金屬的晶體結(jié)構(gòu)推薦（課堂PPT）

1、面心立方面心立方(FCC)密排六方密排六方(HCP)鐵(-Fe)、鎢(W) 、鉻(Cr)、鉬(Mo)、釩(V)等a=b=c,=90鋁(Al)、銅(Cu)、 銀(Ag)、金(Au)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、鐵(Fe)等a=b=c,=90鈦(Ti)、鋯(Zr)、鎂(Mg)、鋅(Zn)等a=bc,=90 =120晶體結(jié)構(gòu)與材料性能：晶體結(jié)構(gòu)與材料性能：(一般規(guī)律一般規(guī)律)面心立方面心立方的金屬塑性的金屬塑性最好最好，體體心立方次之心立方次之，密排六方密排六方的金屬的金屬較差較差。一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)用來(lái)衡量晶胞的大小，是表征物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的一個(gè)很重要的物理量，可用X射線衍射法測(cè)定。立方

2、晶系立方晶系：a=b=c，點(diǎn)陣常數(shù)用晶胞的一個(gè)棱邊長(zhǎng)a表示即可。六方晶系六方晶系：a1=a2=a3c，常用a和c兩個(gè)點(diǎn)陣常數(shù)。當(dāng)密排六方用等徑原子作緊密排列時(shí)，c/a=1.633。具有六方結(jié)構(gòu)的金屬，其c/a值在1.568到1.886之間變動(dòng)。點(diǎn)陣常數(shù)點(diǎn)陣常數(shù)配位數(shù)配位數(shù)在晶體中，與某一原子最臨近且等距離的原子數(shù)稱為配位數(shù)(CN)。體心立方的配位數(shù)是8面心立方的配位數(shù)是12密排六方當(dāng)c/a=1.633時(shí)，CN=12致密度致密度晶體中原子堆垛的緊密程度稱為致密度(K)。就是原子晶胞內(nèi)原子球所占體積與晶胞體積的比值。K=nVa/V，n為晶胞中的原子數(shù)Va為原子體積，V為晶胞體積。以面心立方為例：7

3、4. 062)42(34433aak晶體中的間隙晶體中的間隙晶體中是存在空隙的，從鋼球的模型中(右側(cè))可以看出這些空隙就是鋼球之間的間隙。a36121111111a3體心立方晶體中(110面上原子的排列)晶體間隙有兩種：四面體和八面體最近鄰的兩個(gè)原子中心之間的距離一半，用r表示。原子半徑原子半徑體心立方ar2321面心立方ar222143222carar或密排六方是指晶體中每個(gè)原子占有的體積，用晶胞體積V除以晶胞中的原子數(shù)m，得到結(jié)構(gòu)原子體積Va。結(jié)構(gòu)原子體積結(jié)構(gòu)原子體積343avAVVVrmN其中Vv是摩爾晶體中總間隙體積NA是阿佛加德羅常數(shù)三種典型金屬結(jié)構(gòu)的晶體學(xué)特征參數(shù) a43)4321

4、(222caaa42A4結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：由于共價(jià)鍵的飽和性和方向性的特點(diǎn)，使得共價(jià)鍵晶體中原子的配位數(shù)要比離子型晶體和金屬型晶體的小。常見結(jié)構(gòu)常見結(jié)構(gòu)：典型的共價(jià)晶體有金剛石(單質(zhì)型)、石墨、Ge、Si、ZnS(AB型)和SiO2。金剛石為復(fù)雜的面心立方點(diǎn)陣，看見每個(gè)陣點(diǎn)上有兩個(gè)原子，原子間最近距離為 每個(gè)原子被4個(gè)鄰近原子所包圍，臨近原子組成一個(gè)四面體。該原子位于四面體中心，配位數(shù)為4。滿足8N規(guī)律。4/3a金剛石結(jié)構(gòu)中心原子三角(菱方系結(jié)構(gòu))A7結(jié)構(gòu)正方系結(jié)構(gòu)三斜系結(jié)構(gòu)A8二、合金中的相結(jié)構(gòu)二、合金中的相結(jié)構(gòu)主體金屬金屬元素非金屬元素制備新型合金添加添加新型合金中的合金相固溶體：

