第2章+金属及合金相的晶体结构

1、第二章第二章 金属及合金相的晶体结构金属及合金相的晶体结构金属的晶体结构金属的晶体结构密排面堆积方式密排面堆积方式晶体结构间隙晶体结构间隙固溶体固溶体中间相结构中间相结构主主要要内内容容2.1 金属中常见的晶体结构金属中常见的晶体结构面心立方结构（面心立方结构（A1）face-centredcubic lattice体心立方结构（体心立方结构（A2）body-centredcubic lattice密排立方结构（密排立方结构（A3）hexagonal close-packed lattice1. 面心立方结构面心立方结构面心立方结构金属：面心立方结构金属：-Fe, Al, Cu, Ni, Au

2、, Ag和和Pt等。等。l结构符号结构符号A1，Pearson符号符号cF4。l每个晶胞含每个晶胞含4个原子。个原子。面心原子面心原子shared by 2 cells: 6 x 1/2 = 3顶角原子顶角原子shared by 8 cells: 8 x 1/8 = 1l金属键无饱和性和方向性，使其晶体结构金属键无饱和性和方向性，使其晶体结构倾向于最紧密堆垛。倾向于最紧密堆垛。l将原子看作刚性球，构成相互接触圆球模型，更确切表示原将原子看作刚性球，构成相互接触圆球模型，更确切表示原子排列。子排列。配位数与致密度配位数与致密度l配位数配位数（Coordination NumberCN ）是晶体结

3、构中每个原）是晶体结构中每个原子的最近邻原子数目。子的最近邻原子数目。面心立方结构的配位数为面心立方结构的配位数为12，最近原子间距离为，最近原子间距离为a/2面心立方配位数面心立方配位数l致密度致密度是衡量原子堆垛紧密程度的，为晶胞中原子所占体积是衡量原子堆垛紧密程度的，为晶胞中原子所占体积(Va)与晶胞体积与晶胞体积(V)的比值：的比值：=Va/V面心立方晶胞面对角线为原子半径的面心立方晶胞面对角线为原子半径的4倍，即倍，即面心立方结构的致密度面心立方结构的致密度为为2. 体心立方结构体心立方结构 体心立方结构的金属包括：体心立方结构的金属包括： -Fe, Cr, W, Mo, V和和Nb

4、等。等。l结构符号结构符号A2，Pearson符号符号cI2l每个晶胞含每个晶胞含2个原子个原子体心原子体心原子shared by 0 cells: 1 x 1 = 1顶角原子顶角原子shared by 8 cells: 8 x 1/8 = 1体心立方结构配位数为体心立方结构配位数为8，原子间距，原子间距还有还有6个次近邻原子，间距为个次近邻原子，间距为a，相差，相差15.5%。体心配位数也表示为体心配位数也表示为CN=8+6。l体心立方晶胞体对角线为原子半径的体心立方晶胞体对角线为原子半径的4倍，即倍，即体心立方结构的致密度体心立方结构的致密度为：为：3. 密排六方结构密排六方结构密排六方结

5、构的金属包括：密排六方结构的金属包括： -Ti, Mg, Zn和和Cd等。等。l结构符号结构符号A3，每个晶胞含，每个晶胞含6个原子。个原子。lPearson符号符号hP2（3轴坐标）轴坐标）, hP2表示其属于六方晶系的简单表示其属于六方晶系的简单六方点阵。六方点阵。l每个晶胞含每个晶胞含2个原子。个原子。4轴坐标系更好地显示出六方对称性。轴坐标系更好地显示出六方对称性。密排六方结构配位数为密排六方结构配位数为6+6，原子间距，原子间距:l理想的密排六方结构，理想的密排六方结构，lc/a1.633,理想轴比值，理想轴比值，Ideal ratio。(0001)面和面心立方面和面心立方111面具

