第二章 固體結(jié)構(gòu)2.3

1、第二章固體結(jié)構(gòu)第二章固體結(jié)構(gòu)李懷勇李懷勇聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院聊城大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2本章章節(jié)結(jié)構(gòu)2.1晶體學(xué)基礎(chǔ)2.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.32.3合金相結(jié)構(gòu)合金相結(jié)構(gòu)2.4離子晶體結(jié)構(gòu)2.5共價晶體結(jié)構(gòu)2.6聚合物的晶體結(jié)構(gòu)2.7 準(zhǔn)晶態(tài)結(jié)構(gòu)2.8液晶態(tài)結(jié)構(gòu)2.9非晶態(tài)結(jié)構(gòu)32.3、合金相結(jié)構(gòu)碳鋼：Fe-C（C：0.0218%-2.11%）鑄鐵：Fe-C（C：2.11%-6.69%）不銹鋼：Fe-Cr(Cr:12%-30%)黃銅：Cu-Zn，青銅：Cu-Sn, 白銅：Cu-NiK金：18K金（Au-Ni,Zn,Cu）4合金合金：由2種或以上的金屬或金屬與非金屬組成的，具有金屬特性的物質(zhì)

2、。組元：組成合金的基本的，獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。相： 合金中具有同一聚集狀態(tài)，晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并以界面相互隔開的均勻組成部分稱為相。組織：合金中各相晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。5合金的分類合金（組成和結(jié)構(gòu)差異）合金（組成和結(jié)構(gòu)差異）固溶體固溶體中間相（金屬間化合物）中間相（金屬間化合物）固溶體是以某一組元為溶劑，在晶體點(diǎn)陣或晶格間隙固溶體是以某一組元為溶劑，在晶體點(diǎn)陣或晶格間隙上溶入其他組元原子所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，上溶入其他組元原子所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型。其成分可在一定固溶度類型。其成分可在一定固溶度極限值內(nèi)波動，不能用分子式表示極

3、限值內(nèi)波動，不能用分子式表示中間相是組元所形成的金屬間化合物，溶劑與溶質(zhì)的中間相是組元所形成的金屬間化合物，溶劑與溶質(zhì)的比例固定，并且比例固定，并且結(jié)構(gòu)與所有組元都不同結(jié)構(gòu)與所有組元都不同，處于溶解限，處于溶解限度的中間某個位置度的中間某個位置672.3.12.3.1固溶體固溶體 （solid solutionsolid solution）置換固溶體置換固溶體間隙固溶體間隙固溶體固溶體固溶體 （solid solution）的分類）的分類溶質(zhì)所處位置不同溶質(zhì)所處位置不同溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置格某些結(jié)點(diǎn)位置溶質(zhì)原子嵌入溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙溶劑晶格間隙8固溶體的溶解

4、度固溶體的溶解度 是指溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。是指溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。溶解度有一定限度的固溶體稱有限固溶體，組成元溶解度有一定限度的固溶體稱有限固溶體，組成元素?zé)o限互溶的固溶體稱無限固溶體。素?zé)o限互溶的固溶體稱無限固溶體。影響固溶體溶解度的因素a. 晶體結(jié)構(gòu)b. 原子尺寸15%c. 化學(xué)親和力（電負(fù)性）d. 原子價（電子濃度）e. 溫度相似則相溶9固溶體溶解度的影響因素固溶體溶解度的影響因素1 1、晶體結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu) crystal structurecrystal structure：晶體晶體結(jié)構(gòu)相同結(jié)構(gòu)相同是組元間形成無限固溶體的必要條件。是組元間形成無限固溶體的必要條件。

5、組元的晶體結(jié)構(gòu)類型不同，其溶解度是有限的。組元的晶體結(jié)構(gòu)類型不同，其溶解度是有限的。abcdefABAB組元置換組元置換示意圖示意圖10固溶體的固溶體的溶解度溶解度影響因素影響因素2、原子尺寸、原子尺寸 atomic size：組元的原子半徑差組元的原子半徑差 r15%時，有利于形成溶解度較大的固溶時，有利于形成溶解度較大的固溶體；當(dāng)體；當(dāng) r 15%時，時， r 越大則溶解度越小。越大則溶解度越小。 r越大，溶入后點(diǎn)陣畸變程度愈大，致使畸變能愈高，結(jié)構(gòu)的越大，溶入后點(diǎn)陣畸變程度愈大，致使畸變能愈高，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低，則溶解度愈小。穩(wěn)定性降低，則溶解度愈小。 ()/ABArrrr 11固溶體的