5、多種合金組元在原子尺度上相互溶解形成的固體。 固溶體的晶體結(jié)構(gòu)與某一組元相同。溶劑-溶質(zhì)。中間相(金屬化合物)：組成原子有固定比例，其結(jié)構(gòu)與組成組元均不相同的相。Mg中添加Nd形成的Al11Nd3金屬間化合物相相的分類結(jié)構(gòu)鐵碳合金中的Fe3C相Al-Mg-Si合金中的Mg2Si相按溶質(zhì)原子位置不同置換固溶體間隙固溶體如陶瓷材料中的 MgO-CoO、MgO-CaO、PbTiO3-PbZrO3、Al2O3-Cr2O3Cu-Zn系 和 固溶體在合金中較為常見，是金屬和H、B、C、N等元素形成的固溶體(一)固溶體 按固溶濃度不同無(wú)限固溶體有限固溶體A ssessed C u-N i phase dia

6、gram . L iquidus and solidus are obtained from the experimental data of71B as, 71F ee, and 71Sch. T he low -temperature portion of the diagram is obtained fromthermodynamic modeling.A ssessed A l-M g phase diagram.溶質(zhì)和溶劑可以按任意比例相互固溶所生成的固溶體溶質(zhì)只能以一定的溶解限度(固溶度)溶入溶劑中，低于固溶度條件下生成的固溶體是單相的，一旦溶質(zhì)超出這一限度即出現(xiàn)第 2 相。 按

7、溶質(zhì)原子分布不同有序固溶體無(wú)序固溶體各組元質(zhì)點(diǎn)分別按照各自的布拉維點(diǎn)陣進(jìn)行排列，整個(gè)固溶體就是由各組元的分點(diǎn)陣組成的復(fù)雜點(diǎn)陣，稱超點(diǎn)陣或超結(jié)構(gòu)。各組元質(zhì)點(diǎn)分布是隨機(jī)的、無(wú)規(guī)則的有序固溶體有序固溶體無(wú)序固溶體無(wú)序固溶體 Ni置換Cu生成無(wú)限固溶體：Cu1-xNix，其中x = 01 很多二元體系是生成有限置換型固溶體，其中有些體系的固溶量非常低。 問題的提出 在理論的指導(dǎo)下，通過對(duì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累總結(jié)，提出了一些重要的影響因素： (1) 質(zhì)點(diǎn)尺寸因素 (2) 電負(fù)性因素 (3) 電子濃度因素 (4) 晶體結(jié)構(gòu)因素主要影響因素(1) 質(zhì)點(diǎn)尺寸因素 決定性因素。 從晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定觀點(diǎn)來(lái)看，相互替代的質(zhì)

8、點(diǎn)尺寸愈接近，則固溶體愈穩(wěn)定，其固溶量將愈大。 121rrr 主要影響因素經(jīng)驗(yàn)證明： 當(dāng)30%時(shí)，溶質(zhì)和溶劑之間不生成固溶體，僅在高溫下有少量固溶。 固溶體中大(a)、小(b)溶質(zhì)原子所引起的晶格畸變示意圖（2）電負(fù)性因素 是指原子吸引電子形成負(fù)離子的傾向，以電負(fù)性因素來(lái)衡量化學(xué)親和力。電負(fù)性差值X0.40.5，傾向于形成指定的化合物，其電負(fù)性差值越大，固溶體中的固溶度越小。主要影響因素（3）電子濃度因素(原子價(jià)因素)主要影響因素電子濃度：是指合金中總的價(jià)電子數(shù)(e)與原子總數(shù)(a)的比值V：溶劑的原子價(jià)；v ：溶質(zhì)的原子價(jià)；x ：溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)100)100(vxxVae 當(dāng)固溶度越大時(shí)，電

