小结和作业

1 典型金属的晶体结构（面、体、密）
2 常见无机化合物晶体结构
以立方晶系为主 离子取代原子
重点：各典型金属的晶体结构的晶体学参数
3 固溶体的晶体结构（置换、间隙） 4 固溶体的性能（固溶强化）


作业：1、试从晶体结构的角度说明间隙固溶体、间隙相以及间隙化合物 之间的区别; 2、有一正交点阵，点阵常数a=b、c=a/2，某晶面在3个晶 轴上的截距分别为2个，3个和6个原子间距，求该晶面的密勒指数。 3、解释概念：配位数 、致密度、固溶强化
V K= V 0
V
V0
一个晶胞中原子所占的体积
一个晶胞的体积
在元素周期表一共约有110种元素，其中80
多种是金属，占2/3。而这80多种金属的晶体 结构大多属于三种典型的晶体结构。它们分 别是： 体心立方、面心立方、密排六方
二 典型金属的晶体结构
结构特点:以金属键结合，靠失去外层电子的金属离子 与自由电子的吸引力。无方向性，对称性较高的密 堆结构。 常见结构：
图2-45 面心立方结构
面心立方结构ABCABC排列
沿着面心立方的体对角线观察，就可以看到（111）面的这种堆 垛方式
密排六方结构：属于六方紧密堆积，以ABAB ...的堆积方式堆 积，具有这种结构的金属有：Mg、Zn、α-Ti等
图2-46 密排六方结构
体心立方结构：属于体心立方紧密堆积，原子是以体 心立方空间点阵的形式排列，具有这种结构的金属 有： α-Fe 、Cr、 V、Mo、W等
有序化
EAB结合能与EAA+EBB/2
原子间结合能是指原子结合时克服原子 间相互作用力外力所作的功。结合能越 大，原子越不容易结合。
EAA≈
EBB ≈ EAB溶质原子倾向于呈无序分布。 （EAA+ EBB ）/2<EAB溶质原子倾向于偏聚 。 （EAA+ EBB ）/2>EAB溶质原子倾向于部分有 序或完全有序状态。 有序固溶体有确定的化学成分，可以用化学 式表示。 例如，在Cu-Au合金中，当其原子数之比等 于1：1或3：1时，可分别形成CuAu和Cu3Au 两种有序固溶体。
3 点阵常数与原子半径之间的关系
点阵常数与原子半径之间的关系
面心立方
体心立方
密排六方
4 一个晶胞占有原子的数目
面心立方结构
体心立方结构
密排六方结构
5堆积系数（K）
二、无机化合物晶体结构
NaCl和CsCl的晶胞
多为立方晶系；结构相对复杂；离子紧密堆积
同素异晶转变
某些金属在固态下的晶体结构是不固定的，而 是随着温度、压力等因素的变化而变化，如Fe、 Ti等，这种现象称为同素异晶转变，也称为重 结晶。 下面以铁为例子来说明同素异晶转变： α-Fe---------γ-Fe-------------δ—Fe-----------L BCC （912℃） FCC （1394℃） BCC 金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢 能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下 发生同素异晶转变。
间歇数量：4×2＝8 半径为0.225r
体心立方结构中的间隙
八面体间隙： 位置：面心和棱的中点
间歇数量： 12/4 + 6/2 = 6 半径为0.154r 四面体间隙：
位置：侧面中心线1/4和3/4处 间歇数量：4×6 ÷2＝12 半径为0.291r
八面体间隙：
位置：体内
间歇数量： 6 半径为0.414r 四面体间隙： 位置：棱和中心线的1/4和3/4处、通过晶胞中部3个原子的线上 间歇数量：6×2 ÷ 3+2+3×2=12 半径为0.225r

铁的同素异构转变
三、固溶体的晶体结构
引言：虽然纯金属在工业中有着重要的用途，但由于其
强度低等原因，因此，工业上广泛使用的金属材料绝大多 数是合金。 所谓合金，是指由两种或两种以上的金属或金属与
非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成具有金 属特性的物质。组成合金的基本的、独立的物质称为组
元。 组元可以是金属或非金属元素，也可以是化合物。例如， 应用最普遍的碳钢和铸铁就是主要由铁和碳所组成的合金； 黄铜则为铜和锌的合金。
图2-47 体心立方结构
补充概念： 密排面：原子排列最为紧密的晶面 密排方向：原子排列最为紧密的晶向
密排面：﹛111﹜
面心立方
密排方向：〈110〉 密排面： ﹛0001﹜
密排六方
密排方向：〈1120〉
密排面： ﹛110﹜
体心立方
密排方向： 〈111〉
体心、面心立方最密排的晶向和晶面
体心立方 ﹛110﹜〈111〉
极限值为1.4 超过此极限，溶质元素不能再溶解了 将会形成另一种具有更高电子浓度的新相。 一般来说，溶质的原子价越高，其固溶度越低。 例如，铜与金均为一价金属，它们能形成无限固溶体； 而二价锌和三价铝在铜中只能有限固溶，二者固溶度 分别为39%和19.8%。

