第二章 固体结构23

1、第二章固体结构第二章固体结构李怀勇李怀勇聊城大学材料科学与工程学院聊城大学材料科学与工程学院2本章章节结构2.1晶体学基础2.2金属的晶体结构2.32.3合金相结构合金相结构2.4离子晶体结构2.5共价晶体结构2.6聚合物的晶体结构2.7 准晶态结构2.8液晶态结构2.9非晶态结构32.3、合金相结构碳钢：Fe-C（C：0.0218%-2.11%）铸铁：Fe-C（C：2.11%-6.69%）不锈钢：Fe-Cr(Cr:12%-30%)黄铜：Cu-Zn，青铜：Cu-Sn, 白铜：Cu-NiK金：18K金（Au-Ni,Zn,Cu）4合金合金：由2种或以上的金属或金属与非金属组成的，具有金属特性的物质

2、。组元：组成合金的基本的，独立的物质称为组元。相： 合金中具有同一聚集状态，晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分称为相。组织：合金中各相晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。5合金的分类合金（组成和结构差异）合金（组成和结构差异）固溶体固溶体中间相（金属间化合物）中间相（金属间化合物）固溶体是以某一组元为溶剂，在晶体点阵或晶格间隙固溶体是以某一组元为溶剂，在晶体点阵或晶格间隙上溶入其他组元原子所形成的均匀混合的固态溶体，上溶入其他组元原子所形成的均匀混合的固态溶体，保持着溶剂的晶体结构保持着溶剂的晶体结构类型。其成分可在一定固溶度类型。其成分可在一定固溶度极限值内波动，不能用分子式表示极

3、限值内波动，不能用分子式表示中间相是组元所形成的金属间化合物，溶剂与溶质的中间相是组元所形成的金属间化合物，溶剂与溶质的比例固定，并且比例固定，并且结构与所有组元都不同结构与所有组元都不同，处于溶解限，处于溶解限度的中间某个位置度的中间某个位置672.3.12.3.1固溶体固溶体 （solid solutionsolid solution）置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体固溶体固溶体 （solid solution）的分类）的分类溶质所处位置不同溶质所处位置不同溶质原子占据溶剂晶溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置格某些结点位置溶质原子嵌入溶质原子嵌入溶剂晶格间隙溶剂晶格间隙8固溶体的溶解

4、度固溶体的溶解度 是指溶质原子在固溶体中的极限浓度。是指溶质原子在固溶体中的极限浓度。溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体，组成元溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体，组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。素无限互溶的固溶体称无限固溶体。影响固溶体溶解度的因素a. 晶体结构b. 原子尺寸15%c. 化学亲和力（电负性）d. 原子价（电子浓度）e. 温度相似则相溶9固溶体溶解度的影响因素固溶体溶解度的影响因素1 1、晶体结构、晶体结构 crystal structurecrystal structure：晶体晶体结构相同结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件。是组元间形成无限固溶体的必要条件。

5、组元的晶体结构类型不同，其溶解度是有限的。组元的晶体结构类型不同，其溶解度是有限的。abcdefABAB组元置换组元置换示意图示意图10固溶体的固溶体的溶解度溶解度影响因素影响因素2、原子尺寸、原子尺寸 atomic size：组元的原子半径差组元的原子半径差 r15%时，有利于形成溶解度较大的固溶时，有利于形成溶解度较大的固溶体；当体；当 r 15%时，时， r 越大则溶解度越小。越大则溶解度越小。 r越大，溶入后点阵畸变程度愈大，致使畸变能愈高，结构的越大，溶入后点阵畸变程度愈大，致使畸变能愈高，结构的稳定性降低，则溶解度愈小。稳定性降低，则溶解度愈小。 ()/ABArrrr 11固溶体的

6、固溶体的溶解度溶解度影响因素影响因素3、化学亲和力（电负性因素）、化学亲和力（电负性因素）chemical affinity：组元间组元间电负性相近电负性相近，可能具有大的溶解度；电负性差大，则化，可能具有大的溶解度；电负性差大，则化学亲和力大，易形成化合物，而不利于形成固溶体，固溶体的学亲和力大，易形成化合物，而不利于形成固溶体，固溶体的溶解度愈小。溶解度愈小。124、原子价（电子浓度、原子价（电子浓度 electron concentration）因素）因素 ：电子浓度电子浓度electron concentration: 就是合金中价就是合金中价电子数目与原子数目的比值，即电子数目与原子

