金属的晶体结构-课件.ppt

1、金属学及热处理金属学及热处理 (第二版第二版)哈工大哈工大 崔忠圻崔忠圻 覃耀春覃耀春 主编主编第一章第一章 金属的晶体结构金属的晶体结构v内容提要：内容提要： 本章介绍金属材料的结构与组织，包括金属原子间的结合 (原子的结构特点、金属键的本质、结合力与结合能）金属的晶体结构 (点阵、晶格、晶胞、晶系、晶面、晶向等） 晶体缺陷 (点、线、面、体缺陷）合金的相结构 （固溶体、化合物）金属学及热处理金属学及热处理-第一章第一章 v学习目标：学习目标： 重点掌握金属材料的晶体结构、晶体缺陷和合金的相结构结构。1.1 金属原子间的结合金属原子间的结合v学习目标：学习目标： 根据金属键的本质，解释固态金

2、属的一些特性导电性、正的电阻温度系数、传热性及延展性等）利用双原子作用模型，分析两个原子间的相互作用（P3的图1-2）1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 1 晶体的特性晶体的特性v规则排列；v各向异性；v一定条件下晶态与非晶态可以互换。v晶体结构晶体结构：晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式。v晶格晶格：通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线，由这些直线形成的空间格架。（假想的格架）v晶格的结点结点：金属原子(或离子)平衡中心的位置。 晶体 晶格 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 2 晶体结构与空间点阵（晶体结构与空间点阵（1）材料性能取决于材料的化学成分和其内部的组织结构Proc

3、essingStructurePropertiesPerformancev晶胞晶胞unit cell ：反映晶格特征的最小组成单元。 晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。 晶胞的基本特性反映晶体结构(晶格)的特点。v晶胞的几何特征晶胞的几何特征：六个参数来描述三条棱边长a、b、c（晶格常数）晶格常数）三条棱边之间的夹角、。v金属的晶格常数一般为: 110-10 m710-10 m。 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 2 晶体结构与空间点阵（晶体结构与空间点阵（2）v不同元素组成的金属晶体因晶格形式晶格形式及晶格常数晶格常数不同， 其物理、化学和力学性能也不同。v金属的晶体结构可用X X射线射

4、线（X Xrayray）结构分析技术结构分析技术进行测定。 v体心立方晶格体心立方晶格( (胞胞) ) Body-Centered Cubic Body-Centered Cubic (B.C.C.(B.C.C.晶格晶格) )v面心立方晶格面心立方晶格( (胞胞) ) Face-Centered Cubic Face-Centered Cubic (F.C.C.(F.C.C.晶格晶格) )v密排六方晶格密排六方晶格( (胞胞) ) Hexagonal Close-Packed Hexagonal Close-Packed (H.C.P.(H.C.P.晶格晶格) ) 提示提示：由于原子排列紧密程

5、度不一样,当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时, 体积会发生变化。钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因。不同晶体结构中原子排列的方式不同, 将会使它们的形变能力不同。 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 3 三种典型的晶体结构三种典型的晶体结构66 （1） 体心立方结构体心立方结构 (BCC晶格晶格) Page1/5v原子排列原子排列： 八个原子分别处于立方体的八个角上,一个原子处于立方体的中心, 角上八个原子与中心原子紧靠一起。体心立方晶胞原子排列体心立方晶胞原子排列 11223344557788ccEg. 钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、-铁铁(-Fe, 912 )v体心立方晶胞特征

6、：（1）晶格常数晶格常数 lattice constants a=b=c, =90（2）晶胞原子数晶胞原子数 The number of the atoms belonging to one unit cell -2个 (每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞,因而每个 角上的原子属于一个晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全 属于这个晶胞。) （3）原子半径原子半径 atomic radius（4）致密度致密度 atomic packing factor (APF)-0.68（5）空隙半径空隙半径 gap radius（6）配位数配位数 coordination number最近邻等