6、有相同的最紧面具有相同的最紧密排列方式密排列方式-密堆积结构。密堆积结构。理想密排六方结构的致密度理想密排六方结构的致密度为为:密排六方配位数密排六方配位数2.2密堆积结构中密排原子面的堆积方式密堆积结构中密排原子面的堆积方式l密堆结构：由密堆结构：由2维密排原子面以最密排的方式堆积而得。维密排原子面以最密排的方式堆积而得。l密排面中每个球与密排面中每个球与6个球相切，周围有个球相切，周围有6个间隙。个间隙。密排六方结构密排六方结构ABC形式的堆积形式的堆积-面心立方堆积面心立方堆积BCA体心立方堆垛方式体心立方堆垛方式2.3密堆积结构中的间隙密堆积结构中的间隙两种间隙类型：两种间隙类型：l金

7、属晶体结构的间隙可容纳尺寸较小的非金属原子，形成间金属晶体结构的间隙可容纳尺寸较小的非金属原子，形成间隙固溶体或间隙化合物。隙固溶体或间隙化合物。四面体间隙，四面体间隙，每个间隙周围有每个间隙周围有4个原子，每个原子周围有个原子，每个原子周围有8个间隙，个间隙，8 1/4, 即平均即平均1个原子有个原子有2个四面体间隙。个四面体间隙。八面体间隙，八面体间隙，每个间隙周围有每个间隙周围有6个原子，每个原子周围有个原子，每个原子周围有6个间隙，个间隙，6 1/6, 即平均即平均1个原子有个原子有1个四面体间隙。个四面体间隙。密堆结构中四面体间隙数是八面体间隙数的密堆结构中四面体间隙数是八面体间隙数

8、的2倍。倍。图图2.10 (a)四面体间隙四面体间隙:b)八面体间隙八面体间隙面心立方结构间隙面心立方结构间隙l八面体间隙中心分布于棱边中心和八面体间隙中心分布于棱边中心和立方体中心立方体中心l八面体间隙的间隙半径与原子半径八面体间隙的间隙半径与原子半径的比值为的比值为0.414l四面体间隙中心四面体间隙中心-8个小立方体的中心个小立方体的中心l四面体间隙半径与原子半径比值四面体间隙半径与原子半径比值=0.225面心立方晶胞有面心立方晶胞有4个原子，故有个原子，故有8个个四面体和四面体和4个八面个八面体间隙。体间隙。raaar225. 008. 04243四面密排六方结构中间隙密排六方结构中间

9、隙l八面体间隙中心坐标为八面体间隙中心坐标为(2/3 1/3 3/4)l理想紧密堆垛理想紧密堆垛八面体间隙：八面体间隙：r = 0.414Rl四面体间隙中心坐标为四面体间隙中心坐标为(1/3 2/3 7/8)理想紧密堆垛，四面体间隙半径为：理想紧密堆垛，四面体间隙半径为：r = 0.225Rl六方棱柱晶胞含六方棱柱晶胞含6个原子，故含个原子，故含12个四面体和个四面体和6个八面体间隙。个八面体间隙。2.4体心立方结构的间隙体心立方结构的间隙略受压缩的八面体间隙；略受压缩的八面体间隙；八面体间隙中心位于棱边中心和面心八面体间隙中心位于棱边中心和面心八面体间隙半径八面体间隙半径: r=1/2(a-

10、2R) r0.155 R晶胞含晶胞含6 (61/2+121/4 )个八面体间隙。个八面体间隙。平均平均1个原子个原子3有个八面体间隙。有个八面体间隙。l非正四面体间隙。非正四面体间隙。l四面体间隙半径四面体间隙半径: r= (a5/4-R) r0.291 Rl晶胞含晶胞含12 (4 6 1/2)个四面体间隙。个四面体间隙。l平均平均1个原子含个原子含6个四面体间隙。个四面体间隙。四面体间隙八面体间隙2.5 同素异构性同素异构性同素异构性同素异构性又称同素异晶性，是指某些又称同素异晶性，是指某些元素在温度或压力变化时，晶体结构发元素在温度或压力变化时，晶体结构发生变化的一种特性。生变化的一种特性

