晶体结构习题

第二章晶体结构与晶体中的缺陷1、证明等径圆球面心立方最密堆积的空隙率为25.9％。解：设球半径为a，那么球的体积为4/3πa3，求的z=4，那么球的总体积〔晶胞〕4×4/3πa3，立方体晶胞体积：，空间利用率=球所占体积/空间体积=74.1%，空隙率=1-74.1%=25.9%。2、金属镁原子作六方密堆积，测得它的密度为1.74克/厘米3，求它的晶胞体积。解：ρ=m/V=1.74g/cm3，V=1.37×10-22。3、根据半径比关系，说明以下离子与O2-配位时的配位数各是多少?解：Si4+

4；K+

12；Al3+

6；Mg2+

6。4、一个面心立方紧密堆积的金属晶体，其原子量为M，密度是8.94g/cm3。试计算其晶格常数和原子间距。解：根据密度定义，晶格常数原子间距=5、试根据原子半径R计算面心立方晶胞、六方晶胞、体心立方晶胞的体积。解：面心立方晶胞：六方晶胞〔1/3〕：体心立方晶胞：6、MgO具有NaCl结构。根据O2-半径为0.140nm和Mg2+半径为0.072nm，计算球状离子所占据的体积分数和计算MgO的密度。并说明为什么其体积分数小于74.05%？解：在MgO晶体中，正负离子直接相邻，a0=2(r++r-)=0.424(nm)体积分数=4×(4π/3)×(0.143+0.0723)/0.4243=68.52%密度=4×(24.3+16)/[6.023×1023×(0.424×10-7)3]=3.5112(g/cm3)MgO体积分数小于74.05%，原因在于r+/r-=0.072/0.14=0.4235>0.414，正负离子紧密接触，而负离子之间不直接接触，即正离子将负离子形成的八面体空隙撑开了，负离子不再是紧密堆积，所以其体积分数小于等径球体紧密堆积的体积分数74.05%。7、半径为R的球，相互接触排列成体心立方结构，试计算能填入其空隙中的最大小球半径r。体心立方结构晶胞中最大的空隙的坐标为〔0，1/2，1/4〕。解：在体心立方结构中，同样存在八面体和四面体空隙，但是其形状、大小和位置与面心立方紧密堆积略有不同〔如图2-1所示〕。设：大球半径为R，小球半径为r。那么位于立方体面心、棱心位置的八面体空隙能够填充的最大的小球尺寸为：位于立方体〔0.5,0.25,0〕位置的四面体空隙能够填充的最大的小球尺寸为：图2-1体心立方结构8、纯铁在912℃由体心立方结构转变成面心立方，体积随之减小1.06%。根据面心立方结构的原子半径R面心计算体心立方结构的原子半径R体心。解：因为面心立方结构中，单位晶胞4个原子，；而体心立方结构中，单位晶胞2个原子，所以，解得：RF=1.0251RI，或RI=0.9755RF9、有效离子半径可通过晶体结构测定算出。在下面NaCl型结构晶体中，测得MgS的晶胞参数为a=0.52nm(在这种结构中，阴离子是相互接触的)。假设CaS(a=0.567nm)、CaO(a=0.48nm)和MgO(a=0.42nm)为一般阳离子—阴离子接触，试求这些晶体中各离子的半径。解：∵MgS中a=5.20，阴离子相互接触，a=，∴=1.84；∵CaS中a=5.67，阴－阳离子相互接触，a=2(r++r-)，∴=0.95；∵CaO中a=4.80，阴－阳离子相互接触，a=2(r++r-)，∴=1.40；∵MgO中a=4.20，阴－阳离子相互接触，a=2(r++r-)，∴=0.7010、氟化锂(LiF)为NaCl型结构，测得其密度为2.6g／cm3，根据此数据计算晶胞参数，并将此值与你从离子半径计算得到数值进行比拟。解：LiF为NaCl型结构，Z=4，，，，根据离子半径，。11、Li2O的结构是O2-作面心立方堆积，Li+占据所有四面体空隙位置。求：(1)计算四面体空隙所能容纳的最大阳离子半径，并与书末附表Li+半径比拟，说明此时O2-能否互相接触。(2)根据离子半径数据求晶胞参数。(3)求Li2O的密度。解：〔1〕如图2-2是一个四面体空隙，O为四面体中心位置。，，，，∽，，，查表知+=0.68>0.301，∴O2-不能互相接触；〔2〕体对角线==4(r++r-)，a=4.665；〔3〕ρ=m/V=1.963g/cm3图2-2四面体空隙12、MgO和CaO同属NaCl型结构，而它们与水作用时，那么CaO要比MgO活泼，试解释之。解：与，>，使CaO结构较MgO疏松，H2O易于进入，所以活泼。13、根据CaF2晶胞图画出CaF2晶胞的投影图。解：如图2-3。图2-314、算一算CdI2晶体中的I-及CaTiO3晶体中O2-的电价是否饱和。解：CdI2晶体，Cd2+：CN=6，I-与三个在同一边的Cd2+相连；I-：CN=3，，I-电价饱和；CaTiO3晶体，Ca2+：CN=12，Ti4+：CN=6，O2-[OTi2Ca4]：CN=6；，O2-电价饱和。