7、数目的比值，即e/a 。*(100)*/100ABexexe aeA和和eB分别为溶剂和溶质的价电子贡献，分别为溶剂和溶质的价电子贡献，x为溶质为溶质的原子百分数的原子百分数 (at. %)。 A100-xBx合金合金固溶体的固溶体的溶解度溶解度影响因素影响因素13Cu-based solid solution alloysAg-based solid solution alloyse/a = 1.4固溶体的电子浓度有一极限值，即晶体结构相同的极限固固溶体的电子浓度有一极限值，即晶体结构相同的极限固溶体合金对应相同的电子浓度，溶体合金对应相同的电子浓度，FCC固溶体合金的极限电固溶体合金的极限

8、电子浓度为子浓度为1.36，BCC固溶体合金的极限电子浓度为固溶体合金的极限电子浓度为1.48。 14只有组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置只有组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。换固溶体，才有可能形成无限固溶体。如何能形成无限固溶体？如何能形成无限固溶体？间隙固溶体都是有限固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体。15 当原子半径相差太多时，一般进入间隙，引起溶剂点当原子半径相差太多时，一般进入间隙，引起溶剂点阵的畸变，点阵常数增大。阵的畸变，点阵常数增大。 所以间隙型固溶体不能无限固溶。所以间隙型固溶体不能无限固溶。 不仅与原子大小有

9、关，还与晶隙的大小和形状有关。不仅与原子大小有关，还与晶隙的大小和形状有关。a a-Fe-Fe间隙固溶体16固溶体的微观不均匀性固溶体的微观不均匀性 MicroinhomogeneityMicroinhomogeneity完全无序完全无序 disorder偏聚偏聚 clustering 部分有序部分有序 Partial order 完全有序完全有序 orderDistribution of solute atoms in solid solution17固溶体的主要性能固溶体的主要性能 固溶强化固溶强化 solution strengthening随溶质含量增加随溶质含量增加, 固溶体的强固溶

10、体的强度、硬度增加度、硬度增加, 塑性、韧性下塑性、韧性下降。降。产生原因：是溶质原子使晶格发生畸产生原因：是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用，阻碍了位错变及对位错的钉扎作用，阻碍了位错的运动。的运动。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。18点阵常数改变：点阵常数改变： 置换固熔体：点阵常数可增大、减小置换固熔体：点阵常数可增大、减小 间隙固溶体：点阵常数总是增大，比置换固熔体的大得多间隙固溶体：点阵常数总是增大

11、，比置换固熔体的大得多物理、化学性能的变化：物理、化学性能的变化： Si溶入溶入a a-Fe中中 磁导率提高，良好的软磁材料；磁导率提高，良好的软磁材料； Cr溶入溶入a a-Fe中中 电极电位上升，抗腐蚀性提高，不锈钢电极电位上升，抗腐蚀性提高，不锈钢 性能突变性能突变 非磁向有磁转变；顺磁向铁磁转变非磁向有磁转变；顺磁向铁磁转变其它性能：其它性能：19中间相中间相：凡不和相图端际相连的相，是化合物或者以化合物为基的固溶体。分类：1、正常化合物、正常化合物2、电子化合物、电子化合物3、与原子尺寸因素有关的化合物、与原子尺寸因素有关的化合物4、超结构（有序固溶体）、超结构（有序固溶体）成键特点

12、：金属键与其他典型键（离子键、共价键）的混合，均具有一定的金属性间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物拓扑密堆相拓扑密堆相这些论述均是指的合金！这些论述均是指的合金！20组成金属和电负性较强的IVA，VA, VIA族元素，按照原子价规律所形成的化合物晶体结构离子键化合物的结构稳定性取决于电负性差差越小，不稳定，金属性越强；差越大，稳定，趋于离子性化合物。Mg2Si: 1102Mg2Sn：778离子键离子键Mg2Pb：550共价键共价键金属键金属键melting temperature1、正常价化合物21晶体结构主要取决于电子浓度组成 IB族的贵金属（Ag,Au,Cu）与IIB,IIIA,IVA族