11、。曲线相交发生同素曲线相交发生同素异构转变异构转变l37个金属元素具有个金属元素具有同素异构性。同素异构性。l具有同素异构的元素，一般低温时以具有同素异构的元素，一般低温时以fcc，hcp等密排结构稳定等密排结构稳定存在；高温时则以较不致密的存在；高温时则以较不致密的bcc等结构稳定存在。等结构稳定存在。铁的同素异构性铁的同素异构性图2.15 纯铁的原子间距和原子体积随温度的变化2.6金属晶体中的原子大小金属晶体中的原子大小l最邻近原子间距求原子半径，但最邻近原子间距求原子半径，但r随配位数增大而增大。随配位数增大而增大。l按电子理论，结合键不变，原子所占体积与晶体结构无关。按电子理论，结合键

12、不变，原子所占体积与晶体结构无关。一般金属元素的同素异构转变一般金属元素的同素异构转变V1%。晶体堆垛致密度不同则晶体堆垛致密度不同则r应不相同，即应不相同，即r应与配位数有关。应与配位数有关。消除消除CN对对r影响影响l1928年，年，Goldschmidt以以CN=12为标准，对为标准，对r修正如下：修正如下：l适用于结构简单，但对于复杂结构金属因适用于结构简单，但对于复杂结构金属因CN难确定，不难确定，不适用，如镓、锑、锌、镉、铍、适用，如镓、锑、锌、镉、铍、a锰、钚等。锰、钚等。l采用原子体积（采用原子体积（），它为晶胞体积除以晶胞原子数。），它为晶胞体积除以晶胞原子数。l将此体积拟合

13、成球体，而导出原子半径将此体积拟合成球体，而导出原子半径r0=(3/4)1/3，不，不受受CN的影响，可在不同结构间进行相互比较。的影响，可在不同结构间进行相互比较。2.7合金相的分类合金相的分类l在金属中加入其它金属或非金属元素组成合金，形成具在金属中加入其它金属或非金属元素组成合金，形成具有一定结构和成分的相有一定结构和成分的相合金相合金相l分为固溶体（分为固溶体（Solid Solution）和中间相（）和中间相（Intermediate Phase）l保持纯组元晶体结构，位于相图保持纯组元晶体结构，位于相图端部，称为端际固溶体或一次固端部，称为端际固溶体或一次固溶体，简称溶体，简称固溶

14、体。固溶体。l根据溶质原子类型，一次固溶体根据溶质原子类型，一次固溶体分为：分为：置换固溶体置换固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体 有限固溶体有限固溶体和和无限固溶体无限固溶体 有序固溶体有序固溶体和和无序固溶体无序固溶体l不和端际相连的相，结构和纯组不和端际相连的相，结构和纯组元不相同，简称元不相同，简称中间相中间相。l分为分为3个主要类型：正常价化合物；电子相；尺寸化合物。个主要类型：正常价化合物；电子相；尺寸化合物。l中间相也可有一定的固溶度，此固溶体称为二次固溶体。中间相也可有一定的固溶度，此固溶体称为二次固溶体。2.8置换固溶体置换固溶体l溶质原子取代溶剂原子在晶体结构溶质原子取代溶剂原

15、子在晶体结构中的位置所形成的固溶体。中的位置所形成的固溶体。l溶质取代溶剂原子，使晶格发生畸溶质取代溶剂原子，使晶格发生畸变，产生弹性应变，使固溶体的点阵变，产生弹性应变，使固溶体的点阵常数变化。常数变化。休姆休姆-罗瑟里（罗瑟里（Hume-Rothery）提出）提出2个增大置换固溶体的固个增大置换固溶体的固溶度经验性规律溶度经验性规律尺寸因素（尺寸因素（Size Factor） 溶质和溶剂的相对尺寸差别小于溶质和溶剂的相对尺寸差别小于15%。电负性效应电负性效应(Electronegative Valency Effect) 两类原子的电负性相差较小，才可能获得较大固溶度两类原子的电负性相差