有序固溶体
过去认为原子在固溶体中是统计的、均匀的和无序的。 从微观角度看: 可能出现偏聚、部分有序和完全有序。 溶质原子和溶剂原子分别占据固定位置，而且每个晶胞中溶质 原子数和溶剂原子数之比都是一定的称作有序固溶体。
面心立方﹛111﹜〈110〉
密排六方最密排的晶向和晶面
﹛0001﹜ 〈1120〉

2 原子的配位数与间隙
（1）配位数
面心立方＝密排六方：12
体心立方：8
（2）间隙
八面体间隙： 将原子假定为刚性 球，他们在堆垛排列时 必然存在间隙。在面心 立方晶格中存在的间隙 主要有两种形式： 位置：体心和棱的中点 间歇数量：12/4+1=4 半径为0.414r 四面体间隙： 位置：四个最近邻原子的中心

固溶体的分类
置换固溶体
按溶质原子在溶剂中的所占据的位置不同：
间隙固溶体
按溶解度大小：有限和无限固溶体
有序固溶体
按各组元在溶剂在点阵中排列的秩序可以分为
无序固溶体
形成置换固溶体的影响因素 1 原子或离子尺寸的影响

尺寸愈相近，则固溶体愈稳定 当△r＝
r1 r2 r1 ＜15％时 形成连续固溶体
体心立方 bcc Body-centered cubic 面心立方 fcc Face-centered cubic 密排六方 hcp Hexagonal close-packed

1.原子紧密堆积方式
面心立方结构：属于紧密堆积，以ABCABC...的堆积方式堆积 具有这种结构的金属有：Cu、Al、γ-Fe、Ni等。
间隙式与置换式强化效果的比较
间隙式溶质原子的强化效果一般要比置换式
溶质原子更显著。这是因为间隙式溶质原子 往往择优分布在位错线上，形成间隙原子 “气团”，将位错牢牢钉扎住，从而造成强 化。 相反，置换式溶质原子往往均匀分布，虽然 由于溶质和溶剂原子尺寸不同，造成点阵畸 变，从而增加位错运动的阻力，但这种阻力 比间隙原子气团的钉扎力小得多，因而强化 作用也小得多。
3电负性的影响
原子获得电子形成负离子的倾向
电负性相近有利于形成固溶体。 溶质与溶剂元素之间的化学亲和力越强， 即合金组元间电负性差越大，倾向于生 成化合物而不利于形成固溶体；生成的 化合物越稳定，则固溶体的溶解度就越 小。只有电负性相近的元素才可能具有 大的溶解度。
4电子浓度因素 电子浓度是指合金相中各组成元素价电子总数e与原子总数a之 比 即：e/a ＝{A(100-x)+Bx}/100 式中 A和 B——溶剂和溶质的原子价（原子能直接或间接与 氢原子结合或替代氢原子的数目 ） x——溶质原子在合金中的原子百分数
金、铜分层排列于（001）晶面
有序固溶体
无序固溶体 缓冷 无序固溶体 有序固溶体 这一转变过程称为有序化，临界转变温度称 为有序化温度。
加热
另外还有细晶强化、沉淀强化、相变增加，点阵畸变增
大，一般固溶体的电阻率ρ ,又如Si溶入α-Fe 中可以提高磁导率（硅钢片），Cr溶入α-Fe 提高电极电位（不锈钢）。
（必要而非充分条件）
当△r＝ 15％ ～30％时 形成有限固溶体
当△r＞ 30％时 不能形成固溶体 形成中间相或化合物
△r越大 溶解度越小
原子尺寸因素的影响主要与溶质原子的溶入
所引起的点阵畸变及其结构状态有关。△r越 大，溶入后点阵畸变程度越大，畸变能越高， 结构的稳定性越低，溶解度则越小。
2晶体结构类型的影响 若溶质与溶剂晶体结构类型相同，能形成连续 （必要而非充分条件） 固溶体 只有当两两结构相同和△r＜15％才是形成连续 固溶体的充分必要条件 例如，Cu-Ni和Au-Ag都具有面心立方结构。而 且△r＜15％，因此 Cu-Ni和Au-Ag可形成连续固溶体。 MgO-CaO和Co-α-Fe两两结构不同，只能形成 有限型固溶体或不形成固溶体。
改变和提高金属材料的性能，合金化是最主要的途 径。要知道合金元素加入后是如何起到改变和提高 金属性能的作用，首先必须知道合金元素加入后的 存在状态，即可能形成的合金相及其组成的各种不 同的形态。 而所谓相，是指合金中具有同一聚集状态、同一晶 体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。 合金中的相基本上可以分为固溶体和中间相。 固溶体是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入 其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固 态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。 溶质原子在溶剂中的最大含量（即极限溶解度）称 为固溶度
本次课主要内容
典型金属的晶体结构 2 常见无机化合物晶体结构 3 固溶体的晶体结构 4 固溶体的性能
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引言
球体紧密堆积原理
一种是单质（原子）做等大球体最紧 密堆积
晶体堆积的球有两种
例如：纯金属晶体(见下图) 一种是离子做不等大球体紧密堆积