第2章 固体结构2.

1、 第二章第二章 固体结构固体结构 本章主要内容本章主要内容n1 1、晶体学基础、晶体学基础n2 2、金属的晶体结构、金属的晶体结构n3 3、合金相结构、合金相结构 n4 4、离子晶体的结构、离子晶体的结构n5 5、共价晶体的结构、共价晶体的结构n6 6、聚合物晶体结构、聚合物晶体结构n7 7、非晶态结构、非晶态结构第二节第二节 金属的晶体结构金属的晶体结构n一、金属三种典型晶体结构一、金属三种典型晶体结构n1 1、面心立方结构（、面心立方结构（A1A1或或fccfcc）n 结构模型：结构模型：n晶胞中的晶胞中的原子数原子数：（1/81/8）8 +8 +（1/21/2）6= 46= 4个个n点阵

2、常数：点阵常数：a=b=c a=b=c 只用晶胞的一个棱边只用晶胞的一个棱边a a表示。表示。n原子半径：原子半径：相切的两原子中心距之半。相切的两原子中心距之半。n最近邻的原子球是相切的。面心立方结构的最密最近邻的原子球是相切的。面心立方结构的最密排面是排面是111111，最密排方向是，最密排方向是，原子半径，原子半径n配位数（配位数（CNCN）：）：晶体结构中，与任一原子最近邻晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。且等距离的原子数。FccFcc: CN=12: CN=12 ra24n致密度：致密度：单位体积晶胞中原子所占体积与晶胞体单位体积晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。积之比。

3、 致密度致密度 为：为：n具有面心立方结构的金属具有面心立方结构的金属：CuCu、AgAg、AuAu、r-Fer-Fe、NiNi、AlAl等等 。74. 062423443443333aaarn2 2、体心立方结构（、体心立方结构（A2A2或或bccbcc）：）：n结构模型：结构模型：n晶胞中的晶胞中的原子数原子数： 8 81/8 +1=21/8 +1=2n点阵常数：点阵常数：a an原子半径：原子半径：原子密排面（原子密排面（110110），最密排方向），最密排方向111111，在此方向上原子彼此相切，在此方向上原子彼此相切。ra3 4配位数：配位数：CN 8CN 8致密度：致密度： 具有具

4、有bccbcc结构的金属：结构的金属：a-Fea-Fe、W W、MoMo、V V等。等。24324343380683333raaa.0.68n3 3、密排六方金属（、密排六方金属（A3A3或或hcphcp）：）：n结构模型。晶胞中的原子数：结构模型。晶胞中的原子数：121/6 +3+21/2=6n晶格常数：晶格常数：a ca cn原子半径：原子半径：n理想紧密堆垛理想紧密堆垛: :轴比轴比n非理想密排非理想密排 ，轴比，轴比c a 8 31633.r=a/2;r=a/2;c a 1633.d=ac a1 342 () u 配位数：配位数：CN 12CN 12 非理想密排时记为：非理想密排时记为

5、：6+66+6u致密度：致密度： 0.740.74u 也是一种密排结构。最密排面为也是一种密排结构。最密排面为00010001。u 最密排方向为最密排方向为 u具有具有hcphcp结构的金属：结构的金属：uMgMg、ZnZn、CdCd等。等。1120n二、金属晶体结构中的原子堆垛二、金属晶体结构中的原子堆垛n1 1、FccFcc和和hcphcp中的原子堆垛：中的原子堆垛：密排面密排面u 原子按原子按ABABAB-ABABAB-，堆垛成为，堆垛成为hcphcp结构；结构； n原子按原子按ABCABC-ABCABC-，堆垛成，堆垛成为为fccfcc结构。结构。n关键是第三层原子的堆垛位关键是第三层

6、原子的堆垛位置：置：n第三层原子可有两种堆垛方第三层原子可有两种堆垛方式都能得到最紧密的原子排式都能得到最紧密的原子排列。列。n第三层的差别，并不影响原第三层的差别，并不影响原子排列的紧密程度，但两种子排列的紧密程度，但两种方式所产生的结构不同。方式所产生的结构不同。n三、金属晶体中的堆垛间隙：三、金属晶体中的堆垛间隙：n1 1、面心立方中的间隙：、面心立方中的间隙：n（1 1）FccFcc中的八面体间隙中的八面体间隙n正八面体（各个棱边长度相同）。正八面体（各个棱边长度相同）。ufccfcc八面体间隙形状八面体间隙形状：u由由6 6个原子组成一个八个原子组成一个八面体，此八面体的每个面面体，

7、此八面体的每个面是是111111。八面体中心就是一八面体中心就是一个间隙中心个间隙中心nfccfcc八面体间隙的位置八面体间隙的位置：n立方体中心和每个棱边的中心。立方体中心和每个棱边的中心。nfccfcc八面体间隙的个数八面体间隙的个数：n1+121+121/4=41/4=4个个nfccfcc八面体间隙的半径：八面体间隙的半径：n间隙中心位置到邻近原子面的最间隙中心位置到邻近原子面的最近距离。即：表示能放入间隙内近距离。即：表示能放入间隙内的小球的最大半径。的小球的最大半径。 八面体间隙中心到近邻原子球面最短距离方向是八面体间隙中心到近邻原子球面最短距离方向是方向，在方向，在 aa长度内包含