7、距离原子数，体心立方晶格的配位数为8。配位数越大, 原子排列紧密程度就越大。 BCC Page2/5 （3）原子半径原子半径 晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半, 或晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半称为原子半径(r原子)。 体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线, 所以原子半径与晶格常数a之间的关系为： 3443原子原子或raar BCC Page3/5 （4）致密度致密度(APF) 晶胞中所包含的原子所占有的体 积与该晶胞体积之比 (也称密排系数密排系数)。 致密度越大, 原子排列紧密程度越大。 体心立方晶胞的致密度体心立方晶胞的致密度为： 3443原子原子或raa

8、r即晶胞即晶胞( (或晶格或晶格) )中有中有68%68%的体积被原子所占据的体积被原子所占据, , 其余其余为空隙。式中：为空隙。式中： BCC Page4/5 （5）间隙半径间隙半径 若在晶胞空隙中放入刚性球, 则能放入球的最大半径为空隙半径。 体心立方晶胞中有两种间隙：四面体间隙四面体间隙半径为: r四=0.29r原子；八面体间隙八面体间隙半径为: r八=0.15r原子 BCC Page5/5（2） 面心立方结构面心立方结构 (FCC晶格晶格) Page1/4v原子排列原子排列：金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。v铝(Al)、铜(Cu)、

9、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、- 铁( -Fe, 912 1394 )等具有这种晶格。 面心立方晶胞原子排列 v面心立方晶胞特征：(1)晶格常数 a=b=c, =90(2)晶胞原子数 (个) FCC Page2/4（3）原子半径 or22原子ra ar42原子 FCC Page3/4（4）致密度 0.74 (74%) （5）配位数 12（6）空隙半径 四面体空隙四面体空隙半径为: r四=0.225r原子 八面体空隙八面体空隙半径为: r八=0.414r原子 FCC Page4/4（3）密排六方结构）密排六方结构(HCP晶格晶格)Page1/2 v原子排列：十二个金属原子分布在六方体的十二

10、个角上, 在上下底面的中心各分布一个原子, 上下底面之间均匀分布三个原子。v镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等具有这种晶格。 密排六方晶胞原子排列密排六方晶胞原子排列 v密排六方晶胞特征：（1）晶格常数 用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表达, 两相邻侧面之间的夹角为120, 侧面与底面之间的夹角为90。 （2）晶胞原子数 （3）原子半径（4）致密度 0.74 (74%)（5）空隙半径 四面体空隙四面体空隙半径为: r四=0.225r原子 八面体空隙八面体空隙半径为: r八=0.414r原子（6）配位数 12 ar21原子 HCP Page2/2Characterist

11、icscrystal structures FCCBCCHCPEdge lengthaaa, c (c/a=1.633)Atomic radius RThe number of the atoms belonging to one unit cell426Coordination number12812Atomic packing factor (APF)0.740.680.74a42a43)4321(222caaImportant Characteristics of three Crystal Structure4、晶体、晶体中的晶面和晶向中的晶面和晶向Page1/8Page1/8 v 通

12、过晶体中原子中心的平面叫做晶面；v 通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方向叫做晶向。v 晶面或晶向可用晶面指数或晶向指数来表达。 v 以图中的晶面ABBA为例, 晶面指数的标定过程晶面指数的标定过程如下：(1)设定一空间坐标系, 原点在欲定晶面外, 并使晶面在三条坐标轴上有截距或无穷大。 (2)以晶格常数a为长度单位, 写出欲定晶面在三条坐标轴上的截距: 1 (3)截距取倒数：100 (4)截距的倒数化为最小整数：100 (5)将三整数写在圆括号内：(100) v 晶面ABBA的晶面指数即为(100)立方晶胞中的主要晶面 晶面和晶向晶面和晶向Page2/8v同样可得晶面ACCA和ACD的晶