15、(1)画出O2-作而心立方堆积时，各四面体空隙和八面体空隙的所在位置(以一个晶胞为结构基元表示出来)；(2)计算四面体空隙数、八而休空隙数与O2-数之比；(3)根据电价规那么，在下面情况下，空隙内各需填入何种价数的阳离子，并对每一种结构举出—个例子。=1\*ROMANI．所有四面体空隙位置均填满；=2\*ROMANII．所有八而体空隙位置均填满；=3\*ROMANIII．填满—半四面体空隙位置；=4\*ROMANIV．填满—半八面休空隙位置。解：〔1〕略；〔2〕四面体空隙数/O2-数=2：1，八面体空隙数/O2-数=1：1；〔3〕=1\*ROMANI．CN=4，z+/4×8=2，z+=1，Na2O，Li2O；=2\*ROMANII．CN=6，z+/6×6=2，z+=2，FeO，MnO；=3\*ROMANIII．CN=4，z+/4×4=2，z+=4，ZnS，SiC；=4\*ROMANIV．CN=6，z+/6×3=2，z+=4，MnO2。16、以下硅酸盐矿物各属何种结构类型：Mg2[SiO4]，K[AlSi3O8]，CaMg[Si2O6]，Mg3[Si4O10](OH)2，Ca2Al[AlSiO7]解：岛状；架状；单链；层状〔复网〕；组群〔双四面体〕。17、石棉矿如透闪石Ca2Mg5[Si4O11](OH)2具有纤维状结晶习性，而滑石Mg2[Si4O10](OH)2却具有片状结晶习性，试解释之。解：透闪石双链结构，链内的Si-O键要比链间的Ca-O、Mg-O键强很多，所以很容易沿链间结合力较弱处劈裂成为纤维状；滑石复网层结构，复网层由两个[SiO4]层和中间的水镁石层结构构成，复网层与复网层之间靠较弱的分子间作用力联系，因分子间力弱，所以易沿分子间力联系处解理成片状。18、石墨、滑石和高岭石具有层状结构，说明它们结构的区别及由此引起的性质上的差异。解：石墨中同层C原子进行SP2杂化，形成大键，每一层都是六边形网状结构。由于间隙较大，电子可在同层中运动，可以导电，层间分子间力作用，所以石墨比拟软。19、(1)在硅酸盐晶体中，Al3+为什么能局部置换硅氧骨架中的Si4+；(2)Al3+置换Si4+后，对硅酸盐组成有何影响?(3)用电价规那么说明Al3+置换骨架中的Si4+时，通常不超过一半，否那么将使结构不稳定。解：(1)Al3+可与O2-形成[AlO4]5-；Al3+与Si4+处于第二周期，性质类似，易于进入硅酸盐晶体结构中与Si4+发生同晶取代，由于鲍林规那么，只能局部取代；(2)Al3+置换Si4+是局部取代，Al3+取代Si4+时，结构单元[AlSiO4][ASiO5]，失去了电中性，有过剩的负电荷，为了保持电中性，将有一些半径较大而电荷较低的阳离子如K+、Ca2+、Ba2+进入结构中；〔3〕设Al3+置换了一半的Si4+，那么O2-与一个Si4+一个Al3+相连，阳离子静电键强度=3/4×1+4/4×1=7/4，O2-电荷数为-2，二者相差为1/4，假设取代超过一半，二者相差必然>1/4，造成结构不稳定。20、说明以下符号的含义：VNa，VNa’，VCl•，.(VNa’VCl•)，CaK•，CaCa，Cai••解：钠原子空位；钠离子空位，带一个单位负电荷；氯离子空位，带一个单位正电荷；最邻近的Na+空位、Cl-空位形成的缔合中心；Ca2+占据K.位置，带一个单位正电荷；Ca原子位于Ca原子位置上；Ca2+处于晶格间隙位置。21、写出以下缺陷反响式：(1)NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体；(2)CaCl2溶入NaC1中形成空位型固溶体；(3)NaCl形成肖脱基缺陷；(4)AgI形成弗仑克尔缺陷(Ag+进入间隙)。解：(1)NaClNaCa’+ClCl+VCl·(2)CaCl2CaNa·+2ClCl+VNa’(3)OVNa’+VCl·(4)AgAgVAg’+Agi·22、什么是肖特基缺陷、弗兰克尔缺陷？他们属于何种缺陷，发生缺陷时位置数是否发生变化？答：肖特基缺陷：晶体的结构基元，从正常的结点位置上位移到晶体的外表而正常位置上出现了空位，这种缺陷即是。位置数增殖，体积增大。弗兰克尔缺陷：晶体结构中的结构基元，从正常的结点位置上位移到晶体的间隙位置上，而正常位置上出现了空位，这种缺陷即是。位置数不增殖，体积不增大。23、试写出少量MgO掺杂到Al2O3中和少量YF3掺杂到CaF2中的缺陷方程。〔a〕判断方程的合理性。〔b〕写出每一方程对应的固溶式。解：〔1〕〔2〕〔3〕〔4〕〔a〕书写缺陷方程首先考虑电价平衡，如方程〔1〕和〔4〕。在不等价置换时，3Mg2+→2Al3+；2Y3+→3Ca2+。这样即可写出一组缺陷方程。其次考虑不等价离子等量置换，如方程〔2〕和〔3〕2Mg2+→2Al3+；Y3+→Ca2+。这样又可写出一组缺陷方程。在这两组方程中，从结晶化学的晶体稳定性考虑，在离子晶体中除萤石型晶体结构可以产生间隙型固溶体以外，由于离子晶体中阴离子紧密堆积，间隙阴离子或阳离子都会破坏晶体的稳定性。