16、较小，才可能获得较大固溶度很多学者都做了大量的研究工作，发现不同元素间的原很多学者都做了大量的研究工作，发现不同元素间的原子尺寸、电负性、电子浓度和晶体结构等因素对固溶度子尺寸、电负性、电子浓度和晶体结构等因素对固溶度均有明显规律性的影响。均有明显规律性的影响。 (1)原子尺寸因素原子尺寸因素原子尺寸因素一般用组元间原子半径之差与其中一组元的原子半原子尺寸因素一般用组元间原子半径之差与其中一组元的原子半径之比来表示，径之比来表示，rA、rB分别表示为分别表示为A、B两组元的原子半径，则两组元的原子半径，则 表示原子尺寸因素的大小。原子尺寸因素表示原子尺寸因素的大小。原子尺寸因素r对固溶体的固溶

17、度起对固溶体的固溶度起着重要作用。组元间的原子半径越相近，即着重要作用。组元间的原子半径越相近，即r越小，则固溶体的越小，则固溶体的固溶度越大；而当固溶度越大；而当r越大时，则固溶体的固溶度越小。有利于大越大时，则固溶体的固溶度越小。有利于大量固溶的原子尺寸因素量固溶的原子尺寸因素r不超过不超过（1415%）或者说溶质与溶）或者说溶质与溶剂的原子半径比在剂的原子半径比在0.851.15之间。当超过以上数值时就不能大量之间。当超过以上数值时就不能大量固溶。在以铁为基的固溶体中，当铁与其他元素的原子半径相对固溶。在以铁为基的固溶体中，当铁与其他元素的原子半径相对差别差别r r8%8%，且两者的晶体

18、结构相同时，且两者的晶体结构相同时才有可能形成无限固溶体，才有可能形成无限固溶体，否则就只能形成有限固溶体。在以铜为基的固溶体中，只有否则就只能形成有限固溶体。在以铜为基的固溶体中，只有r r 10% 11 %时时,才可能形成无限固溶体。才可能形成无限固溶体。ABArrrr原子尺寸因素对固溶度的影响可以做定性说明。当溶质原子原子尺寸因素对固溶度的影响可以做定性说明。当溶质原子溶入溶剂晶格后，会引起晶格畸变即与溶质原子相邻的溶剂溶入溶剂晶格后，会引起晶格畸变即与溶质原子相邻的溶剂原子要偏原子要偏 离其平衡位置离其平衡位置,如图所示。如图所示。 v(2)电负性因素电负性因素v电负性因素是指组成合金

19、的组元原子，吸引电子形成负离子的倾向。电负性因素是指组成合金的组元原子，吸引电子形成负离子的倾向。越容易吸引电子形成负离子的元素，则其电负性越强，当组元间的越容易吸引电子形成负离子的元素，则其电负性越强，当组元间的电负性之差小时，则其固溶度较大，如果溶质原子与溶剂原子的电电负性之差小时，则其固溶度较大，如果溶质原子与溶剂原子的电负性相差很大，即两者之间的化学亲和力很大时，则它们往往倾向负性相差很大，即两者之间的化学亲和力很大时，则它们往往倾向形成比较稳定的金属化合物，即使形成固溶体，其固溶度往往也较形成比较稳定的金属化合物，即使形成固溶体，其固溶度往往也较小。小。v在元素周期表中，在同一周期里

20、，元素的电负性自左至右依次递增，在元素周期表中，在同一周期里，元素的电负性自左至右依次递增，在同族里，元素的电负性自下而上依次递增。两元素的电负性相差在同族里，元素的电负性自下而上依次递增。两元素的电负性相差越大，即在元素周期表中的位置相距越远，表示越不利于形成固溶越大，即在元素周期表中的位置相距越远，表示越不利于形成固溶体。若两元素间的电负性相差越小，则越易形成固溶体，其形成的体。若两元素间的电负性相差越小，则越易形成固溶体，其形成的固溶体的固溶度也越大。固溶体的固溶度也越大。 v(3)电子浓度因素电子浓度因素v在研究以在研究以IB族金属为基的合金（即铜基、银基和金基族金属为基的合金（即铜基