13、面指数分别为(110)、(111)。v晶面指数的一般标记为晶面指数的一般标记为(hkl)。(hkl)实实际表示一组原子排列相同的平行晶面。际表示一组原子排列相同的平行晶面。 v 晶面的截距可以为负数, 在指数上加负号, 如 。若某个晶面(hkl)的指数都乘以-1, 则得到晶面 ,则晶面(hkl)与 属于一组平行晶面, 如晶面ACD(111)与晶面ACB , 这两个晶面一般用一个晶面指数(111)来表示。晶面和晶向晶面和晶向Page3/8v在立方晶系中, 由于原子的排列具有高度的对称性, 往往存在许多原子排列完全相同但在空间位向不同(即不平行)的晶面, 这些晶面总称为晶面族晶面族, 用大括号表示

14、, 即hkl。v在立方晶胞中 、 、 、 同属111晶面族。 v可用下式表示： 晶面和晶向晶面和晶向Page4/8v 以图中的晶向OA为例, 说明晶向指数的标定过程。 （1）设定一空间坐标系, 原点在欲定晶向的一结点上。（2）写出该晶向上另一结点的空间坐标值: 100（3）将坐标值按比例化为最小整数：100（4）将化好的整数记在方括号内: 100 得到晶向OA的晶向指数为100。立方晶胞中的主要晶向立方晶胞中的主要晶向 晶面和晶向晶面和晶向Page5/8v同样方法可得晶向OB、OC 的晶向指数分别为110、111v晶向指数的一般标记为uvw。vuvw实际表示一组原子排列相同的平行晶向。v晶向指

15、数也可能出现负数。若两组晶向的全部指数数值相同而符号相反, 如110与 , 则它们相互平行或为同一原子列, 但方向相反。若只研究该原子列的原子排列情况, 则晶向110与 可用一指数110表示。晶面和晶向晶面和晶向Page6/8v原子排列情况相同而在空间位向不同(即不平行)的晶向统称为晶向族晶向族, 用尖括号表示, 即。如: = 100 + 010 + 001 v在立方晶系中, 一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时, 则该晶面与该晶向互相垂直, 如(111)111。 晶面与晶向互相垂直 对立方晶系而言对立方晶系而言: Page7/8对六方晶系而言对六方晶系而言: Page8/8v四指数方法

16、四指数方法表示晶面和晶向 水平坐标轴选取互相成120夹角的三坐标轴a1、a2和a3, 垂直轴为c 轴。六方晶系的几个主要晶面和晶向六方晶系的几个主要晶面和晶向 晶面晶面表示为(hkil), 晶面晶面族族为hkil 晶向晶向表示为uvtw, 晶向晶向族族为5. 密排面和密排方向密排面和密排方向Page1/4 v 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上原子排列方式和排列密度不一样。v体心立方晶格密排面密排面:原子密度最大的晶面为110, v体心立方晶格:密排方向密排方向 原子密度最大的晶向v面心立方晶格: 密排面密排面111, 密排方向密排方向。 面心立方晶格的111面 5. 密排面和密排方向密排面和

17、密排方向Page2/4 体心立方晶格面心立方晶格 晶面指数晶面原子排列示意图晶面原子密度 (原子数/面积)晶面原子排列示意图晶面原子密度 (原子数/面积) 100110111 体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度5. 密排面和密排方向密排面和密排方向Page3/4 体心立方晶格面心立方晶格 晶向指数晶向原子 排列示意图晶向原子密度 (原子数/长度)晶向原子 排列示意图晶向原子密度 (原子数/长度) 体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度 5. 密排面和密排方向密排面和密排方向Page4/4 6、晶体的各向异性、晶体的各向异性 Page1/2 v非晶体的各向同性各向同性: :非

18、晶体在各个方向上性能完全相同的性质。 晶体的各向异性：各向异性：在晶体中, 不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同的性质。例如单晶体铁(只含一个晶粒)的弹性模量，在方向上为2.90105 MPa, 而在方向上只有1.35105 MPa。体心立方晶格的金属最易拉断或劈裂的晶面(称解理面解理面)就是100面。 v2. 金属晶体具有各向异性金属晶体具有各向异性 例如 变压器用的硅钢片的方向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。（单晶体铁在磁场中沿方向磁化，比沿方向磁化容易。）锌在盐酸中溶解时，晶面的溶解速度的次序从大到小是： 、 、

