金属的晶体结构.ppt

1、2.2 金属的晶体结构,1,主要内容,金属晶体结构类型 合金相结构 固溶体 金属间化合物,2,金属中常见的晶体结构类型,体心立方(BCC),面心立方(FCC),密排六方(HCP),晶体结构与材料性能：(一般规律)面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的金属较差。,一、金属的晶体结构,3,常见的晶体学参数,用来衡量晶胞的大小，是表征物质晶体结构的一个很重要的物理量，可用X射线衍射法测定。 立方晶系：a=b=c，点阵常数用晶胞的一个棱边长a表示即可。 六方晶系：a1=a2=a3c，常用a和c两个点阵常数。当密排六方用等径原子作紧密排列时，c/a=1.633。具有六方结构的金属，其c/a值在

2、1.568到1.886之间变动。,点阵常数,配位数,在晶体中，与某一原子最临近且等距离的原子数称为配位数(CN)。 体心立方的配位数是8 面心立方的配位数是12 密排六方当c/a=1.633时，CN=12,致密度,晶体中原子堆垛的紧密程度称为致密度(K)。就是原子晶胞内原子球所占体积与晶胞体积的比值。K=nVa/V，n为晶胞中的原子数Va为原子体积，V为晶胞体积。,以面心立方为例：,4,常见的晶体学参数,晶体中的间隙,晶体间隙有两种：四面体和八面体,5,最近邻的两个原子中心之间的距离一半，用r表示。,原子半径,常见的晶体学参数,6,是指晶体中每个原子占有的体积，用晶胞体积V除以晶胞中的原子数m

3、，得到结构原子体积Va。,结构原子体积,常见的晶体学参数,其中Vv是摩尔晶体中总间隙体积 NA是阿佛加德罗常数,7,三种典型金属结构的晶体学特征参数,8,其它类型结构,A4结构,结构特点：由于共价键的饱和性和方向性的特点，使得共价键晶体中原子的配位数要比离子型晶体和金属型晶体的小。 常见结构：典型的共价晶体有金刚石(单质型)、石墨、Ge、Si、ZnS(AB型)和SiO2。,金刚石为复杂的面心立方点阵，看见每个阵点上有两个原子，原子间最近距离为 每个原子被4个邻近原子所包围，临近原子组成一个四面体。该原子位于四面体中心，配位数为4。满足8N规律。,金刚石结构,中心原子,9,三角(菱方系结构)A7

4、结构 正方系结构 三斜系结构A8,其它类型结构,10,二、合金中的相结构,11,固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。溶剂-溶质。,中间相(金属化合物)：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相同的相。,共析钢片状珠光体,相的分类结构,12,基本特征： （1）在原子尺度上是相互混合的。 （2）不破坏主晶相原有的晶体结构，但晶胞参数可能有少许改变，基本保持了主晶相的特性。,(一)、固溶体,13,晶体生长过程中 溶液或熔体析晶 金属冶炼 烧结 如:Al2O3晶体中溶入一定量Cr2O3生成红宝石，可以用作饰品及激光器 少量锌溶解于铜中生成黄铜,产生固溶体的过程,14,固溶体中由于杂质质点占据正常格

5、点位置或者占据间隙位置，破坏了基本晶体质点排列的有序性，引起了晶体内周期性势场的畸变，故也属于点缺陷的范畴,固溶体特点,15,采用固溶体原理来制备或开发各种新的材料，满足科技的发展对材料性能提出的特殊性要求。,固溶体的意义,16,按溶质原子位置不同,1、固溶体的分类,如陶瓷材料中的 MgO-CoO、MgO-CaO、PbTiO3-PbZrO3、Al2O3-Cr2O3 Cu-Zn系 和 固溶体,在合金中较为常见，的是金属和H、B、C、N等元素形成的固溶体,17,按固溶浓度不同,溶质和溶剂可以按任意比例相互固溶所生成的固溶体,溶质只能以一定的溶解限度(固溶度)溶入溶剂中，低于固溶度条件下生成的固溶体

