1.8 金属间化合物

吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]1金属间化合物（中间相）•典型成分的金属间化合物可以用化学分子式表示，在相图中是一根垂直线，但可以形成以化合物为溶剂的固溶体也称中间相晶体结构不同于构成它的纯组元，键合方式大多数属于金属键类型•分类正常价化合物、电子化合物和间隙化合物吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]21.正常价化合物•由两种电负性差值较大的元素按通常的化学价规律形成的化合物正常价化合物稳定性与两组元的电负性差值大小有关，电负性差值越大，稳定性越高，愈接近离子键合，反之趋向于金属键合二价Mg和四价的Pb、Sn、Ge、Si形成的Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Ge、Mg2Si，由Pb到Si与Mg的电负性差值逐渐增大，所以Mg2Si最稳定，熔点为1012℃；而Mg2Pb中，熔点仅为550℃，而且显示有典型的金属性质，电阻随温度升高而增加，金属结合键占主导地位主要是由一些金属与ⅣA、ⅤA、ⅥA族元素所形成吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]3正常价化合物•通常具有较高的强度和脆性，固溶度范围极小，在相图上为一条垂直线。吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]4正常价化合物•正常价化合物的结构类型有NaCl型、CaF2型、立方ZnS型（闪锌矿结构）、六方ZnS型（硫锌矿结构）几种正常价化合物的晶胞（a）NaCl型；（b）CaF2型；（c）闪锌矿结构；（d）硫锌矿结构吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]52.电子化合物（Hume-Rothery相）结构稳定性主要取决于电子浓度因素由ⅠB族或过渡族金属元素与ⅡB、ⅢA、ⅣA族金属元素形成的金属化合物在相图上占有一定成分范围，结合性质为金属键，有明显的金属特性吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]62.电子化合物按照一定电子浓度值形成的化合物，电子浓度不同，所形成化合物的晶格类型也不同大多数电子化合物晶体结构与电子浓度有对应关系含有过渡族元素的电子化合物，计算电子浓度时，过渡族元素的价电子数看作零电子浓度为21/14时，具有体心立方结构，称为β相电子浓度为21/13时，具有复杂立方晶格，称为γ相电子浓度为21/12时，为密排六方晶格，称为ε相吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]72.电子化合物•电子浓度为21/14的β相，除呈现体心立方结构外，在不同条件下还可能表现为复杂立方结构（μ相）和密排六方结构（ξ相）结构除了受电子浓度影响外，还受原子尺寸、溶质原子价和温度等的影响一般说来B族元素的原子价越高，尺寸因素影响越小、温度越低，不利于形成β相，而有利于形成μ相和ξ相吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]82.电子化合物电子化合物中电子浓度与晶体结构的关系电子浓度=21/14电子浓度=21/13电子浓度=21/12体心立方结构（β相）复杂立方结构（β-Mn结构，μ相）密排六方结构（ξ相）复杂六方结构（γ黄铜结构）密排六方结构（ε相）CuZnCu5Zn8CuZn3Cu3Ga（中、高温）Cu3Ga（低温）Cu9Ga4Cu5SnCu31Sn8Cu3SnCu5SiCu5SiCu5GeCu31Si8Cu3SiAg3Al（高温）Ag3Al（低温）Ag3Al（中温）Ag5Al3AgZnAgZnAg5Zn8AgZn3AgCdAgCdAg5Cd8AgCd3AuZnAu5Zn8AuZn3FeAlNi5Zn21吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]92.电子化合物合金系中间相电子浓度e/a晶体结构Cu-Zn系β（CuZn）3/2体心立方γCu5Zn8）21/13复杂立方ε（CuZn3）7/4密排六方Cu-Al系β（Cu3Al）3/2体心立方γ（Cu32Al19）21/13复杂立方ε（Cu5Al3）7/4密排六方Cu-Sn系β（Cu5Sn）3/2体心立方γ（Cu31Sn8）21/13复杂立方ε（Cu3Sn）7/4密排六方吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]103.原子尺寸因素化合物•当两种元素形成金属间化合物时，如果它们之间的原子半径差别很大时，便形成原子尺寸因素化合物1）简单填隙相：rX/rM0.592）复杂填隙相：rX/rM0.592.拓扑密排相（TCP相）1．