19、 。金属晶体的力学、物理和化学等方面的性能在不同的方向上是不一样的。 实际使用的金属晶体的各向异性就显示不出来了。6、晶体的各向异性、晶体的各向异性 Page2/2 7. 多晶型性v多晶型性转变或同素异构转变-金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变。往往伴随有体积的突变，引起变形。v如：Fe、C等。1.3 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构 P26-39v实际金属不是理想完美的单晶体, 结构中存在有许多不同类型的缺陷。 v按照几何特征，三类：点缺陷：点缺陷：指在三维尺度上都很小的, 不超过几个原子直径的缺陷。如：空位、间隙原子、异类原子。空位、间隙原子、异类原子。会会造成局部晶格畸变,

20、 使金属的电阻率、屈服强度增加, 密度发生变化。 线缺陷：线缺陷：指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。这就是位错, 由晶体中原子平面的错动引起。如：刃型位错、螺型位错，如为刃型位错、螺型位错，如为混合位错。混合位错。 面缺陷：面缺陷：指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。如:晶界晶界, ,亚晶亚晶界界 1. 点缺陷点缺陷 1/2 P19-21v点缺陷：空位空位在晶体晶格中, 若某结点上没有原子, 则这结点称为空位空位。空位附近的原子会偏离正常结点位置, 造成晶格畸变晶格畸变。空位的存在有利于金属内部原子的迁移(即扩散扩散)。 v点缺陷：间隙原子间隙原子 位于晶格间隙之中的原子叫间隙原间隙原子

21、子。 间隙原子会造成其附近晶格的很大畸变。 v点缺陷：异类原子异类原子 纯金属中存在的杂质, 即其它元素原子称为异类原子异类原子(或杂质原子杂质原子)。当异类原子与金属原子的半径接近时, 则异类原子可能占据晶格的一些结点; 当异类原子的半径比金属原子的半径小得多, 则异类原子位于晶格的空隙中, 它们都会导致附近晶格的畸变。 (b)异类原子半径比金属原子半径小异类原子半径比金属原子半径小 (a)异类原子半径比金属原子半径大异类原子半径比金属原子半径大 1. 点缺陷点缺陷 2/22. 线缺陷线缺陷-1/ 4 P21-26v线缺陷：刃型位错刃型位错-晶体中已滑移区和未滑移区的边界晶体中已滑移区和未滑

22、移区的边界2. 线缺陷线缺陷-2/ 4 在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面。这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线位错线。这种线缺陷称刃型位错刃型位错。 半原子面在上面的称正刃型位错正刃型位错, 半原子面在下面的称负刃型位负刃型位错错。v线缺陷：螺型位错螺型位错 晶体右边的上部点相对于下部的距点向后错动一个原子间距，即右边上部相对于下部晶面发生错动。若将错动区的原子用线连接起来，则具有螺旋型特征。这种线缺陷称螺型位错螺型位错。 螺旋位错俯视螺旋位错俯视2. 线缺陷线缺陷-3/ 4金属的强度与位错密度的关系 不锈钢中的位错线不锈钢中

23、的位错线 退火金属中位错密度一般为 101012 m-2 左右。位错的存在极大地影响金属的机械性能。当金属为理想晶体或仅含极少量位错时, 金属的屈服强度 s 很高, 当含有一定量的位错时, 强度降低。当进行形变加工时, 位错密度增加, s 将会增高。2. 线缺陷线缺陷-4/4 位错能够在金属的结晶、塑性变形结晶、塑性变形和相变相变等过程中形成 晶体中位错的量晶体中位错的量可用位错线长度来表示。位错密度位错密度是指单位体积中位错线的总长度，即 式中： 为位错密度, 单位为m-2，L 为位错线总长度, 单位为m, V为体积, 单位为m3。 3. 面缺陷面缺陷-1/ 2实际金属为多晶体, 是由大量外

