材料科学基础晶体结构

材料科学基础晶体结构2023/6/19IntroductiontoMaterialScience第一页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience前言目前应用的金属材料绝大多数是合金。合金就是通过对纯金属合金化获得的。合金——由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素形成的具有金属特性的物质。组元——合金中的每一种元素称为一个组元。组元是组成合金的最基本的、独立的物质。合金中由几个组元，就称该合金是几元合金。例如：Fe-C合金、Cu-Zn合金（黄铜）、Cu-Sn合金（青铜）。

向纯金属中加入合金元素（合金化）后，各元素之间相互作用，形成合金相，合金相又进一步组成各种不同的组织，从而起到改变和提高纯金属性能的作用。第二页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience第一节固溶体1.固溶体的实质固溶体实质上是一种固态溶液，是一种元素渗入另一种元素的晶格结构中的结晶固相。其中含量多的组元称为溶剂，含量少的组元称为溶质。2.基本内容固溶体的分类；置换固溶体；间隙固溶体；固溶体结构的特点；有序固溶体（超结构、超点阵）；MaterialLessons第三页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience1.固溶体的分类1.按溶质原子的位置分类置换固溶体；间隙固溶体；2.按溶质原子的溶解度分类有限固溶体；无限固溶体；3.按溶质原子分布规律分类无序固溶体；有序固溶体；LessonsLessonsLessons第四页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience2.置换固溶体2-1.定义

溶质原子置换了溶剂的原子位置，又称为替代式固溶体。2-2.溶质原子的取代是随机的，其溶解度可以是有限的，也可以是无限的。Material置换固溶体示意图第五页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience2.置换固溶体(续)Material2-3影响置换固溶体溶解度的经验规律①原子尺寸

相对尺寸差：式中，rA——溶剂的原子半径；

rB——溶质的原子半径；△r越小，越有利于形成固溶体。

△r>14%~15%时，不利于形成固溶体，溶解度小。分析Material

即使尺寸因素有利，也不一定能形成大量的固溶体，还要看其他因素是否有利。所以原子尺寸因素只能作为两种金属能否形成固溶体以及形成的固溶体的溶解度高低的初步判据。第六页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience2.置换固溶体(续)Material2-3影响置换固溶体溶解度的经验规律(续)②晶体结构溶质与溶剂点阵类型相同时，溶解度大。③负电性负电性差别越大，化学亲和力越大，两组元倾向于形成化合物。即使能形成固溶体，其溶解度也非常小。④电子浓度电子浓度式中：e——价电子总数；

a——两组元的原子总数；

x——溶质原子数；

A——每个溶剂原子的价电子数；

B——每个溶质原子的价电子数；第七页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience2.置换固溶体(续)e/a有一极限值，超过此极限值，固溶体就不稳定，会形成新相，可能是另一种固溶体或化合物。而且极限电子浓度还与溶剂的点阵类型有关。如(e/a)fcc=1.36；

(e/a)bcc=1.48；Material2-3影响置换固溶体溶解度的经验规律(续)示例：

Cu–Zn固溶体，

Zn%=28%，Cu：A＝1，Zn：B＝2；

所以，e/a=1.28；第八页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience3.间隙固溶体1.定义2.影响间隙固溶体溶解度的因素间隙固溶体的溶解度与溶质原子、溶剂晶体中的间隙形状和大小有关。

以A组元（溶剂）为基，B组元（溶质）填在A的间隙位置形成的固溶体。也称为填隙式固溶体。①溶质原子半径一般RB<0.1nm时才能形成间隙固溶体。间隙固溶体中的溶质元素一般都是一些原子半径很小的非金属元素，如：H、B、C、N、O等。②溶剂结构溶剂结构方面的考虑因素主要是“间隙的形状和大小”和“晶格类型”。以C在Fe中的溶解为例。第九页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience3.间隙固溶体(续)间隙固溶体示意图第十页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience4.固溶体结构的特点