6、固溶體的溶解度溶解度影響因素影響因素3、化學(xué)親和力（電負(fù)性因素）、化學(xué)親和力（電負(fù)性因素）chemical affinity：組元間組元間電負(fù)性相近電負(fù)性相近，可能具有大的溶解度；電負(fù)性差大，則化，可能具有大的溶解度；電負(fù)性差大，則化學(xué)親和力大，易形成化合物，而不利于形成固溶體，固溶體的學(xué)親和力大，易形成化合物，而不利于形成固溶體，固溶體的溶解度愈小。溶解度愈小。124、原子價（電子濃度、原子價（電子濃度 electron concentration）因素）因素 ：電子濃度電子濃度electron concentration: 就是合金中價就是合金中價電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值，即電子數(shù)目與原子

7、數(shù)目的比值，即e/a 。*(100)*/100ABexexe aeA和和eB分別為溶劑和溶質(zhì)的價電子貢獻(xiàn)，分別為溶劑和溶質(zhì)的價電子貢獻(xiàn)，x為溶質(zhì)為溶質(zhì)的原子百分?jǐn)?shù)的原子百分?jǐn)?shù) (at. %)。 A100-xBx合金合金固溶體的固溶體的溶解度溶解度影響因素影響因素13Cu-based solid solution alloysAg-based solid solution alloyse/a = 1.4固溶體的電子濃度有一極限值，即晶體結(jié)構(gòu)相同的極限固固溶體的電子濃度有一極限值，即晶體結(jié)構(gòu)相同的極限固溶體合金對應(yīng)相同的電子濃度，溶體合金對應(yīng)相同的電子濃度，F(xiàn)CC固溶體合金的極限電固溶體合金的極限

8、電子濃度為子濃度為1.36，BCC固溶體合金的極限電子濃度為固溶體合金的極限電子濃度為1.48。 14只有組成元素原子半徑、電化學(xué)特性相近，晶格類型相同的置只有組成元素原子半徑、電化學(xué)特性相近，晶格類型相同的置換固溶體，才有可能形成無限固溶體。換固溶體，才有可能形成無限固溶體。如何能形成無限固溶體？如何能形成無限固溶體？間隙固溶體都是有限固溶體。間隙固溶體都是有限固溶體。15 當(dāng)原子半徑相差太多時，一般進(jìn)入間隙，引起溶劑點(diǎn)當(dāng)原子半徑相差太多時，一般進(jìn)入間隙，引起溶劑點(diǎn)陣的畸變，點(diǎn)陣常數(shù)增大。陣的畸變，點(diǎn)陣常數(shù)增大。 所以間隙型固溶體不能無限固溶。所以間隙型固溶體不能無限固溶。 不僅與原子大小有

9、關(guān)，還與晶隙的大小和形狀有關(guān)。不僅與原子大小有關(guān)，還與晶隙的大小和形狀有關(guān)。a a-Fe-Fe間隙固溶體16固溶體的微觀不均勻性固溶體的微觀不均勻性 MicroinhomogeneityMicroinhomogeneity完全無序完全無序 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固溶體的主要性能固溶體的主要性能 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 solution strengthening隨溶質(zhì)含量增加隨溶質(zhì)含量增加, 固溶體的強(qiáng)固溶

10、體的強(qiáng)度、硬度增加度、硬度增加, 塑性、韌性下塑性、韌性下降。降。產(chǎn)生原因：是溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸產(chǎn)生原因：是溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸變及對位錯的釘扎作用，阻礙了位錯變及對位錯的釘扎作用，阻礙了位錯的運(yùn)動。的運(yùn)動。與純金屬相比，固溶體的強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性低。但與與純金屬相比，固溶體的強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性低。但與化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多?；衔锵啾?，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。18點(diǎn)陣常數(shù)改變：點(diǎn)陣常數(shù)改變： 置換固熔體：點(diǎn)陣常數(shù)可增大、減小置換固熔體：點(diǎn)陣常數(shù)可增大、減小 間隙固溶體：點(diǎn)陣常數(shù)總是增大，比置換固熔體的大得多間隙固溶體：點(diǎn)陣常數(shù)總是增大

