金属及合金相的晶体结构

1、第二章 金属及合金相的晶体结构 2.1 晶体结构的几何特性 (1)配位数（coordination number, CN） 一个原子周围的最近邻原子数,对纯元素晶体，最近邻原子与考察原子的距离相等 对多元素晶体，最近邻原子与考察原子的距离不一定相等,(2)晶胞内的原子数n 可由晶格图直接读出，但要注意：角、 棱、面上的原子为几个相邻晶胞所共有。 对立方晶系： 顶角原子为八个晶胞所共有 棱边原子为四个晶胞所共有 表面原子为两个晶胞所共有,对六方晶系： 顶角原子为六个晶胞所共有 棱边原子为三个晶胞所共有 表面原子为两个晶胞所共有,（3）堆积因子（packing factor） 又叫致密度、堆垛密度

2、、紧密系数等 式中V为原子体积 V0为晶胞体积,一般假设原子为半径r的刚球，最近邻原子是相切的（刚球密排模型） 例：对一般立方晶格，晶胞长度为2r，原子个数为1,则有,(4)间隙（interstice） 位于晶格中可容纳其他原子的格点 对晶体性能影响很大,2.2 金属中常见的晶体结构 1、面心立方（Face-centered cubic, FCC） (A1,cF4) CN=12; =0.74 基元为单个原子 如-Fe, Al, Cu, Ni, Pb, Au, Ag, Pt等,2、体心立方（Body-centered cubic, BCC） (A2,cI2) CN=8; =0.68 基元为单个原

3、子 如-Fe, Cr, W, Mo, V, Nb, -Ti, -Zr等,3、密排六方（Hexagonal close-packed, HCP） (A3,hp2) CN=12; =0.74 基元为2个原子 如Be, -Ti, -Zr, Mg, Zn, Cd等,2.2 密堆积结构中原子的堆积方式 二维密排原子面中，每个小球与六个球相切， 每个球附近有6个间隙，可分为B,C两类； 如图2.8所示 每个间隙附近有三个球,如第二排原子正好对准B或C，排成ABABABAB 则为密排六方结构 如第一排为A，第二排为B，第三排为C，第四 排为A，形成ABCABCABC. 则为面心立方结构,2.3 晶体结构中的

4、间隙 一、间隙的种类 有三面体、四面体、五面体、八面体、 十二面体、二十面体等 在BCC, FCC, HCP中，以四面体、 八面体为主,二、间隙的密度 每个四面体间隙有4个原子， 每个原子周围有8个四面体间隙； 每个八面体间隙有6个原子， 每个原子周围有6个四面体间隙；,三、BCC, FCC, HCP的间隙 BCC: 八面体间隙6个 (略受压缩的八面体) 四面体间隙12个 （非正四面体） FCC: 八面体间隙4个 四面体间隙8个 HCP: 八面体间隙6个 四面体间隙12个,2.4 同素异构性 同素异构性元素在温度或压力发生改变时具有不同结构的特性 金属元素中，有37种元素具有同素异构性,通常在

5、金属符号前加以 ， .等表示，如-Fe，-Ti，-Fe等 Fe: 912 C BCC, -Fe 912 C 1394 C FCC, -Fe 1394 C BCC, -Fe,同素异构转变时，原子间距与晶胞体积会有一个突变 Sn: 13.2 C, -Sn (A5, tI4) 体心四方结构 白锡 二者转变时，晶胞体积变化26%，会使灰锡裂开,2.5 金属晶体中原子的大小 一般认为原子半径r与最近邻原子间距S0 有关系 但原子间距会随CN的增加而增加,Goldschmidt于1928年提出：将CN=12看成标准密堆积，对其他CN值进行修正 CN 4 6 8 10 12 14 16 % 12 4 3 1

6、.4 0 -1.2 -2.2 Goldschmidt法只适用于简单结构的元素,为消除CN对原子大小的影响，常用原子体积（ ）参数： 一般变化较小,2.6 合金相的分类 相（Phase）在任一给定的物质系统中，具有相同化学成分、相同原子聚集状态、相同物理化学性质的均匀连续的组成部分 相与相之间有界面分开 固体材料可以是单相，如纯金属、聚乙烯等 也可以是多相，如钢= -Fe+Fe3 陶瓷=晶体相+玻璃相+气相,置换固溶体 固溶体 间隙固溶体 合金相 价化合物 中间相 电子相 拓扑密堆积相（TCP相）,2.7 固溶体(Solid Solution) 固溶体固态下溶质（solute）溶解在溶剂（sol

7、vent）中形成的新相 固溶体具有溶剂组元的点阵类型 溶质原子在溶剂中的最大含量（极限溶解度）称为固溶度（Solid Solubility）,一、固溶体的分类 按原子占位分类： 置换固溶体 间隙固溶体 按溶解度分类： 无限固溶体 有限固溶体 按秩序分类： 无序固溶体 有序固溶体,二、置换固溶体（Substitutional Solid Solution） 置换固溶体溶质原子占据溶剂原子的格位 不少金属间可以形成置换固溶体，但固溶度相差很大 主要原因：原子尺寸、结构因素、电负性、电子浓度等对置换固溶体的固溶度影响很大。,1、原子尺寸 相差越小越易形成置换固溶体 2、结构因素 结构相同可形成无限固

8、溶体 同种原子在面心立方结构中的溶解度大 于在体心立方中的溶解度,3、电负性 电负性相差越大、越容易形成置换固溶体 4、电子浓度 电子浓度越大，溶解度越大。,Darken-Gurry图可以预测固溶度 ， 如图2.17所示,三、间隙固溶体（Intistitial Solid Solution） 由于非金属元素的原子半径小 H(0.046 nm), N(0.071 nm), C(0.077 nm) B(0.097 nm), O(0.060 nm) 溶解在金属中一般占据间隙位置，溶解度有限。,例：在1000C时，有溶解度c=1.7%的C原子溶 解于FCC的Fe中。求100个单位晶胞中有多 少个C原子？ （已知Fe的相对原子量为55.85， C的相对原子量为12.