八面體60.414注意N個球密堆積，則有N個八面體間隙，2N個四面體間隙★密排六方晶格間隙★面心立方晶格間隙★體心立方晶格間隙★亞金屬晶體結(jié)構(gòu)特征亞金屬是周期表上Ⅳ族的硅、鍺、錫(α錫)，Ⅴ族的砷、銻、鉍，Ⅵ族的硒、碲。共價鍵結(jié)合，配位數(shù)為8-N。（N為族數(shù)）元素的晶體結(jié)構(gòu)與其在周期表中的位置有密切關系。Ⅰ類：位于周期表的左側(cè)，直到ⅠB族銅、銀金，大多是體心立方，面心立方、密排六方。堿金屬－體心，堿土金屬－面心、密排六方，副族元素僅V,Nb,Ta,Mo,W,體心，其余是密排六方Ⅱ類：接近于典型晶體結(jié)構(gòu)，介于第Ⅰ，Ⅲ類之間，一般是密排，但是有所變形Ⅲ類：共價鍵類型，配位數(shù)K＝8－N，原子在晶體中往往排列成層狀懷鏈狀，層、鏈之間以金屬鍵或分子鍵結(jié)合。層內(nèi)、鏈內(nèi)以共價鍵結(jié)合?；靖拍罟倘荏w中間相1.4合金相結(jié)構(gòu)a.基本概念合金：由多個組元組成的合金（物質(zhì)），并具有金屬的性質(zhì)。組元可以是純金屬，Cu-Ni合金中的Cu和Ni，也可以是化合物，如鐵－硫化鐵合金中的FeS等。二組元組成的合金稱為元合金，三組元組成的合金稱三元合金。相：具有結(jié)構(gòu)相同，性質(zhì)相同的均勻部分，并有界面分開。是合金組織的基本組成部分。具有一定的性質(zhì)組織：由相組成，具在一定形態(tài)、大小的均勻部分

由一相組成的合金稱單相合金，若組織形態(tài)不一樣稱單相組織。組成合金的相主要分為兩大類：固溶體、中間相（化合物）由幾個相組成的組織稱為復相組織b.固溶體組成合金的異類原子，能夠以不同比例均勻混合，相互作用，其晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元相同的合金相。（其為溶劑，另一組元稱為溶質(zhì)）固溶體的分類根據(jù)溶劑類型分為第一類固溶體和第二類固溶體第一類固溶體：以純金屬組元為基體，或說以純金屬組元為溶劑。第二類固溶體：以化合物為基體，可說以化合物為溶劑。如Ni3P中可溶入鈷和鐵，CuZn中可溶入Cu和Zn，這種固溶體也稱為中間相根據(jù)溶質(zhì)原子存在的位置而分置換固溶體：溶質(zhì)原子占居溶劑原子所占的位置間隙固溶體：溶質(zhì)原子占居溶劑原子之間的間隙位置根據(jù)溶質(zhì)原子溶解度而分有限固溶體：溶質(zhì)原子與溶劑原子可以任何比例相互溶解。如Ni和Cu間隙固溶體：溶質(zhì)原子占居溶劑原子之間的間隙位置固溶體結(jié)構(gòu)的特點固溶體的點陣畸變與點陣常數(shù)的變化點陣畸變：rB＞rB

膨脹置換rb＜rB

收縮間隙膨脹原子尺寸相關愈大，以及溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度愈大，則穩(wěn)定性增加，以致固溶受到限制。一般隨固溶體中溶質(zhì)原子濃度增加，點陣常數(shù)呈直線變化固溶體結(jié)構(gòu)的不均勻性溶質(zhì)原子的分布由熱力學統(tǒng)計規(guī)律和能量條件所決定F＝E－TS，F(xiàn)是自由能，E是內(nèi)能

