材料科學(xué)基礎(chǔ)晶體結(jié)構(gòu)2023/8/22IntroductiontoMaterialScience第1頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience前言目前應(yīng)用的金屬材料絕大多數(shù)是合金。合金就是通過對純金屬合金化獲得的。合金——由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素形成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元——合金中的每一種元素稱為一個組元。組元是組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。合金中由幾個組元，就稱該合金是幾元合金。例如：Fe-C合金、Cu-Zn合金（黃銅）、Cu-Sn合金（青銅）。

向純金屬中加入合金元素（合金化）后，各元素之間相互作用，形成合金相，合金相又進(jìn)一步組成各種不同的組織，從而起到改變和提高純金屬性能的作用。第2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience第一節(jié)固溶體1.固溶體的實(shí)質(zhì)固溶體實(shí)質(zhì)上是一種固態(tài)溶液，是一種元素滲入另一種元素的晶格結(jié)構(gòu)中的結(jié)晶固相。其中含量多的組元稱為溶劑，含量少的組元稱為溶質(zhì)。2.基本內(nèi)容固溶體的分類；置換固溶體；間隙固溶體；固溶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；有序固溶體（超結(jié)構(gòu)、超點(diǎn)陣）；MaterialLessons第3頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience1.固溶體的分類1.按溶質(zhì)原子的位置分類置換固溶體；間隙固溶體；2.按溶質(zhì)原子的溶解度分類有限固溶體；無限固溶體；3.按溶質(zhì)原子分布規(guī)律分類無序固溶體；有序固溶體；LessonsLessonsLessons第4頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience2.置換固溶體2-1.定義

溶質(zhì)原子置換了溶劑的原子位置，又稱為替代式固溶體。2-2.溶質(zhì)原子的取代是隨機(jī)的，其溶解度可以是有限的，也可以是無限的。Material置換固溶體示意圖第5頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience2.置換固溶體(續(xù))Material2-3影響置換固溶體溶解度的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律①原子尺寸

相對尺寸差：式中，rA——溶劑的原子半徑；

rB——溶質(zhì)的原子半徑；△r越小，越有利于形成固溶體。

△r>14%~15%時，不利于形成固溶體，溶解度小。分析Material

即使尺寸因素有利，也不一定能形成大量的固溶體，還要看其他因素是否有利。所以原子尺寸因素只能作為兩種金屬能否形成固溶體以及形成的固溶體的溶解度高低的初步判據(jù)。第6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience2.置換固溶體(續(xù))Material2-3影響置換固溶體溶解度的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律(續(xù))②晶體結(jié)構(gòu)溶質(zhì)與溶劑點(diǎn)陣類型相同時，溶解度大。③負(fù)電性負(fù)電性差別越大，化學(xué)親和力越大，兩組元傾向于形成化合物。即使能形成固溶體，其溶解度也非常小。④電子濃度電子濃度式中：e——價電子總數(shù)；

a——兩組元的原子總數(shù)；

x——溶質(zhì)原子數(shù)；

A——每個溶劑原子的價電子數(shù)；

B——每個溶質(zhì)原子的價電子數(shù)；第7頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience2.置換固溶體(續(xù))e/a有一極限值，超過此極限值，固溶體就不穩(wěn)定，會形成新相，可能是另一種固溶體或化合物。而且極限電子濃度還與溶劑的點(diǎn)陣類型有關(guān)。如(e/a)fcc=1.36；

(e/a)bcc=1.48；Material2-3影響置換固溶體溶解度的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律(續(xù))示例：

Cu–Zn固溶體，

Zn%=28%，Cu：A＝1，Zn：B＝2；

所以，e/a=1.28；第8頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience3.間隙固溶體1.定義2.影響間隙固溶體溶解度的因素間隙固溶體的溶解度與溶質(zhì)原子、溶劑晶體中的間隙形狀和大小有關(guān)。

以A組元（溶劑）為基，B組元（溶質(zhì)）填在A的間隙位置形成的固溶體。也稱為填隙式固溶體。①溶質(zhì)原子半徑一般RB<0.1nm時才能形成間隙固溶體。間隙固溶體中的溶質(zhì)元素一般都是一些原子半徑很小的非金屬元素，如：H、B、C、N、O等。②溶劑結(jié)構(gòu)溶劑結(jié)構(gòu)方面的考慮因素主要是“間隙的形狀和大小”和“晶格類型”。以C在Fe中的溶解為例。第9頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience3.間隙固溶體(續(xù))間隙固溶體示意圖第10頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience4.固溶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

