材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)__第二章課件

1、2-1 物質(zhì)的組成、狀態(tài)及材料結(jié)構(gòu)2-2 材料的原子結(jié)構(gòu)2-3 原子之間的相互作用和結(jié)合2-4 多原子體系電子的相互作用與穩(wěn)定性第二章 材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)2-5 固體中的原子有序2-6 固體中的原子無序2-7 固體中的轉(zhuǎn)變2-8 固體物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)2.1物質(zhì)的組成、狀態(tài)及材料結(jié)構(gòu)2.1.1物質(zhì)的組成和狀態(tài)物質(zhì)物體（由原子和分子組成）場(chǎng)（引力場(chǎng)、電磁場(chǎng)等）化學(xué)元素大氣層 N2、O2、Ar、CO2等水圈 H2O、Cl、Na+、Mg2+等巖石圈 SiO2、Al2O3、Fe 2O3等2.1.2 材料結(jié)構(gòu)的含義材料結(jié)構(gòu)宏觀組織結(jié)構(gòu)顯微組織結(jié)構(gòu)原子或分子排列結(jié)構(gòu)（晶體結(jié)構(gòu)）原子中的電子結(jié)構(gòu)2.2 材料的原子結(jié)構(gòu)

2、湯姆孫原子模型 棗糕模型盧瑟福原子模型 核式結(jié)構(gòu)模型波爾原子模型 粒子散射實(shí)驗(yàn)原子光譜2.2.1 量子力學(xué)的幾個(gè)基本概念微觀粒子的波粒兩象性 愛因斯坦光子理論 電子 海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理薛定諤方程 波函數(shù)（r,t)2.2.2 原子核結(jié)構(gòu)原子核 中子和質(zhì)子組成，核的體積很小，集中了原子的絕大部分質(zhì)量。一個(gè)質(zhì)子具有正電荷e=1.67210-19C同位素 ：質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的原子。2.2.3 原子核外電子電子的分布和運(yùn)動(dòng)由四個(gè)量子數(shù)決定，分別是主量子數(shù)、次量子數(shù)、磁量子數(shù)及自旋量子數(shù)。主量子數(shù)決定電子離核遠(yuǎn)近和能量高低的主要參數(shù)。K、L、M、N.次量子數(shù)（角量子數(shù)）量子軌道并不一定總是球形的，次量

3、子數(shù)反映了軌道的形狀，各軌道在原子核周圍的角度分布不同。它也影響軌道的能級(jí)，按s、p、d、f依次升高。磁量子數(shù)確定了軌道的空間取向，以ml表示。沒有外磁場(chǎng)時(shí)，處于同一亞殼層而空間取向不同的電子具有相同的能量，但在外加磁場(chǎng)下，不同空間取向軌道的能量會(huì)略有所差別。自旋量子數(shù)ms=+1/2，1/2，表示在每個(gè)狀態(tài)下可以存在自旋方向相反的兩個(gè)電子。主量子數(shù)殼層序號(hào) 1 (K) 2 (L) 3 (M) 4 (N)次量子數(shù)亞殼層狀態(tài)1s2s2p 3s 3p 3d4s4p4d4f磁量子數(shù) 1 1 3 1 3 51357考慮自旋量子數(shù)后的狀態(tài)數(shù)目 2 2 6 2 6 10261014各殼層總電子數(shù)2（=212

4、）8（=222）18（=232）32（=242）原子核外電子的分布與四個(gè)量子數(shù)有關(guān)，且服從下述兩個(gè)基本原理：（1）泡利不相容原理 一個(gè)原子中不可能存在有四個(gè)量子數(shù)完全相同的兩個(gè)電子。（2）最低能量原理 電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài)。 洪特規(guī)則：在相同能量的軌道上，電子將盡可能分布在不同軌道上，且自旋方向相同。Fe 26Cu 29Ag 47原子中電子的穩(wěn)定性價(jià)電子 最外層電子電子躍遷 E1-E2=hv電離能（第一電離能）從孤立原子中，去除束縛最弱的電子所需要的能量電子親和能 原子接受一個(gè)額外的電子所釋放的能量2.3 原子之間相互作用和結(jié)合穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)：“八電子層”結(jié)構(gòu)