因而间隙型缺陷在离子晶体中〔除萤石型〕较少见。上述四个方程以〔2〕和〔3〕较合理。当然正确的判断必须用固溶体密度测定法来决定。〔b〕(1)(2)(3)(4)24、试写出以下缺陷方程〔每组写出二种〕，并判断是否可以成立，同时简单说明理由。〔1〕〔2〕〔3〕解：1、〔1〕两种缺陷反响方程式为：A、B、其中A可以成立，因为NaCl型的MgO晶体，只有较小的四面体空隙未被阳离子占据，Al3+离子填隙会破坏晶体的稳定性。〔2〕两种缺陷反响方程式为：A、B、A、B两种都可能成立，其中在较低温度下，以A方式固溶；在高温下〔>1800℃〕，以B方式固溶。因为ZrO2为萤石型结构，在高温下具有较大的立方体和八面体空隙，能够形成填隙型缺陷。〔3〕两种缺陷反响方程式为：A、B、A可能性较大。因萤石晶体中存较多的八面体空隙，F-离子半径较小，形成填隙型固溶体比拟稳定。25、试述晶体结构中点缺陷的类型。以通用的表示法写出晶体中各种点缺陷的表示符号。试举例写出CaCl2中Ca2+置换KCl中K+或进入到KCl间隙中去的两种点缺陷反响表示式。解：晶体结构中的点缺陷类型共分为：间隙原子、空位和杂质原子等三种。在MX晶体中，间隙原子的表示符号为Mi或Xi；空位缺陷的表示符号为：VM或VX。如果进入MX晶体的杂质原子是A，那么其表示符号可写成：AM或AX〔取代式〕以及Ai〔间隙式〕。当CaCl2中Ca2+置换KCl中K+而出现点缺陷，其缺陷反响式如下：CaCl2中Ca2+进入到KCl间隙中而形成点缺陷的反响式为：26、在缺陷反响方程式中，所谓位置平衡、电中性、质量平衡是指什么？解：位置平衡是指在化合物MaXb中，M格点数与X格点数保持正确的比例关系，即M:X=a:b。电中性是指在方程式两边应具有相同的有效电荷。质量平衡是指方程式两边应保持物质质量的守恒。27、TiO2-x和Fe1-xO分别为具有阴离子空位和阳离子空位的非化学计量化合物。试说明其导电率和密度随氧分压PO2变化的规律〔以缺陷方程帮助说明〕。答：〔1〕TiO2-x的缺陷反响方程为：根据质量守恒定律可得，故其密度随氧分压增加而增加，而电导率随氧分压的增加而减小，与氧分压的1/6次方成反比。〔2〕Fe1-xO缺陷反响方程式为：，或根据质量守恒定律可得，故其密度随氧分压增加而下降，而电导率随氧分压的增加而增加，与氧分压的1/6次方成正比。28、对某晶体的缺陷测定生成能为84KJ/mol，计算该晶体在1000K和1500K时的缺陷浓度。解：根据热缺陷浓度公式：由题意△G=84KJ/mol=84000J/mol那么其中R=8.314J/mol·K当T1=1000K时，当T2=1500K时，29、试写出在以下二种情况，生成什么缺陷？缺陷浓度是多少？〔a〕在Al2O3中，添加0.01mol%的Cr2O3，生成淡红宝石；〔b〕在Al2O3中，添加0.5mol%的NiO，生成黄宝石。解：〔a〕在Al2O3中，添加0.01mol%的Cr2O3，生成淡红宝石的缺陷反响式为：生成置换式杂质原子点缺陷。其缺陷浓度为：0.01%×＝0.004%＝4×10-3%〔b〕当添加0.5mol%的NiO在Al2O3中，生成黄宝石的缺陷反响式为：生成置换式的空位点缺陷。其缺陷浓度为：0.5%×＝0.3%30、非化学计量缺陷的浓度与周围气氛的性质、压力大小相关，如果增大周围氧气的分压，非化学计量化合物Fe1-xO及Zn1+xO的密度将发生怎样变化？增大？减少？为什么？解：〔a〕非化学计量化合物Fe1-xO，是由于正离子空位，引起负离子过剩：按质量作用定律，平衡常数由此可得：即：铁空位的浓度和氧分压的1/6次方成正比，故当周围分压增大时，铁空位浓度增加，晶体质量减小，那么Fe1-xO的密度也将减小。〔b〕非化学计量化合物Zn1+xO，由于正离子填隙，使金属离子过剩：根据质量作用定律得[]即：间隙离子的浓度与氧分压的1/6次方成反比，故增大周围氧分压，间隙离子浓度减小，晶体质量减小，那么Zn1+xO的密度也将减小。31、非化学计量氧化物TiO2-x的制备强烈依赖于氧分压和温度：〔a〕试列出其缺陷反响式。〔b〕求其缺陷浓度表达式。解：非化学计量氧化物TiO2-x，其晶格缺陷属于负离子缺位而使金属离子过剩的类型。〔a〕缺陷反响式为：或〔b〕缺陷浓度表达式：32、〔a〕在MgO晶体中，肖特基缺陷的生成能为6eV，计算在25℃和1600℃时热缺陷的浓度。〔b〕如果MgO晶体中，含有百万分之一mol的Al2O3杂质，那么在1600℃时，MgO晶体中是热缺陷占优势还是杂质缺陷占优势？说明原因。解：〔a〕根据热缺陷浓度公式：由题意△G=6ev=6×1.602×10-19=9.612×10-19JK=1.38×10-23J/KT1=25+273=298KT2=1600+273=1873K298K：1873K：9〔b〕在MgO中参加百万分之一的Al2O3杂质，缺陷反响方程为：此时产生的缺陷为[]杂质。