中南大学 附录1：有序固溶体和有序中间相
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有序：磁（磁矩排列）有序、结构（原子占位）有序 结构有序：介于固溶体和化合物之间，但结构与形成溶剂组元 结构相同，其中溶质和溶剂原子有序排列。如：Au-Cu中fcc的 AuCu3有序相、Ni-Al系中的bcc结构的NiAl等。
A2
Disorder fcc
另外，Peceifor认为还应加上一个因素：角价电子因素。 其中，结合能因素决定形成金属间化合物的倾向，形成焓为负才可 能形成金属间化合物，越负，化合物熔点越高；原子尺寸、电负性、 价电子不仅影响化合物的形成倾向，还对晶体结构产生影响。
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价电子化合物：组元具有正常的原子价，组元间以离子键或共价 键结合，通常由电负性相差大的元素形成。如：NaCl、NiAs、 HfCo2、NiTi2等。 间隙相和间隙化合物：当半径之比小于59%，金属原子组成简单结 构（但不同于纯态时的晶体结构），非金属原子分布于晶格间隙， 如：VC、Fe4N、TiC等；大于59%时， Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、 Fe4W2C、FeB等，具有典型的金属特性。间隙相之间可以互溶， 是重要的强化相（如TiC-TiN、TiC-VC ）。
电子浓度e/a 合金相 相结构 1.4 fcc 1.5(3/2) 黄铜 bcc 1.615(21/13) 黄铜 复杂立方 1.75(7/4) ε 黄铜 hcp
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中南大学 举例：
-AgZn, -CdZn等 不同温度不同结构
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Cu3Al，Cu9Al4等为电子化合物，有成分范围，为固溶体 δ-Cu31Sn8，-Cu5Sn也为电子化合物固溶体，复杂立方 电子浓度并不是决定合金相结构的唯一因素。
4. 对于B族金属，其合金化过程由于d电子参与反应， 它们的化合价不明确，因而上述电子浓度规则不再适 合，应以平均族数规则代替。
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中南大学 10.1.2 合金相结构
常规相 从组元原子冶金结合前后结 构的变化分为溶体相、中间
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化合物相；
按在相图上所在位置分：端 际固溶体相、中间相 另外：准晶相（Cu-Al-FeCo系等）、非晶相（CuZr-Ti系等）
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中南大学 1.合金相形成规律
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合金相的形成与相应相的能量有关，取决于多种因素：
所有元素的原子尺寸 不同类型原子间的化学性质 没有一种理论可以全 面解释所有合金中相 的形成规律。
每种原子的电子数目等。
对于1价的Cu、Ag、Au等基体与高价溶质元素形成的合金系，HumeRothery的电子浓度规则能很好地揭示合金相的形成规律，如Cu-Zn中：
With T decreasing
B2
L12
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中南大学 10.1.3 固溶体的性质及合金元素的影响
一般性质与成分的关系
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形成连续固溶体时，异类原子之间的化学亲合力与它们各自原子 之间的亲和力相差不大，两组元间有相同的晶体点阵，并且原子 在点阵位置上随机分布，异类原子所占的晶格位置与它们的成分 分数相当，本征性质随某一组元含量的变化逐步变化。 连续固溶体的性质随成分变化有最大或最小值；端际固溶体的本 征性质呈平滑曲线；发生有序反应时，无序固溶体的性质有突变。
在Ag或Au中加入主族金属元素会使其弹性常数随溶质含量线性
降低。另外降低固溶体熔点的元素会使弹性模量降低。 溶质对合金弹性模量的影响没有统一的规律，但一般表现为： 若固溶体的组元的点阵类型相同，且其价电子数和原子半 径均相近，则弹性模量和溶质浓度呈线性关系，但当溶质原子 为过渡族元素时，弹性模量有极大值。
电子浓度因素：高价元素易溶于低价元素；低价较不易溶 于高价。注意：电负性差不能太大。 Hume-Rothery总结Ag, Cu基固溶体的数据，提出了尺寸因素对固溶 度影响的经验规律：当溶剂原子与溶质原子半径相差大于14-15%时， 不利于大溶解度范围固溶体形成。 MSE___材料科学与工程学院
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H L[Pe Qnws ]
2 2
式中右边括号内第一项是由于组元化学式差导致的对生成热的负
贡献，第二项是由于组元元胞电子密度差导致的正贡献。这两个 因素影响晶格常数、力学、电学等性能。
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1 密度
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m V mu nCi Ai
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第十章 常用金属材料的种类、 性能特点及应用（1）