5、（s2p6)基本結(jié)合（化學(xué)結(jié)合）：結(jié)合力較強(qiáng)，包括離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵。派生結(jié)合（物理結(jié)合）：結(jié)合力較弱，包括范德華鍵和氫鍵。2.3.1基本結(jié)合（化學(xué)鍵合）離子鍵合當(dāng)兩類原子結(jié)合時(shí)，金屬原子的外層電子很可能轉(zhuǎn)移到非金屬原子外殼層上，使兩者都得到穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)，從而降低體系的能量，此時(shí)金屬原子和非金屬原子分別形成正離子和負(fù)離子，正負(fù)離子間相互吸引，使原子結(jié)合在一起，這就是離子鍵。（如NaCl）共價(jià)鍵合 兩個(gè)原子共有最外層電子的鍵合。既有飽和性又有方向性非極性共價(jià)鍵、極性共價(jià)鍵配位共價(jià)鍵（如H+與NH3結(jié)合成NH+4）金屬鍵合各原子都貢獻(xiàn)出其價(jià)電子而變成外層為八電子層的金屬正離子，貢獻(xiàn)出來的價(jià)電

6、子為所有金屬原子（正離子）所共有。金屬鍵不具有方向性和飽和性?；旌湘I合介于離子鍵和共價(jià)鍵之間的混合鍵。元素的電負(fù)性：原子在化合物中把電子引向自己的能力。形成共價(jià)鍵結(jié)合的兩元素的電負(fù)性相等或接近 ，形成離子鍵結(jié)合的兩元素的電負(fù)性差別較大。2.3.2 派生結(jié)合（物理結(jié)合）范德華鍵合取向力 極性分子永久偶極之間的靜電相互作用所產(chǎn)生的引力。誘導(dǎo)力 誘導(dǎo)偶極與固有偶極間的作用力。色散力 是電中性原子或非極性分子的瞬時(shí)偶極距相互作用的結(jié)果。具有加和性和普遍性。范德華力（分子間力）是決定物質(zhì)的沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、汽化熱、熔化熱、溶解度和表面張力等物理化學(xué)性質(zhì)的重要因素。氫鍵結(jié)合氫原子只有一個(gè)電子，當(dāng)氫原子與一個(gè)電負(fù)

7、性很強(qiáng)的原子X結(jié)合成分子時(shí)，共用電子對(duì)靠近X而遠(yuǎn)離氫原子，分子的氫原子側(cè)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)裸露的質(zhì)子，對(duì)另一個(gè)電負(fù)性較大的原子Y表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸引力，這樣，氫原子便在兩個(gè)電負(fù)性很強(qiáng)的原子之間形成一個(gè)橋梁，把兩者結(jié)合起來，形成氫鍵。所以氫鍵可表達(dá)為： XHY氫鍵有飽和性和方向性2.3.3 各種鍵性的比較化學(xué)鍵最強(qiáng)，氫鍵次之，范德華鍵最弱。在化學(xué)鍵中，金屬鍵能最小，因此金屬具有范性形變和能進(jìn)行噴涂等性質(zhì)。2.3.4 原子間距和空間排列原子間斥力和引力固體原子中存在兩種力：吸引力和排斥力。在某一距離下引力和斥力相等，這一距離相當(dāng)于原子的平衡距離，稱原子間距。鍵能能阱深度Ea=-Emin代表鍵能， Ea=0