而由上式可知：[Al2O3]=[]杂质∴当参加10-6Al2O3时，杂质缺陷的浓度为[]杂质=[Al2O3]=10-6由〔a〕计算结果可知：在1873K，[]热=8×10-9显然：[]杂质＞[]热，所以在1873K时杂质缺陷占优势。33、对于刃位错和螺位错，区别其位错线方向、柏氏矢量和位错运动方向的特点。解：刃位错：位错线垂直于，位错线垂直于位错运动方向；螺位错：位错线平行于，位错线平行于位错运动方向。34、有两个相同符号的刃位错，在同一滑移面上相遇，它们将是排斥还是吸引？答：排斥，张应力重叠，压应力重叠。35、晶界对位错的运动将发生怎么样的影响？能预计吗？答：晶界对位错运动起阻碍作用。36、晶界有小角度晶界与大角度晶界之分，大角度晶界能用位错的阵列来描述吗？答：不能，在大角度晶界中，原子排列接近于无序的状态，而位错之间的距离可能只有一、两个原子的大小，不适用于大角度晶界。37、从化学组成、相组成考虑，试比拟固溶体与化合物、机械混合物的差异。解：固溶体机械混合物化合物形成原因以原子尺寸“溶解”生成粉末混合原子间相互反映生成相数单相均匀多相单相均匀化学计量不遵守定比定律遵守定比定律化学组成不确定有几种混合物就有多少化学组成确定38、对磁硫铁矿进行化学分析：按分析数据的Fe／S计算，得出两种可能的成分：Fe1-xS和FeS1-x。前者意味着是Fe空位的缺陷结构；后者是Fe被置换。设想用一种实验方法以确定该矿物究竟属哪一类成分。答：Fe1-xS中存在Fe空位，VFe’’非化学计量，存在h·，P型半导体；FeS1-x中金属离子过剩，存在S2-空位，存在e’，N型半导体；因Fe1-xS、FeS1-x分属不同类型半导体，通过实验确定其半导体性质即可。39、说明为什么只有置换型固溶体的两个组份之间才能相互完全溶解，而填隙型固溶体那么不能。答：〔1〕晶体中间隙位置是有限的，容纳杂质质点能力≤10%；〔2〕间隙式固溶体的生成，一般都使晶格常数增大，增加到一定的程度，使晶格变得不稳定而离解；置换固溶体形成是同号离子交换位置，不会对接产生影响，所以可形成连续固溶体。40、在MgO-Al2O3和PbTiO3-PbZrO3中哪一对形成有限固溶体，哪一对形成无限固溶体，为什么?解：MgO-AL2O3：r大-r小/r大=15%，即rMg、rAl半径相差大，MgO〔NaCl型〕、Al2O3〔刚玉〕结构类型差异大，形成有限固溶体；PbTiO3-PbZrO3：形成无限固溶体，因为尽管Ti4+、Zr4+半径相差较大〔15.28〕,但都是〔ABO3〕钙钛矿型结构，Ti4+、Zr4+都填充八面体空隙，该空隙体积较大，可填入的阳离子的半径r值可在一定范围内变化，而不至于使结构变化。41、简述形成连续置换型固溶体的条件是什么？并举一实例。答：形成连续置换型固溶体的条件：〔1〕离子尺寸因素。相互替代的两离子尺寸应满足。〔2〕晶体结构类型相同。〔3〕相互替代的两个离子电价相同或复合替代离子电价总和相同。〔4〕相互替代的两个离子电负性相近。42、ZnO是六方晶系，a=0.3242nm，c=0.5195nm，每个晶胞中含2个ZnO分子，测得晶体密度分别为5.74，5.606g/cm3，求这两种情况下各产生什么型式的固溶体？解：六方晶系的晶胞体积在两种密度下晶胞的重量分别为W1=d1v=5.74×4.73×10-23=2.72×10-22(g)W2=d2v=5.606×4.73×10-23=2.65×10-22(g)理论上单位晶胞重=(g)∴密度是d1时为间隙型固溶体，是d2时为置换型固溶体。43、对于MgO、Al2O3和Cr2O3，其正、负离子半径比分别为0.47、0.36和0.40。Al2O3和Cr2O3形成连续固溶体。(a)这个结果可能吗？为什么？(b)试预计，在MgO－Cr2O3系统中的固溶度是有限还是很大？为什么？解：〔a〕Al2O3与Cr2O3有可能形成连续固溶体。因为：①②结构类型相同，均属刚玉型结构。〔b〕对于MgO－Cr2O3系统，由于结构类型相差较大，前者为NaCl型，后者为刚玉型。虽然，也不可能形成完全互溶的固溶体，而只能是有限固溶。44、Al2O3在MgO中将形成有限固溶体，在低共熔温度1995℃时，约有18wt%Al2O3溶入MgO中，MgO单位晶胞尺寸减小。试预计以下情况下密度的变化。(a)Al3+为间隙离子；(b)Al3+为置换离子。解：〔a〕Al3+为间隙离子：缺陷反响为：〔1〕固溶式分子式：〔2〕〔b〕Al3+为置换离子：缺陷反响为：〔3〕固溶式分子式：〔4〕取100g试样为基准：〔为摩尔数〕mAl2O3==0.176(m为摩尔数)mMgO==2.035∴MgO中固溶18%wt的Al2O3后的分子式为：2O3或Mg2.035Al0.352O2.563〔5〕〔5〕式各项除以2.563得Mg0.794Al0.137O〔6〕由〔6〕式得x=0.137代入〔2〕〔4〕式，对〔a〕有即Mg0.794Al0.137O〔b〕有Mg0.794Al0.137O设：固溶前后晶胞体积不变，那么密度变化为：〔PMgO，分别代表固溶前后密度〕所以，固溶后的密度小于固溶前的密度。