6、是单相的，一旦溶质超出这一限度即出现第 2 相。,18,按溶质原子分布不同,各组元质点分别按照各自的布拉维点阵进行排列，整个固溶体就是由各组元的分点阵组成的复杂点阵，称超点阵或超结构。,各组元质点分布是随机的、无规则的,19,2、置换式固溶体,Ni置换Cu生成无限固溶体：Cu1-xNix，其中x = 01 很多二元体系是生成有限置换型固溶体，其中有些体系的固溶量非常低。,问题的提出,20,在理论的指导下，通过对实践经验的积累总结，提出了一些重要的影响因素： (1) 质点尺寸因素 (2) 电负性因素 (3) 电子浓度因素 (4) 晶体结构因素,主要影响因素,21,(1) 质点尺寸因素 决定性因素

7、。 从晶体结构的稳定观点来看，相互替代的质点尺寸愈接近，则固溶体愈稳定，其固溶量将愈大。 ,主要影响因素,22,经验证明： 当30%时，溶质和溶剂之间不生成固溶体，仅在高温下有少量固溶。,主要影响因素,23,固溶体中大(a)、小(b)溶质原子所引起的晶格畸变示意图,24,（2）电负性因素 是指原子吸引电子形成负离子的倾向，以电 负性因素来衡量化学亲和力。 电负性差值X0.40.5，倾向于形成指定的化合物，其电负性差值越大，固溶体中的固溶度越小。,主要影响因素,25,（3）电子浓度因素(原子价因素),主要影响因素,电子浓度：是指合金中总的价电子数(e)与原子总数(a)的比值 V：溶剂的原子价 v

8、 ：溶质的原子价 x ：溶质的摩尔分数,26,（3）电子浓度因素 当固溶度越大时，电子浓度也越大，因此可以用电子浓度的大小来表征两种元素的固溶情况，一般(以铜为溶剂时)不同溶质元素的最大固溶度对应存在一定的电子浓度的极限值，其最大的e/a越值在1.21.4之间。如一价面心立方金属为1.36，一价体心立方金属为1.48。,主要影响因素,27,（4）晶体结构类型 两元素要形成无限固溶体，要求二组元的晶体结构类型相同。因为晶体结构相同，固溶度大，有可能形成无限固溶体。但晶体结构类型相同并不是充分条件,例如：MgO-NiO、Al2O3-Cr2O3、ThO2-UO2、Cu-Ni、Cr-Mo、Mo-W、T

9、i-Zr：无限固溶体 Fe2O3Al2O3，=18.4%，有限固溶体,主要影响因素,28,其它因素的影响,（5）温度 温度对固溶体的形成有明显影响，温度升高有利于固溶体的形成。,29,质点尺寸、晶体结构和电价因素的影响,30,3、间隙式固溶体,组成：原子半径较小(小于0.1nm)的非金属元素如氢、氮、碳、硼、氧等溶入金属晶体的间隙所形成的固溶体。,特点：元素原子的填充，会引起较大的晶格畸变，使点阵常数增大。,影响因素：原子半径和溶剂结构。,溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体。,例子：-Fe(bcc)，-Fe(fcc)比较而言，bcc的间隙尺寸小于fcc的间隙尺寸，因此，溶质原子在bcc中的

10、溶解度要小于在fcc中的溶解度。,31,4、固溶体的结构,(1) 晶格畸变,置换固溶体导致的晶格畸变,32,间隙固溶体中的晶格畸变,33,(2) 微观不均匀性,“原子偏聚”或“短程有序”，可用短程有序参数分析固溶体中B原子周围前临近A原子的分布情况：,34,固溶体中溶质原子分布示意图 a) 完全无序；b) 偏聚；c) 部分有序；d) 完全有序,35,5、长程有序固溶体(超结构),定义： 很多置换固溶体，当成分接近于一定的原子比，即AB、A3B、AB3，当温度降至某一临界温度下时，两种原子会从高温的完全无序过渡到A、B两种原子都在较大距离上占有一定位置的规则排列状态，而发生“有序化”过程，这种有

11、序固溶体会在X射线衍射图上出现额外的衍射线条，称为超结构，因此有序固溶体又称“超结构”。,36,类型1： fcc中的超结构,5、长程有序固溶体(超结构),CuAu型,CuPt型,37,类型2： bcc中的超结构,去,CuZn型,Fe3Al型,38,类型3：hcp中的超结构,Mg3Cd型,39,6、影响有序固溶体有序化的因素,有序化的两个基本条件,(1) 异类原子的相互吸引力必须大于同类原子的吸引力，以便有序化时降低能量。即,(2) 固溶体晶体成分相当于一定的化学式成份，为AB、A3B或AB3。因为只有这样才能在完全有限的结构中，AB原子全部都能按比例各自占据点阵中规定的某一位置。,40,注：(

