材料科学基础第2章固体材料的结构课件.ppt

1第二章 固体材料的结构材料科学基础材料科学基础22.1 2.1 基础知识基础知识物质物质 原子原子 是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定方式聚是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定方式聚集而成的集合体集而成的集合体 是由原子核是由原子核( (由带正电荷的质子和呈电中性的中子由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成组成) )和核外电子和核外电子( (带负电荷带负电荷) )构成 原子结构的原子结构的特点特点：体积很小，质量大部分集中：体积很小，质量大部分集中于原子核内，原子核的密度很大于原子核内，原子核的密度很大2.1.1 2.1.1 原子结构原子结构3•2.1.2 2.1.2 能级图和原子的电子结构能级图和原子的电子结构•2.1.3 2.1.3 周期表与周期性周期表与周期性•2.1.4 2.1.4 晶体中的原子结合晶体中的原子结合化学键化学键：化学上把原子间强烈的相互作用：化学上把原子间强烈的相互作用 金属键金属键 共价键共价键 离子键离子键 分子键和氢键分子键和氢键 4金属键：金属键：金属原子外层电子小，易失去金属原子外层电子小，易失去——金属正离子金属正离子 金属原子相互靠近，外层价电子脱离金属原子相互靠近，外层价电子脱离——自由电子自由电子特点特点：电子共有化：电子共有化, ,没有方向性。

没有方向性特性特性：： (1)(1)良好的导电、导热性；良好的导电、导热性； (2)(2)不透明，具有金属光泽；不透明，具有金属光泽； (3)(3)具有较高的强度和良好的延展性；具有较高的强度和良好的延展性； (4)(4)正的电阻温度系数正的电阻温度系数5共价键共价键 原子间不产生电子的转移，借共用电子对产生的力结合原子间不产生电子的转移，借共用电子对产生的力结合，如金刚石，单质硅，，如金刚石，单质硅，SiCSiC 特点：特点： 1.1.饱和性：电子必须由（饱和性：电子必须由（8 8－－N N）个邻近原子共有；）个邻近原子共有； 2.2.具有方向性：氧化硅四面体中硅氧键为具有方向性：氧化硅四面体中硅氧键为109109°° 3. 3. 脆性：外力作用，原子间发生相对位移，键将被脆性：外力作用，原子间发生相对位移，键将被 破坏破坏 4.4.绝缘性：金刚石的熔点高达绝缘性：金刚石的熔点高达37503750℃℃ 6形成共价键的SiO2, 蓝色圆圈代表Si的价电子，红色圆圈代表O的价电子7由共价键方向性特点 决定了的SiO2四面体晶体结构8离子键形成：形成： 1.1.电负性相差较大的原子相互靠近，电负性小的失电负性相差较大的原子相互靠近，电负性小的失电子，电负性大的得电子，形成正负离子。

电子，电负性大的得电子，形成正负离子 2.2.两种离子靠静电应力结合在一起两种离子靠静电应力结合在一起特点：特点：1.1.无方向性，电荷分布是球对称的无方向性，电荷分布是球对称的2.2.无饱和性，一个离子可同时和几个离子结合无饱和性，一个离子可同时和几个离子结合3.3.熔点较高，脆性，导电性差熔点较高，脆性，导电性差CaF29•ClCl和和NaNa离子在引力和斥力作用下，相互保持离子在引力和斥力作用下，相互保持r0r0的距离，即的距离，即F F＝＝0 0，能量，能量E E为最小（如图为最小（如图1 1）的位置每一个）的位置每一个ClCl（或（或NaNa）离子与其近邻的）离子与其近邻的NaNa（或（或ClCl）离子均保持这种最低的能量关系，从而，形成）离子均保持这种最低的能量关系，从而，形成NaClNaCl特有的晶体结特有的晶体结构，如图构，如图2 2所示图图1 1  ClCl和和NaNa离子保持离子保持r r0 0的距离图图2 NaCl 晶体10• 分子键（范德华力分子键（范德华力) ) 以若静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的。