45、用0.2molYF3参加CaF2中形成固溶体，实验测得固溶体的晶胞参数a=0.55nm，测得固溶体密度ρ=3.64g/cm3，试计算说明固溶体的类型？〔元素的相对原子质量：Y=88.90；Ca=40.08；F=19.00〕解：YF3参加CaF2的缺陷反响方程如下：(1)(2)方程〔1〕和〔2〕的固溶式：(1)Ca1-xYxF2+x(2)Ca(1-3/2x)YxF2按题意x=0.2代入上述固溶式得：间隙型固溶体分子式为Ca0.8Y0.2F2..2置换型固溶体分子式为Ca0.7Y0.2F2；它们的密度分别设为ρ1和ρ2。CaF2是萤石型晶体，单位晶胞内含有4个萤石分子。ρ1==3.659〔g/cm3〕ρ2==3.346〔g/cm3〕由ρ1与ρ2计算值与实测密度ρ=3.64g/cm3比拟，ρ1值接近3.64g/cm3，因此0.2molYF3参加CaF2中形成间隙型固溶体。2-5以NaCl晶胞为例，试说明面心立方紧密堆积中的八面体和四面体空隙的位置和数量。答：以NaCl晶胞中〔001〕面心的一个球〔Cl-离子〕为例，它的正下方有1个八面体空隙〔体心位置〕，与其对称，正上方也有1个八面体空隙；前后左右各有1个八面体空隙〔棱心位置〕。所以共有6个八面体空隙与其直接相邻，由于每个八面体空隙由6个球构成，所以属于这个球的八面体空隙数为6×1/6=1。在这个晶胞中，这个球还与另外2个面心、1个顶角上的球构成4个四面体空隙〔即1/8小立方体的体心位置〕；由于对称性，在上面的晶胞中，也有4个四面体空隙由这个参与构成。所以共有8个四面体空隙与其直接相邻，由于每个四面体空隙由4个球构成，所以属于这个球的四面体空隙数为8×1/4=2。2-6临界半径比的定义是：紧密堆积的阴离子恰好互相接触，并与中心2-9MgO具有NaCl结构。根据O2-半径为0.140nm和Mg2+半径为0.072nm，计算球状离子所占据的体积分数和计算MgO的密度。并说明为什么其体积分数小于74.05%？解：在MgO晶体中，正负离子直接相邻，a0=2(r++r-)=0.424(nm)体积分数=4×(4π/3)×(0.143+0.0723)/0.4243=68.52%密度=4×(24.3+16)/[6.023×1023×(0.424×10-7)3]=3.5112(g/cm3)MgO体积分数小于74.05%，原因在于r+/r-=0.072/0.14=0.4235>0.414，正负离子紧密接触，而负离子之间不直接接触，即正离子将负离子形成的八面体空隙撑开了，负离子不再是紧密堆积，所以其体积分数小于等径球体紧密堆积的体积分数74.05%。2-10半径为R的球，相互接触排列成体心立方结构，试计算能填入其空隙中的最大小球半径r。体心立方结构晶胞中最大的空隙的坐标为〔0，1/2，1/4〕。解：在体心立方结构中，同样存在八面体和四面体空隙，但是其形状、大小和位置与面心立方紧密堆积略有不同〔如图2-3所示〕。设：大球半径为R，小球半径为r。那么位于立方体面心、棱心位置的八面体空隙能够填充的最大的小球尺寸为：〔3〕溶质分布：液、固相内溶质完全混合〔平衡凝固〕－a;固相不混合、液相完全混合－b;固相不混合、液相完全不混合－c；固相不混合、液相局部混合－d。〔4〕区域熔炼〔上述溶质分布规律的应用〕5成分过冷及其对晶体生长形态的影响〔1〕成分过冷：由成分变化与实际温度分布共同决定的过冷。〔2〕形成：界面溶质浓度从高到低－液相线温度从低到高。〔图示：溶质分布曲线－匀晶相图－液相线温度分布曲线－实际温度分布曲线－成分过冷区。〕〔3〕成分过冷形成的条件和影响因素条件：G/R<mC0(1-k0)/Dk0合金固有参数：m,k0;实验可控参数：G,R。〔4〕成分过冷对生长形态的影响〔正温度梯度下〕G越大，成分过冷越大－生长形态：平面状－胞状－树枝状。第三节二元共晶相图及合金凝固共晶转变：由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变。共晶相图：具有共晶转变特征的相图。〔液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反响。共晶组织：共晶转变产物。〔是两相混合物〕1相图分析〔相图三要素〕〔1〕点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶点〔是亚共晶、过共晶成分分界点〕等。〔2〕线：结晶开始、结束线；溶解度曲线；共晶线等。〔3〕区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。2合金的平衡结晶及其组织〔以Pb-Sn相图为例〕〔1〕Wsn<19％的合金