24、形不规则的小晶体即晶粒组成的。每个晶粒基本上可视为单晶体.一般尺寸为10-510-4 m, 但也有大至几个或十几个毫米的。所有晶粒的结构完全相同, 但彼此之间的位向不同, 位向差为几十分、几度或几十度。 晶界原子排列的示意图晶界原子排列的示意图 1Cr17不锈钢的多晶体不锈钢的多晶体 v面缺陷: 晶界晶界 晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界晶界。晶界在空中呈网状；晶界上原子的排列规则性较差。 v面缺陷：亚晶界亚晶界 由许多位向相差很小的所谓亚晶粒组成的。晶粒内的亚晶粒又叫晶块(或嵌镶块)。亚晶粒之间的位向差位向差只有几秒、几分，最多达12度。亚晶粒之间的边界叫亚晶界亚晶界。亚晶界是位错规则排列的

25、结构。例如，亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成。亚晶界是晶粒内的一种面缺陷。 亚晶界亚晶界 3. 面缺陷面缺陷-2/2 晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多, 晶粒越细, 金属的塑性变形能力越大, 塑性越好。 1.4合金中的相结构合金中的相结构 (相关概念相关概念) P18-26合金合金：由两种或两种以上的元素组成，其中至少有一种为金属，：由两种或两种以上的元素组成，其中至少有一种为金属，通过熔化或其它方法通过熔化或其它方法组成具有金属性的材料称为合金。组成具有金属性的材料称为合金。 组元组元：通常把组成材料的最简单、最基本、能够独立存在的物质：通常把组成材料的最简单、最基本、能够独立存

26、在的物质称为组元。组元大多数情况下是元素；在研究的范围内既不称为组元。组元大多数情况下是元素；在研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可成为组元。分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可成为组元。相相：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀：凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀组成部分，称之为相。在固态材料中，按其晶格结构的基本组成部分，称之为相。在固态材料中，按其晶格结构的基本属性来分，可分为属性来分，可分为固溶体固溶体和和化合物化合物两大类。两大类。组织组织：人们用肉眼或借助某种工具（放大镜、光学显微镜、电子：人们用肉眼或借助某种工具（放大镜、

27、光学显微镜、电子显微镜等）所观察到的材料形貌。它决定于组成相的类型、显微镜等）所观察到的材料形貌。它决定于组成相的类型、形状、大小、数量、分布等。形状、大小、数量、分布等。 组织组成物组织组成物：组织中形貌相同的组成部分。：组织中形貌相同的组成部分。1.3.1固溶体固溶体 A)A)概念概念 1/81/8 当材料由液态结晶为固态时，组成元素间会象溶液那样互当材料由液态结晶为固态时，组成元素间会象溶液那样互相溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其它元素原相溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其它元素原子的新相，称为固溶体。与固溶体的晶格相同的组成元素称为子的新相，称为固溶体。与固溶体的

28、晶格相同的组成元素称为溶剂，在固溶体中一般都占有较大的含量；其它的组成元素称溶剂，在固溶体中一般都占有较大的含量；其它的组成元素称为溶质，其含量与溶剂相比为较少。为溶质，其含量与溶剂相比为较少。固溶体即一些元素进入某固溶体即一些元素进入某一组元的晶格中，不改变其晶体结构，形成的均匀相。一组元的晶格中，不改变其晶体结构，形成的均匀相。 溶质原子溶入固溶体中的量称为固溶体的溶质原子溶入固溶体中的量称为固溶体的浓度浓度。在一定的。在一定的条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度叫做溶质元素在固溶条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度叫做溶质元素在固溶体中的体中的溶解度溶解度。浓度或溶解度一般用溶质元素所占