以若静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的 特点特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性，：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性，无方向性无方向性 氢键：氢键：分子间特殊作用力分子间特殊作用力 表达为：表达为：X X—H H—Y Y 特点：具有饱和性和方特点：具有饱和性和方向性，可存在于分子内向性，可存在于分子内或分子间氢键主要存或分子间氢键主要存在于高分子材料内在于高分子材料内 11结合能晶体中原子间的相互作用：晶体中原子间的相互作用： 吸引力吸引力——长程力，源于异性电荷间的库仑力长程力，源于异性电荷间的库仑力 排斥力排斥力同性电荷间的库仑力同性电荷间的库仑力泡利不相容原理引起的泡利不相容原理引起的（短程力）（短程力）12不同类型结合键的特性1.1.结合键的多重性结合键的多重性 a a）金属材料：主要是金属键，还有其他键如：共）金属材料：主要是金属键，还有其他键如：共 价键、离子键价键、离子键 b b）陶瓷材料：离子键，如）陶瓷材料：离子键，如AlAl2 2O O3 3,MgO,MgO 共价键，如共价键，如SiSi3 3N N4 4,SiC ,SiC c c）高分子材料：长链分子内部以共价键结合，链与链之）高分子材料：长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键间则为范德华力或氢键 d d）复合材料：三种或三种以上）复合材料：三种或三种以上离子键能最高，共价键能次之，金属键能第三，范德瓦耳斯键最弱离子键能最高，共价键能次之，金属键能第三，范德瓦耳斯键最弱132.2 2.2 金属及合金相的晶体结构金属及合金相的晶体结构 金属在固态下一般都是晶体。

决定晶体结构的内在因素金属在固态下一般都是晶体决定晶体结构的内在因素是原子，离子，分子间键合的类型及键的强弱金属晶体是原子，离子，分子间键合的类型及键的强弱金属晶体是以金属键结合，其晶体结构比较简单是以金属键结合，其晶体结构比较简单, ,常见的有常见的有: : 面心立方点阵面心立方点阵 A1 A1 或或 fcc fcc 立方晶系立方晶系 体心立方点阵体心立方点阵 A2 A2 或或 bcc bcc 立方晶系立方晶系 密排六方点阵密排六方点阵 A3 A3 或或 hcp hcp 六方晶系六方晶系14描述晶胞从以下几个方面：描述晶胞从以下几个方面： •晶胞中原子的排列方式晶胞中原子的排列方式 ( (原子所处的位置原子所处的位置) ) •点阵参数点阵参数 ( (晶格常数和晶轴间夹角晶格常数和晶轴间夹角) ) •晶胞中原子数晶胞中原子数 •原子半径原子半径 R(R(原子的半径和点阵常数关系原子的半径和点阵常数关系) ) •配位数和致密度配位数和致密度 •密排方向和密排面密排方向和密排面 •晶体结构中间隙晶体结构中间隙 ( (大小和数量大小和数量) ) •原子的堆垛方式原子的堆垛方式15三种典型金属晶体结构刚球模型体心立方体心立方 面心立方面心立方 密排六方密排六方16晶胞原子数246体心立方体心立方 面心立方面心立方 密排六方密排六方17原子半径与晶格常数体心立方体心立方 面心立方面心立方 密排六方密排六方18配位数和致密度 配位数配位数是指晶体结构中与任一原子最近邻并且等是指晶体结构中与任一原子最近邻并且等距离的原子数。

距离的原子数 面心立方原子配位数晶体结构晶体结构体心立方体心立方面心立方面心立方密排六方密排六方N N8 81212121219 致密度致密度是指晶胞中原子所占体积与晶胞体积是指晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比，用之比，用K K表示，（对一个晶胞而言）表示，（对一个晶胞而言）N——晶胞中原子数v——一个原子（刚性小球）体积V——晶胞体积晶体结构晶体结构体心立方体心立方面心立方面心立方密排六方密排六方K K0.680.680.740.740.740.7420面心立方密排面面心立方密排面 面心立方结构面心立方结构( (特征）特征）密排面为（111）21面心立方结构的间隙间隙有两种间隙有两种: :四面体间隙和八面体间隙四面体间隙和八面体间隙八面体间隙八面体间隙: : 位于晶胞体中心和每个棱边的中点，由位于晶胞体中心和每个棱边的中点，由 6 6 个面心原子所围成个面心原子所围成, ,大小大小rB=0.414RrB=0.414R，，rBrB为间隙半径，为间隙半径，R R为为原子半径，间隙数量为原子半径，间隙数量为4 4个 面心立方八面体间隙面心立方八面体间隙面心立方八面体间隙面心立方八面体间隙22面心立方四面体间隙面心立方四面体间隙 四面体间隙四面体间隙: :由一个顶点原子和三个面心原子围成，其大由一个顶点原子和三个面心原子围成，其大小：小：rB=0.225RrB=0.225R，间隙数量为，间隙数量为8 8个。