熵值S愈大，E愈小，則系統(tǒng)的自由能F愈低。隨機分布－無序固溶體時，S大，但結(jié)合能也較大。溫度是決定因素：溫度高，TS大，則可能處于完全無序狀態(tài)固溶體的溶解度固溶體的性能與溶質(zhì)元素及固溶含量密切相關。（固溶度有一定規(guī)律，但主要靠實驗測量）置換固溶體

溶質(zhì)溶解度影響因素電化學因素（電負性因素）Electronegative

ValencyEffect同一族中，由上至下，電負性減小同一周期，由左至右，電負性增大溶劑與溶質(zhì)的電負性差越大，溶解度越小。很大時，形成化合物尺寸因素：原子半徑之差與溶劑原子半徑之比△r=(rA-rB)/rA,△r越大，溶解度越小；△r≥0.15時，溶解度就很小。A.溫度升高，溶解度增大，達到同樣溶解度，尺寸因素可放寬B.彈性高的金屬中，尺寸因素的影響加大Darken達肯固態(tài)溶解度圖根據(jù)溶解度數(shù)據(jù)，預測固態(tài)溶解度OC長軸，±0.02電負性，±0.04OA短軸，±0.08△r，±0.15△r若溶質(zhì)原子電負性－半徑坐標位于小橢圓之內(nèi)，溶解度（＞5%）；之間溶解度較小；之外，幾乎不能溶解。0ABCD電負性配位數(shù)12的符合此表r電子濃度因素：電子濃度是指合金相中各組元電子總數(shù)與原子總數(shù)之比。x為溶質(zhì)原子的百分數(shù)，ν、υ分別為溶劑溶質(zhì)的原子價Zn,Ga,Ge,As在一價鑭中最大溶解度分別為38%,20%,12%,7%;Cd,In,Sn,Sb在Ag最大溶解度分別為42，20，12，7。高價元素在一價金屬中的溶解度隨溶質(zhì)原子價的增大則減小。上述實驗結(jié)果對應的電子濃度近似地等于1.4－－極限電子濃度。溶劑元素為1價面心時，C電子極限＝1.36溶劑元素為1價體心時，C電子極限＝1.48需要注意的幾點※過渡族元素如何確定價電子數(shù)還有些爭議※高價元素在低價元素中的溶解度大于低價元素在高價元素中的溶解度組元的晶體結(jié)構(gòu):如果形成無限互溶的連續(xù)固溶體，則溶質(zhì)和溶劑的晶體結(jié)構(gòu)必定相同。但相同，不一定無限互溶，但較大是一定的。

㊣密排六方的結(jié)構(gòu)的軸比不同，對溶解度影響不大。！間隙固溶體△r大至要超過41%時，則可能形成間隙固溶體，溶質(zhì)原子半徑一般小于1個?。溶劑元素大多是過渡族元素。如下表：溶質(zhì)原子HBCNO原子半徑(?)0.460.970.770.710.60間隙固溶體都是有限固溶體。固溶體大小與溶質(zhì)半徑大小，溶劑的晶格類型有關，因為后者決定間隙的大小。晶體結(jié)構(gòu)rAnm八面體間隙四面體間隙個數(shù)半徑個數(shù)半徑面心立方/密排六方0.1294/60.414R8/120.225R體心立方0.12526<100>0.154R<110>0.633R120.291R☆碳和氧與鐵形成的間隙固溶體乃是鋼中的重要合金相。面心立方的γ-Fe,C,N在八面體間隙。體心立方的α-Fe,C,N在八面體間，盡管四面體間隙大，有序固溶體通常，固溶體的溶質(zhì)原子呈統(tǒng)計分布－無序的。超結(jié)構(gòu)：溶質(zhì)原子和覺得原子分別占居固定位置，而且晶胞中溶質(zhì)和覺得原子之比都是一定的，又稱有序固溶體。溶質(zhì)原子的分布狀態(tài)，與它們之間的結(jié)合能有關。

EAA≈EBB≈EAB

無序分布

EAA>EAB，EBB>EAB

偏聚態(tài)