9、子濃度也越大，因此可以用電子濃度的大小來(lái)表征兩種元素的固溶情況，一般(以銅為溶劑時(shí))不同溶質(zhì)元素的最大固溶度對(duì)應(yīng)存在一定的電子濃度的極限值，其最大的e/a值在1.21.4之間。如一價(jià)面心立方金屬為1.36，一價(jià)體心立方金屬為1.48。（4）晶體結(jié)構(gòu)類型兩元素要形成無(wú)限固溶體，要求二組元的晶體結(jié)構(gòu)類型相同。因?yàn)榫w結(jié)構(gòu)相同，固溶度大，有可能形成無(wú)限固溶體。但晶體結(jié)構(gòu)類型相同并不是充分條件例如例如：MgO-NiO、Al2O3-Cr2O3、ThO2-UO2、Cu-Ni、Cr-Mo、Mo-W、Ti-Zr：無(wú)限固溶體 Fe2O3Al2O3，=18.4%，有限固溶體主要影響因素（5）溫度 溫度對(duì)固溶體的形

10、成有明顯影響，溫度升高有利于固溶體的形成。質(zhì)點(diǎn)尺寸、晶體結(jié)構(gòu)和電價(jià)因素的影響 組成：原子半徑較小(小于0.1nm)的非金屬元素如氫、氮、碳、硼、氧等溶入金屬晶體的間隙所形成的固溶體。特點(diǎn)：元素原子的填充，會(huì)引起較大的晶格畸變，使點(diǎn)陣常數(shù)增大。影響因素：原子半徑和溶劑結(jié)構(gòu)。溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶體。例子：-Fe(bcc)，-Fe(fcc)比較而言，bcc的間隙尺寸小于fcc的間隙尺寸，因此，溶質(zhì)原子在bcc中的溶解度要小于在fcc中的溶解度。(1) 晶格畸變間隙固溶體中的晶格畸變(2) 微觀不均勻性“原子偏聚”或“短程有序”，可用短程有序參數(shù)分析固溶體中B原子周圍前臨近A原子的分布

11、情況：AAXP1若PAXA， 0，固溶體處于完全無(wú)序狀態(tài)若PAXA， 0，固溶體處于短程有序若PA0，固溶體處于原子偏聚固溶體中溶質(zhì)原子分布示意圖a) 完全無(wú)序；b) 偏聚；c) 部分有序；d) 完全有序定義：很多置換固溶體，當(dāng)成分接近于一定的原子比，即AB、A3B、AB3，當(dāng)溫度降至某一臨界溫度下時(shí)，兩種原子會(huì)從高溫的完全無(wú)序過渡到A、B兩種原子都在較大距離上占有一定位置的規(guī)則排列狀態(tài)，而發(fā)生“有序化”過程，這種有序固溶體會(huì)在X射線衍射圖上出現(xiàn)額外的衍射線條，稱為超結(jié)構(gòu)，因此有序固溶體又稱“超結(jié)構(gòu)”。類型1： fcc中的超結(jié)構(gòu)CuAu型CuPt型類型2： bcc中的超結(jié)構(gòu)去CuZn型Fe3A

12、l型類型3：hcp中的超結(jié)構(gòu)Mg3Cd型定義： 固溶體從無(wú)序到有序的轉(zhuǎn)變過程中是通過形核和逐漸長(zhǎng)大的進(jìn)行的。其中，核是短程有序的微小區(qū)域，當(dāng)合金緩冷經(jīng)過臨界點(diǎn)Tc時(shí)，多個(gè)核心慢慢獨(dú)自長(zhǎng)大，并相互接壤，這些區(qū)域內(nèi)部原子排列都是有序的，稱為“反相疇”。 反相疇相互接壤處原子排列違反有限排列規(guī)則，形成一個(gè)明顯的分界面，這個(gè)界面稱為“反相疇界”兩個(gè)有序疇同時(shí)成長(zhǎng)相遇時(shí)形成的反相疇界 保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu) 點(diǎn)陣畸變和點(diǎn)陣常數(shù)的改變 點(diǎn)陣畸變引起固溶強(qiáng)化，對(duì)置換式固溶體，當(dāng)溶質(zhì)半徑小于溶劑時(shí)，點(diǎn)陣常數(shù)減小，否則相反，對(duì)間隙式固溶體，點(diǎn)陣常數(shù)增大。 溶質(zhì)原子微觀分布不均勻 物理、化學(xué)性能變化：如電阻率升高、磁