个 面心立方四面体间隙面心立方四面体间隙面心立方四面体间隙面心立方四面体间隙23面心立方原子堆垛顺序面心立方原子堆垛顺序 堆垛方式堆垛方式：：ABCABCABCABC…或或ACBACBACBACB…的顺序堆垛的顺序堆垛 具有面心结构金属具有面心结构金属: :γγ－－FeFe、、AlAl、、CuCu、、NiNi、、AuAu、、AgAg等24面心立方晶体的面心立方晶体的 ABCABC ABCABC 顺序密堆结构顺序密堆结构 25面心立方结构面心立方结构( (特征）特征） 晶胞中原子排列：在立方体的八个顶角和六个面的面心晶胞中原子排列：在立方体的八个顶角和六个面的面心各有一个原子各有一个原子 点阵参数点阵参数: a=b=c: a=b=c；；α=β=γ=90α=β=γ=90º晶胞中原子数晶胞中原子数: n=8: n=8××1/81/8＋＋6 6××1/2=4 1/2=4 个个 原子半径原子半径 R:R:原子半径原子半径------两个相互接触的原子中心距离两个相互接触的原子中心距离 一半一半 配位数与致密度配位数与致密度 配位数配位数 CN=12CN=12 致密度致密度 k=0.74k=0.7426体心立方结构体心立方结构( (特征）特征）体心立方晶格密排面体心立方晶格密排面体心立方晶格密排面体心立方晶格密排面27体心立方晶格（间隙及堆垛方式）体心立方晶格（间隙及堆垛方式） 间隙间隙: : 也是两种，为八面体和四面体间隙，也是两种，为八面体和四面体间隙， 八面体间隙八面体间隙位于晶胞六面体每个面的中心和每个棱的位于晶胞六面体每个面的中心和每个棱的中心由一个面上四个角和相邻两个晶胞体心共中心由一个面上四个角和相邻两个晶胞体心共6 6个原围成，个原围成，即数量为即数量为6 6。

大小为大小为rB=0.154R(rB=0.154R(在在<100>) <100>) 或或rB=0.633R(rB=0.633R(在在<110>) <110>) 28体心立方的间隙体心立方的间隙 四面体间隙四面体间隙由两个体心原子和两个顶角原子所围由两个体心原子和两个顶角原子所围成大小成大小rB=0.291R,rB=0.291R,有有 12 12 个29体心立方晶格原子堆垛顺序体心立方晶格原子堆垛顺序 堆垛方式堆垛方式: ABABAB: ABABAB…的顺序堆垛的顺序堆垛 bccbcc结构金属结构金属: : αα－－FeFe、、δδ－－FeFe、、CrCr、、MoMo、、W W、、V V等等30体心立方晶格的体心立方晶格的体心立方晶格的体心立方晶格的 ABAB ABAB ABAB ABAB 密堆结构密堆结构密堆结构密堆结构 31体心立方晶格体心立方晶格( (特征）特征） •原子排列原子排列: :晶胞八个顶角和晶胞体心各有一个晶胞八个顶角和晶胞体心各有一个原子原子 •点阵参数点阵参数:a=b=c:a=b=c，，α=β=γ=90α=β=γ=90º•晶胞中原子数晶胞中原子数:n=8:n=8××1/81/8＋＋1=21=2个个 •原子半径原子半径: : •配位数和致密度配位数和致密度: : 配位数：配位数： CN=8 CN=8 致密度：致密度： k=0.68k=0.6832密排六方晶格原子位置密排六方晶格原子位置 33密排六方晶格晶胞原子数密排六方晶格晶胞原子数 34密排六方晶格密排面密排六方晶格密排面 35密排六方晶格原子配位数密排六方晶格原子配位数 36密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格( ( ( (间隙及堆垛方式）间隙及堆垛方式）间隙及堆垛方式）间隙及堆垛方式） •间隙间隙: : 较为复杂，如图较为复杂，如图2.34 2.34 八面体间隙八面体间隙r rB B=0.414R =0.414R 有有 6 6 个个 四面体间隙四面体间隙r rB B=0.225R =0.225R 有有 12 12 个个 八面体间隙八面体间隙四面体间隙四面体间隙37密排六方晶格原子堆垛顺序密排六方晶格原子堆垛顺序 堆垛方式堆垛方式: ABABAB: ABABAB…顺序堆垛顺序堆垛 hcphcp结构金属有结构金属有:Mg:Mg、、ZnZn、、BeBe、、CdCd等等38密排六方晶格（特征）密排六方晶格（特征） •原子排列原子排列: : 正六棱柱体正六棱柱体 12 12 个顶角和上下底中心各有一个个顶角和上下底中心各有一个 原子，正六棱柱体中心有三个原子原子，正六棱柱体中心有三个原子 •点阵参数点阵参数: a: a1 1=a=a2 2=a=a3 3≠c≠c，，α=β=90α=β=90º ，，γ =120γ =120º•晶胞中原子数：晶胞中原子数：n=12n=12××1/61/6＋＋2 2××1/21/2＋＋3=63=6个个 •原子半径原子半径:2R=a R=a/2 :2R=a R=a/2 •配位数和致密度配位数和致密度 配位数：配位数： CN=12 CN=12 致密度致密度: K=0.74: K=0.7439402.2.32.2.3 合金相的晶体结构合金相的晶体结构一一 基本概念基本概念1.1.1.1.合金合金合金合金——两种或两种以上的金属或金属与非金属经冶炼、两种或两种以上的金属或金属与非金属经冶炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。

烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质2.2.组元组元——组成合金的最简单、最基本而且能独立存在的物组成合金的最简单、最基本而且能独立存在的物质组元可以是金属和非金属质组元可以是金属和非金属, ,也可以是化合物也可以是化合物 3.3.3.3.相相相相————合金中具有同一聚集状态合金中具有同一聚集状态, ,同一结构，以及成分性同一结构，以及成分性质完全相同的均匀组成部分单相、两相及多相合金质完全相同的均匀组成部分单相、两相及多相合金4.4.组织组织————在一定的外界条件下，一定成分的合金可能由不在一定的外界条件下，一定成分的合金可能由不在一定的外界条件下，一定成分的合金可能由不在一定的外界条件下，一定成分的合金可能由不同成分，结构和性能的合金相组成，这些相的总体变称为同成分，结构和性能的合金相组成，这些相的总体变称为同成分，结构和性能的合金相组成，这些相的总体变称为同成分，结构和性能的合金相组成，这些相的总体变称为合金的组织合金的组织合金的组织合金的组织41合金相的分类合金相的分类1.1.固溶体固溶体：是一种组元（溶质）溶解在另一种组元中（溶：是一种组元（溶质）溶解在另一种组元中（溶剂，一般为金属中）。

剂，一般为金属中）固溶体特点固溶体特点：溶剂的点阵类型不变，溶质原子或是代替部：溶剂的点阵类型不变，溶质原子或是代替部分溶剂分溶剂 原子（置换式固溶体），或是进入溶剂组元的间隙（间原子（置换式固溶体），或是进入溶剂组元的间隙（间隙式固溶体）隙式固溶体）固溶度固溶度：溶质在溶剂中的最大含量（极限溶解度）：溶质在溶剂中的最大含量（极限溶解度）2.2.化合物化合物：由两种或多种组元按一定比例（一定的成分）：由两种或多种组元按一定比例（一定的成分）构成一个新的点阵，即不是溶剂的点阵也不是溶质的点构成一个新的点阵，即不是溶剂的点阵也不是溶质的点阵42二二 固溶体固溶体溶剂和溶质原子占据一个共同的布拉菲点阵，点阵类溶剂和溶质原子占据一个共同的布拉菲点阵，点阵类型和溶剂点阵类型相同；型和溶剂点阵类型相同；有一定的成分范围，组元的含量可在一定范围内改变有一定的成分范围，组元的含量可在一定范围内改变而不会导致固溶体点阵类型的改变；而不会导致固溶体点阵类型的改变；具有比较明显的金属性质，固溶体的结合键主要是金具有比较明显的金属性质，固溶体的结合键主要是金属键属键1 1）特征）特征）特征）特征432 2）固溶体分类）固溶体分类( ( ( (1)1)1)1)按溶质原子在点阵中所占位置分为：按溶质原子在点阵中所占位置分为： 置换固溶体置换固溶体：溶质原子置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。

溶质原子置换了溶剂点阵中部分溶剂原子 间隙固溶体间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙中溶质原子分布于溶剂晶格间隙中 固溶体的两种类型（置换和间隙）固溶体的两种类型（置换和间隙）44(2)(2)按固溶体溶解度大小按固溶体溶解度大小：： 有限固溶体有限固溶体：在一定条件下：在一定条件下, ,溶质原子在溶剂中的溶质原子在溶剂中的溶解量有一个上限溶解量有一个上限, ,起过这个限度就形成新相起过这个限度就形成新相 无限固溶体无限固溶体：溶质原子可以任意比例溶入溶剂晶：溶质原子可以任意比例溶入溶剂晶格中形成的如格中形成的如: Cu: Cu—Ni AuNi Au—Ag TiAg Ti—ZrZr····，结构相同，结构相同 置换式固溶体在一定条件下可能是无限固溶体，置换式固溶体在一定条件下可能是无限固溶体，但间隙固溶体都是有限固溶体但间隙固溶体都是有限固溶体45(3)(3)(3)(3)按溶质原子在溶剂中的分布特点分类按溶质原子在溶剂中的分布特点分类 无序固溶体无序固溶体无序固溶体无序固溶体：溶质原子在溶剂中任意分布：溶质原子在溶剂中任意分布, ,无规律性。