8、一个原子直径长度内包含一个原子直径和一个间隙直径，所以八面体和一个间隙直径，所以八面体间隙半径间隙半径为：为： rarrrr八面 122122 220414.ra24ra22n(2)Fcc(2)Fcc中的四面体间隙：中的四面体间隙：nFccFcc中四面体的形状：中四面体的形状：由由4 4个原子组成一个四面体，个原子组成一个四面体，四面体的每个面由四面体的每个面由111111面构成。四面体的各个棱面构成。四面体的各个棱边长度相同，为正四面体。边长度相同，为正四面体。nfccfcc四面体的位置：四面体的位置：4 4条体对角线上，每一条对角条体对角线上，每一条对角线上有两个。它们的中心位置是线上有两

9、个。它们的中心位置是 及其及其等效位置。等效位置。nfccfcc四面体的数量：四面体的数量：4 42=82=8个个nfccfcc四面体的半径四面体的半径：四面体间隙中心到最近邻原子四面体间隙中心到最近邻原子中心的方向是中心的方向是方向，在方向，在a a/4/4长度内包含长度内包含1 1个原子半径和个原子半径和1 1个四面体间隙半径，所以个四面体间隙半径，所以四面体四面体间隙半径间隙半径为：为：rarrrr四面34342 202247.ra22n2 2、体心立方中的间隙：、体心立方中的间隙： n(1)(1)体心立方的八面体间隙：体心立方的八面体间隙：nbccbcc八面体间隙形状：八面体间隙形状：

10、由六个原子组成一个八面体，八面体由六个原子组成一个八面体，八面体的每个面为的每个面为110110面，各棱边长度不同，是个扁八面体。面，各棱边长度不同，是个扁八面体。nbccbcc八面体间隙位置：八面体间隙位置：在立方体每个面的中心和每条棱边的在立方体每个面的中心和每条棱边的中心。中心。nbccbcc八面体间隙数量：八面体间隙数量：6 61/2+121/2+121/4=61/4=6个个n八面体间隙的半径：八面体间隙的半径：n根据根据100100方向计算：方向计算：rarrrr八面1221243201547.ra3 434ra n根据根据110110方向计算：方向计算：n r八面 = 0.633r

11、n(2)(2)体心立方四面体间隙：体心立方四面体间隙：nbccbcc四面体间隙形状：四面体间隙形状：由由4 4个原子围成的四面体，四面体的个原子围成的四面体，四面体的每个面为每个面为110110面，每条棱边长度不相同，面，每条棱边长度不相同，不是正四面体不是正四面体。nbccbcc四面体间隙位置：四面体间隙位置：中心为中心为 0 0 以及等效位置。以及等效位置。nbccbcc四面体间隙数量：四面体间隙数量：6 64 41/2=121/2=12个个nbccbcc四面体间隙间隙半径：四面体间隙间隙半径：rrrr四面 54430291.34ra n体心立方四面体间隙包含在八面体间隙中。体心立方四面体

12、间隙包含在八面体间隙中。为什为什么不把四面体间隙简单地看成为八面体间隙的一么不把四面体间隙简单地看成为八面体间隙的一部分？部分？n理由是：理由是：若在四面体间隙内嵌入一个最大尺寸的若在四面体间隙内嵌入一个最大尺寸的球，它就会陷在那里而不能自由地移到八面体间球，它就会陷在那里而不能自由地移到八面体间隙，隙，所以虽然四面体间隙的位置处于八面体间隙所以虽然四面体间隙的位置处于八面体间隙之中，但并不失去四面体间隙的特点。之中，但并不失去四面体间隙的特点。n3 3、密排六方结构中的间隙、密排六方结构中的间隙n(1)hcp(1)hcp八面体间隙：八面体间隙：n形状：形状：正八面体（同正八面体（同fccfc

13、c）n位置：位置：2/3 1/3 3/4 2/3 1/3 3/4 位于无中心原子的相间的三位于无中心原子的相间的三个三角柱体中，且向外扩展了一点。个三角柱体中，且向外扩展了一点。n数量：数量：2 23=63=6个个n间隙半径：间隙半径：rr八面 0414.n(2)hcp(2)hcp四面体间隙：四面体间隙：n形状：形状：正四面体正四面体 （同（同fccfcc）n间隙位置及数量：间隙位置及数量：2/3 1/3 7/82/3 1/3 7/8（ 在有中心原子的在有中心原子的相间的三个三角柱体中，每个三角柱体中各有相间的三个三角柱体中，每个三角柱体中各有2 2个；个；C C轴上有轴上有2 2个；六方柱体

14、的每根棱上有个；六方柱体的每根棱上有2 2个。）个。） 合计：合计：3 32+2+62+2+62/3=122/3=12个个n间隙半径：间隙半径：rr四面 02247.n四、金属的多晶型性四、金属的多晶型性n同素异构转变：同素异构转变：当外界条件当外界条件（温度、压力）改变时，金（温度、压力）改变时，金属由一种晶体结构转变为另属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构。一种晶体结构。n例如：纯铁例如：纯铁n在在13941394 C C以上体心立方结构以上体心立方结构（ -Fe-Fe）稳定存在；）稳定存在；n在在13941394912912 C C范围面心立方范围面心立方结构结构( ( -Fe)-Fe)