8、原子半徑和離子半徑單質(zhì)金屬中的原子半徑為1/2平衡間距，離子晶體中平衡間距為正、負(fù)離子半徑之和。 溫度 材料具有熱膨脹性影響因素 離子價(jià) 如Fe2+半徑比Fe3+大 相鄰原子的數(shù)目，相鄰原子數(shù)越多， 原子間距越大。原子的空間排列與配位數(shù)配位數(shù)：一個(gè)原子周圍近鄰原子的數(shù)目。影響因數(shù)：共價(jià)鍵數(shù)； 原子的有效堆積2.4 多原子體系中電子的相互作用與穩(wěn)定性2.4.1 雜化軌道和分子軌道理論2.4.2 費(fèi)米能級(jí)2.4.3 固體中的能帶2.4.1 雜化軌道和分子軌道理論雜化軌道理論（hybrid orbital)多原子分子在成鍵時(shí)可以不用原來的原子軌道，而用重新組合的原子軌道（雜化軌道）來成鍵，這樣使成鍵

9、時(shí)可以更有效地重疊，就是說雜化軌道比原來的原子軌道成鍵能力更強(qiáng)。同一個(gè)原子中能量相近的各個(gè)原子軌道,可以通過線性組合而成為成鍵能力更強(qiáng)的新的原子軌道雜化軌道。按照量子力學(xué)近似處理方法，雜化軌道可以看作是s和p軌道線性組合。sp雜化：一個(gè)s軌道與一個(gè)px軌道雜化后， s成分為1/2， p成分為1/2。乙炔sp2雜化：每個(gè)sp2雜化軌道的s成分為1/3，p成分為2/3，=1/3，=120, 三個(gè)雜化軌道在空間分布是在同一平面上，互成120。乙烯sp3雜化：每個(gè)sp3雜化軌道中s成分為1/4，p成分為3/4，它們的空間取向是四面體結(jié)構(gòu)，相互的鍵角=10928。甲烷分子軌道理論（ molecular

10、orbital，MO）分子軌道由組成分子的原子軌道組合產(chǎn)生，組合前后軌道總數(shù)不變。 能量相近、軌道最大重疊、對(duì)稱性匹配組合前后系統(tǒng)的總能量不變，如在H原子結(jié)合成氫分子時(shí)，成鍵 軌道的能量比原子軌道能量下降了E，則反鍵* 軌道的能量比原子軌道能量上升E。組合前原子軌道中所有的電子在組合分子軌道中重新分布，分布法則與電子在原子軌道中的排布類似。當(dāng)原子形成分子后，電子不再局限于原來的原子軌道，而是屬于整個(gè)分子的分子軌道。 軌道和鍵鍵原子軌道重疊部分沿著鍵軸呈圓柱形對(duì)稱，即原子軌道以“頭碰頭”方式重疊。s軌道總形成鍵，p軌道間只形成一個(gè)鍵。軌道和鍵鍵原子軌道重疊部分對(duì)于通過鍵軸的一個(gè)平面呈鏡面反對(duì)稱，

11、即原子軌道以“肩并肩”方式重疊。 鍵中原子軌道的重疊程度較小，因此鍵的強(qiáng)度一般不及鍵。2.4.3 固體中的能帶能帶按照組成能帶的原子軌道和電子在能帶中分布的不同， 將能帶分為價(jià)帶、導(dǎo)帶和禁帶等多種能帶。 價(jià)帶：由價(jià)電子的原子能級(jí)展寬而成的帶。導(dǎo)帶：未充滿電子的能帶。有空的分子軌道。 參加組合的原子軌道如未充滿電子，則形成的能帶也是未充滿的，還有空的分子軌道。禁帶：相鄰能帶之間的空隙，又叫能隙（帶隙）。 帶隙是電子的禁區(qū)，所以叫做禁帶。 能帶理論常用來定性說明導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的區(qū)別。2.5 固體中的原子有序 (Perfections in Solids)2.5.1 結(jié)晶的特性與晶體的性質(zhì) 2