无规律性 有序固溶体有序固溶体有序固溶体有序固溶体：溶质原子按一定比例和有规律分布在溶剂：溶质原子按一定比例和有规律分布在溶剂晶格的点阵或间隙里，长程有序晶格的点阵或间隙里，长程有序 (4)(4)(4)(4)按按按按基体类型分类基体类型分类：：：： 一次固溶体一次固溶体一次固溶体一次固溶体：以纯金属元素为溶剂形成的固溶体以纯金属元素为溶剂形成的固溶体 二次固溶体二次固溶体二次固溶体二次固溶体：以化合物为溶剂，组元元素之一为溶质：以化合物为溶剂，组元元素之一为溶质而形成的固溶体而形成的固溶体463 3）） 置换固溶体置换固溶体固溶度大小的固溶度大小的影响因素影响因素：： 1.1.组元的晶体结构组元的晶体结构 a a）晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件）晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件 b b）形成有限固溶体时，溶质与溶剂的晶体结构相同，则）形成有限固溶体时，溶质与溶剂的晶体结构相同，则固溶度较不同结构时大，否则，反之固溶度较不同结构时大，否则，反之 2.2.原子尺寸因素原子尺寸因素 是指形成固溶体的溶质原子半径与溶剂原子半径的相对值是指形成固溶体的溶质原子半径与溶剂原子半径的相对值大小，大小，△△R R表示表示 △ △R=(Ra-Rb)/Ra*100%R=(Ra-Rb)/Ra*100% △R<14%-15%, △R<14%-15%,有利于大量固溶，反之，固溶度非常有限。

有利于大量固溶，反之，固溶度非常有限 如如: :铁基合金中，铁基合金中，△△r<8%r<8%才能形成无限固溶体才能形成无限固溶体 铜基合金中，铜基合金中，△△r<10%r<10%才能形成无限固溶体才能形成无限固溶体￿￿￿￿￿￿￿ ￿绝大多数金属元素之间都能形成473.3.化学亲和力（电负性因素）化学亲和力（电负性因素） 电负差越大电负差越大, ,两者间亲和力大两者间亲和力大, ,易形成中间相否则易形成易形成中间相否则易形成固溶体 4.4.电子浓度因素电子浓度因素电子浓度电子浓度：固溶体中价电子数目：固溶体中价电子数目e e与原子数目与原子数目a a之比之比 a a）溶质原子价位高，固溶度越小）溶质原子价位高，固溶度越小 b) b) 高价元素在低价元素中的溶解度极限总是大于低价元素在高价元素在低价元素中的溶解度极限总是大于低价元素在高价元素的溶解度极限高价元素的溶解度极限电子浓度值值大易形成化合物；电子浓度小易形成固溶体电子浓度值值大易形成化合物；电子浓度小易形成固溶体48置换固溶体示意图置换固溶体示意图 49置换固溶体大小溶质原子引起的点阵畸变置换固溶体大小溶质原子引起的点阵畸变 溶入同量溶质原子时，溶入同量溶质原子时，△△R R越大，引起的晶格畸变越大，越大，引起的晶格畸变越大，畸变能越高，极限溶解度就越小畸变能越高，极限溶解度就越小504 4）） 间隙固溶体间隙固溶体 •间隙固溶体的的溶质原子是一些原子半径小于间隙固溶体的的溶质原子是一些原子半径小于0.1nm0.1nm的非的非金属元素（如金属元素（如C C、、N N、、O O、、、、H H、、B B）。