21、、银基和金基)时，发现这样时，发现这样一个经验规律：在尺寸因素比较有利的情况下，溶质元素的原子价一个经验规律：在尺寸因素比较有利的情况下，溶质元素的原子价越高，则其在越高，则其在Cu、 Ag、Au中的溶解度越小。例如，二价的锌在铜中的溶解度越小。例如，二价的锌在铜中的最大溶解度（摩尔分数）为中的最大溶解度（摩尔分数）为x (Zn)= 38%，三价的镓为，三价的镓为x(Ga) =20%，四价的锗为，四价的锗为12%，五价的砷为，五价的砷为7%。以上的数值表明溶质元。以上的数值表明溶质元素的原子价与固溶体的固溶度之间有一定的关系。进一步的分析表素的原子价与固溶体的固溶度之间有一定的关系。进一步的分

22、析表明，溶质元素原子价的影响实质上是由电子浓度决定的。明，溶质元素原子价的影响实质上是由电子浓度决定的。v所谓电子浓度是指合金晶体中的价电子数与其原子数之比所谓电子浓度是指合金晶体中的价电子数与其原子数之比,可用下式可用下式表示表示v根据上式可以计算出以上元素在一阶铜中的最大溶解度达到最大值时所对应根据上式可以计算出以上元素在一阶铜中的最大溶解度达到最大值时所对应的电子浓度值，发现其值均为的电子浓度值，发现其值均为1.36。这是由于在一定的金属晶体结构的单位。这是由于在一定的金属晶体结构的单位体积中，能容纳的阶电子数有一定限度，超过这个限度，电子的能量将急剧体积中，能容纳的阶电子数有一定限度，

23、超过这个限度，电子的能量将急剧上升，从而引起结构的不稳定，直至发生改组，转变成其它的晶体结构。故上升，从而引起结构的不稳定，直至发生改组，转变成其它的晶体结构。故此固溶体的电子浓度有一极限值。由此可见，元素的原子价越高，则其固溶此固溶体的电子浓度有一极限值。由此可见，元素的原子价越高，则其固溶度越小。度越小。v极限电子浓度值与固溶体的晶体结构类型有关，面心立方固溶体的为极限电子浓度值与固溶体的晶体结构类型有关，面心立方固溶体的为1.36，而体心立方晶体结构的则为而体心立方晶体结构的则为1.48。100)100(xVxVcBA电子v(4)晶体结构因素晶体结构因素v溶质与溶剂的晶体结构类型是否相同

24、，是其能否形成无限固溶体溶质与溶剂的晶体结构类型是否相同，是其能否形成无限固溶体的必要条件。只有晶体结构类型相同，溶质原子才能连续不断地的必要条件。只有晶体结构类型相同，溶质原子才能连续不断地置换溶剂晶格中的原子，一直到溶剂原子完全被溶质原子置换完置换溶剂晶格中的原子，一直到溶剂原子完全被溶质原子置换完为止。如果组元的晶格类型不同，则组元间的固溶度只能是有限为止。如果组元的晶格类型不同，则组元间的固溶度只能是有限的，形成有限固溶体。即使晶格类型相同的组元间不能形成无限的，形成有限固溶体。即使晶格类型相同的组元间不能形成无限固溶体，那么，其固溶度也将大于晶格类型不同的组元间的固溶固溶体，那么，其

25、固溶度也将大于晶格类型不同的组元间的固溶度。度。以电负性为纵坐标、原子以电负性为纵坐标、原子半径半径(CN=12)为横坐标为横坐标以代表溶剂元素的点为中以代表溶剂元素的点为中心作一椭圆，一个轴为溶剂心作一椭圆，一个轴为溶剂电负性的电负性的0.4，另一个轴为，另一个轴为溶剂原子半径的溶剂原子半径的 15%。Darken-Gurry图图 1979年，年，Gschneidner提出预提出预测固溶度的规律，其可靠性可测固溶度的规律，其可靠性可提高到提高到74%左右，约比仅仅采左右，约比仅仅采用用Darken-Curry图提高了图提高了20%。2.9间隙固溶体间隙固溶体面心立方结构面心立方结构r=0.4