填隙型（填隙化合物）在过渡族金属与H、B、C、N等原子半径甚小的非金属元素之间形成，rX、rM：非金属（X）与金属（M）的原子半径吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]11原子尺寸因素化合物－－简单填隙相具有比较简单的晶体结构，多数为面心立方和密排六方，少数具有体心立方和简单六方结构分子式一般为M4X、M2X、MX和MX2成分可以在一定范围内变化，与间隙的填充程度有关有些结构简单的间隙化合物可以互相溶解，形成连续固溶体，如TiC-ZrC，TiC-VC，TiC-NbC等。但是如果当两种间隙相中金属原子的半径差≥15%，即使两者结构相同，相互的溶解度（质量分数）也很小吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]12简单填隙相VC的晶体结构吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]13钢中常见的间隙相与结构钢中常见的间隙相与结构分子式类型填隙相的分子式晶体结构非金属原子所处的间隙位置M4XNb4C，Fe4N面心立方八面体间隙W2C，Ta2C，Fe2N,Mo2C密排六方八面体间隙M2XTa2H,Ti2H密排六方四面体间隙ZrN,ZrC,TiC,TiN,TaC,WN面心立方八面体间隙TiH,NbH,ZrH面心立方四面体间隙WC,MoN简单六方八面体间隙MXTaH体心立方四面体间隙ZrH2面心立方八面体间隙MX2TiH2面心立方四面体间隙吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]14一些简单填隙相的成分范围相的名称Fe4NFe2NMn4NMn2NMo2CNbCPdHTaC非金属X原子的摩尔分数0.19-0.210.17-0.330.20-0.2150.25-0.340.30-0.390.44-0.480.39-0.450.45-0.50相的名称TiCTiNTi2HTiH-Ti2HVCZrCUC2非金属X原子的摩尔分数0.25-0.50.3-0.50-0.330.47-0.620.43-0.500.33-0.500.26-0.65吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]15原子尺寸因素化合物－－2.复杂填隙相·γX/γM0.59晶体结构很复杂有的一个晶胞中就含有几十到上百个原子化合物中，金属原子常常可以被另外一种金属原子所置换·在碳钢和合金钢中主要是Cr、Mn、Fe、Co的碳化物以及Fe的硼化物等，复杂填隙相的结构主要有M3C、M7C3型、M23Co和M6C型例：Fe3C、Mn3C、Cr7C3、Cr23C6、Fe3W3C、Fe4W2C吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]16Fe3C复杂填隙相钢中一种重要复杂间隙化合物，称为渗碳体晶体结构属于正交晶系吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]17原子尺寸因素化合物－－拓扑密排相（TCP相）•大小不同的两种原子最紧密堆垛，有可能获得全部或主要由四面体堆满整个空间，达到空间利用率和配位数都更高的密堆结构，但这些四面体不一定都是等棱四面体，这种密排结构称“拓扑密堆结构”，配位数可达12、14、15、16常见的拓扑密堆结构如高合金化的不锈耐热钢、铁基高温合金和镍基高温合金中的Laves相，Ni-Cr、Cr-Mn、Fe-Cr、Fe-Mo、Fe-V、Fe-W、V-Mn、Co-W等合金系中的σ相，含Mo的Ni-Cr耐热钢中的χ相，以及在W、Mo、Nb含量较高的高温合金中出现的μ相种类很多，晶体结构都非常复杂，一个晶胞中有几十个原子吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]18金属化合物的特性具有极高的硬度、较高的熔点，一般塑性很差金属间化合物中含有较多离子键及共价键的成分绝大多数的工程材料中可以把金属化合物作为强化合金的第二相来使用一些正常价化合物和多数电子化合物可作有色金属强化相简单间隙化合物在合金钢和硬质合金中得到广泛应用复杂间隙化合物是合金钢及高温合金中的重要强化相吉首大学物理与机电工程学院JiShouUniversity1/28/2020刘志勇[e-mail]19金属化合物的特性有些金属间化合物具有许多特殊的物理化学性质，诸如电学性质、磁学性质、声学性质、电子发射性质、催化性质、化学稳定性、热稳定性和高温强度等金属间化合物作为新的功能材料和耐热材料•1.永磁磁性材料SmCo、CeCo5、RE2Co17（RE表示稀土）等•2.高温耐热材料：TiAl、Ti3Al、Ni3Al等，随温度升高强度也升高、Mo5Si3•3.超导合金：Nb3Sn、Nb3Ge、Nb3Al、V3Ga等材料具有较高的超导转变温度和较高的临界磁场，超导转变温度最高可以达到120K•4.储氢合金：LaNi5、FeTi、MgNi2、Mg2Cu、La2Mg17等吸氢、放氢•5.硬质合金：WC－Co等•6.半导体：AsGa比Si优异•7.形状记忆合金：TiNi、CuZn、CuSi、Cu3Al•8.耐腐蚀性化合物保护层：金属的碳化物、硼化物、氮化物等