29、的重量百分。浓度或溶解度一般用溶质元素所占的重量百分比来表示比来表示( (%Wt%Wt) )；有时也用溶质元素所占的原子数量百分比来；有时也用溶质元素所占的原子数量百分比来表示，这时也称为摩尔浓度表示，这时也称为摩尔浓度( (%Wa%Wa) )。 1. 1.按溶质原子在固溶体按溶质原子在固溶体( (溶剂溶剂) )晶格中的位置不同可分为：晶格中的位置不同可分为： 1) 1) 置换固溶体置换固溶体 溶质原子取代了溶质原子取代了部分部分溶剂晶格中某些溶剂晶格中某些节节点上的点上的溶剂原子溶剂原子而形成的固溶体而形成的固溶体。 2) 2) 间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子嵌入溶溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙

30、中，不占据晶格剂晶格的空隙中，不占据晶格结点位置。结点位置。 B)B)分类分类 2/82/82.2.按溶解度分按溶解度分溶质原子溶于固溶体中的量称为固溶体的浓度，一般用重量百溶质原子溶于固溶体中的量称为固溶体的浓度，一般用重量百分比表示，即分比表示，即也可以用原子百分比表示，即也可以用原子百分比表示，即1)1)无限溶解固溶体无限溶解固溶体 溶质可以任意比例溶入溶剂晶格中。溶质可以任意比例溶入溶剂晶格中。构成构成无限无限固溶体固溶体。这是把含量较高的组元称为溶剂，含量较少的组。这是把含量较高的组元称为溶剂，含量较少的组元称为溶质。元称为溶质。2)2)有限溶解固溶体有限溶解固溶体 溶质原子在固溶体

31、中的浓度有一定限度，溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度，超过这个限度就会有其它相超过这个限度就会有其它相( (另一种固溶体或化合物另一种固溶体或化合物) )的形成。的形成。间隙固溶体都是有限溶解固溶体。在金属材料中，通常是过渡间隙固溶体都是有限溶解固溶体。在金属材料中，通常是过渡族金属元素为溶剂，小尺寸的族金属元素为溶剂，小尺寸的C C、N N、H H、O O、B B等元素为溶质等元素为溶质。 B)B)分类分类 3/83/83.3.按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点: :是否有规律是否有规律 1)1)无序固溶体无序固溶体 溶质原子在溶剂晶格中分布是任意的，溶质原子

32、在溶剂晶格中分布是任意的，没有任何规律性，仅统计角度上是均匀分布的。没有任何规律性，仅统计角度上是均匀分布的。 2)2)有序固溶体有序固溶体 溶质原子以一定的比例，按一定方向溶质原子以一定的比例，按一定方向和顺序有规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。和顺序有规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上。 在有些材料中，固溶体还存在有序化转变，即在一定的条在有些材料中，固溶体还存在有序化转变，即在一定的条件件( (如温度、压力如温度、压力) )下，无序固溶体和有序固溶体之间会发生相下，无序固溶体和有序固溶体之间会发生相互转变。互转变。由由无序固溶体可转变为有序固溶体，叫做有序化无序固溶体可转变为有序固

33、溶体，叫做有序化。 B)B)分类分类 4/84/8 在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度叫该元素在一定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度叫该元素在固溶体中的溶解度。影响溶解度的因素很多，目前还在研究在固溶体中的溶解度。影响溶解度的因素很多，目前还在研究中，现在公认的有：中，现在公认的有： 1 1原子尺寸因素原子尺寸因素 在置换固溶体中，溶质原子的尺寸和溶剂相近，溶解度也在置换固溶体中，溶质原子的尺寸和溶剂相近，溶解度也愈大，愈大，rr小于小于15%15%时才有利于形成置换固溶体，要能达到无限时才有利于形成置换固溶体，要能达到无限互溶，互溶，rr的值还要小一些。的值还要小一些。 间隙固溶