固溶体的一个重要特点是仍然保持溶剂的晶体结构。但是由于溶质原子的溶入，还是使其晶体结构发生了某些方面的变化。主要变化呈现在以下两个方面：晶格畸变；

晶格畸变导致晶格常数变化和产生畸变能。溶质原子分布的不均匀性；第十一页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience4.固溶体的结构特点(续)Material4-1晶格畸变1)晶格常数改变

①置换固溶体：

RB>RA，则晶格膨胀，点阵常数a增大；

RB<RA，则晶格收缩，点阵常数a减小；

②间隙固溶体：

RB通常大于A中的间隙尺寸，所以点阵膨胀，晶格常数a增大；2)畸变能点阵畸变导致固溶体的能量升高，能量的增加值称为畸变能。

畸变能的存在会引起晶格结构的不稳定性。组元原子尺寸相差越大和溶质原子在固溶体中的浓度越大，点阵畸变能就越大，结构的不稳定性增加，从而趋向于改变结构形成新相。这就是大多数固溶体存在溶解度的原因。第十二页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience4.固溶体的结构特点(续)Material4-2溶质原子分布的不均匀性1)分布形式固溶体中溶质原子的分布有如下四种：

☢完全无序；

☢

偏聚；

☢

短程有序；

☢

完全有序（长程有序）；2)影响因素溶质原子的分布形式主要取决于同类原子对的结合能(UAA，UBB)以及异类原子结合能(UAB)的相对大小。存在如下情况：①UAA≈UBB≈UAB

无序分布（原子分布是随机的）。

②

UAA、UBB>UAB偏聚（同类原子容易结合）。

③

UAA、UBB<UAB有序分布(溶质原子少则长程有序,否则就长程有序).第十三页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience5.有序固溶体(超结构、超点阵)1.有序化溶质原子在固溶体中的分布，从无序或短程有序状态转变为长程有序状态的过程，称为有序化。2.长程有序参数(S)

用来描述长程有序的程度，；

式中：p——A原子的正确位置上出现A原子的几率；

n——A的原子分数；第十四页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience5.有序固溶体(超点阵、超结构)(续)3.影响有序化的因素

①温度存在一个有序化转变的临界温度Tc。当温度低于Tc时，固溶体从无序或短程无序转变到长程有序；当温度高于Tc时，固溶体从长程有序转变到无序或短程有序状态。

②冷却速度一般而言，冷却速度越高，越容易呈现无序。

③合金成分理想成分容易呈现有序。例如AB、AB3等。

④塑性变形塑性变形将破坏有序，使有序程度降低。变形程度越大，S就越低，即无序性增加。第十五页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience5.有序固溶体(超点阵、超结构)(续)1)有序固溶体的组织有序固溶体由许多有序畴块组成，各有序畴块中的原子排列顺序往往不一致，使得畴块之间产生反向畴界。2)有序化固溶体的性能变化①电阻率下降；②硬度升高；原子间结合力升高，而且反相畴界的存在增加塑性变形的阻力，

所以有序化可作为合金强化的一种手段。③磁性转变；4.有序固溶体的组织和性能第十六页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience第二节金属间化合物1.定义

A、B两组元可形成合金时，除了可以形成A或B为基的两种固溶体外，当合金成分超过了两种固溶体的最大溶解度时，就可能形成与A、B两组元晶格类型均不相同的新相，称为金属间化合物。由于其成分多处于两种固溶体极限溶解度之间的范围，故又称为中间相。2.特点①点阵类型既不同于A，也不同于B，有其独特结构；

②具有金属性，但其性能不同于A，也不同于B；

③有序；

④通常有一定的原子比例，能用分子式表示，但是分子式不一定符

合化合价规律。

⑤可以在一定成分范围内存在。（所以可以形成以中间相为基的固

溶体）第十七页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience1.正常价化合物正常价化合物的元素遵循原子价规律，且受负电性控制。1.组成金属元素与第IVA、VA、VIA族的非金属元素或亚金属元素（还有Pb）组成。如：Mg2si、Mg2Si、ZnS等。2.特点⑴符合原子价规律；