26、14Rr=0.225Rlr=0.053 nm，C和和N最多最多-Fe：体心立方结构体心立方结构l间隙虽多但尺寸小，其固溶度小。间隙虽多但尺寸小，其固溶度小。l四面体间隙四面体间隙r=0.036 nm；八面体；八面体间隙间隙r=0.019nm。-Fer=0.291Rr=0.155Rl各向异性较大，局部易畸变为体心各向异性较大，局部易畸变为体心四方，平均保持立方。四方，平均保持立方。溶入溶入8.9 at. % 和和10.3 at. % 。l面心立方八面体间隙数等于晶胞面心立方八面体间隙数等于晶胞内原子数，故间隙数被内原子数，故间隙数被C和和N原子原子占据占据9.8%和和11.5 %。lC和和N的最

27、大溶解度为的最大溶解度为0.1和和0.4 at.%。相当于。相当于0.033和和0.13% 的八的八面体间隙被面体间隙被C和和N占据。占据。2.10有序固溶体有序固溶体l溶质原子的分布可能无序溶质原子的分布可能无序, 也可能部分也可能部分或完全有序。或完全有序。l只有理想配比只有理想配比(如如AB)、结构简单的、结构简单的理想单晶体才是完全有序的。理想单晶体才是完全有序的。晶体中存在缺欠和晶界，一般不能形成晶体中存在缺欠和晶界，一般不能形成完全有序。完全有序。l有序固溶体中存在一些有序畴，畴中有序固溶体中存在一些有序畴，畴中溶质和溶剂原子呈完全有序排列，但各溶质和溶剂原子呈完全有序排列，但各畴

28、间原子排列无序，畴界处会有较多同畴间原子排列无序，畴界处会有较多同类原子相邻。有序畴又成为反相畴。类原子相邻。有序畴又成为反相畴。l与无序时相比，有序固溶体因在与无序时相比，有序固溶体因在XRD中，出现一些新衍射环，也称为超结构。中，出现一些新衍射环，也称为超结构。反相畴界反相畴界固溶体的性能固溶体的性能v在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高,而塑而塑性、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。溶质原子与溶剂原子性、韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，所引起的晶格畸变也越大，强化效果越好。由于

29、的尺寸差别越大，所引起的晶格畸变也越大，强化效果越好。由于间隙原子造成的晶格畸变比置换原子大得多，所以其强化效果也大间隙原子造成的晶格畸变比置换原子大得多，所以其强化效果也大得多。固溶体的塑性和韧性，如延伸率、断面收缩率和冲击功等，得多。固溶体的塑性和韧性，如延伸率、断面收缩率和冲击功等，虽比组成它的纯金属的平均值低，但比一般的化合物高得多。因此，虽比组成它的纯金属的平均值低，但比一般的化合物高得多。因此，各种金属材料总是以固溶体为其基体相。各种金属材料总是以固溶体为其基体相。v在物理性能方面，随着溶质原子浓度的增加，固溶体的电阻率升高，在物理性能方面，随着溶质原子浓度的增加，固溶体的电阻率升

30、高，电阻温度系数下降。因此工业上应用的精密电阻和电热材料等，都电阻温度系数下降。因此工业上应用的精密电阻和电热材料等，都广泛应用固溶体合金。广泛应用固溶体合金。2.11电子相电子相(电子化合物电子化合物)lCu/Ag/Au与副与副B族元素组成的相图非族元素组成的相图非常相似（如常相似（如Cu-Zn、Ag-Cd、Ag-Zn等）等）;l相区成分范围较宽，都存在相区成分范围较宽，都存在,和和相，相，除除外结构都比较简单。外结构都比较简单。Cu-Zn20世纪世纪20年代，年代，Home-Ruthery提提出用电子浓度表征出用电子浓度表征,和和相。相。电子浓度电子浓度(e/a)= ZA(1-VB)+ Z

31、BVBZA, ZB 为A、B组元价电子数，VB为B组元摩尔分数。1933年，年，Bernal 建议称之为电子化合物。建议称之为电子化合物。Massalski认为称其为电子相更恰当。认为称其为电子相更恰当。电子化合物可以用化学式表示，但其成分可以在一定的范电子化合物可以用化学式表示，但其成分可以在一定的范围内变化，因此可以把它看做是以化合物为基的固溶体。围内变化，因此可以把它看做是以化合物为基的固溶体。电子化合物具有很高的熔点和硬度，但脆性很大。电子化合物具有很高的熔点和硬度，但脆性很大。电子浓度电子浓度=3/2即即21/14电子浓度电子浓度=21/13 电子浓度电子浓度=7/4 即即21/12