EAB>EAA,EAB>EBB

有序態(tài),原子濃度一定時,呈無序態(tài)，有序固溶體加熱到某一溫度之上，變成無序固溶體。有序固溶體的

主要類型體心立方：CuZn,Fe3Al型。面心立方：Cu3Au,CuAuⅠ。密排六方：Mg-Cd,Mg3Cd,MgCd3。有序化及影響有序化的因素有序化：分布由無序狀態(tài)向長程有序轉(zhuǎn)變的過程。異類原子的相互吸引大于同類原子間的吸引作用，從而使有序固溶體的自由能低于無序狀態(tài)。有序度：S=(P-nA)/(1-nA),P代表完全有序時A原子占據(jù)位置上出現(xiàn)A原子的幾率，nA為A原子在合金中的原子分數(shù)完全有序時P＝1，S＝1；完全無序時：P=nA,S=0影響有序化的因素溫度：升高，S↓；某一溫度后S=0,但有短程有序冷卻速度：有序化依賴于原子遷移.快冷，有序化受到控制，甚至保持高溫無序態(tài)。低于臨界溫度保溫一定時間，發(fā)生有序化。合金成分：偏高化學式成分，則有序度降低變形：變形后，有序度降低有序固溶體的微觀結(jié)構(gòu)由許多反相疇塊所組成。晶體不同部位同時進行形核與長大，各有序疇長大時，原子排列方法往往不相一致，即產(chǎn)生了反相疇界。有序化對合金性能的影響電阻率降低硬度增加有磁性C.中間相定義：不和相圖端際相連接的相。成分處在A于B中和B于A中的最大溶解度之間，結(jié)構(gòu)不同于A和B化合物為基、某一組元為溶質(zhì)的固溶體，第二類固溶體，具有金屬性，稱為金屬化合物中間相的分類正常價化合物(ValenceCompoud)：電負性控制，符合原子價規(guī)律電子化合物(ElectronCompound)：電子濃度控制，電子濃度與晶體結(jié)構(gòu)有關尺寸因素化合物(Size-FactorCompound)：間隙相，間隙化合物，△δ>41%結(jié)構(gòu)簡單，△δ<41%，復雜結(jié)構(gòu)。1,正常價化合物結(jié)合一般是離子鍵，具有穩(wěn)定的電子層結(jié)構(gòu)A.

NaCl型結(jié)構(gòu)，fcc,B1，Pearson符號為CF8。由兩個fcc互相穿插，Hfc,HfN,VC,TiC,ZrC,PbS,PbSeB.

CaF2型，fcc,C1,Pearson符號為CF12.F處在Ca組成的fcc的四面體間隙中，Be2B,Be2C,Mg2Si.Mg2Si由于電負性影響大，有較強離子鍵，有較高硬度和脆性,Mg2Sn電負性差較小，以共價鍵為主,顯示半導體性C.閃鋅礦ZnS結(jié)構(gòu)，立方，B3，CF8，AlSb,

CdS,β-SiC,fcc穿插而成，每個原子與4個異類原子相鄰。D.纖維鋅礦(ZnS),B4,hP4,兩個密排六方穿插AlN,γ-MnS,GaAs.GaSb,InSb,AlP具有半導體性質(zhì)E.NiAs,立方，B81，hP4.As組成密排六方，Ni在其間隙中。正常價化合物具有較高的硬度和脆性。2,電子化合物Hume(休姆)電子濃度和晶體結(jié)構(gòu)有明確對應關系。電子濃度的中間相具有相同的晶體結(jié)構(gòu)。尺寸因素有一定影響。中間相可用分子式表示，但常常是以電子化合物為基的置換固溶體或缺位固溶體，濃度變化范圍較大。電子濃度通常為21/14，21/13，21/12。三種電子相的結(jié)構(gòu)見表幾種電子化合物的電子濃度與晶體結(jié)構(gòu)電子濃度＝