1、18.4 合金的结构和性质合金的结构和性质 1.什么是合金？什么是合金？合金是两种或两种以上的金属，经过熔合后，所合金是两种或两种以上的金属，经过熔合后，所得的生成物。合金一般都具有一定的金属性能。得的生成物。合金一般都具有一定的金属性能。2.合金生成过程的特点合金生成过程的特点 1）在形成合金的过程中，热效应一般比较小；）在形成合金的过程中，热效应一般比较小；2）从金属单质到合金的变化，一般不像其它化学）从金属单质到合金的变化，一般不像其它化学反应那么显著。反应那么显著。2 3.合金的分类合金的分类 根据结构和相图等特点，合金一般分为三类：根据结构和相图等特点，合金一般分为三类：1）金属固溶
2、体）金属固溶体 形成条件：两种金属元素的电负性、化学性质和形成条件：两种金属元素的电负性、化学性质和原子大小等差别较小时，容易生成金属固溶体；原子大小等差别较小时，容易生成金属固溶体；2）金属间化合物）金属间化合物 形成条件：两种金属元素的电负性和原子半径差形成条件：两种金属元素的电负性和原子半径差别较大时，则容易生成金属间化合物；别较大时，则容易生成金属间化合物；3）金属间隙化合物）金属间隙化合物 形成条件：过渡金属元素与半径很小的形成条件：过渡金属元素与半径很小的H、B、C、N等非金属元素形成的化合物。等非金属元素形成的化合物。38.4.1 金属固溶体的结构金属固溶体的结构 1.固溶体的结
3、构型式固溶体的结构型式 1）固溶体的结构型式，一般与纯金属相同；）固溶体的结构型式，一般与纯金属相同；2）在固溶体中，每一原子位置，两种金属均可能）在固溶体中，每一原子位置，两种金属均可能占有；占有概率正比于该金属在合金中所占比例；占有；占有概率正比于该金属在合金中所占比例；这样的原子在很多效应上相当于一个统计原子。这样的原子在很多效应上相当于一个统计原子。2.完整固溶体的形成完整固溶体的形成 当两个过渡金属元素原子半径差别小于当两个过渡金属元素原子半径差别小于15%、单、单质结构型式相同时，可以形成完全互溶固溶体。例质结构型式相同时，可以形成完全互溶固溶体。例如，如，Cu-Ni、Ag-Au、
4、Ni-Pd、Mo-W。4 3.金属的互溶度不可互易金属的互溶度不可互易 一般的，高价金属在低价金属中的溶解度，要大一般的，高价金属在低价金属中的溶解度，要大于，低价金属在高价金属中的溶解度。于，低价金属在高价金属中的溶解度。例如例如Zn在在Ag中的溶解度（原子分数）为中的溶解度（原子分数）为Zn：37.8%；而；而Ag在在Zn中的溶解度为中的溶解度为Ag：6.3%。4.Cu-Au熔体的冷却熔体的冷却 1）Cu、Au元素的特点元素的特点 Cu和和Au在周期表中位于同一族，具有相同的电子在周期表中位于同一族，具有相同的电子组态；单质结构型式也相同，均为面心立方晶体；组态；单质结构型式也相同，均为面
5、心立方晶体；原子半径分别为原子半径分别为128和和144 pm，差别不大。，差别不大。5名称：铜晶体名称：铜晶体空间群：空间群：F m 3-m晶系：立方晶系晶系：立方晶系a=3.6147 原子分数坐标：原子分数坐标：Cu:0,0,0;0,1/2,1/2;1/2,0,1/2;1/2,1/2,0.6名称：金晶体名称：金晶体空间群：空间群：F m 3-m晶系：立方晶系晶系：立方晶系a=4.0783 原子分数坐标：原子分数坐标：Au:0,0,0;0,1/2,1/2;1/2,0,1/2;1/2,1/2,0.7 两种金属混合熔化成液体，形成互溶体系；凝固两种金属混合熔化成液体，形成互溶体系；凝固后的高温固
6、熔体也完全互溶。后的高温固熔体也完全互溶。2）Cu-Au固熔体的快速冷却固熔体的快速冷却 当固熔体被淬火处理，即快速冷却时，形成无序当固熔体被淬火处理，即快速冷却时，形成无序固熔体相，固熔体相，Au原子完全无序、统计地取代原子完全无序、统计地取代Cu原子。原子。这种合金的结构和单质一样，也为面心立方结构；这种合金的结构和单质一样，也为面心立方结构；只是以统计原子只是以统计原子AuxCu1-x代替代替Cu。这种固溶体的晶胞参数随组成改变而略有变化，这种固溶体的晶胞参数随组成改变而略有变化，其结构如下图所示。其结构如下图所示。8名称：名称：Cu0.8-Au0.2空间群：空间群：F m 3-m晶系：