⑵组元的电负性相差很大，化合物性能稳定，硬、脆、熔点高。

⑶有序；

⑷主要键型为离子键或共价键，也有少量的金属键，是金属化合物

中金属性最弱的一种。3.类型主要包括①AB型、②

AB2型、③A2B型几种类型。第十八页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience2.电子化合物电子化合物是指晶体结构与电子浓度有关的化合物。根据e/a（电子浓度）的不同，电子化合物可以分为三类。Material第十九页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience2.电子化合物(续)1.电子化合物的组成过渡族或碱金属元素＋Ⅱ～V族金属元素或一价（Cu、Ag、Au）金属＋IIB元素。2.结构类型

β相

——e/a=3/2=21/14，多为bcc、也有hcp。

γ相

——e/a=21/13，属于复杂立方结构。

ε相

——e/a=7/4=21/12，多为hcp，c/a约为1.55～1.58。3.特点☞不符合原子价规律；

☞成分可变，能溶解一定量的组元，形成以电子化合物为基的固溶体；

☞多为金属键结合，是金属化合物中金属性最强的；

☞熔点高、硬度高、塑性低；第二十页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience3.间隙相1）间隙相间隙相由过渡族金属（M）与原子半径很小的非金属（X）（如H、N、C、B）所组成。非金属元素位于化合物晶格的间隙中。2）分类根据金属元素与非金属元素的相对原子半径大小可分为简单间隙相和复杂间隙相；

①rx/rm<0.59，即r>41%时，形成简单间隙相。

②rx/rm>0.59，则形成复杂间隙相，又称为间隙化合物。第二十一页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience3.间隙相(续)Material3-1简单间隙相简单间隙相具有如下特点：结构简单，多为fcc和hcp；具有一定的成分范围；结合力强，稳定，熔点高；硬而脆，并具有明显的金属性，是高合金工具钢及硬质合金中的重要强化相。第二十二页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience3.间隙相(续)Material3-2复杂间隙相

复杂间隙相大多是由过渡族金属与碳原子形成的碳化物。它结构复杂、熔点高、硬度高，是合金钢中常见的强化相。例如：Fe3C（渗碳体，M3C型）。第二十三页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience4.拓扑密堆结构拓扑密堆结构由大小不同的两种原子构成的中间相，是一种空间利用率（致密度）很高、配位数（Z>12）较大的复杂化合物，简称TCP结构。

需要与之相区别的是几个密堆结构。几何密堆结构由大小相等的同类原子形成的密堆结构。如fcc和hcp，其中同时存在这四面体间隙和八面体间隙。几何密堆结构的空间利用率（k=0.74)和密堆程度（z=12)不是最高的。MaterialMaterial第二十四页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience4.拓扑密堆结构(续)1结构特征在TCP结构中，半径较小的原子构成密排层，半径较大的原子镶嵌在密排层之间，以达到高致密度，其中的间隙主要为四面体间隙，八面体间隙很少，甚至于几乎没有八面体间隙。2类型拓扑密堆结构的种类很多，其中典型的有：

拉威斯(laves)相；

α相；

β-w相；

μ相；

R相；

P相；

M相；

δ相；第二十五页，共三十页，编辑于2023年，星期日2023/6/19IntroductiontoMaterialScience4.拓扑密堆结构(续)1)Laves相

①组成二元合金相的成分为AB2，A、B两组元的原子半径比rA/rB=1.225;

②性能其性能稳定，熔点高，硬而脆，对材料性能特别是塑性和韧性有害。需要控制合金成分及热处理工艺，尽可能避免在高合金钢和高温合金中生成大量的Laves相。