34、体的形成的基本条件间隙固溶体的形成的基本条件D D质质/D/D剂剂0.590.59。在间隙固溶体在间隙固溶体中，显然中，显然D D质质/D/D剂剂愈小，即溶质原子的尺寸愈小，溶解度也大。愈小，即溶质原子的尺寸愈小，溶解度也大。间隙固溶体只能有限溶解。间隙固溶体只能有限溶解。 C)C)影响固溶体溶解度的因素影响固溶体溶解度的因素5/85/82 2晶体结构因素晶体结构因素 组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且才有可组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且才有可能形成无限固溶体。若组元间的晶体结构不同，便只能生成有能形成无限固溶体。若组元间的晶体结构不同，便只能生成有限固溶体。限固溶体。

35、 3 3电负性差电负性差 电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离子的能力。子的能力。反映两元素的化学性能差别。反映两元素的化学性能差别。 两元素间电负性差越小，则越容易形成固溶体，且所形成两元素间电负性差越小，则越容易形成固溶体，且所形成的固溶体的溶解度也就越大；随两元素间电负性差增大，溶解的固溶体的溶解度也就越大；随两元素间电负性差增大，溶解度减小，当其差别很大时，往往形成较稳定的化合物。度减小，当其差别很大时，往往形成较稳定的化合物。 C)C)影响固溶体溶解度的因素影响固溶体溶解度的因素6/86/84 4电子浓度电子浓度 在金属

36、材料在金属材料( (合金合金) )中，价电子数目中，价电子数目(e)(e)与原子数目与原子数目(a)(a)之比之比称为电子浓度。由于溶质和溶剂的价电子数可能不同，电子浓称为电子浓度。由于溶质和溶剂的价电子数可能不同，电子浓度度 e/a = Ve/a = VA A(1-x) + V(1-x) + VB Bx x。其中。其中x x为溶质的原子百分比浓度为溶质的原子百分比浓度( (摩尔分数摩尔分数) )，V VA A、V VB B分别为溶剂和溶质的价电子数。分别为溶剂和溶质的价电子数。 一方面，溶质和溶剂的价电子数目相差大，它们的电负性一方面，溶质和溶剂的价电子数目相差大，它们的电负性的差别也大，溶

37、解度会下降。另一方面，当的差别也大，溶解度会下降。另一方面，当 e/a e/a 为某些特定为某些特定值时形成一新的晶体结构，因此它们的溶解度也就受到相应的值时形成一新的晶体结构，因此它们的溶解度也就受到相应的限制。限制。 C)C)影响固溶体溶解度的因素影响固溶体溶解度的因素7/87/8D)D) 固溶体的性质固溶体的性质 8/88/8 固溶体随着溶质原子的溶入固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变晶格发生畸变。晶格畸变增大位错运。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。度和硬度。固溶强化：固溶强化：

38、通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的方法。通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的方法。固溶强化是金属强化的一种重要形式固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低塑性和韧性没有明显降低。固溶体综合机械性能很好固溶体综合机械性能很好, 常作为结构合金的基体相。常作为结构合金的基体相。与纯金属相比与纯金属相比,固溶体物理性能有较大的变化固溶体物理性能有较大的变化, 如电阻率上升如电阻率上升, 导导电率下降电率下降, 磁矫顽力增大磁矫顽力增大纯铜的纯铜的b为为220 MPa, 硬度为硬度为40

39、 HB, 断面收断面收缩率缩率为为70%。当加入当加入1%的镍形成单相固溶体后的镍形成单相固溶体后, 强度升高强度升高到到390 MPa, 硬度升高到硬度升高到70 HB, 而断面收缩而断面收缩率率仍有仍有50%。 当溶质的含量超过了其溶解度，在材料中将出现新相。若当溶质的含量超过了其溶解度，在材料中将出现新相。若新相为另一组元的晶体结构，则也是另一固溶体。若其晶体结新相为另一组元的晶体结构，则也是另一固溶体。若其晶体结构与组元都不相同，表明生成了新的物质构与组元都不相同，表明生成了新的物质。所以，所以，化合物化合物是构是构成的成的组元相互作用，生成不同与任何组元晶体结构的新物质组元相互作用，