12、.5.2 晶體幾何學(xué)基礎(chǔ) 2.5.3 晶體的結(jié)構(gòu)(Speciality and Properties of Crystals)2.5.1 結(jié)晶的特性與晶體的性質(zhì)結(jié)晶特性 晶 體：原子(團(tuán))沿三維空間呈周期性長(zhǎng)程有序 排列的固體物質(zhì) （金屬，大多陶瓷及一些聚合物） 非晶體：原子(團(tuán))無周期性長(zhǎng)程有序排列的物質(zhì)（包括氣體，液體和部分固體） 晶體的性質(zhì)熔點(diǎn)確定有自發(fā)形成規(guī)則多面體外形的能力穩(wěn)定性 （晶體能量最低） 各向異性（物理性質(zhì)不同）均勻性（周期小，宏觀連續(xù)）2.5.2 晶體幾何學(xué)基礎(chǔ)晶體的對(duì)稱元素點(diǎn)陣晶胞、晶系和空間點(diǎn)陣型式晶向指數(shù)和晶面指數(shù)晶面間距(dhkl ) (Fundamentals

13、of Crystal Geometry)晶體的對(duì)稱元素 （對(duì)稱：相同部分有規(guī)律重復(fù)） 生長(zhǎng)良好的晶體外形常有某些對(duì)稱性（symmetry） 對(duì)稱圖形：圖形經(jīng)不改變其任兩點(diǎn)間距離的操作而能完全復(fù)原 對(duì)稱操作：能使圖形自身重合復(fù)原的操作 對(duì)稱元素：一組操作中不動(dòng)的點(diǎn)、線、面 b旋轉(zhuǎn)軸 旋轉(zhuǎn)操作 可旋 360 / n n（軸次）: 僅1，2，3，4，6 a對(duì)稱中心（點(diǎn)） 反演（倒反）操作 c鏡面反映操作 d反軸旋轉(zhuǎn)反演操作（旋轉(zhuǎn)與反演的復(fù)合） 軸次同旋轉(zhuǎn)軸 e平移對(duì)稱點(diǎn)陣(Lattice）平移操作 （平移軸） 連接圖形中任何兩點(diǎn)的矢量進(jìn)行平移，圖形能復(fù)原。f. 螺旋軸 旋轉(zhuǎn)平移操作（旋轉(zhuǎn)與平移的復(fù)合

14、） 滑移量受點(diǎn)陣限制，軸次同旋轉(zhuǎn)軸。L（180）tg滑移面 平（滑）移反映操作（反映與平移的復(fù)合）滑移量受點(diǎn)陣限制2tt反映平移點(diǎn)陣： 晶體結(jié)構(gòu)的微觀特征 某種結(jié)構(gòu)單元（基元）在三維空間作周期性規(guī)則排列 基元：原子、分子、離子或原子團(tuán) (組成、位形、取向均同) 抽象為 基元 幾何點(diǎn) 抽象為 基元的三維空間周期排列 空間點(diǎn)陣 點(diǎn)陣 + 基元 = 晶體結(jié)構(gòu) 點(diǎn)陣反映晶體結(jié)構(gòu)的平移對(duì)稱 點(diǎn)陣是抽象的幾何圖形 點(diǎn)陣中每個(gè)陣點(diǎn)的周圍環(huán)境均相同 空間點(diǎn)陣 可用點(diǎn)陣矢量R的諸點(diǎn)列陣(平移群)表示 R = n1 a + n2 b + n3 c ， n1、n2、n3 為任意整數(shù) a、b、c 為三個(gè)坐標(biāo)軸上的單位

15、矢量 所有矢量 R 都屬于（構(gòu)成）點(diǎn)陣晶胞、晶系和空間點(diǎn)陣型式 晶胞(Unit Cell)：代表晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本重復(fù)單位 （平行六面體） 晶胞中原子的坐標(biāo)可由原點(diǎn)指向原子的向量表示: r = x a + y b + z c x，y，z 1，稱為 分?jǐn)?shù)坐標(biāo)晶格常數(shù) (Lattice parameters) a， b，c 和 ，晶胞的基本要素： A大小和形狀 B各原子坐標(biāo)位置 7個(gè)晶系中，共有 14種空間點(diǎn)陣型式 (Types of Spacial Lattices)晶向指數(shù)和晶面指數(shù) （1）晶胞定位（用分?jǐn)?shù)坐標(biāo)） 原點(diǎn)（0, 0, 0） 晶胞內(nèi)離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的頂角點(diǎn)（1, 1, 1） 即位置為（1