7、立方晶系晶系：立方晶系a=3.724 原子分数坐标：原子分数坐标：Cu/Au:0,0,0;0,1/2,1/2;1/2,0,1/2;1/2,1/2,0.9名称：名称：Cu0.2-Au0.8空间群：空间群：F m 3-m晶系：立方晶系晶系：立方晶系a=4.012 原子分数坐标：原子分数坐标：Cu/Au:0,0,0;0,1/2,1/2;1/2,0,1/2;1/2,1/2,0.10 3）Cu-Au固熔体的缓慢冷却固熔体的缓慢冷却 当固溶体合金进行退火，即缓慢冷却时，当固溶体合金进行退火，即缓慢冷却时，Cu和和Au原子分布不再无序，而是各自趋向确定的几何位置。原子分布不再无序，而是各自趋向确定的几何位置
8、。当组成为当组成为Cu3Au的合金退火时，在低于的合金退火时，在低于395 C时通时通过等温有序化，形成图过等温有序化，形成图8.4.1b所示的结构，晶体点阵所示的结构，晶体点阵型式为简单立方。型式为简单立方。当组成为当组成为CuAu的合金退火时，在低于的合金退火时，在低于380 C时通时通过等温有序化，得到图过等温有序化，得到图8.4.1c所示的结构，晶体属四所示的结构，晶体属四方晶系。方晶系。11名称：名称：Cu3Au空间群：空间群：P m 3-m晶系：立方晶系晶系：立方晶系a=3.74 原子分数坐标：原子分数坐标：Au:0,0,0;Cu:0,1/2,1/2;1/2,0,1/2;1/2,1
9、/2,0.12名称：名称：CuAu空间群：空间群：P 4/m m m晶系：四方晶系晶系：四方晶系a=3.74 原子分数坐标：原子分数坐标：Au:0,0,0;1/2,1/2,0;Cu:0,1/2,1/2;1/2,0,1/2.13 4）将有序结构的合金加热，温度超过某一临界值）将有序结构的合金加热，温度超过某一临界值(此临界值随组成改变而改变此临界值随组成改变而改变)，就会转变为无序结构。，就会转变为无序结构。148.4.2 金属化合物的结构金属化合物的结构 1.金属化合物的两种主要型式金属化合物的两种主要型式 1）组成确定的金属化合物；）组成确定的金属化合物；2）组成可变的金属化合物。易于生成组
10、成可变的）组成可变的金属化合物。易于生成组成可变的金属化合物，是合金独有的化学性能。金属化合物，是合金独有的化学性能。2.金属化合物的结构特征金属化合物的结构特征 1）金属化合物的结构型式，一般不同于，纯组分）金属化合物的结构型式，一般不同于，纯组分在独立存在时的结构型式；在独立存在时的结构型式；2）在金属）在金属A和和B形成的金属化合物中，两种原子形成的金属化合物中，两种原子分别占据两套不同的结构位置。分别占据两套不同的结构位置。15 3.CaCu5合金的结构合金的结构 CaCu5合金可看作是由图合金可看作是由图8.4.2中所示的中所示的a、b两种两种原子层交替堆积排列而成的；原子层交替堆积
11、排列而成的；a是由是由Ca和和Cu共同组成的层；共同组成的层；b是完全由是完全由Cu原子组成的层；原子组成的层；c是由是由a和和b两种原子层交替堆积成两种原子层交替堆积成CaCu5的晶体结的晶体结构图，是由构图，是由3个六方晶胞拼砌而成的。个六方晶胞拼砌而成的。16名称：名称：CaCu5空间群：空间群：P 6/m m m晶系：六方晶系晶系：六方晶系a=5.082 c=4.078原子分数坐标：原子分数坐标：Ca:0,0,0;Cu:2/3,1/3,0;1/3,2/3,0;1/2,0,1/2;0,1/2,1/2;1/2,1/2,1/2.171819在在c结构中，结构中，Ca有有18个个Cu原子配位，