12、1) 有序固溶体中长程有序化程度(有序度)通常用长程有序参数表示,(2) 温度对有序度也有重要影响，长程有序仅在低于某一临界温度下才能形成，当温度升高，由于热振动加剧，使得长程有序度下降。,41,有序化对性能的影响： 通常提高硬度、强度、降低塑性有序强化 电阻降低 影响铁磁性 影响弹性性质,42,7、反相畴与反相畴界,定义： 固溶体从无序到有序的转变过程中是通过形核和逐渐长大的进行的。其中，核是短程有序的微小区域，当合金缓冷经过临界点Tc时，多个核心慢慢独自长大，并相互接壤，这些区域内部原子排列都是有序的，称为“反相畴”。 反相畴相互接壤处原子排列违反有限排列规则，形成一个明显的分界面，这个界

13、面称为“反相畴界”,43,两个有序畴同时成长相遇时形成的反相畴界,44,8、固溶体的性质,固溶体的强度总是比组成它的纯组元高，且随溶质原子浓度增加，强度也增加。,(1) 固溶强化,45,溶质原子的加入，使固溶体的电阻率升高，电阻温度系数降低。 磁性的改变，如Si溶入-Fe中不仅增大电阻率，还增加了磁性。 腐蚀性能的改变，如Cr固溶到-Fe中，可使Fe的电极电位提高，从而提高合金抵抗空气、水蒸气、酸的腐蚀能力,(2) 物理、化学性能改变,46,形成固溶体时，溶剂的晶体结构不变，但由于溶剂与溶质原子大小不同，会使点阵产生局部畸变，导致点阵常数发生改变。 固溶体点阵常数a与其成分x的关系：a=a1+

14、(a2-a1)x 其中x：溶质的摩尔分数；a1、a2 分别为溶剂、溶质的点阵常数。 当溶质原子半径大于溶剂原子半径时，固溶体点阵常数将随溶质含量的增加而加大，反之则减小。,(3) 点阵常数的改变,47,(二)、金属间化合物相,中间相是由金属与金属，或金属与类金属元素之间形成的化合物，也称为金属间化合物。,定义,键合方式,离子键,共价键,金属键,特点,熔点高 硬度高 脆性大,48,种类,(1) 正常价化合物,组成： 由两种电负性差值较大的元素按通常的化学价规律形成的化合物，其稳定性与两组元的电负性差值大小有关，电负性差值越大，稳定性越高，愈接近离子键 键型：随电负性差的减小，分别形成离子键、共价

15、键、金属键。特点：具有较高的强度和脆性，固溶度范围极小，在相图上为一条垂直线。 常见化合物：MnS、Mg2Si、Mg2Sn。,49,(2) 电子化合物,形成：电子浓度起主要作用，不符合原子价规则 键型：金属键(金属-金属)，化合物具有明显的金属特性 组成：电子浓度对应晶体结构，可用化学式表示，可形成以化合物为基础的固溶体。 常见的化合物：,50,电子化合物,51,(3) 原子尺寸因素化合物,成因：当两种元素形成金属间化合物时，如果它们之间的原子半径差别很大时，便形成原子尺寸因素化合物 分类：填隙相和拓扑密堆相(TCP),52,(a) 填隙相 可分为简单间隙相和复杂间隙相,简单间隙相VC的结构示意图,53,复杂间隙相Fe3C的结构示意图,54,如果用大小不同的两种原子进行最紧密堆垛，通过合理搭配，就有可能获得全部或主要由四面体堆满整个空间，达到空间利用率和配位数都更高的密堆结构，但这些四面体不一定都是等棱四面体，这种密排结构称“拓扑密堆结构”，配位数可达12、14、15、16。 典型的TCP相有： 相，Laves相，x相和相。下面简单介绍 相和Laves相,(b) 拓扑密堆相,55,相,形成：一般出现在过渡金属组成的合金系中,自身特点及对合金性能的影响： 相的硬度很高，脆性大。 相的存在，使得合金的塑性和韧性显著下降，特别是