13、性能改變、腐蝕性能降低等 p固溶體的強(qiáng)度總是比組成它的純組元高，且隨溶質(zhì)原子濃度增加，強(qiáng)度也增加。(1) 固溶強(qiáng)化p溶質(zhì)原子的加入，使固溶體的電阻率升高，電阻溫度系數(shù)降低。p磁性的改變，如Si溶入-Fe中不僅增大電阻率，還增加了磁性。p腐蝕性能的改變，如Cr固溶到-Fe中，可使Fe的電極電位提高，從而提高合金抵抗空氣、水蒸氣、酸的腐蝕能力(2) 物理、化學(xué)性能改變u形成固溶體時(shí)，溶劑的晶體結(jié)構(gòu)不變，但由于溶劑與溶質(zhì)原子大小不同，會(huì)使點(diǎn)陣產(chǎn)生局部畸變，導(dǎo)致點(diǎn)陣常數(shù)發(fā)生改變。u固溶體點(diǎn)陣常數(shù)a與其成分x的關(guān)系：a=a1+(a2-a1)x其中x：溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；a1、a2 分別為溶劑、溶質(zhì)的點(diǎn)陣常數(shù)

14、。u當(dāng)溶質(zhì)原子半徑大于溶劑原子半徑時(shí)，固溶體點(diǎn)陣常數(shù)將隨溶質(zhì)含量的增加而加大，反之則減小。(3) 點(diǎn)陣常數(shù)的改變 中間相是由金屬與金屬，或金屬與類金屬元素之間形成的化合物，也稱為金屬間化合物。 定義鍵合方式離子鍵共價(jià)鍵金屬鍵特點(diǎn) 熔點(diǎn)高 硬度高 脆性大種類(1) 正常價(jià)化合物 組成： 由兩種電負(fù)性差值較大的元素按通常的化學(xué)價(jià)規(guī)律形成的化合物，其穩(wěn)定性與兩組元的電負(fù)性差值大小有關(guān)，電負(fù)性差值越大，穩(wěn)定性越高，愈接近離子鍵 鍵型：隨電負(fù)性差的減小，分別形成離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵。特點(diǎn)：具有較高的強(qiáng)度和脆性，固溶度范圍極小，在相圖上為一條垂直線。 常見化合物：MnS、Mg2Si、Mg2Sn。(2)

15、電子化合物 形成：電子濃度起主要作用，不符合原子價(jià)規(guī)則 鍵型：金屬鍵(金屬-金屬)，化合物具有明顯的金屬特性 組成：電子濃度對(duì)應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)，可用化學(xué)式表示，可形成以化合物為基礎(chǔ)的固溶體。 常見的化合物：電子化合物(3) 原子尺寸因素化合物 成因：當(dāng)兩種元素形成金屬間化合物時(shí)，如果它們之間的原子半徑差別很大時(shí)，便形成原子尺寸因素化合物 分類：填隙相和拓?fù)涿芏严?TCP)rx/rm0.59復(fù)雜的間隙相復(fù)雜間隙相Fe3C的結(jié)構(gòu)示意圖如果用大小不同的兩種原子進(jìn)行最緊密堆垛，通過合理搭配，就有可能獲得全部或主要由四面體堆滿整個(gè)空間，達(dá)到空間利用率和配位數(shù)都更高的密堆結(jié)構(gòu)，但這些四面體不一定都是等棱四面體，這種密排結(jié)構(gòu)稱“拓?fù)涿芏呀Y(jié)構(gòu)”，配位數(shù)可達(dá)12、14、15、16。 典型的TCP相有： 相，Laves相，x相和相。下面簡(jiǎn)單介紹 相和Laves相2 拓?fù)涿芏严?、相形成：一般出現(xiàn)在過渡金屬組成的合金系中自身特點(diǎn)及對(duì)合金性能的影響： 相的硬度很高，脆性大。a)相的存在，使得合金的塑性和韌