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10.1 金属材料合金化原理
10.1.1 金属材料合金化原理引论
在实际应用中，多数场合下纯金属无法满足所要求的性能。
为此，向金属基体中添加合金组元以改善材料性能。由于合
金中各组元间存在着复杂的物理和化学作用，会出现许多成 分、结构各异的合金相。绝大多数实用的合金是固溶体或以
b 间隙式（Interstitial Solid-Solution）
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当溶质与溶剂原子半径之比小于59%时才有可能形成间隙式固溶体。
但该规律不适用于稀土元素。
一般来说，N、O、H、C、B 易作为溶质原子融入过渡族金属中，形成间 隙式固溶体。间隙式固溶体产生非对称性畸变，其固溶强化大于置换式固
2. 电负性的影响：
当两种元素间，电负性差较大时，易形成化合物。这种差别 越大，每个原子获得8个异类近邻原子的机会越大，越易形 成等原子数的体心立方结构。 例：Ag-Cd, Ag-Mg, Au-Cd, Au-Mg等体系 MSE___材料科学与工程学院
中南大学 3. 元素的原子尺寸差异的影响：
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对于固溶体或可变成分的中间相， 还可用平均原子量计算：
k
A xi Ai
i 1
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2 晶格常数：晶胞的三边及夹角共六个参数
a
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a. Vegard定律： 晶胞边长与成分呈线性关系
大原子组元溶入小原子组元 小原子组元溶入大原子组元
b. Moreen模型：平均原子间距
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化合物的特殊物理和化学性质举例
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金属间化合物的硬度、强度一般高，但室温塑性差源于原子间强健 合和有序排列及由此导致的低结构对称性；----高温结构材料？ 导电率比组元的低：部分金属键变为共价键或离子键（有序化，磁 性有序—无序，化学成分、杂质与空位、晶界、位错等）。但部分 化合物有超导电性，如：Nb3Sn, V3Ga等。 磁性：铁磁性和反铁磁性，强磁。稀土--过渡族金属化合物Sm-Co系 等，Cu2MnSn、Cu2AlMn，Au4V、Sc3In等为铁磁性材料；MnAu、 TbAg等为反铁磁性物质。还有亚铁磁性材料如Mn2Sb。Ti-Al、MnAl等有磁性。 激光与微波：半导体GaAs及III-V主族化合物等 储氢：LaNi5、FeTi、RE2Mg17、RE2Ni2Mg15等 耐氧化、耐蚀性：B、C、N、O化合物等 形状记忆效应：TiNi、CuZn、CuMn等已得到工业应用 热核反应：Zr3Al的低热中子俘获面，用于核反应堆 MSE___材料科学与工程学院
溶体中的强化效果。
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2 中间化合物相（通常称为金属间化合物）
除固溶体以外的固态合金相，结构不同于组成该相的任何组元的结 构，位于相图中间。按化学配比分可变成分和计量比化合物；按形 成条件和结构特征分正常价（电负性起主导作用）、电子化合物 （电子浓度起主导作用，如： 黄铜相）、 间隙相和间隙化合物、 拓扑结构化合物（原子半径其主导作用，如： Laves相、σ相）。 影响相结构稳定性的主要因素可归纳为以下五种： 原子尺寸因素 原子序数因素 结合能因素 电化学因素 价电子因素（电子浓度因素）
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电子浓度化合物：由称为Hume-Rothery相，由过渡族金属或IB族金 属如Cu、Ag、Au、Fe、Co、Ni、Rh、Pd、Pt、Ce、La等与IIAVA族组元如Be、Mg、Al、Si、Ge、Ga、In、Sn或IIB族组元如Zn 等形成，具有以下特点： 不符合化合价规则，但电子浓度值确定（3；以金属键结合；成分可变，且易形成以 化合物为基的固溶体；晶体结构完全不同于组元的结构；有些化合 物高温有序低温无序；晶胞内的电子数不变；硬度和导电性好等。 拓扑结构化合物：简称TCP相，空间利用率和配位数比同一种原子 组成的密堆结构更高，且主要以四面体堆垛而成。常见的有Laves 相(AB2)、-W(AB3)、σ相、及与σ 相有关的P、µ 、M、X（Mn）、δ相等等。在不锈耐热钢、镍基高温合金中，尽可能地防止 该类相析出。 MSE___材料科学与工程学院
Hume-Rothery指出，对于简单的合金体系，液相线的降低（共 晶温度的降低）取决于溶剂与溶质间的原子尺寸差。该差值越 大，温降越大，共晶温度就越低，如： Ag-RE, Au-RE中富Ag, Au端的共晶温度随稀土原子半径增大线 性降低，直到稀土原子半径达到1.75埃（此时溶剂与溶质原子 尺寸差达到21%），共晶温度才近乎不变。 此外，原子尺寸因素同样影响中间相的稳定性。
C
S (1 C)2 S AA 2C(1 C)S AB C 2 S BB
c. Miedama电荷迁移理论：异类原子键合时电荷迁移随浓度变化 总之，影响因素：组元原子半径、电负性差、化合价 MSE___材料科学与工程学院
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3 力学性能
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