•其形成条件其形成条件是是 △ △r>41% r>41% 或或 r r质质/r/r剂剂<0.59 <0.59 •间隙固溶体只能是有限固溶体间隙固溶体只能是有限固溶体, ,一般溶解度较小如：碳一般溶解度较小如：碳原子在原子在αα－－FeFe（最大（最大Wt=0.0218%Wt=0.0218%）和）和γγ－－FeFe（最大（最大Wt=2.1Wt=2.11%1%）中形成的间隙固溶体为有限固溶体中形成的间隙固溶体为有限固溶体C、、N与铁形成的间隙固溶体是钢中的主要合金相与铁形成的间隙固溶体是钢中的主要合金相51间隙固溶体示意图间隙固溶体示意图1 1 52间隙固溶体中的点阵畸变间隙固溶体中的点阵畸变 535 5）固溶体的微观不均匀性）固溶体的微观不均匀性 固溶体中溶质原子的分布并不是完全无序的固溶体中溶质原子的分布并不是完全无序的固溶体中溶质原子的分布并不是完全无序的固溶体中溶质原子的分布并不是完全无序的一般认为热一般认为热力学上平衡状态的无序固溶体溶质原子分布在力学上平衡状态的无序固溶体溶质原子分布在宏观上是均宏观上是均匀的匀的, ,在微观上是不均匀的在微观上是不均匀的。

在一定条件下在一定条件下, ,溶质原子和溶剂原子在整个晶体中按一定溶质原子和溶剂原子在整个晶体中按一定的顺序排列起来的顺序排列起来, ,形成有序固溶体有序固溶体中溶质原形成有序固溶体有序固溶体中溶质原子和溶剂原子之比是固定的子和溶剂原子之比是固定的, ,可以用化学分子式来表示可以用化学分子式来表示, ,因因此把有序固溶体结构称为超点阵此把有序固溶体结构称为超点阵 例如：在例如：在CuCu－－AlAl合金中合金中,Cu,Cu：：AlAl原子比是原子比是1 1：：1 1或或3 3：：1 1时从时从液态缓冷条件下可形成有序的超点阵结构液态缓冷条件下可形成有序的超点阵结构, ,用用CuAlCuAl或或CuCu3 3AlAl来表示54完全无序偏聚短程有序1.溶剂原子的分布完全随机，完全无序溶剂原子的分布完全随机，完全无序2.若同类原子结合力较强，会产生溶质原子的偏聚若同类原子结合力较强，会产生溶质原子的偏聚3.若异类原子的结合力较强，则溶质原子趋于以异若异类原子的结合力较强，则溶质原子趋于以异类原子为邻的短程有序分布类原子为邻的短程有序分布55短程有序度短程有序度 假设假设A,BA,B二组元形成固溶体，二组元形成固溶体，A A原子的百分数原子的百分数为为X XA A，，P PA A为为A A原子在原子在B B原子周围出现的概率，则短程有原子周围出现的概率，则短程有序度定义为序度定义为 a ai i=1-P=1-PA A/X/XA A P PA A=X=XA A，完全无序，完全无序 P PA AX>XA A , , 短程有序短程有序566 6）固溶体的性质）固溶体的性质 (1) (1)固溶体的点阵畸变固溶体的点阵畸变 点阵常数改变点阵常数改变 置换固溶体：置换固溶体：r r质质>r>r剂，剂，a a增大；增大； r r质质

减小 间隙固溶体：点阵常数始终随溶质原子溶入而增大间隙固溶体：点阵常数始终随溶质原子溶入而增大 (2)(2)固溶强化固溶强化固溶强化固溶强化：： 强度和硬度往往高于各组元，而塑性则较低强度和硬度往往高于各组元，而塑性则较低(3)(3)物理化学性能改变物理化学性能改变物理化学性能改变物理化学性能改变 固溶体的电学，热学，磁学等物理性质也随成分而连续变固溶体的电学，热学，磁学等物理性质也随成分而连续变化57三三 化合物化合物 化合物化合物：由两种或多种组元按一定比例（一定的成分）：由两种或多种组元按一定比例（一定的成分）构成一个新的点阵，即不是溶剂的点阵也不是溶质的点构成一个新的点阵，即不是溶剂的点阵也不是溶质的点阵阵特点：特点：1.1.在二元相图中的位置总是在两个端际固溶体之间的中在二元相图中的位置总是在两个端际固溶体之间的中间部分，所以称为中间相间部分，所以称为中间相 中间相中间相是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相, ,它它可以是化合物可以是化合物, ,也可以是以化合物为基的固溶体也可以是以化合物为基的固溶体( (二次固二次固溶体溶体),),一般可以用化学分子式来表示一般可以用化学分子式来表示, ,但不一定符合化合但不一定符合化合价规律价规律。