15、稳定存在；稳定存在；n在在912912 C C以下又回到体心立方以下又回到体心立方结构（结构（ -Fe-Fe）。）。 第二章第二章 固体结构固体结构n1 1、晶体学基础、晶体学基础n2 2、金属的晶体结构、金属的晶体结构n3 3、合金相结构、合金相结构 n4 4、离子晶体的结构、离子晶体的结构n5 5、共价晶体的结构、共价晶体的结构n6 6、聚合物晶体结构、聚合物晶体结构n7 7、非晶态结构、非晶态结构第三节第三节 合金相结构合金相结构n纯金属的缺点：强度、硬度低。纯金属的缺点：强度、硬度低。n合金合金：两种或两种以上的金属或金属与非金属制成：两种或两种以上的金属或金属与非金属制成的具有金属特

16、性的物质。的具有金属特性的物质。n合金优点：合金优点：（1 1）具有较高的）具有较高的机械性能机械性能；（2 2）具有特殊的）具有特殊的物理、化学性能物理、化学性能；（3 3）可调成分，获得）可调成分，获得一系列性能不同一系列性能不同的合金。的合金。在金属中加入其它金属或非金属元素组成合金，合金组在金属中加入其它金属或非金属元素组成合金，合金组元间交互作用会形成具有一定结构和一定成分的元间交互作用会形成具有一定结构和一定成分的合金相。合金相。ABAmBnL中间相中间相：在相图中间位置，都是化合物，晶体结构和组：在相图中间位置，都是化合物，晶体结构和组成它们的组元不相同。成它们的组元不相同。A

17、Am mB Bn n为中间相。为中间相。中间相也可能有一中间相也可能有一定的固溶度，这种固溶体称为二次固溶体定的固溶度，这种固溶体称为二次固溶体。端际固溶体端际固溶体：位于相图端部位于相图端部和纯组元相连和纯组元相连接，它的晶体接，它的晶体结构保持纯组结构保持纯组元的晶体结构。元的晶体结构。n合金相的类型合金相的类型：根据合金相在相图中的位置可以将：根据合金相在相图中的位置可以将其分为其分为固溶体固溶体（端际固溶体端际固溶体）和）和中间相中间相两大类。两大类。n一、固溶体一、固溶体n定义：两种或两种以上的组元在固态下互溶，形定义：两种或两种以上的组元在固态下互溶，形成在某种元素晶格中包含有其它

18、元素原子的固体。成在某种元素晶格中包含有其它元素原子的固体。n（以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入溶质（以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入溶质原子所形成的均匀混合的固态溶体）。原子所形成的均匀混合的固态溶体）。n量多的叫量多的叫溶剂溶剂；n量少的叫量少的叫溶质溶质。n特点特点：n保持溶剂晶体结构，具体结构有所变化。保持溶剂晶体结构，具体结构有所变化。u固溶体分类：固溶体分类：u按溶质原子按溶质原子占位占位分为分为u按溶质原子的按溶质原子的固溶度固溶度分为分为u按溶质原子按溶质原子在固溶体中分布在固溶体中分布分分置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体无限固溶体无限固溶体有限固溶体有限固溶体

19、无序固溶体无序固溶体有序固溶体有序固溶体n1 1、置换固溶体、置换固溶体n定义：溶质原子置换了溶剂原子位置而形成的固溶定义：溶质原子置换了溶剂原子位置而形成的固溶体。体。n形成规律形成规律：n（1 1）溶质与溶剂原子半径相近溶质与溶剂原子半径相近，绝大多数金属彼，绝大多数金属彼此能形成置换固溶体。此能形成置换固溶体。n（2 2）溶质和溶剂的电化学性质相近溶质和溶剂的电化学性质相近。 影响置换固溶体固溶度的因素：影响置换固溶体固溶度的因素： （1 1）晶体结构。）晶体结构。 只有当两组元的晶体结构相同时，才能形成无限只有当两组元的晶体结构相同时，才能形成无限固溶体；固溶体； 当形成有限固溶体时，

20、溶质与溶剂晶体结构相同当形成有限固溶体时，溶质与溶剂晶体结构相同时，固溶度大。时，固溶度大。n(2)(2)尺寸因素。尺寸因素。nr =r =（r r剂剂 r r质质）/ r/ r剂剂 nr r小于小于1515对获得较大固溶度是有利的。对获得较大固溶度是有利的。n结论：结论：两组元的原子半径差越小，固溶度大两组元的原子半径差越小，固溶度大。n原因：原因：n原子半径与溶剂不同的溶质原子半径与溶剂不同的溶质，溶入溶剂晶格时会使，溶入溶剂晶格时会使溶剂点阵发生畸变，促使体系能量升高，产生畸变溶剂点阵发生畸变，促使体系能量升高，产生畸变能，则此能，则此结构的稳定性降低结构的稳定性降低。n当溶质原子溶入到