固溶體的一個重要特點(diǎn)是仍然保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)。但是由于溶質(zhì)原子的溶入，還是使其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了某些方面的變化。主要變化呈現(xiàn)在以下兩個方面：晶格畸變；

晶格畸變導(dǎo)致晶格常數(shù)變化和產(chǎn)生畸變能。溶質(zhì)原子分布的不均勻性；第11頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience4.固溶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(續(xù))Material4-1晶格畸變1)晶格常數(shù)改變

①置換固溶體：

RB>RA，則晶格膨脹，點(diǎn)陣常數(shù)a增大；

RB<RA，則晶格收縮，點(diǎn)陣常數(shù)a減?。?/p>

②間隙固溶體：

RB通常大于A中的間隙尺寸，所以點(diǎn)陣膨脹，晶格常數(shù)a增大；2)畸變能點(diǎn)陣畸變導(dǎo)致固溶體的能量升高，能量的增加值稱為畸變能。

畸變能的存在會引起晶格結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。組元原子尺寸相差越大和溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度越大，點(diǎn)陣畸變能就越大，結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性增加，從而趨向于改變結(jié)構(gòu)形成新相。這就是大多數(shù)固溶體存在溶解度的原因。第12頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience4.固溶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(續(xù))Material4-2溶質(zhì)原子分布的不均勻性1)分布形式固溶體中溶質(zhì)原子的分布有如下四種：

?完全無序；

?

偏聚；

?

短程有序；

?

完全有序（長程有序）；2)影響因素溶質(zhì)原子的分布形式主要取決于同類原子對的結(jié)合能(UAA，UBB)以及異類原子結(jié)合能(UAB)的相對大小。存在如下情況：①UAA≈UBB≈UAB

無序分布（原子分布是隨機(jī)的）。

②

UAA、UBB>UAB

偏聚（同類原子容易結(jié)合）。

③

UAA、UBB<UAB

有序分布(溶質(zhì)原子少則長程有序,否則就長程有序).第13頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience5.有序固溶體(超結(jié)構(gòu)、超點(diǎn)陣)1.有序化溶質(zhì)原子在固溶體中的分布，從無序或短程有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚L程有序狀態(tài)的過程，稱為有序化。2.長程有序參數(shù)(S)

用來描述長程有序的程度，；

式中：p——A原子的正確位置上出現(xiàn)A原子的幾率；

n——A的原子分?jǐn)?shù)；第14頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience5.有序固溶體(超點(diǎn)陣、超結(jié)構(gòu))(續(xù))3.影響有序化的因素

①溫度存在一個有序化轉(zhuǎn)變的臨界溫度Tc。當(dāng)溫度低于Tc時，固溶體從無序或短程無序轉(zhuǎn)變到長程有序；當(dāng)溫度高于Tc時，固溶體從長程有序轉(zhuǎn)變到無序或短程有序狀態(tài)。

②冷卻速度一般而言，冷卻速度越高，越容易呈現(xiàn)無序。

③合金成分理想成分容易呈現(xiàn)有序。例如AB、AB3等。

④塑性變形塑性變形將破壞有序，使有序程度降低。變形程度越大，S就越低，即無序性增加。第15頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience5.有序固溶體(超點(diǎn)陣、超結(jié)構(gòu))(續(xù))1)有序固溶體的組織有序固溶體由許多有序疇塊組成，各有序疇塊中的原子排列順序往往不一致，使得疇塊之間產(chǎn)生反向疇界。2)有序化固溶體的性能變化①電阻率下降；②硬度升高；原子間結(jié)合力升高，而且反相疇界的存在增加塑性變形的阻力，

所以有序化可作為合金強(qiáng)化的一種手段。③磁性轉(zhuǎn)變；4.有序固溶體的組織和性能第16頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience第二節(jié)金屬間化合物1.定義

A、B兩組元可形成合金時，除了可以形成A或B為基的兩種固溶體外，當(dāng)合金成分超過了兩種固溶體的最大溶解度時，就可能形成與A、B兩組元晶格類型均不相同的新相，稱為金屬間化合物。由于其成分多處于兩種固溶體極限溶解度之間的范圍，故又稱為中間相。2.特點(diǎn)①點(diǎn)陣類型既不同于A，也不同于B，有其獨(dú)特結(jié)構(gòu)；

②具有金屬性，但其性能不同于A，也不同于B；

③有序；

④通常有一定的原子比例，能用分子式表示，但是分子式不一定符

合化合價規(guī)律。

⑤可以在一定成分范圍內(nèi)存在。（所以可以形成以中間相為基的固

溶體）第17頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience1.正常價化合物正常價化合物的元素遵循原子價規(guī)律，且受負(fù)電性控制。1.組成金屬元素與第IVA、VA、VIA族的非金屬元素或亞金屬元素（還有Pb）組成。如：Mg2si、Mg2Si、ZnS等。2.特點(diǎn)⑴符合原子價規(guī)律；