16、a, 1b, 1c） 定位系數(shù)以晶胞的尺度來表示, 點(diǎn)的位置用 （x, y, z）表示, （點(diǎn)在晶胞內(nèi), 無符號(hào), 分?jǐn)?shù)） （2） 晶向指數(shù) 晶向：是原點(diǎn)出發(fā)通過某點(diǎn)的射線 （或過若干結(jié)點(diǎn)的直線方向） 晶向指數(shù)：用晶胞各軸上投影的最低整數(shù)標(biāo)明 u v w 表示晶向， 其中u v w 即晶向指數(shù) 例題：指出下圖中紅色矢量所代表的晶向指數(shù) x y z在各坐標(biāo)軸上的投影 a/2 1b 0c去掉單位 1/2 1 0化為最小整數(shù) 1 2 0晶向指數(shù) 120OA 1 0 0OB 1 1 0OC 1 1 1OD 2 0 1OE 0 1 0OF 1 1 2CB 0 0 1例題 在立方晶胞中畫出1 1 0 晶向

17、晶體中同一晶向的陣點(diǎn)直線系列稱為晶列。晶向族u v w：代表原子密度相同(等價(jià))的所有晶向 方向可不同， 如立方晶體中：1 1 1包括111, 111, 111, 111； 111, 111, 111, 111。一個(gè)晶向代表了一系列相互平行的陣點(diǎn)構(gòu)成的直線 （3） 晶面指數(shù) 晶面（Crystallographic Planes）：晶體內(nèi)的陣點(diǎn)（組成的）平面。 晶面組：晶體所有陣點(diǎn)被劃成平行等距的一組晶面 如何表示晶面？ 晶面指數(shù)：用（h k l）表示是晶面在三個(gè)晶軸上的截距倒數(shù)。 截距用晶格常數(shù)a，b，c 的倍數(shù)r，s，t表示 即： h : k : l = 1/r : 1/s : 1/t ，

18、最小整數(shù) 晶面指數(shù)（h k l）常稱密勒指數(shù)（Miller Indices）晶面指數(shù)如何來確定？1. 選取原點(diǎn)， x、y、z軸xzy2. 寫出截距，避免0截距332(3 3 2)3. 取截距的倒數(shù)（1/3 1/3 1/2 ）4. 倒數(shù)通分后去分母(2/6 2/6 3/6)（2 2 3）注意：1. 為避免0截距，原點(diǎn)在晶面外；2. 晶面與晶軸平行，截距為，該指數(shù)為零；3. 截距為負(fù)時(shí)，上加橫線；4. 截距越大、指數(shù)越小。例題 指出下圖所示晶胞中晶面的密勒指數(shù) x y z截距 a -b c/2去掉截距的單位 -1 1/2取倒數(shù) 0 -1 2 密勒指數(shù) (0 1 2 )例題 在一個(gè)立方晶胞中畫出 (

19、0 1 1)平面解: (0 1 1)取倒數(shù): 1 1找截距X軸平行，Y軸為 -1，Z軸為1，做圖（4） 晶面族： 某晶面的晶面指數(shù)乘以-1后所表示的一組晶面仍與其平行，共為一晶面組，也用（h k l）表示。 晶面族 用h k l 表示, 代表原子排列相同（晶面方位不同）的所有晶面。 對(duì) 立方晶體： A 100 3組 B111 4組 C110 6組 A (100) （010）（001）B （111）（11 1）（1 1 1）（1 11）C（110）晶面間距(dhkl ) 晶面組中最近兩晶面間的距離叫晶面間距。 晶面指數(shù)低，面上具有較高的原子密度，間距大、作用力弱。 立方晶體： a 為點(diǎn)陣常數(shù) 使