21、一定量时，晶格类型要发生改变。当溶质原子溶入到一定量时，晶格类型要发生改变。溶质与溶剂原子半径差越大，引起的点阵畸变越严溶质与溶剂原子半径差越大，引起的点阵畸变越严重，重，固溶体的溶解度越小固溶体的溶解度越小。溶质原子半径和溶溶质原子半径和溶剂原子半径的相对剂原子半径的相对差异差异n(3)(3)电负性效应（化学亲和力）。电负性效应（化学亲和力）。n电负性电负性：指元素的原子在化学反应或形成合：指元素的原子在化学反应或形成合金时，能够得到电子成为负离子的能力。金时，能够得到电子成为负离子的能力。n两组元的电负性差大时，越易形成稳定化合两组元的电负性差大时，越易形成稳定化合物，则固溶度越低物，则固

22、溶度越低。n当电负性差小于当电负性差小于0.40.40.50.5时，才有可能获得时，才有可能获得较大的固溶度。较大的固溶度。n结论：结论：只有电负性相近的元素，固溶度较大只有电负性相近的元素，固溶度较大。元素电负性与其在元素电负性与其在周期表中位置有关周期表中位置有关n(4)(4)电子浓度。电子浓度。n定义：晶体结构中价电子总数定义：晶体结构中价电子总数e e与原子总数与原子总数a a的比值的比值(c=e/a)(c=e/a)。n固溶体中的电子浓度为：固溶体中的电子浓度为：n C=A(100-X)+BX/100C=A(100-X)+BX/100n式中：式中：B B为溶质的原子价；为溶质的原子价；

23、A A为溶剂的原子价；为溶剂的原子价； X X为溶质的原子百分数。为溶质的原子百分数。n原子价原子价：形成合金时，每个原子平均贡献出来的公有电子数。：形成合金时，每个原子平均贡献出来的公有电子数。n原子价的确定原子价的确定：n对非过渡族元素，原子价为其价电子数；对非过渡族元素，原子价为其价电子数；n过渡族元素的原子价定为零。过渡族元素的原子价定为零。过渡族元素次外层电子未满，形成合金时，可贡献出最外层过渡族元素次外层电子未满，形成合金时，可贡献出最外层电子，也可吸收电子填充次外层，所以，近似地认为，电子，也可吸收电子填充次外层，所以，近似地认为，贡献贡献电子和吸收电子相抵消，将其原子价定为零电

24、子和吸收电子相抵消，将其原子价定为零。n电子浓度因素影响固溶度，表现在：电子浓度因素影响固溶度，表现在：n原子价效应：原子价效应：在以一价金属在以一价金属 CuCu、AgAg、AuAu作为溶剂，作为溶剂，溶质的溶质的原子价越高，则在原子价越高，则在 CuCu、AgAg、AuAu中的极限固溶度越小。中的极限固溶度越小。n原因：在给定金属晶体结构的单位体积中，原因：在给定金属晶体结构的单位体积中，能容纳的自由电能容纳的自由电子数，即电子浓度是有限的子数，即电子浓度是有限的，超过这一限度，电子的最大能，超过这一限度，电子的最大能量将急剧上升，引起晶体结构不稳定，甚至发生改组。量将急剧上升，引起晶体结

25、构不稳定，甚至发生改组。电子浓度极限值：电子浓度极限值：溶剂为一价面心立方金属时约为溶剂为一价面心立方金属时约为1.361.36；溶剂为一价体心立方；溶剂为一价体心立方金属时约为金属时约为1.481.48；溶剂为密排六方金属时，约为；溶剂为密排六方金属时，约为1.751.75。溶入溶质原子价越高，电子浓度增加越快溶入溶质原子价越高，电子浓度增加越快，达到极限值，达到极限值后，固溶体变得不稳定，不能再溶解溶质了，其极限固后，固溶体变得不稳定，不能再溶解溶质了，其极限固溶度越小。溶度越小。n2 2、间隙固溶体、间隙固溶体n定义：定义：溶质原子分布于溶剂晶格间隙中形成的固溶溶质原子分布于溶剂晶格间隙

26、中形成的固溶体。体。n形成规律：形成规律：n（1 1）溶质溶质是一些半径小于是一些半径小于0.1nm0.1nm的非金属；的非金属；n非金属：非金属： 氢氢 氧氧 氮氮 碳碳 硼硼n半径半径nmnm： 0.0460.046、0.0600.060、0.0710.071、0.077 0.0970.077 0.097 ；n（2 2）溶剂溶剂绝大多数是过渡族金属；绝大多数是过渡族金属；n（3 3）溶质原子半径与溶剂原子半径比小于溶质原子半径与溶剂原子半径比小于0.590.59。n间隙固溶体的固溶度间隙固溶体的固溶度( (有限固溶体有限固溶体) )n（1 1）溶质原子半径溶质原子半径：要和间隙尺寸相匹配。