582.2.中间相大多是由不同金属或金属与亚金属组成的化中间相大多是由不同金属或金属与亚金属组成的化合物，故又称为金属化合物合物，故又称为金属化合物3.3.结合键主要有金属键，离子键或共价键，一般具有结合键主要有金属键，离子键或共价键，一般具有金属性金属性4.4.可以用化学分子式表示可以用化学分子式表示5.5.不同于组元的晶体结构，组元各占据一定的点阵位不同于组元的晶体结构，组元各占据一定的点阵位置，呈有序排列置，呈有序排列6.6.性能不同于各组元的性能，一般是硬而脆的性能不同于各组元的性能，一般是硬而脆的7.7.中间相的形成也受原子尺寸，电负性等影响中间相的形成也受原子尺寸，电负性等影响591 1）） 中间相中间相 •中间相如：钢中中间相如：钢中Fe3CFe3C、铝铜合金中、铝铜合金中CuAlCuAl、黄铜中、黄铜中CuZnCuZn、半、半导体中导体中GaAsGaAs、形状记忆合金中、形状记忆合金中NiTiNiTi和和CuZnCuZn、核反应堆材料、核反应堆材料中中Zr3AlZr3Al、储氢能源材料中、储氢能源材料中LaNi5LaNi5等 •中间相分类中间相分类：：正常价化合物正常价化合物——服从原子价规律服从原子价规律电子化合物电子化合物——电子浓度起控制作用电子浓度起控制作用间隙相、间隙化合物、间隙相、间隙化合物、TCPTCP相、超结构相、超结构——原子尺寸有关化原子尺寸有关化602 2）正常价化合物）正常价化合物 •正常价化合物正常价化合物是一些金属与电负性较强的是一些金属与电负性较强的ⅥAⅥA、、ⅤAⅤA、、ⅣAⅣA族的一些元素按照化学上的原子价规律所形成的化合物。

族的一些元素按照化学上的原子价规律所形成的化合物其特点是符合化合物规律具有严格的化合比、成分固定其特点是符合化合物规律具有严格的化合比、成分固定不变，成分可用化学式表示不变，成分可用化学式表示, ,一般为一般为ABAB型、型、AB2AB2型或型或A2BA2B型、型、A3B2A3B2型 • 正常价化合物的晶体结构通常对应于同类分子式的离子正常价化合物的晶体结构通常对应于同类分子式的离子化合物结构化合物结构 例如例如:A2B:A2B型型 Mg2Pb Mg2Sn Mg2Ge Mg2SiMg2Pb Mg2Sn Mg2Ge Mg2Si AB AB型型 MgS MnS FeS MgS MnS FeS •正常价化合物在常温时有很高的硬度和脆性正常价化合物在常温时有很高的硬度和脆性在工业合金在工业合金中中, ,能起到提高材料强度和硬度的作用能起到提高材料强度和硬度的作用, ,称为强化相称为强化相 如如AlAl－－MgMg－－SiSi合金中合金中Mg2SiMg2Si；但有时也是有害相；但有时也是有害相, ,如钢中如钢中FeFeS S会引起钢的脆性。

会引起钢的脆性613 3）电子价化合物）电子价化合物 是是由由ⅠBⅠB族（族（CuCu、、AuAu、、AgAg）或过）或过 渡族金属（渡族金属（FeFe、、CoCo、、NiNi）与）与ⅡBⅡB、、ⅢAⅢA、、ⅣAⅣA族元素形成族元素形成的金属化合物的金属化合物特点：特点：不遵循原子价规律、电子浓度是决定其晶体结构不遵循原子价规律、电子浓度是决定其晶体结构的主要因素的主要因素电子浓度相同电子浓度相同, ,相的晶体结构类型相同相的晶体结构类型相同电子浓度电子浓度：固溶体中价电子数目：固溶体中价电子数目e e与原子数目与原子数目a a之比之比 e/a = e/a = （化合物元素价电子总数（化合物元素价电子总数 / / 化合物原子数）化合物原子数） 注注: :计算时过渡族元素时价电子数视为计算时过渡族元素时价电子数视为0 0 62电子浓度、相、结构对应关系如下：电子浓度、相、结构对应关系如下： e/a=7/4e/a=7/4（即（即21/1221/12）） ε ε 密排六方结构密排六方结构 e/a=21/13 γ e/a=21/13 γ 复杂立方结构复杂立方结构 e/a=3/2e/a=3/2（即（即21/1421/14）） β β 体心立方结构体心立方结构 ββ－－Mn Mn 复杂立方或密排六方结构复杂立方或密排六方结构 电子价化合物大都以金属键结合，具有金属特性电子价化合物大都以金属键结合，具有金属特性, ,具有具有高熔点、高硬度但塑性低高熔点、高硬度但塑性低, ,与固溶体适当搭配使合金得与固溶体适当搭配使合金得到强化到强化, ,作为非作为非FeFe合金中重要组成相。

