燃气轮机材料基础课件：金属和合金的晶体结构类型

一、金属的晶体结构类型

1.典型的金属结构

面心立方fcc

体心立方bcc

密集六方hcp

金属晶体大多属于对称性较高、配位数较大的晶体类型。

2.多形性或同素异构现象

同一物质(金属)随温度或压力的不同，呈现不同的晶体结构类型金属和合金的晶体结构类型(1394ºC)(912ºC)

二、合金的晶体结构类型

1.影响合金结构的基本因素（1）异类原子间的相互作用

异类原子间的相互作用与同类原子间的相互作用相比：吸引力≈不使能量变化

均匀混合吸引力>

使能量降低

有序固溶体

金属间化合物正常价化合物吸引力<

使能量升高

各自集聚、各自固有的晶体结构（2）原子相对尺寸因素

原子尺寸差异，使得点阵发生畸变，引起能量升高，

量变结构变得不稳定，结构类型发生变化。

质变金属和合金的晶体结构类型

（3）电子浓度因素

自由电子数电子浓度=-----------------平均每个原子所具有的自由电子数原子数

V(100-x)+vx

二元合金的电子浓度C电子=---------------------

100

给定金属晶体结构，电子浓度有限，超过限度，结构不稳定，发生改组一价fcc,C电子<1.4（1.36）一价bcc，C电子<1.5（1.48）

金属和合金的晶体结构类型V-主组元的原子价v-副组元的原子价合金元素原子百分数电子浓度确定困难：①每个原子不一定都贡献价电子；②变价金属的原子价随条件而变；③过渡金属的ns层电子既可以为价电子，又可以进入(n-1)d层和(n-2)f层，而(n-1)d层和(n-2)f层的电子又可能贡献价电子。对于过渡金属的价电子数，通常有两种处理方法：按零处理；确定为除去与惰性气体相当的满壳层电子以外的所有电子。（4）其它因素

如温度、压力等。金属和合金的晶体结构类型

2.合金中的相结构类型合金组织：有界面分隔的小单位晶粒

结构和成分都相同单相、两相、多相相金属和合金的晶体结构类型

系统中物理性质及化学性质均匀的部分单相

均相区单晶多相

含一种以上的相分多晶结构?（1）固溶体

固溶体：溶质组元溶于溶剂点阵中而组成的单一的均匀固体。

副组元主组元代位固溶体、间隙固溶体合金元素有序固溶体

在结构上保持溶剂组元纯态时的点阵类型━一次固溶体、端际固溶体;（2）中间相/金属间化合物中间相：在合金中形成的那些与其纯组元结构类型不同的相。

在结构上不同于溶剂和溶质组元纯态时的点阵类型━二次固溶体、组成合金相的不同原子有固定的比例，成分多数处在A在B中溶解限度和B在A中的溶解限度之间，称为具有一定溶解度的中间相。金属和合金的晶体结构类型金属和合金的晶体结构类型①正常价化合物

与化学中的化合物相似，大致可以按原子价写出其分子式。

氯化钠型

离子化合物

合金AB型合金组元之间电化性相差越大，越有利于形成AB型正常价化合物。

IVA

金属元素+VA族元素

VIAe.g.MgSe,MnSe,SeTe金属和合金的晶体结构类型Na━面心立方点阵的正常位置

Cl━面心立方点阵的八面体间隙位置另一个面心立方点阵每个fcc点阵位置上放置一对Na-Cl氟化钙型

CaF2━AB2Ca━面心立方点阵的正常位置正电性元素、负电性较弱的金属

F━面心立方点阵的四面体间隙位置立体对角线的1/4和3/4处负电性元素、正电性较弱的金属反氟化钙型

A2BMg2Si，Mg2Ce，Cu2Se

金属和合金的晶体结构类型闪锌矿型

ZnSZn━面心立方点阵的正常位置

S━交叉分布在8个四面体间隙的4个位置

金刚石立方当闪锌矿结构中的所有原子都为同种原子（如C）占居时。金属和合金的晶体结构类型金属和合金的晶体结构类型石墨结构

在面上的3个键是共价键和金属键的混合，活动于六边环的上方或下方平面的一个键是范德瓦尔键。范德瓦尔键比较弱，所以石墨很容易逐层撕开。每1个碳原子固定和平面上相邻的其他3个碳原子键合，但另1个键却不固定，活动于六边环的上方或下方的一个平面内。摘自余永宁《金属学原理》金属和合金的晶体结构类型硫锌矿型

ZnSZn和S各自组成两种密集式六方晶胞穿插起来两种原子相互间各处于对方原子组成的四面体间隙中金属和合金的晶体结构类型砷化镍型

NiAsAs━密集六方型晶胞

Ni

━简单六方型晶胞位于As晶胞中八面体间隙的中心位置金属和合金的晶体结构类型②电子化合物以电子浓度因素起主导作用而形成的一类相，具有显著的金属特征，其成分大多可在一定范围内变化。只要当电子浓度达到某一范围时，即形成具有一定结构的相。过渡族IIBIBIIIA～VA

（过渡族金属以零价论）第一类结构Ce=21/14=3/2体心立方β黄铜结构复杂立方β锰型结构（晶胞由20个原子组成）密排六方

相结构第二类结构Ce=21/13

复杂立方γ黄铜结构（晶胞由52个原子组成）第三类结构Ce=21/12=7/4

密集六方ε黄铜结构金属和合金的晶体结构类型VBVIIBVIBVIII

（过渡族金属以可能参与键合的电子来计算电子浓度，即除去与隋性气体相当的满壳层电子以外的所有电子）

VB族与VIIB或VIII族VIB族与VIIB或VIII族体心立方Ce=5.0～5.2Ce=6.0～6.2β-W结构5.8～6.36.4～7.0β-U结构（σ相）6.0～

7.36.7～

7.0α-Mn结构6.5～

7.26.4～

7.0密集六方6.2～

8.07.0～

8.0面心立方7.5～10.07.5～10.0电子化合物特征金属和合金的晶体结构类型③尺寸因素化合物间隙相（或间隙化合物）小原子填入大原子间的间隙中，组元间原子尺寸相差很大或以层状分布在大原子层间大原子排列不同于自身结构类型小原子如H、N、C、B等大原子如Fe、Cr、Mn、Mo、Nb、W等面心立方结构ZrN、TiC、CrN、VCrX/rM<0.59

典型金属结构密排六方结构Fe2N、Mo2C、Zr2H

正交晶系结构