11、，比置換固熔體的大得多物理、化學(xué)性能的變化：物理、化學(xué)性能的變化： Si溶入溶入a a-Fe中中 磁導(dǎo)率提高，良好的軟磁材料；磁導(dǎo)率提高，良好的軟磁材料； Cr溶入溶入a a-Fe中中 電極電位上升，抗腐蝕性提高，不銹鋼電極電位上升，抗腐蝕性提高，不銹鋼 性能突變性能突變 非磁向有磁轉(zhuǎn)變；順磁向鐵磁轉(zhuǎn)變非磁向有磁轉(zhuǎn)變；順磁向鐵磁轉(zhuǎn)變其它性能：其它性能：19中間相中間相：凡不和相圖端際相連的相，是化合物或者以化合物為基的固溶體。分類：1、正?；衔?、正?；衔?、電子化合物、電子化合物3、與原子尺寸因素有關(guān)的化合物、與原子尺寸因素有關(guān)的化合物4、超結(jié)構(gòu)（有序固溶體）、超結(jié)構(gòu)（有序固溶體）成鍵特點(diǎn)

12、：金屬鍵與其他典型鍵（離子鍵、共價鍵）的混合，均具有一定的金屬性間隙相和間隙化合物間隙相和間隙化合物拓?fù)涿芏严嗤負(fù)涿芏严噙@些論述均是指的合金！這些論述均是指的合金！20組成金屬和電負(fù)性較強(qiáng)的IVA，VA, VIA族元素，按照原子價規(guī)律所形成的化合物晶體結(jié)構(gòu)離子鍵化合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性取決于電負(fù)性差差越小，不穩(wěn)定，金屬性越強(qiáng)；差越大，穩(wěn)定，趨于離子性化合物。Mg2Si: 1102Mg2Sn：778離子鍵離子鍵Mg2Pb：550共價鍵共價鍵金屬鍵金屬鍵melting temperature1、正常價化合物21晶體結(jié)構(gòu)主要取決于電子濃度組成 IB族的貴金屬（Ag,Au,Cu）與IIB,IIIA,IVA族

13、元素2、電子化合物（休姆羅塞里相）223838-5050-672324 不符合化合價規(guī)律，其成分在一定范圍內(nèi)變化，可視為以化合物為基的固溶體，其電子濃度也在一定范圍內(nèi)變化。 金屬鍵為主，具有明顯的金屬性電子化合物主要特點(diǎn)253、與原子尺寸因素有關(guān)的化合物結(jié)構(gòu)取決于原子尺寸差別間隙相和間隙化合物間隙相和間隙化合物拓?fù)涿芏严嗤負(fù)涿芏严嗖詈艽髸r差很大時中等程度差別中等程度差別a、間隙相和間隙化合物、間隙相和間隙化合物C、H、N、B等半徑較小的元素可與金屬形成間隙相或間隙等半徑較小的元素可與金屬形成間隙相或間隙化合物?；衔?。rX/rM0.59時，形成晶體結(jié)構(gòu)簡單的間隙相。時，形成晶體結(jié)構(gòu)簡單的間隙相

14、。rX/rM0.59時，形成晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的間隙化合物。時，形成晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的間隙化合物。H、N原子半徑小，均形成間隙相；原子半徑小，均形成間隙相；B原子半徑大，形成間隙化原子半徑大，形成間隙化合物。而合物。而C處于中間狀態(tài)，兩者均勻有。處于中間狀態(tài)，兩者均勻有。26（1）間隙相a、結(jié)構(gòu)簡單，與組元結(jié)構(gòu)均不同。非金屬原子占據(jù)晶格間隙中。 rX/rM0.414時，占據(jù)四面體間隙；rX/rM0.414時，占據(jù)八面體間隙；b、間隙相的成分有時會在一定范圍內(nèi)變化，可以視為以化合物為基的固溶體（第二類固溶體）。間隙相之間也可以固溶，有時是無限固溶。如：TiC-ZrC，TiC-VC.c、具有高的硬度和熔點(diǎn)。