20、用X-射線衍射（X-ray Diffraction）結(jié)果， 通過布拉格定律（Braggs Law），可測(cè)定晶面間距： n= 2 dhkl sin = M H P （光程差） n = 1，2，3，為衍射級(jí)數(shù)；為波長(zhǎng)；為衍射角例題 對(duì)于BCC鐵，計(jì)算()晶面間距，()晶面組（220）的衍射角。已知Fe 的晶格參數(shù)是0.2866nm，所用射線波長(zhǎng)為0.179nm 。解：（1）晶面間距（2）由布拉格定律可得：衍射角為：2.5.3 晶體的結(jié)構(gòu)金屬晶體(Metallic Crystal)離子晶體( Ionic Crystal )共價(jià)晶體(Covalent Crystal)分子晶體 (Molecular C

21、rystal)多晶型(Polymorphism) 液晶(Liquid crystal)(Crystalline Structures)金屬晶體 金屬鍵； 無方向性； 原子呈圓球狀密堆積 大多為右面三種結(jié)構(gòu)： (1) 面心立方（Face-Centered Cubic - fcc）配位數(shù)：晶胞中的原子數(shù)：最近的原子間距：點(diǎn)陣常數(shù)：a （= 4R /2 ）致密度：APF=晶胞內(nèi)原子總體積/晶胞體積12（上、同、下層各為4個(gè)） 124 = 81/ 8（角）+ 61/ 2（面）=4d（= a /2 = 2R）=0.74(2) 密排六方 (Hexagonal Close-Packed - hcp)配位數(shù)：

22、12（同層6個(gè)、上、下兩層各為3個(gè)）點(diǎn)陣常數(shù)：a ，c ，(c/a=1.633)致密度(Atomic Packing Factor) ：0.74最近的原子間距： d（=a2/ 3 + c2/ 4 ）=a=2R晶胞中的原子數(shù)：6 =121/ 6(邊角)+ 21/ 2(面)+ 3(內(nèi))（3）體心立方 （Body-centered Cubic; bcc）配位數(shù)(Coordination Number) ：心原子上下各為4個(gè)=8晶胞中的原子數(shù)： 81/ 8(角)+ 1(心)=2最近的原子間距：d（= 3 a / 2）點(diǎn)陣常數(shù)：a（= 4R /3 ）致密度(Atomic Packing Factor)

23、：0.68結(jié) 構(gòu) 特 征結(jié) 構(gòu) 類 型 體 心 立 方 （bcc） 面 心 立 方 （fcc） 密 排 六 方 （hcp）點(diǎn) 陣 類 型體心立方面心立方簡(jiǎn)單六方點(diǎn) 陣 常 數(shù)aaa，c，c/a =1633最近的原子間距（原子直徑）晶胞中原子數(shù)6配 位 數(shù)81212致 密 度0.74典型金屬結(jié)構(gòu)晶體學(xué)特點(diǎn) 間隙 (Interstitial position) 四面體間隙(Tetrahedral position) 八面體間隙（Octahedral position） 四面體間隙數(shù)：每晶胞： 8間隙大?。ò霃剑?=3 a / 4 R = 0.225R面心立方八面體間隙數(shù)： 每晶胞： 1(體) +

24、1/4 12(棱) = 4面心立方間隙大小（半徑）= a /2 - R = 0.414R離子晶體CsCl離子晶體的堆積形式主要取決于正負(fù)離子的電荷數(shù)和正負(fù)離子的相對(duì)大小。NaCl配位數(shù) 6配位數(shù) 8例題：求正離子的配位數(shù)為3時(shí)，最小的正負(fù)離子半徑比。解：設(shè)正負(fù)離子半徑分別為rC和rA，正離子位于3個(gè)負(fù)離子組成的等邊三角形平面中心，并與它們相接觸時(shí)，正負(fù)離子半徑比最小。 AP= rA ，AO= rA + rC 共價(jià)晶體共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)服從（8-N）法則，即結(jié)構(gòu)中每個(gè)原子都有8-N個(gè)最近鄰的原子。金剛石晶體分子晶體分子晶體的基本組元是分子而不是原子，是分子間通過范德華鍵和氫鍵等物理相互作用形成晶體結(jié)構(gòu)