①

凝固过程〔冷却曲线、相变、组织示意图〕。

②

二次相〔次生相〕的生成：脱溶转变〔二次析出或二次再结晶〕。

③

室温组织〔α＋βⅡ〕及其相对量计算。〔2〕共晶合金

①

凝固过程〔冷却曲线、相变、组织示意图〕。②

共晶线上两相的相对量计算。③

室温组织〔α＋β＋αⅡ＋βⅡ〕及其相对量计算。〔3〕亚共晶合金

①

凝固过程〔冷却曲线、相变、组织示意图〕。

②

共晶线上两相的相对量计算。

③

室温组织〔α＋βⅡ＋〔α＋β〕〕及其相对量计算。④

组织组成物与组织图组织组成物：组成材料显微组织的各个不同本质和形态的局部。组织图：用组织组成物填写的相图。3不平衡结晶及其组织〔1〕伪共晶

①

伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶组织。

②

形成原因：不平衡结晶。成分位于共晶点附近。

③

不平衡组织由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织。共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。〔伪共晶区偏移〕〔2〕不平衡共晶①

不平衡共晶：位于共晶线以外成分的合金发生共晶反响而形成的组织。

②

原因：不平衡结晶。成分位于共晶线以外端点附件。〔3〕离异共晶①

离异共晶：两相别离的共晶组织。②

形成原因平衡条件下，成分位于共晶线上两端点附近。不平衡条件下，成分位于共晶线外两端点附。

③

消除：扩散退火。4共晶组织的形成〔1〕共晶体的形成成分互惠－交替形核片间搭桥－促进生长两相交替分布共晶组织〔2〕共晶体的形态粗糙－粗糙界面：层片状〔一般情况〕、棒状、纤维状〔一相数量明显少于另一相〕粗糙－平滑界面：具有不规那么或复杂组织形态〔由于两相微观结构不同〕所需动态过冷度不同，金属相任意长大，另一相在其间隙长大。可得到球状、针状、花朵状、树枝状共晶体。非金属相与液相成分差异大。形成较大成分过冷，率先长大，形成针状、骨骼状、螺旋状、蜘蛛网状的共晶体。〔3〕初生晶的形态：金属固溶体：粗糙界面－树枝状；非金属相：平滑界面－规那么多面体。第四节二元包晶相图包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变。包晶相图：具有包晶转变特征的相图。1相图分析点、线、区。2平衡结晶过程及其组织〔1〕包晶合金的结晶结晶过程：包晶线以下，L,

α对β过饱和－界面生成β－三相间存在浓度梯度－扩散－β长大－全部转变为β。室温组织：β或β＋αⅡ。〔2〕成分在C-D之间合金的结晶结晶过程：α剩余；室温组织：α＋β＋αⅡ＋βⅡ。3不平衡结晶及其组织异常α相导致包晶偏析〔包晶转变要经β扩散。包晶偏析：因包晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。〕异常β相由不平衡包晶转变引起。成分在靠近固相、包晶线以外端点附件。4包晶转变的应用〔1〕组织设计：如轴承合金需要的软基体上分布硬质点的组织。〔2〕晶粒细化。第五节其它类型的二元相图自学内容第六节铁碳合金相图一二元相图的分析和使用〔1〕二元相图中的几何规律

①相邻相区的相数差1〔点接触除外〕－相区接触法那么；

②三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相的成分点。

③假设两个三相区中有2个相同的相，那么两水平线之间必是由这两相组成的两相区。

④单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区。〔2〕相图分析步骤

①以稳定的化合物分割相图；

②确定各点、线、区的意义；

③分析具体合金的结晶过程及其组织变化注：虚线、点划线的意义－尚未准确确定的数据、磁学转变线、有序－无序转变线。〔3〕相图与合金性能的关系①

根据相图判断材料的力学和物理性能

②

根据相图判断材料的工艺性能铸造性能：根据液固相线之间的距离XX越大，成分偏析越严重〔因为液固相成分差异大〕；X越大，流动性越差〔因为枝晶兴旺〕；X越大，热裂倾向越大〔因为液固两相共存的温区大〕。塑性加工性能：选择具有单相固溶体区的合金。热处理性能：选择具有固态相变或固溶度变化的合金。二铁－碳合金相图1组元和相〔1〕组元：铁－石墨相图：Fe,C;铁－渗碳体相图：Fe-Fe3C。相：L,

δ,A(γ),F(α),Fe3C(K)。〔其定义〕2相图分析点：16个。线：两条磁性转变线；三条等温转变线；其余三条线：GS,ES,PQ。区：5个单相区，7个两相区，3个三相区。相图标注：相组成物标注的相图。组织组成物标注的相图。3合金分类：工业纯钛〔C%<0.0218%〕、碳钢〔0.0218<C%<2.11%〕、铸铁〔C%>2.11%〕4平衡结晶过程及其组织〔1〕典型合金〔7种〕的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及其相对量计算。〔2〕重要问题：Fe3CⅠ,Fe3CⅡ,Fe3CⅢ

的意义及其最大含量计算。Ld-Ld`转变。二次杠杆的应用。5含碳量对平衡组织和性能的影响〔1〕对平衡组织的影响〔随C%提高〕组织：α＋Fe3CⅢ

Ld`＋Fe3CⅠ；相：α减少，Fe3C增多；Fe3C形态：Fe3CⅢ〔薄网状、点状〕共析Fe3C〔层片状〕Fe3CⅡ〔网状〕共晶Fe3C〔基体〕Fe3CⅠ〔粗大片状〕。〔2〕对力学性能的影响强度、硬度升高，塑韧性下降。〔3〕对工艺性能的影响适合锻造：C%<2.11%，可得到单相组织。适合铸造：C%～4.3%。，流动性好。适合冷塑变：C%<0.25%，变形阻力小。适合热处理：0.0218~2.11，有固态相变。第七节相图的热力学解释图示讲解第八节铸锭组织及其控制1铸锭组织〔1〕铸锭三区：表层细晶区、柱状晶区、中心等轴晶区。〔2〕组织控制：受浇铸温度、冷却速度、化学成分、变质处理、机械振动与搅拌等因素影响。2铸锭缺陷〔1〕不锈钢