32、体心立方结构体心立方结构 相相复杂立方结构复杂立方结构相相密排六方结构密排六方结构相相CuZnCu5Zn8CuZn3Cu5SnCu31Zn8Cu8SnCu3A1Cu9Al4CU5Al3Cu5Si*Cu31Si8Cu3SiAgZn*Ag5Zn8AgZn3AuCdAu5Cd8AuCd3FeAlFe5Zi21Ag5Al3CoAICo5Zn21Au3SnNiAlNi5Be21Au5A13常见的一些电子化合物及其结构类型常见的一些电子化合物及其结构类型 *不同温度出现不同结构不同温度出现不同结构 2.12正常价化合物正常价化合物l正离子价电子数正好能使负离子具有稳定的电子层结构，即正离子价电子数正好能使

33、负离子具有稳定的电子层结构，即AmBn化合物中，化合物中，meC=n(8-eA), 结合一般是离子键。结合一般是离子键。leA和和eC分别是正和负离子在非电离状态下的价电子数。分别是正和负离子在非电离状态下的价电子数。晶体结构比较简单，不同于组成元素，主要有晶体结构比较简单，不同于组成元素，主要有4种类型：种类型：l面心立方，结构符号面心立方，结构符号B1，Pearson符号符号cF8。l点阵结构基元是点阵结构基元是1个钠离子和个钠离子和1个氯离子。个氯离子。l可想象为可想象为2个互相穿插的个互相穿插的fcc点阵点阵, 每个点阵每个点阵由一种离子构成，另一种离子占据点阵的八由一种离子构成，另一

34、种离子占据点阵的八面体间隙。面体间隙。l这类化合物：这类化合物：HfC、HfN、VC、TiO、TiC、ZrO等。等。NaCl型结构型结构l结构符号结构符号B3，Pearson符号符号cF8。lS处于处于Zn面心立方点阵的面心立方点阵的4个四面体间个四面体间隙，上下层隙，上下层S原子的位置交叉错开。原子的位置交叉错开。l点阵结构基元由点阵结构基元由1个个Zn+1个个S组成。一组成。一个单胞内有个单胞内有8个原子。个原子。l如如AlSb、CdS、CdSe、CdTe、GaSb、ZnO、ZnS、ZnSe等。等。CaF2型结构型结构l结构符号结构符号C1，Pearson符号符号cF12。lF处于处于Ca

35、面心立方点阵的四面体间隙中。面心立方点阵的四面体间隙中。l点阵结构基元由点阵结构基元由1个个Ca+2个个F原子组成。原子组成。l如如Mg2Si、Mg2Pb、CoSi2 、UO2 及稀土及稀土氢化物等。氢化物等。闪锌矿型（闪锌矿型（ZnS）结构）结构l结构符号结构符号B4，Pearson符号符号hP4，l可想象为可想象为Zn及及S各自构成密排六方点阵，这两个点阵原子沿各自构成密排六方点阵，这两个点阵原子沿c轴轴错开错开c/3。即每个点阵占据另一点阵的四面体间隙位置。即每个点阵占据另一点阵的四面体间隙位置。l点阵结构基元是由点阵结构基元是由2个个Zn + 2个个S原子组成。一个单胞含原子组成。一个

36、单胞含4个原子。个原子。l如如AlN、BeO、CdS等，以及本征半导体等，以及本征半导体GaAs、GaSb、InSb等。等。正常价化合物与其组成元素的正常价化合物与其组成元素的物化性质不同，通常熔点、硬度物化性质不同，通常熔点、硬度及脆性均较高。及脆性均较高。纤维锌矿型（纤维锌矿型（ZnS）结构）结构2.13 拓扑密堆积相拓扑密堆积相(TCP Topologically Close-packed 相相)l在很多化合物结构中，原子尺寸起主要作用，并倾向于紧密堆在很多化合物结构中，原子尺寸起主要作用，并倾向于紧密堆垛，称为垛，称为拓朴密堆相拓朴密堆相，包括，包括间隙化合物、间隙化合物、Laves、