25、。多晶型多晶型：一物質(zhì)存在兩種或兩種以上不同的晶體結(jié)構(gòu)形式。液晶(LiquidCrystal,LC)液晶：兼有部分晶體和液體的性質(zhì)的過渡狀態(tài)。從形成條件分：熱致液晶、溶致液晶。液晶的結(jié)構(gòu)類型： 絲狀相（向列相） 螺旋狀相（膽甾相） 層狀相（近晶型）絲狀相（向列相）長(zhǎng)程取向有序螺旋狀相（膽甾相）P層狀相（近晶型）2.6 固體中的原子無序2.6.1 固溶體2.6.2 晶體結(jié)構(gòu)缺陷2.6.3 非晶體2.6.4 擴(kuò)散2.6.1 固溶體固溶體：外來組分（離子、原子或分子）分布在基質(zhì)晶體晶格內(nèi)，類似溶質(zhì)溶解在溶劑中一樣，但不破壞晶體的結(jié)構(gòu)，仍舊保持一個(gè)晶相。分類置換型固溶體間隙型固溶體其他分類法：根據(jù)相圖

26、劃分：端部固溶體、中間固溶體；根據(jù)固溶度分：有限固溶體、無限固溶體；根據(jù)組元分布規(guī)律：無序固溶體、有序固溶體。置換型固溶體影響因素：（1）原子（離子）大?。?）鍵的性質(zhì)或極化的影響（3）晶體的結(jié)構(gòu)和晶胞的大小（4）電價(jià)的影響間隙固溶體（填隙式固溶體）影響因素：（1）添加原子的大小和難易與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。對(duì)于金屬，只有原子半徑很小的H、B、C、N等才能形成間隙固溶體。（2）添加到間隙位置中的離子，需要一些電荷平衡，以保持電中性。判斷方法計(jì)算固溶體的理論密度C：N：一個(gè)晶胞內(nèi)的原子數(shù)；V：晶胞體積；A：原子量；NA=6.0231023c e ，則固溶體為間隙式；c = e ，則固溶體為置換式；c e

27、 ，則固溶體為缺位式。非化學(xué)計(jì)量化合物非化學(xué)計(jì)量化合物：偏離化學(xué)式的化合物，如：Fe1-xO，Co1-xO，Cr2+xO3。Fe1-xO可以看成是Fe2O3加入FeO的固溶體。2.6.2 晶體結(jié)構(gòu)缺陷點(diǎn)缺陷 它在三維空間各方向上尺寸都很小，亦稱為零維缺陷，如空位、間隙原子和異類原子等。線缺陷 亦稱一維缺陷，在兩個(gè)方向上尺寸很小，主要是位錯(cuò)。面缺陷 在空間一個(gè)方向上尺寸很小，另外兩個(gè)方向上尺寸較大的缺陷，如晶界、相界等。點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷類型：空位，間隙原子。肖脫基缺陷：由一個(gè)正離子空位和一個(gè)負(fù)離子空位 組對(duì)形成的缺陷。弗侖克爾缺陷：由一個(gè)空位和一個(gè)間隙正離子組對(duì) 形成的缺陷。離子晶體線缺陷（位錯(cuò)）棱