①提高耐蚀性的途径A、加Cr，提高基体的电极电位。B、加Cr、Al、Si，形成致密的钝化膜。C、加Cr、Ni等，使其形成单相组织。

②典型马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢见表10-3。〔2〕耐热钢

①耐热性耐热性是指高温抗氧化性和热强性〔高温强度〕，热强性用蠕变极限〔σ6000.1/1000〕和持久强度〔σ7001000〕来表征。

②提高耐热性的途径A、加Cr、Si、Al，形成致密的氧化膜，提高高温抗氧化性。B、通过加合金元素提高原子间结合力，提高再结晶温度、减慢原子的扩散、增加组织的稳定性来提高热强性。

③按组织可分为：铁素体型耐热钢、珠光体型耐热钢、马氏体型耐热钢和奥氏体型耐热钢。〔3〕耐磨钢耐磨钢是指在受到强烈摩擦、冲击或巨大压力时，表现出良好耐磨性的钢种。典型耐磨钢是高锰钢，牌号为ZGMn13，其化学成分、热处理、组织、性能特点及用途举例见表10-3。表10-3特殊性能钢钢种马氏体不锈钢奥氏体不锈钢耐磨钢典型牌号1Cr132Cr133Cr134Cr131Cr18Ni91Cr18Ni9TiZGMn13含碳量0.1-0.2%0.3-0.4%

≤0.12%1.0-1.4%合金元素Cr：提高基体电极电位，形成钝化膜，从而提高耐蚀性Cr：提高基体电极电位，形成钝化膜。Ni：使其呈单相奥氏体。Ti：防止晶间腐蚀Mn：使其能获得单相奥氏体；增大钢的加工硬化能力和韧性及作用最终热处理淬火高温回火淬火低温回火固溶处理水韧处理组织回火索氏体回火马氏体奥氏体奥氏体性能特点较好的耐蚀性，较高的强度和韧性较好的耐蚀性，较高的硬度和耐磨性良好的耐蚀性、塑韧性，良好的冷成型性的焊接性，加工硬化能力强，不能淬火强化，强度较低，有时产生晶间腐蚀在受到强烈摩擦、冲击和巨大压力时表现出良好的耐磨性和韧性用途举例结构零件，如汽轮机叶片等医疗器械、刃具等化工焊接件、耐酸容器、锅炉汽轮机耐热构件等拖拉机履带、挖掘机铲齿、铁路道叉铸铁1.铸铁的分类2.铸铁的石墨化〔1〕铸铁的石墨化过程第一阶段包括从液态铁水中直接析出石墨以及从奥氏体中析出二次石墨；第二阶段包括共析转变过程中形成的石墨。〔2〕铸铁的石墨化程度与组织的关系见表10-4。表10-4共晶铸铁的石墨化程度与组织的关系石墨化程度得到的组织铸铁名称第一阶段第二阶段完全石墨化完全石墨化铁素体+石墨灰口铸铁未石墨化珠光体+石墨局部石墨化铁素体+珠光体+石墨未石墨化未石墨化莱氏体白口铸铁局部石墨化未石墨化珠光体+二次渗碳+石墨+莱氏体麻口铸铁〔3〕影响石墨化的因素3.石墨对铸铁性能的影响石墨一方面破坏了基体的连续性，减少了实际承载面积；另一方面石墨边缘会造成应力集中，形成断裂源。因此铸铁的抗拉强度、塑性、韧性都比钢低。片状石墨对基体削弱作用和应力集中程度最大，而球状石墨对基体的削弱作用和应力程度较小。石墨的数量、大小和分布对铸铁性能也有显著影响。4.常用普通铸铁的牌号、组织、性能特点和用途举例见表10-5。5.铸铁的热处理〔1〕热处理只改变基体组织，不改变石墨形状，其热处理原理与钢相似。〔2〕灰口铸铁常用热处理有：去应力退火，消除白口、改善切削加工性的退火、外表淬火。〔3〕球墨铸铁中，石墨呈球状，基体强度利用率高，因而热处理强化效果好，可进行多种热处理来提高性能。常用热处理有：退火、正火、调质处理和等温淬火等。有色金属及其合金1.铝及其合金〔1〕铝合金的分类和编号〔2〕铝合金的时效强化表10-5常用普通铸铁的牌号、组织、性能特点及用途举例种类牌号表示方法组织性能特点用途举例灰口铸铁HT×××

α+片状石墨α+片状石墨P

α+P+片状石墨抗拉强度、塑性韧性低，抗压强度高。良好的铸造性，切削加工性、减摩性、消震性和低的缺口敏感性机床床身底座、工作台等可锻铸铁KHT×××

-××

KTZ

×××

-××

α+团絮状石墨P+团絮状石墨比灰口铸铁具有较高的抗拉强度、塑性和韧性汽车后桥外壳、低压阀、管接头、连杆等截面尺寸较小的零部件球墨铸铁QT×××

-××

α+球状石墨P+球状石墨α+P+球状石墨S回+球状石墨B下+球状石墨比其它铸铁有更高的抗拉强度、屈服强度、屈强比和更好的塑性、韧性，热处理强化效果好。可制造负荷较大、受力复杂的机器零件，如柴油机曲轴、连杆、齿轮、缸套等蠕墨铸铁RuT