⑵組元的電負(fù)性相差很大，化合物性能穩(wěn)定，硬、脆、熔點(diǎn)高。

⑶有序；

⑷主要鍵型為離子鍵或共價鍵，也有少量的金屬鍵，是金屬化合物

中金屬性最弱的一種。3.類型主要包括①AB型、②

AB2型、③A2B型幾種類型。第18頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience2.電子化合物電子化合物是指晶體結(jié)構(gòu)與電子濃度有關(guān)的化合物。根據(jù)e/a（電子濃度）的不同，電子化合物可以分為三類。Material第19頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience2.電子化合物(續(xù))1.電子化合物的組成過渡族或堿金屬元素＋Ⅱ～V族金屬元素或一價（Cu、Ag、Au）金屬＋I(xiàn)IB元素。2.結(jié)構(gòu)類型

β相

——e/a=3/2=21/14，多為bcc、也有hcp。

γ相

——e/a=21/13，屬于復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)。

ε相

——e/a=7/4=21/12，多為hcp，c/a約為1.55～1.58。3.特點(diǎn)?不符合原子價規(guī)律；

?成分可變，能溶解一定量的組元，形成以電子化合物為基的固溶體；

?多為金屬鍵結(jié)合，是金屬化合物中金屬性最強(qiáng)的；

?熔點(diǎn)高、硬度高、塑性低；第20頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience3.間隙相1）間隙相間隙相由過渡族金屬（M）與原子半徑很小的非金屬（X）（如H、N、C、B）所組成。非金屬元素位于化合物晶格的間隙中。2）分類根據(jù)金屬元素與非金屬元素的相對原子半徑大小可分為簡單間隙相和復(fù)雜間隙相；

①rx/rm<0.59，即r>41%時，形成簡單間隙相。

②rx/rm>0.59，則形成復(fù)雜間隙相，又稱為間隙化合物。第21頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience3.間隙相(續(xù))Material3-1簡單間隙相簡單間隙相具有如下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，多為fcc和hcp；具有一定的成分范圍；結(jié)合力強(qiáng)，穩(wěn)定，熔點(diǎn)高；硬而脆，并具有明顯的金屬性，是高合金工具鋼及硬質(zhì)合金中的重要強(qiáng)化相。第22頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience3.間隙相(續(xù))Material3-2復(fù)雜間隙相

復(fù)雜間隙相大多是由過渡族金屬與碳原子形成的碳化物。它結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熔點(diǎn)高、硬度高，是合金鋼中常見的強(qiáng)化相。例如：Fe3C（滲碳體，M3C型）。第23頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience4.拓?fù)涿芏呀Y(jié)構(gòu)拓?fù)涿芏呀Y(jié)構(gòu)由大小不同的兩種原子構(gòu)成的中間相，是一種空間利用率（致密度）很高、配位數(shù)（Z>12）較大的復(fù)雜化合物，簡稱TCP結(jié)構(gòu)。

需要與之相區(qū)別的是幾個密堆結(jié)構(gòu)。幾何密堆結(jié)構(gòu)由大小相等的同類原子形成的密堆結(jié)構(gòu)。如fcc和hcp，其中同時存在這四面體間隙和八面體間隙。幾何密堆結(jié)構(gòu)的空間利用率（k=0.74)和密堆程度（z=12)不是最高的。MaterialMaterial第24頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience4.拓?fù)涿芏呀Y(jié)構(gòu)(續(xù))1結(jié)構(gòu)特征在TCP結(jié)構(gòu)中，半徑較小的原子構(gòu)成密排層，半徑較大的原子鑲嵌在密排層之間，以達(dá)到高致密度，其中的間隙主要為四面體間隙，八面體間隙很少，甚至于幾乎沒有八面體間隙。2類型拓?fù)涿芏呀Y(jié)構(gòu)的種類很多，其中典型的有：

拉威斯(laves)相；

α相；

β-w相；

μ相；

R相；

P相；

M相；

δ相；第25頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/8/22IntroductiontoMaterialScience4.拓?fù)涿芏呀Y(jié)構(gòu)(續(xù))1)Laves相

①組成二元合金相的成分為AB2，A、B兩組元的原子半徑比rA/rB=1.225;

②性能其性能穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，硬而脆，對材料性能特別是塑性和韌性有害。需要控制合金成分及熱處理工藝，盡可能避免在高合金鋼和高溫合金中生成大量的Laves