13、元素2、电子化合物（休姆罗塞里相）223838-5050-672324 不符合化合价规律，其成分在一定范围内变化，可视为以化合物为基的固溶体，其电子浓度也在一定范围内变化。 金属键为主，具有明显的金属性电子化合物主要特点253、与原子尺寸因素有关的化合物结构取决于原子尺寸差别间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物拓扑密堆相拓扑密堆相差很大时差很大时中等程度差别中等程度差别a、间隙相和间隙化合物、间隙相和间隙化合物C、H、N、B等半径较小的元素可与金属形成间隙相或间隙等半径较小的元素可与金属形成间隙相或间隙化合物。化合物。rX/rM0.59时，形成晶体结构简单的间隙相。时，形成晶体结构简单的间隙相

14、。rX/rM0.59时，形成晶体结构复杂的间隙化合物。时，形成晶体结构复杂的间隙化合物。H、N原子半径小，均形成间隙相；原子半径小，均形成间隙相；B原子半径大，形成间隙化原子半径大，形成间隙化合物。而合物。而C处于中间状态，两者均匀有。处于中间状态，两者均匀有。26（1）间隙相a、结构简单，与组元结构均不同。非金属原子占据晶格间隙中。 rX/rM0.414时，占据四面体间隙；rX/rM0.414时，占据八面体间隙；b、间隙相的成分有时会在一定范围内变化，可以视为以化合物为基的固溶体（第二类固溶体）。间隙相之间也可以固溶，有时是无限固溶。如：TiC-ZrC，TiC-VC.c、具有高的硬度和熔点。

15、27Fe4NN占据什占据什么间隙，么间隙，比例多少？比例多少？结构中还结构中还有几个八有几个八面体间隙，面体间隙，在哪个位在哪个位置置WC28（2）间隙化合物a、 rX/rM0.59时，结构复杂b、间隙化合物中的金属元素常常被其他金属所置换，形成以化合物为基的固溶体。c、具有较高的硬度和熔点，但比间隙相稍低。293031b、拓扑密堆相（、拓扑密堆相（TCP）(自学）自学）拓扑密堆相是由不规则的四面体填充空间的密堆结构拓扑密堆相是由不规则的四面体填充空间的密堆结构32这些多面体具有如下特征：（1）面为三角形（2）凸形多面体（3）每个角和5-6个棱相连接l卡斯珀卡斯珀(Kasper)提出一些可以满

16、足上述堆提出一些可以满足上述堆垛方式的规则多面体（垛方式的规则多面体（Kasper配位多面体配位多面体）333435（1）拓扑拉弗斯相(Laves)AB2型密堆结构Laves相的晶体结构的典型代表金属间MgCu2(立方立方)型型MgZn2(六方六方)型型MgNi2(六方六方)型型电子浓度电子浓度1.33-1.751.80-2.001.80-1.9036拓扑- Laves -MgCu2晶胞分子数：晶胞分子数：Z=83738CuCu原子组成四面体，四面体顶点与顶点相连，原子组成四面体，四面体顶点与顶点相连，形成层状，每一密排层成形成层状，每一密排层成3.6.3.63.6.3.6网络网络3940Mg

17、Mg原子组成一种金刚石型结构的四面体网络原子组成一种金刚石型结构的四面体网络41（2）拓扑相42中间相-4超结构（有序固溶体）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（AB,AB2,AB3），在缓冷到临界温度Tc时，形成有序固溶体。在XRD图中就会有外加的线条，叫超结构线。异类原子之间的吸引大长程有序度参数S表示有序化程度1AAA1,1,0,AAAAPXSXPXPSPXS原子的正确位置上出现 的机率原子在合金中的原子数分数完全有序；完全无序43 超结构形成过程机理：形核和长大，过程是通过原子迁移过程实现；成核短程有序的微小区域（有序畴）长大各有序畴长大接壤界面结构相同，成为一体不同的分界面，反相畴界形成的影响因素：温度、降温速度和成分44中间相-5金属间化合物性质（1）超导（2）电学性能半导体（3）强磁性能（4）储氢材料（5）高温性能（6）耐蚀性能（7）形状记忆451).具有超导性质的金属间化合物，如具有超导性质的金属间化合物，如Nb3Ge，Nb3Al等；等；2).具有特殊电学性质的金属间化合物，如具有特殊电学性质的金属间化合物，如InTe-PbSe，GaAs-ZnSe等在半导体材料用；等在半导体材料用；3).具有强磁性的金属间化合物，如稀土元素（具有强磁性的金属间化合物，如稀土元素（Ce，La，Sm，Pr，Y等）和等