27、：要和间隙尺寸相匹配。n（2 2）溶剂晶格类型溶剂晶格类型：决定了间隙半径大小和间隙数量。：决定了间隙半径大小和间隙数量。n面心立方单胞面心立方单胞中八面体间隙半径中八面体间隙半径0.414r,0.414r,固溶度大。固溶度大。n体心立方单胞体心立方单胞中八面体间隙半径中八面体间隙半径0.154r,0.154r,方向方向0.633r0.633r，固溶度小。固溶度小。n碳在铁中的间隙固溶体碳在铁中的间隙固溶体 n碳的原子半径碳的原子半径0.077nm0.077nm，可以作为溶质与金属构成，可以作为溶质与金属构成填隙固溶填隙固溶体。体。碳原子在碳原子在面心立方面心立方八面体间八面体间隙中隙中碳原子

28、在碳原子在体心立方体心立方八面体间八面体间隙中隙中n3 3、固溶体的微观不均匀性、固溶体的微观不均匀性n处于热力学平衡的固溶体可认为在宏观尺度是均处于热力学平衡的固溶体可认为在宏观尺度是均匀的，而在原子尺度是不均匀的，有些固溶体中匀的，而在原子尺度是不均匀的，有些固溶体中溶质原子会形成偏聚和短程有序。溶质原子会形成偏聚和短程有序。图图(a) (a) 无序置换固溶体；无序置换固溶体； 图图 (b)(b)无序间隙固溶体；无序间隙固溶体；图图(c)(c)短程有序的置换固溶体；图短程有序的置换固溶体；图 (d)(d)偏聚的置换固溶体偏聚的置换固溶体n短程有序参数：自学了解短程有序参数：自学了解n4 4

29、、固溶体的性质、固溶体的性质n（1 1）点阵常数变化）点阵常数变化: :n 溶质原子引起点阵畸变，使固溶体的点阵常数变溶质原子引起点阵畸变，使固溶体的点阵常数变化。化。CuAuNi原子浓度，原子浓度，%aFeC，%a间隙固溶体间隙固溶体点点阵常数一般随阵常数一般随溶质增加而增溶质增加而增大大置换固溶体置换固溶体CuCuAuAu，CuCuNiNi： r rNiNir r rCuCu点阵常数随点阵常数随AuAu的增的增加呈线性增大。加呈线性增大。n（2 2）产生固溶强化：）产生固溶强化：n固溶强化固溶强化：固溶体中随溶质含量的：固溶体中随溶质含量的增加，固溶体的增加，固溶体的强度、硬度增加强度、硬

30、度增加的的现象。现象。n固溶强化的原因固溶强化的原因：溶质的溶入产生：溶质的溶入产生点阵畸变。点阵畸变。n影响强化效果的因素：影响强化效果的因素：n1 1）固溶体的类型固溶体的类型：间隙型大于置：间隙型大于置换型；换型；n2 2）溶质含量溶质含量：溶质含量越高，强：溶质含量越高，强化效果越大；化效果越大；n3 3）固溶度极限固溶度极限：固溶度极限越小，：固溶度极限越小，单位浓度溶质原子引起的强化效果单位浓度溶质原子引起的强化效果越大。越大。n（3 3）电学性能：）电学性能：n固溶体中随溶质浓度的增加，电阻增加固溶体中随溶质浓度的增加，电阻增加（对电子运动阻力增加）。有序化时，可（对电子运动阻力

31、增加）。有序化时，可使电阻降低。使电阻降低。CuAuCu3AuCuAun二、二、中间相（金属间化合物）中间相（金属间化合物）n定义：合金中各组元发生化学的相互作用，定义：合金中各组元发生化学的相互作用，形成晶体结构不同于纯组元，在相图上处形成晶体结构不同于纯组元，在相图上处于于中间位置的新相中间位置的新相。n分类：分类：n1)1)正常价化合物正常价化合物；n2)2)电子化合物电子化合物；n3)3)尺寸因素化合物尺寸因素化合物（间隙相、间隙化合物、（间隙相、间隙化合物、拓扑密堆相）；拓扑密堆相）；n4 4）超结构）超结构（有序固溶体）。（有序固溶体）。 n中间相特点：中间相特点：n1)1)可用可

32、用化学分子式表示化学分子式表示（其成分可在一定范围内变化），（其成分可在一定范围内变化），但并不一定遵循化合价规律的化合物。如：但并不一定遵循化合价规律的化合物。如：Cu5Zn8Cu5Zn8n2)2)结合以结合以金属键结合为主金属键结合为主（保留金属特性）。（保留金属特性）。n3)3)具有不同于组成中间相元素的另一种具有不同于组成中间相元素的另一种新的结构新的结构。n如：如：Cu5Zn8Cu5Zn8，CuCu为为fcc,Znfcc,Zn为为hcphcp , Cu5Zn8 , Cu5Zn8具有复杂立方结具有复杂立方结构。构。n4)4)性能不同于组成中间相的纯组元性能不同于组成中间相的纯组元。一些