合金中重要组成相633.3.原子尺寸因素有关的化合物原子尺寸因素有关的化合物 间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物 是由过渡族金属与原子半径很小的非金属元素（是由过渡族金属与原子半径很小的非金属元素（C C、、H H、、N N、、B B等）组成的等）组成的 rx/rm<0.59rx/rm<0.59且电负性相差较大且电负性相差较大——简单结构的间隙相简单结构的间隙相 rx/rm<0.59,rx/rm<0.59,电负性相差较小电负性相差较小——间隙固溶体间隙固溶体 rx/rm>0.59rx/rm>0.59时形成复杂结构的间隙化合物时形成复杂结构的间隙化合物 X-X-非金属，非金属，m m——金属金属64a a、间隙相、间隙相 间隙相的晶格类型比较简单且与组元的结构不同在间隙间隙相的晶格类型比较简单且与组元的结构不同在间隙相晶格中金属原子占据正常位置相晶格中金属原子占据正常位置, ,非金属原子占据间隙位非金属原子占据间隙位置置, ,有如下规律：有如下规律： rx/rm<0.414rx/rm<0.414时进入四面体间隙时进入四面体间隙 rx/rm>0.414rx/rm>0.414时进入八面体间隙时进入八面体间隙 化学式：化学式：M4X M2X MX MX2M4X M2X MX MX2。

间隙相具有金属特性如有金属光泽、良好的导电性、极高间隙相具有金属特性如有金属光泽、良好的导电性、极高的硬度和熔点的硬度和熔点, ,是合金工具钢、硬质合金和高温金属陶瓷是合金工具钢、硬质合金和高温金属陶瓷材料的重要组成相材料的重要组成相自学间隙相的晶体结构，p63－64NaCl，CaF2,Fe4N,Fe2N65•b.b.间隙化合物间隙化合物 表达式有如下类型：表达式有如下类型：M3CM3C、、M7C3M7C3、、M23C6M23C6、、M6CM6C间隙化合间隙化合物中金属元素物中金属元素M M常被其它金属元素所代替形成化合物为基常被其它金属元素所代替形成化合物为基的固溶体（二次固溶体）的固溶体（二次固溶体） 在在H H、、N N、、C C、、B B等非金属元素中等非金属元素中, ,由于由于H H和和N N的原子半径很小的原子半径很小, ,与所有过渡族金属都满足与所有过渡族金属都满足rx/rm<0.59,rx/rm<0.59,所以过渡族金属的所以过渡族金属的氢化物、氮化物都为间隙相；而硼原子半径氢化物、氮化物都为间隙相；而硼原子半径rB/rm>0.59rB/rm>0.59较较大大, , rB/rm>0.59rB/rm>0.59，硼化物均为间隙化合物；而碳原子半径处于，硼化物均为间隙化合物；而碳原子半径处于中间中间, ,某些碳化物为间隙相某些碳化物为间隙相, ,某些为间隙化合物。

某些为间隙化合物 间隙化合物的熔点、硬度较高，也是强化相间隙化合物的熔点、硬度较高，也是强化相 66C.C. 拓扑密堆相（拓扑密堆相（TCPTCP相）相） 特点：特点：①①由配位数为由配位数为1212、、1414、、1515、、1616的配位多的配位多面体堆垛而成；面体堆垛而成； ② ②呈层状结构呈层状结构 TCPTCP相类型：相类型： ① ①LavsLavs相相 AB2AB2型型 镁合金、不锈钢中出现镁合金、不锈钢中出现 ②②σσ相相 ABAB型或型或AxBxAxBx型型 有害相有害相67自学自学超超结构的构的类型、合金的有序化型、合金的有序化转变（（p65－－69））下下节内容内容: 2.3陶瓷的晶体陶瓷的晶体结构构￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿2.4 高分子的聚集高分子的聚集态68作 业•1. 一个正交晶系晶胞，在一个正交晶系晶胞，在XYZ三个晶轴上分别截三个晶轴上分别截a/2,4b和和2c/3，连接这三个点作一平面，确定，连接这三个点作一平面，确定该平面的晶面指数。

该平面的晶面指数￿ ￿•2.纯铝晶体为面心立方点阵，已知铝的相对原纯铝晶体为面心立方点阵，已知铝的相对原子质量为子质量为Ar＝＝26.97，原子半径，原子半径r＝＝0.143nm，，求铝晶体的密度求铝晶体的密度￿ ￿。