材料的组成、结构与性能

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1、第二章材料的组成、结构与性能材料的宏观性能是由化学组成和组织结构决定的。2.1材料的组成2.2材料的结构2.3材料的性能2.1材料的组成按原子或分子的结合与结构分布状态的不同，材料的组成可分成固溶体、聚集体和复合体。2.1.1材料组元的结合形式1、组元、相、组织组成材料最基本、独立的物质称为材料的组元（或称组分）。组元可以是纯元素，也可以是稳定的化合物。材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分叫做相。相与相之间有明显的界面，在界面上，性质的改变是突变的。若材料是由成分、结构均相同的同种晶粒构

2、成的，尽管各晶粒之间有界面隔开，但它们仍属于同一种相。若材料是由成分、结构都不同的几种晶粒构成的，则它们属于几种不同的相。一个相必须在物理性质和化学性质上都是完全均匀，但不一定只含有一种物质。材料内部的微观形貌称为材料的组织。晶粒和相形成的图案。又可分为，微观组织（结构）10-7～10-9m，晶体、非晶态（无定形结构）。宏观组织，单一、复合。宏观组织结构：用肉眼或放大镜能观察到的晶粒、相的集合状态。显微组织结构：或称亚微观结构。借助光学或电子显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构

3、，尺寸约为107104m。微观结构：比显微组织结构更细的一层结构，包括原子、分子结构及原子和分子的排列结构。2、固溶体将外来组元引入晶体结构，占据主晶相质点位置一部分或间隙位置一部分，仍保持一个晶相，这种晶体称为固溶体（即溶质溶解在溶剂中形成固溶体），也称为固体溶液。固溶体的分类一、根据外来组元在主晶相中所处位置，可分为置换固溶体和间隙固溶体。二、按外来组元在主晶相中的固溶度，可分为连续型(无限型)固溶体和有限型固溶体。（一）、根据溶质原子在主晶相中所处位置分：1、置换式固溶体，亦称替代固

4、溶体，其溶质原子位于点阵结点上，替代（置换）了部分溶剂原子。金属和金属形成的固溶体都是置换式的。如，Cu-Zn系中固溶体都是置换式固溶体。在金属氧化物中，主要发生在金属离子位置上的置换，如：MgO-CaO，MgO-CoO，PbZrO3-PbTiO3，Al2O3-Cr2O3等。2、间隙式固溶体，亦称填隙式固溶体，其溶质原子位于点阵的间隙中。金属和非金属元素H、B、C、N等形成的固溶体都是间隙式的。如，在Fe-C系的固溶体中，碳原子就位于铁原子的BCC（体心立方结构）点阵的八面体间隙中。（二）、根据

5、外来组元在主晶相中的固溶度1、有限固溶体（不连续固溶体、部分互溶固溶体），其固溶度小于100%。两种晶体结构不同或相互取代的离子半径差别较大，只能生成有限固溶体。如MgO-CaO系统，虽然都是NaCl型结构，但阳离子半径相差较大，rMg2+=8nm，rCa2+=10nm，取代只能到一定限度。2、无限固溶体（连续固溶体、完全互溶固溶体），是由两个(或多个)晶体机构相同的组元形成的，任一组元的成分范围均为0～100%。Cu-Ni系、Cr-Mo系、Mo-W系、Ti-Zr系等在室温下都能无限互溶，形成连

6、续固溶体。MgO-CoO系统，MgO、CoO同属NaCl型结构，rCo2+=8nm，rMg2+=8nm，形成无限固溶体，分子式可写为MgxNi1-xO，x=0~1；PbTiO3与PbZrO3也可形成无限固溶体，分子式写成：Pb（ZrxTi1-x）O3，x=0~1。形成置换固溶体的影响因素1.原子或离子尺寸的影响2、晶体结构类型的影响3、离子类型和键性4、电价因素1.原子或离子尺寸的影响以r1和r2分别代表半径大和半径小的溶剂(主晶相)或溶质(杂质)原子(或离子)的半径，当时，溶质与溶剂之间可以形

7、成连续固溶体。当时，溶质与溶剂之间只能形成有限型固溶体，当时，溶质与溶剂之间很难形成固溶体或不能形成固溶体，而容易形成中间相或化合物。因此Δr愈大，则溶解度愈小。这是形成连续固溶体的必要条件，而不是充分必要条件。2、晶体结构类型的影响若溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连续固溶体，这也是形成连续固溶体的必要条件，而不是充分必要条件。NiO-MgO都具有面心立方结构（FCC），且Δr<15%，可形成连续固溶体；MgO-CaO两两结构不同，只能形成有限型固溶体或不形成固溶体。3、离子类型和键性化学键

8、性质相近，即取代前后离子周围离子间键性相近，容易形成固溶体。4、电价因素形成固溶体时，离子间可以等价置换也可以不等价置换。在硅酸盐晶体中，常发生复合离子的等价置换，如Na++Si4+=Ca2++Al3+，使钙长石Ca[Al2Si2O6]和钠长石Na[AlSi3O8]能形成连续固溶体。又如，Ca2+=2Na+，Ba2+=2K+常出现在沸石矿物中。注意事项以上几个影响因素，并不是同时起作用，在某些条件下，有的因素会起主要因素，有的会不起主要作用。例如，rSi4+=2.6nm，rAl3+=3.9nm，