33、中间相熔点、硬。一些中间相熔点、硬度很高；一些中间相熔点较低，脆性大；一些中间相具有度很高；一些中间相熔点较低，脆性大；一些中间相具有特殊的物理化学性能，如具有超导性、强磁性、耐热、耐特殊的物理化学性能，如具有超导性、强磁性、耐热、耐蚀、具有形状记忆效应等。蚀、具有形状记忆效应等。n5)5)中间相的形成也中间相的形成也受原子尺寸、电子浓度、化学亲和力等受原子尺寸、电子浓度、化学亲和力等因素的影响因素的影响。n1、正常价化合物正常价化合物n定义：定义：金属与电负性较强的元素形成的符合化合价金属与电负性较强的元素形成的符合化合价规律的金属化合物。规律的金属化合物。n形成：形成：金属元素与金属元素与

34、AA、AA、AA族元素形成。（周族元素形成。（周期表上相距较远、电化学性质相差较大元素组成）期表上相距较远、电化学性质相差较大元素组成）n分子式：分子式：ABAB、AB2AB2、A2BA2B等。如：等。如：Mg2SiMg2Si、Mg2SnMg2Sn等。等。n结构：结构：对应于同类分子式的离子化合物结构，如对应于同类分子式的离子化合物结构，如NaClNaCl、CaF2CaF2等。等。n结合键：结合键：离子键、金属键、共价键。离子键、金属键、共价键。n2 2、电子化合物、电子化合物n定义：定义：不遵循正常化合价规律，结构不遵循正常化合价规律，结构受电子受电子浓度控制浓度控制的金属化合物。的金属化合

35、物。n形成：形成：过渡族或过渡族或BB族元素与族元素与BB、AA、AA、AA族元素组成。族元素组成。nHume-RutheryHume-Ruthery等发现很多化合物当它的电子浓度相等发现很多化合物当它的电子浓度相同时，会出现相同的结构，这类化合物称同时，会出现相同的结构，这类化合物称电子化合电子化合物物或或Hume-RutheryHume-Ruthery相相。表2-4 一些电子相的例子 电子浓度 21/14 21/13 21/12 结构 bcc -Mn hcp -黄铜 hcp CuBe Cu5Si Cu3Ga Cu5Zn8 CuZn3 CuZn Ag3Al Cu5Ge Cu5Cd8 CuCd

36、3 Cu3Al Au3Al AgZn Cu5Hg8 Cu3Sn 合 Cu3Ga* CoZn2 AgCd Cu9Ga4 Cu3Si Cu3Sn* Ag3Al Cu9Al4 AgZn3 Cu3Si* Ag5Ga Cu3 1Sn8 AgCd3 CoAl Ag7Sb Cu3Sn8 Ag3Sn AgCd* Au5Sn Ag5Zn8 Ag5Al3 Ag3Al* Ag5Hg8 AuZn3 金 Ag3In* Ag5Cd8 AuCd3 AuMg Ag9In4 Au3Sn AuZn Mn5Zn2 1 AuAl3 FeAl Fe5Zn2 1 Au5Al3 CoAl Ni5Cd2 1 NiAl Pt5Be2 1 n电

37、子化合物的结合键：电子化合物的结合键：n以金属键为主。以金属键为主。n电子化合物的性能：电子化合物的性能：n熔点和硬度都很高，塑性较低。熔点和硬度都很高，塑性较低。n具有明显的金属性。具有明显的金属性。n3 3、原子尺寸因素化合物、原子尺寸因素化合物n1 1）间隙相（简单间隙相）间隙相（简单间隙相）n定义：定义：非金属的原子半径非金属的原子半径(r(rX X) )与金属的原子半径与金属的原子半径(r(rM M) )之比小于之比小于0.590.59时形成的具有简单结构的金属化合物。时形成的具有简单结构的金属化合物。n形成：形成：过渡族金属元素与氢、氮、部分碳原子。过渡族金属元素与氢、氮、部分碳原

38、子。n分子式：分子式：A4BA4B、A2BA2B、ABAB、AB2AB2n特点：特点：n（1 1）间隙相与组元的结构不同。）间隙相与组元的结构不同。n如：如：VCVC，V V为为bccbcc, , VCVC为为fccfcc。（2 2）成分）成分一般可用化学式表达一般可用化学式表达，一定的化学式对应着，一定的化学式对应着一定的晶体结构。一定的晶体结构。（3 3）成分可以在一定范围内变化，形成以化合物为溶）成分可以在一定范围内变化，形成以化合物为溶剂，溶解部分组成组元的剂，溶解部分组成组元的二次固溶体二次固溶体。分子式分子式间隙相间隙相金属结构金属结构非金属原子所占位置非金属原子所占位置A4BNb

39、4C,Fe4C fcc八面体间隙（部分）八面体间隙（部分）A2BW2C,Fe2N hcp八面体间隙（部分）八面体间隙（部分）Ta2H,Ti2H hcp四面体间隙（部分）四面体间隙（部分）AB2Zr2H fcc八面体间隙（填满）八面体间隙（填满）Ti2H fcc四面体间隙（填满）四面体间隙（填满）一些间隙相的结构一些间隙相的结构n面心立方的八面体间隙半径面心立方的八面体间隙半径0.414r 0.414r ，四面体间隙半径，四面体间隙半径0.225r 0.225r 。n当当r rX X/r/rM M 0.414 0.414 时，时，非金属原子位于八面体间隙，非金属原子位于八面体间隙，N N、C C