×××

石墨呈蠕虫状性能介于基体组织相同的灰铁和球铁之间柴油机缸盖、气缸套、机床床身、液压阀等〔3〕简单硅铝明的成分、组织、性能特点及用途2.工业用钢类别多，内容“零碎”，不易记忆。为解决此问题，可从两个方面：一方面进行归纳总结，将“零碎”的内容要条理化；另一方面先按下面的思路进行理解，在理解的根底上再加以记忆。含碳量化学成分的选择→

合金元素典型件的工作条件→性能要求→

组织→最终热处理10.5课堂讨论典型零件的选材与热处理工艺的选用是学习本课程的主要目的之一。通过讨论，不仅使学生对钢的热处理、工业用钢等内容加深理解，而且也使学生在综合运用所学的知识去分析解决问题方面得到一次训练。讨论目的1.熟悉钢的分类和编号，学会根据钢的牌号来判断钢的类别、碳和合金元素的大致含量。2.熟悉典型钢号中合金元素的作用。3.进一步理解和掌握各类钢的工作条件和性能要求、化学成分、最终热处理或使用状诚、使用态组织和用途。讨论题1.试判断以下牌号的钢中碳和合金元素的含量大致是多少？20T1050CrVA9SiCrCrWMnCr12MoV5CrMnMo4Cr132.说明以下钢号中合金元素的主要作用40Cr20CrMnTiGCr15SiMnW18Cr4V1Cr131Cr18Ni9CrWMn40CrNiMo3．判断以下牌号的钢属于何类钢〔按用途分〕？指出各类钢常用的最终热处理或使用状态、使用态组织、主要性能特点和用途。Q23520Cr20CrMnTi45ZGMn1340CrNiMo6560Si2Mn65MnGCr15GCr15SiMnT129SiCrCrWMnW18Cr4VW6Mo5Cr4V25CrNiMo1Cr133Cr131Cr18Ni94．根据下面所列出的化学成分，写出钢的牌号，并指出其常用最终热处理、使用态组织、主要性能特点和用途。5.欲制造车床主轴、机床变速齿轮、汽车变速齿轮、汽车板簧、轴承滚珠、高速车刀、热锻模，试问上述零件或工具各应选用何种材料？写出其牌号。在制造过程中各需经过何种最终热处理？热处理后得到何种组织？6.渗碳钢适宜制作何种工作条件下的零件？为什么渗碳钢均为低碳？渗碳后为什么还要淬火、低温回火？7.调质钢适宜制作何种工作条件下的零件？为什么调质钢均为中碳？8.比拟结构钢和工具钢的合金化特点和热处理特点。9.W18Cr4V钢中，W、Cr、V的主要作用是什么？该钢为什么是莱氏体钢？为什么空冷就可获得马氏体组织？其最终热处理为何要采用高温淬火+560℃三次回火？10.判断以下说法是否正确，并说明理由。〔1〕GCr15钢中，Wcr=15%〔2〕热模具钢属于工具钢，所以它一定是高碳钢。〔3〕奥氏体不锈钢不能通过淬火来强化。〔4〕4Cr13属于过共析钢。〔5〕ZGMn13是耐磨钢，在任何条件下都会表现出良好的耐磨性。〔6〕σ6000.1/1000表示耐热钢的持久强度。〔7〕调质钢制造零件过程中，必须要经过调质处理。〔8〕可锻铸铁可以锻造。〔9〕变形铝合金都能时效强化，而铸造铝合金都不能时效强化。〔10〕青铜是指铜和锡的合金。综合题一：材料的结构1谈谈你对材料学科和材料科学的认识。2金属键与其它结合键有何不同，如何解释金属的某些特性？3说明空间点阵、晶体结构、晶胞三者之间的关系。4晶向指数和晶面指数的标定有何不同？其中有何须注意的问题？5画出三种典型晶胞结构示意图，其表示符号、原子数、配位数、致密度各是什么？6碳原子易进入-铁，还是-铁，如何解释？7研究晶体缺陷有何意义？8点缺陷主要有几种？为何说点缺陷是热力学平衡的缺陷？9位错概念是在什么背景下提出的？其易动性是如何实现的？10试述位错的性质。11试述博士矢量的意义。12与位错有关的三个力的表达式各是什么？简述其求解原理。13柯氏气团是如何形成的？它对材料行为有何影响？14晶体中的界面有何共性？它对材料行为有何影响？综合题二：凝固、相结构与相图1简述合金相的分类，固溶体与纯金属相比，有何结构、性能特点？2固溶体与纯金属的结晶有何异同？3试述匀晶系不平衡结晶的过程〔平均成分线的形成、两种偏析〕4分析共晶系合金典型的不平衡结晶组织及其形成原因。5试述含碳量对平衡组织和性能的影响〔相含量、形态的变化〕。6说明三元相图的水平截面、垂直截面及投影图的应用。7分析两种合金平衡冷却过程，指出其室温组织。8指出Fe-Fe3C相图中适合锻造、铸造、冷塑变、热处理加工的成分范围，说明原因。9什么是过冷？为何说过冷是凝固的必要条件？10分析界面结构和温度梯度对晶体生长形态的影响。11根据凝固理论，试述细化晶粒的根本途径。12判断不同温度下晶核半径与自由能变化关系曲线。13画图说明成分过冷的形成，成分过冷对晶体生长形