37、相等相等。间隙化合物间隙化合物l由原子半径由原子半径r比较大的过渡金属（比较大的过渡金属（M）与）与r比较小的比较小的H, B, C, N, O,等非金属组成的化合物，非金属原子占据金属原子结构间隙。等非金属组成的化合物，非金属原子占据金属原子结构间隙。l具有金属光泽和导电性的高熔点、高硬度较脆的化合物。具有金属光泽和导电性的高熔点、高硬度较脆的化合物。黑格（黑格（Hagg）根据）根据RX/RM对其分类对其分类: (1) RX/RM996-77-97-868-9硬度硬度(HV)-400300017303501480-3001550物质名称物质名称TaNNbNbCNb2NVVCZrCTiC熔点熔

38、点/3360502770377012523001 9933 0233 8053 410矿物硬度等矿物硬度等级级8696.5999硬度硬度(HV)3002050201028402850一些金属和间隙相的熔点和硬度一些金属和间隙相的熔点和硬度 v间隙相的高硬度在一些合金工具钢和硬质合金中得到了间隙相的高硬度在一些合金工具钢和硬质合金中得到了应用。另外应用。另外, ,通过对钢件表面渗入或涂层的方法使之形通过对钢件表面渗入或涂层的方法使之形成含有间隙相的薄层成含有间隙相的薄层, ,可显著增加钢的表面硬度和耐磨可显著增加钢的表面硬度和耐磨性性, ,延长零件的使用寿命。延长零件的使用寿命。间隙化合物间隙化

39、合物（2）RX/RM 0.59, 称为间隙化合物，称为间隙化合物，Cr、Mn、Fe和和Zr的碳化物的碳化物RX/RM =0.60 0.61，形成复杂间隙化合物。形成复杂间隙化合物。间隙化合物的类型很多，合金钢中常遇到间隙化合物的类型很多，合金钢中常遇到的间隙化合物有的间隙化合物有M M3 3C C型型( (如如FeFe3 3C C、MnMn3 3C)C)、M M7 7C C3 3型型( (如如CrCr7 7C C3 3) )、M M2323C C6 6型（如型（如CrCr2323C C6 6）、）、M M6 6C C型（如型（如FeFe3 3W W3 3C C、FeFe4 4W W2 2C C

40、）等。）等。 lFe3C具有正交结构，结构符号具有正交结构，结构符号DO11，Pearson符号符号oP16，l1个晶胞有个晶胞有12铁原子铁原子+ 4个碳原子。个碳原子。lFe3C可看作由可看作由6个个Fe原子构成的三原子构成的三角棱柱和柱内角棱柱和柱内1个个C连接而成，角上连接而成，角上的铁原子为的铁原子为2个三角棱柱共享。个三角棱柱共享。l这些三角棱柱在这些三角棱柱在Z轴方向分两层，轴方向分两层，每层都有每层都有2种取向。种取向。(a)Fe3C晶胞在匀平面上的投影晶胞在匀平面上的投影(b) Fe3C的结构单元的结构单元l M2323C6 6以铬为主的碳化物物以铬为主的碳化物物Cr2323

41、C6 6形武存在，常存在于各形武存在，常存在于各种高合金工具钢、不锈钢以及铁基、镍基高温合金中，此时种高合金工具钢、不锈钢以及铁基、镍基高温合金中，此时部分部分CrCr可被可被FeFe、MoMo、W W等原子所置换，如（等原子所置换，如（CrCr、FeFe）2323C C6 6、CrCr2121MoMo2 2C6C6、（、（CrCr、MoMo、W W）2323C C6 6的熔点较低，与铁的熔点在同的熔点较低，与铁的熔点在同一数量级，硬度约为一数量级，硬度约为1050HV1050HV。l M M6 6C C也是一种常见的碳化物类型，常为多元，即由两种以上也是一种常见的碳化物类型，常为多元，即由两种以上的金属元素的金属元素M M、M M与碳组合而成。例如与碳组合而