12、同一层的原子配位，同一层的6个，个，Ca-Cu距离为距离为294 pm，相邻，相邻2层各层各6个，个，Ca-Cu距离距离为为327 pm。20 4.电子化合物电子化合物 过渡金属原子与周期表右半部的金属原子形成的过渡金属原子与周期表右半部的金属原子形成的合金体系，通常其结构型式取决于每个原子平摊的合金体系，通常其结构型式取决于每个原子平摊的价电子数，故称为电子化合物。价电子数，故称为电子化合物。在计算价电子数时，第在计算价电子数时，第18族（稀有气体）元素的族（稀有气体）元素的价电子数为价电子数为0；Cu、Ag、Au为为1；Zn、Cd、Hg为为2；Al、In、Ga为为3；Si、Ge、Sn、Pb
13、为为4。复杂电子化合物的结构可根据价电子数与原子数复杂电子化合物的结构可根据价电子数与原子数的比值来确定，参见表的比值来确定，参见表8.4.1。21名称：名称：CuZn空间群：空间群：P m 3-m晶系：立方晶系晶系：立方晶系a=2.945 原子分数坐标：原子分数坐标：Cu:0,0,0;Zn:1/2,1/2,1/2.22名称：名称：Cu5Zn8空间群：空间群：I 4-3 m晶系：立方晶系晶系：立方晶系a=8.878 原子分数坐标：原子分数坐标：Cu:Zn:23 5.Laves相合金相合金 Laves相是由两种金属相是由两种金属A和和B组成的组成的AB2型合金。在型合金。在这类合金结构中，金属原
14、子这类合金结构中，金属原子B形成四面体原子簇结构，形成四面体原子簇结构，通过共用顶点形成骨架，通过共用顶点形成骨架，A原子处于骨架空隙中。原子处于骨架空隙中。由于由于A和和B相对大小不同，典型的结构有相对大小不同，典型的结构有MgCu2、MgZn2和和MgNi2等类型。图等类型。图8.4.3示出示出MgZn2立方晶立方晶胞的结构。胞的结构。24名称：名称：MgZn2空间群：空间群：P 63/m m c晶系：六方晶系晶系：六方晶系a=5.15 c=8.48原子分数坐标：原子分数坐标：Zn:0,0,0;0.33978,0.16986,1/4;0,0,1/2.Mg:1/3,2/3,0.06681;1
15、/3,2/3,0.43319;2/3,1/3,0.56681;2/3,1/3,0.93319.258.4.3 金属间隙化合物的结构金属间隙化合物的结构 1.金属间隙化合物的结构金属间隙化合物的结构 金属和金属和B、C、N等元素形成的化合物，可把金属等元素形成的化合物，可把金属原子看作形成最密堆积结构或形成简单的结构，而原子看作形成最密堆积结构或形成简单的结构，而B、C、N等较小的非金属原子填入间隙中，形成间隙化等较小的非金属原子填入间隙中，形成间隙化合物或间隙固溶体。合物或间隙固溶体。2.AlN的结构的结构 AlN具有六方具有六方ZnS型结构，可将型结构，可将Al原子看作六方最原子看作六方最密
16、堆积，而密堆积，而N原子填充在四面体空隙中，原子填充在四面体空隙中，N原子和原子和Al原子之间实际上以共价键为主。原子之间实际上以共价键为主。26名称：名称：AlN空间群：空间群：P 63 m c晶系：六方晶系晶系：六方晶系a=3.11 c=4.98原子分数坐标：原子分数坐标：Al:2/3,1/3,0;1/3,2/3,1/2.N:2/3,1/3,0.382;1/3,2/3,0.882.27 3.Fe4N的结构的结构名称：名称：Fe4N空间群：空间群：P 4-3 m晶系：立方晶系晶系：立方晶系a=3.79 原子分数坐标：原子分数坐标：N:0,0,0;Fe:0.265,0.265,0.265;0.
17、735,0.735,0.265;0.735,0.265,0.735;0.265,0.735,0.735.28 4.金属间隙化合物的特征金属间隙化合物的特征 1）不论纯金属本身的结构型式如何，大多数间隙）不论纯金属本身的结构型式如何，大多数间隙化合物采取化合物采取NaCl型结构；型结构；2）具有很高的熔点和很大的硬度，很少数量的非）具有很高的熔点和很大的硬度，很少数量的非金属原子，即可使纯金属的性质发生很大的变化；金属原子，即可使纯金属的性质发生很大的变化；3）具有一般合金所具有的性质，比如导电性能良）具有一般合金所具有的性质，比如导电性能良好，有金属光泽等，填隙原子和金属原子间存在共好，有金属光泽等，填隙原子和金属原子间存在共价键。价键。29 .