15、27Fe4NN占據(jù)什占據(jù)什么間隙，么間隙，比例多少？比例多少？結(jié)構(gòu)中還結(jié)構(gòu)中還有幾個八有幾個八面體間隙，面體間隙，在哪個位在哪個位置置WC28（2）間隙化合物a、 rX/rM0.59時，結(jié)構(gòu)復(fù)雜b、間隙化合物中的金屬元素常常被其他金屬所置換，形成以化合物為基的固溶體。c、具有較高的硬度和熔點(diǎn)，但比間隙相稍低。293031b、拓?fù)涿芏严啵?、拓?fù)涿芏严啵═CP）(自學(xué)）自學(xué)）拓?fù)涿芏严嗍怯刹灰?guī)則的四面體填充空間的密堆結(jié)構(gòu)拓?fù)涿芏严嗍怯刹灰?guī)則的四面體填充空間的密堆結(jié)構(gòu)32這些多面體具有如下特征：（1）面為三角形（2）凸形多面體（3）每個角和5-6個棱相連接l卡斯珀卡斯珀(Kasper)提出一些可以滿

16、足上述堆提出一些可以滿足上述堆垛方式的規(guī)則多面體（垛方式的規(guī)則多面體（Kasper配位多面體配位多面體）333435（1）拓?fù)淅ニ瓜?Laves)AB2型密堆結(jié)構(gòu)Laves相的晶體結(jié)構(gòu)的典型代表金屬間MgCu2(立方立方)型型MgZn2(六方六方)型型MgNi2(六方六方)型型電子濃度電子濃度1.33-1.751.80-2.001.80-1.9036拓?fù)? Laves -MgCu2晶胞分子數(shù)：晶胞分子數(shù)：Z=83738CuCu原子組成四面體，四面體頂點(diǎn)與頂點(diǎn)相連，原子組成四面體，四面體頂點(diǎn)與頂點(diǎn)相連，形成層狀，每一密排層成形成層狀，每一密排層成3.6.3.63.6.3.6網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)3940Mg

17、Mg原子組成一種金剛石型結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)絡(luò)原子組成一種金剛石型結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)絡(luò)41（2）拓?fù)湎?2中間相-4超結(jié)構(gòu)（有序固溶體）某些在高溫具有短程有序的固溶體，當(dāng)其成分接近一定的原子比（AB,AB2,AB3），在緩冷到臨界溫度Tc時，形成有序固溶體。在XRD圖中就會有外加的線條，叫超結(jié)構(gòu)線。異類原子之間的吸引大長程有序度參數(shù)S表示有序化程度1AAA1,1,0,AAAAPXSXPXPSPXS原子的正確位置上出現(xiàn) 的機(jī)率原子在合金中的原子數(shù)分?jǐn)?shù)完全有序；完全無序43 超結(jié)構(gòu)形成過程機(jī)理：形核和長大，過程是通過原子遷移過程實(shí)現(xiàn)；成核短程有序的微小區(qū)域（有序疇）長大各有序疇長大接壤界面結(jié)構(gòu)相同，成為一體不同的分界面，反相疇界形成的影響因素：溫度、降溫速度和成分44中間相-5金屬間化合物性質(zhì)（1）超導(dǎo)（2）電學(xué)性能半導(dǎo)體（3）強(qiáng)磁性能（4）儲氫材料（5）高溫性能（6）耐蝕性能（7）形狀記憶451).具有超導(dǎo)性質(zhì)的金屬間化合物，如具有超導(dǎo)性質(zhì)的金屬間化合物，如Nb3Ge，Nb3Al等；等；2).具有特殊電學(xué)性質(zhì)的金屬間化合物，如具有特殊電學(xué)性質(zhì)的金屬間化合物，如InTe-PbSe，GaAs-ZnSe等在半導(dǎo)體材料用；等在半導(dǎo)體材料用；3).具有強(qiáng)磁性的金屬間化合物，如稀土元素（具有強(qiáng)磁性的金屬間化合物，如稀土元素（Ce，La，Sm，Pr，Y等）和等