40、原子原子进入八面体间隙。进入八面体间隙。 H H 原子也可以成对进入八面体间隙，形成原子也可以成对进入八面体间隙，形成AB2AB2，如，如ZrH2ZrH2结构。结构。n当当r rX X/r/rM M 0.414 0.414 时，时，非金属原子位于四面体间隙，非金属原子位于四面体间隙，H H 原子进原子进入四面体间隙。入四面体间隙。nVCVC：V V原子组成面心立方点阵，原子组成面心立方点阵，C C原子分布于八面体间隙中。原子分布于八面体间隙中。ZrH2ZrH2：ZrZr原子组成面心立方原子组成面心立方点阵，点阵，H H原子成对地分原子成对地分布于八面体间隙中布于八面体间隙中Fe4NFe4N：F

41、eFe原子组成面心立方原子组成面心立方点阵，点阵，N N原占据其中一原占据其中一个八面体间隙中个八面体间隙中n间隙相间隙相性能：性能：n具有明显的金属性；具有明显的金属性；n具有极高的熔点；具有极高的熔点；n具有极高的硬度。具有极高的硬度。n是钢中重要的强化相。是钢中重要的强化相。n如：如：NbCNbC的熔点的熔点37703770，硬度，硬度2050HV;2050HV; WC WC 的熔点的熔点28672867，硬度，硬度1730HV;1730HV; VC VC 的熔点的熔点30233023，硬度，硬度2010HV;2010HV;n间隙相与间隙固溶体的异同：间隙相与间隙固溶体的异同：n相同处：

42、相同处：n（1 1）均由过渡族金属和原子半径小于）均由过渡族金属和原子半径小于0.1nm 0.1nm 的非金属元素组成；的非金属元素组成；n（2 2）r rB B/r/rA A0.590.590.59时形成的具有复杂结构的时形成的具有复杂结构的金属化合物。金属化合物。n组成：组成：过渡族金属过渡族金属FeFe、CrCr、MnMn、MoMo、W W等与等与C C原子形成的碳化物。原子形成的碳化物。n类型：类型：M3CM3C型、型、M6CM6C型、型、M23C6M23C6型、型、M7C3M7C3型型nM3CM3C型型: :Fe3C,Ni3C,Co3CFe3C,Ni3C,Co3C。正交晶系复杂结构。

43、正交晶系复杂结构。一个晶胞有一个晶胞有1616个原子，其个原子，其中中1212个金属原子，个金属原子，4 4个碳个碳原子原子n结合键（结合键（ Fe3CFe3C 为例为例）nFe3CFe3C中各铁原子之间是纯金属键，中各铁原子之间是纯金属键，n铁原子和碳原子之间可能同时存在金属键和离子铁原子和碳原子之间可能同时存在金属键和离子键。键。n间隙化合物的性能：间隙化合物的性能：n具有明显的金属性；具有明显的金属性；n具有高的熔点和硬度（比间隙相要低些）。具有高的熔点和硬度（比间隙相要低些）。n（3）拓朴密堆相（拓朴密堆相（Topologically Close-Topologically Close

44、-packed Phasepacked Phase）n定义：定义：合金中，由于各元素不同的原子尺寸，进合金中，由于各元素不同的原子尺寸，进行适当配合得到主要以四面体形式堆垛的行适当配合得到主要以四面体形式堆垛的 CN CN 比比1212大的（例如大的（例如CN =12CN =12，1414，1515，1616等）并且致密等）并且致密度大于度大于0.740.74的结构。的结构。n形成形成TCPTCP相的关键条件：相的关键条件：n大小原子适当配合大小原子适当配合（原子尺寸因素是影响（原子尺寸因素是影响TCPTCP相的主要因素）。相的主要因素）。nTCPTCP相的结构特点：相的结构特点：n1 1）空

45、间堆垛：）空间堆垛：由由CN12CN12、 CN14CN14、 CN15CN15、 CN16CN16的配位多面体的配位多面体堆垛堆垛堆成。堆成。n配位多面体配位多面体: :把晶体点阵中一个原子周围把晶体点阵中一个原子周围最近邻原子的中心连接起来所构成的多面最近邻原子的中心连接起来所构成的多面体。体。多面体的每个面都是三角形。多面体的每个面都是三角形。n配位数：配位数：n指多面体中心指多面体中心原子周围的近原子周围的近邻原子数邻原子数nCN12CN12的的2020面体面体nCN14CN14的的2424面体面体n 配位多面体的种类：配位多面体的种类：nCN15CN15的的2626面体面体 CN16

46、CN16的的2828面体面体n2 2）原子层堆垛：为层状结构。）原子层堆垛：为层状结构。n主层：主层：由较小的原子排列，排列成三角形、四角形由较小的原子排列，排列成三角形、四角形和六角形网络图案，和六角形网络图案，n次层：次层：尺寸较大的原子常组成次层，次层原子位置尺寸较大的原子常组成次层，次层原子位置对应着主层最大空隙处。对应着主层最大空隙处。n主层网络结构表示：主层网络结构表示：取网络中任一原子，依次写出取网络中任一原子，依次写出围绕着它的多边形类型，例如三角形为围绕着它的多边形类型，例如三角形为3 3，四边形，四边形为为4 4等。等。n如果有如果有n n个相邻接的个相邻接的m m边形，则