28、位錯(cuò)（刃位錯(cuò)）：滑移方向與位錯(cuò)線垂直。棱位錯(cuò)（刃位錯(cuò)） 螺旋位錯(cuò)：滑移方向與位錯(cuò)線平行?；旌衔诲e(cuò)位錯(cuò)的柏格斯矢量是位錯(cuò)的單位滑移距離，其方向和滑移方向平行。位錯(cuò)的滑移和爬移面缺陷體缺陷 亞結(jié)構(gòu)、沉淀相、空洞、氣泡等。2.6.4 擴(kuò)散擴(kuò)散現(xiàn)象金屬中的體積擴(kuò)散機(jī)制a 空位機(jī)制：大多數(shù)金屬和置換固溶體合金的擴(kuò)散機(jī)制。b 間隙機(jī)制：間隙雜質(zhì)原子或間隙固溶體中的溶質(zhì)原子按 間隙機(jī)制移動(dòng)。c 直接交換機(jī)制：可能性很小。離子固體和共價(jià)固體中的體積擴(kuò)散大多數(shù)離子固體中的擴(kuò)散按空位機(jī)制進(jìn)行。共價(jià)固體中的擴(kuò)散也以空位機(jī)制為主。其他通道的擴(kuò)散擴(kuò)散可沿位錯(cuò)、晶界及外表面進(jìn)行。非晶體中的擴(kuò)散聚合物中的擴(kuò)散主要是外來分子

29、的擴(kuò)散。 滲透：較小的分子擴(kuò)散通過聚合物。 吸收：較小的分子進(jìn)入聚合物引起溶脹。無機(jī)玻璃中的擴(kuò)散 氫和氦對(duì)玻璃有明顯的穿透性，導(dǎo)致玻璃在某些高真空應(yīng)用中的局限性。擴(kuò)散的數(shù)學(xué)描述Fick第一定律：在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的條件下，單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面面積的擴(kuò)散物質(zhì)的通量J ( g cm 2 s 1 或原子數(shù) cm 2 s 1 ) 與濃度梯度成正比。D：擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s。Fick第二定律：非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散2.7 固體中的轉(zhuǎn)變2.7.1 固體中的轉(zhuǎn)變類型2.7.2 平衡和相變2.7.3 相圖2.7.1 固體中的轉(zhuǎn)變類型同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 體心立方-Fe 面心立方-Fe非晶態(tài)的晶化結(jié)構(gòu)弛豫弛豫指在外界因素

30、影響下，一個(gè)偏離了原來平衡態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的體系回復(fù)到原來狀態(tài)的過程。相分離多組元體系有時(shí)會(huì)分離成具有不同組分和結(jié)構(gòu)的幾個(gè)相。2.7.2 平衡和相變熱力學(xué)平衡相變 從熱力學(xué)角度，相變可分為：一級(jí)相變：具有體積和熵（及焓）的突變，如晶體的凝固、沉淀、升華和熔化，金屬及合金中的多數(shù)固態(tài)相變。二級(jí)相變：熱熔Cp、壓縮系數(shù)k、膨脹系數(shù)具有突變，如超導(dǎo)態(tài)相變、磁性相變、合金中部分無序-有序相變等。2.7.3 相圖相律相：在系統(tǒng)內(nèi)部物理和化學(xué)性質(zhì)相同而且完全均勻的一部分。以P表示。組分、獨(dú)立組分（C）：系統(tǒng)中每一個(gè)可以單獨(dú)分離出來，并能獨(dú)立存在的化學(xué)純物質(zhì)稱為組分。自由度（F)：在相平衡系統(tǒng)中可以獨(dú)立改變的變量

31、（如溫度、壓力、組分的濃度等）。 相律 F=C-P+n只考慮溫度和壓力對(duì)系統(tǒng)平衡狀態(tài)的影響： F=C-P+2對(duì)于凝聚系統(tǒng)，可不考慮壓力的影響： F=C-P+1 單元系統(tǒng)相圖二元系統(tǒng)相圖縱坐標(biāo)為溫度；橫坐標(biāo)為成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)）。 均晶相圖杠桿法則：TA、TB分別為A、B的熔點(diǎn)。TAOTB為液相線； TAdTB為固相線。 共晶相圖E：共晶點(diǎn)；AE、FE：液相線；AB、FG：固相線；BC、GH：固溶線；單相區(qū)：L、 、；兩相區(qū)：+L、+L、 +。BEG：共晶線。1234123例題：下圖是Pb-Sn二元合金的相圖，Pb（60%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）-Sn（40%）二元合金在液體冷卻至150時(shí)，（1）有哪些相存在？（2）這些相的組成是什么？（3）每個(gè)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)？解：（1）15