47、记为边形，则记为m mn n，如图，如图(b)(b)的的网络，符号网络，符号4 44 4。n图图(c)1(c)1个原子由个原子由3 3个相邻接的三角形以及个相邻接的三角形以及2 2个相邻个相邻接的四边形围绕，符号记为接的四边形围绕，符号记为3 33 3 4 42 2(d) 32 4 3 4型；型；(e) 6 3 6 3型；型；(f) 63型；型；拓朴密堆相拓朴密堆相n既可以看作既可以看作CN12CN12、 CN14CN14、 CN15CN15、 CN16CN16的配的配位多面体堆成；位多面体堆成；n又可以看作由原子大小分层规则紧密排列的结又可以看作由原子大小分层规则紧密排列的结果。果。描述描述

48、TCPTCP相：相：配位多面体配位多面体或原子密堆层。或原子密堆层。nTCPTCP相的类型：相的类型：n1 1）LavesLaves相相n通式为通式为ABAB2 2的化合物，借助于两种不同大小的原子配合排列成的化合物，借助于两种不同大小的原子配合排列成密堆结构，称为密堆结构，称为LavesLaves相。相。n形成条件：形成条件：n原子尺寸：原子尺寸：理论上理论上LavesLaves相的相的A A原子和原子和B B原子半径比值原子半径比值r rA A/r/rB B为为1.2551.255，实际上这比值约在，实际上这比值约在1.051.051.681.68范围内；范围内；n电子浓度：电子浓度：一定

49、的结构类型对应一定的电子浓度。一定的结构类型对应一定的电子浓度。nLavesLaves相的晶体结构相的晶体结构nMgCuMgCu2 2（复杂立方）型，（复杂立方）型，电子浓度电子浓度1.331.331.751.75nMgZnMgZn2 2（复杂六方）型，（复杂六方）型，电子浓度电子浓度1.801.802.002.00nMgNiMgNi2 2（复杂六方）型，（复杂六方）型，电子浓度电子浓度1.801.801.901.90n2 2） 相相n 相分子式：相分子式：写作写作ABAB或或A Ax xB By y，因，因 相有一定的成分范围，所相有一定的成分范围，所以其分子式只是大致的比值。以其分子式只是

50、大致的比值。n组成：组成：过渡组金属元素组成的合金中过渡组金属元素组成的合金中 如：如：FeCrFeCr、FeVFeV、FeMoFeMo、CrCoCrCo、MoCrNiMoCrNi、WCrNiWCrNi、Cr,Mo,W)Cr,Mo,W)x x(Fe,Co,Ni)(Fe,Co,Ni)y y等。等。n 相的结构：相的结构：具有四方点阵，具有四方点阵，c c/ /a a 0.520.52每个单每个单胞有胞有3030个原子个原子常温下硬而脆，常温下硬而脆，对合金性能有对合金性能有害，应避免害，应避免n4 4、有序固溶体（超结构）、有序固溶体（超结构）n定义：某些在高温具有短程有序的固溶体，当其成定义：

51、某些在高温具有短程有序的固溶体，当其成分接近一定的原子比（例如分接近一定的原子比（例如ABAB，ABAB2 2，ABAB3 3等），在等），在低于一定的临界温度低于一定的临界温度T TC C时，可以转变为时，可以转变为有序固溶体有序固溶体n在其在其X X射线衍射图上出现额外的衍射线条，称为射线衍射图上出现额外的衍射线条，称为超超结构线结构线，故将有序固溶体称为，故将有序固溶体称为超结构超结构。n1 1）超结构的晶体结构类型：）超结构的晶体结构类型： n(1)(1)面心立方结构面心立方结构为基的超结构。为基的超结构。CuCu3 3AuAu型型CuAuCuAu型型CuPtCuPt型型nCuCu3

52、3AuAu型型：n 在面心立方点阵中，晶胞的顶角是在面心立方点阵中，晶胞的顶角是AuAu原子，晶胞原子，晶胞各面心是各面心是CuCu原子。原子。n 这类超结构已在近这类超结构已在近6060种合金中发现，种合金中发现，n 例如：例如： - -AlNiAlNi3 3、AlZrAlZr3 3、AuAu3 3CuCu、CuCu3 3AuIAuI、CoPtCoPt3 3、CrCr3 3PtPt、FeFe3 3GaGa、FePdFePd3 3，NiNi3 3FeFe，NiNi3 3MnMn等。等。Cu:Au=3:1n2 2）以体心立方为基的超结构以体心立方为基的超结构n这类超结构主要有：这类超结构主要有：CuZnCuZn型型 FeFe3 3AlAl型。型。nCuZnCuZn型：在体心立方点阵中，铜原子占据体心位置，型：在体心立方点阵中，铜原子占据体心位置，锌原子占据顶角位置，或相反。锌原子占据顶角位置，