40、生成不同与任何组元晶体结构的新物质。 化合物结构的特点，一是有基本固定的原子数目比，可用化合物结构的特点，一是有基本固定的原子数目比，可用化学分子式表示，二是晶体结构不同于其任何组元。在以下将化学分子式表示，二是晶体结构不同于其任何组元。在以下将学习的相图中，它们的位置都在相图的中间，所以也称为学习的相图中，它们的位置都在相图的中间，所以也称为中间中间相相。 在金属材料中，原子之间的结合除离子键和共价键外，金在金属材料中，原子之间的结合除离子键和共价键外，金属键在不同程度上也参与一定的作用，如果生成的化合物也具属键在不同程度上也参与一定的作用，如果生成的化合物也具有金属性，则称之为有金属性，则

41、称之为金属化合物金属化合物。1.3.2化合物化合物( (中间相中间相) )A)A)概念概念 1/71/71.1.正常价化合物正常价化合物 两组元服从原子价规律而生成的正常化学中两组元服从原子价规律而生成的正常化学中所称的化合物。通常是金属元素与非金属元素组成，组元间电所称的化合物。通常是金属元素与非金属元素组成，组元间电负性差起主要作用，两组元间电负性差较大，它们符合一般化负性差起主要作用，两组元间电负性差较大，它们符合一般化合物的原子价规律。例如合物的原子价规律。例如MnSMnS、AlAl2 2O O3 3、TiNTiN、ZrOZrO2 2等，其结合键等，其结合键为离子键；也有的是共价键，如

42、为离子键；也有的是共价键，如SiCSiC；少数也有以金属键结合；少数也有以金属键结合, ,如如MgMg2 2PbPb。 2.2.电子化合物电子化合物电子浓度电子浓度 在金属材料在金属材料( (合金合金) )中，价电子数目中，价电子数目(e)(e)与原子数目与原子数目(a)(a)之比称为电子浓度。由于溶质和溶剂的价电子数可能不同，电之比称为电子浓度。由于溶质和溶剂的价电子数可能不同，电子浓度子浓度 e/a = Ve/a = VA A(1-x) + V(1-x) + VB Bx x。其中。其中x x为溶质的原子百分比浓为溶质的原子百分比浓度度( (摩尔分数摩尔分数) )，V VA A、V VB B

43、分别为溶剂和溶质的价电子数。分别为溶剂和溶质的价电子数。 B)B)金属化合物类型金属化合物类型 2/72/7续续2.2.电子化合物电子化合物电子化合物电子化合物 这类化合物大多是以第这类化合物大多是以第族或过渡族金属元素与族或过渡族金属元素与第第至第至第族金属元素结合而成。它们也可以用分子式表示，族金属元素结合而成。它们也可以用分子式表示，但大多不符合正常化学价规律但大多不符合正常化学价规律。当当 e/a e/a 为某些特定值时形成一为某些特定值时形成一新的晶体结构新的晶体结构，并且电子浓度不同，其对应的晶体结构的类型并且电子浓度不同，其对应的晶体结构的类型也就不同也就不同。常间的电子浓度值有

44、常间的电子浓度值有21/1421/14、21/1321/13、21/1221/12。由于这。由于这类中间相与电子浓度有关，所以就称为电子化合物，主要出现类中间相与电子浓度有关，所以就称为电子化合物，主要出现在金属材料中，它们的结合键为金属键。一些常见的电子化合在金属材料中，它们的结合键为金属键。一些常见的电子化合物可参看教材。例如物可参看教材。例如CuCu3131SnSn8 8，电子浓度，电子浓度21/1321/13，具有复杂立方晶，具有复杂立方晶格。格。 B)B)金属化合物类型金属化合物类型 3/73/73.3.间隙相与间隙化合物间隙相与间隙化合物( (尺寸因素化合物尺寸因素化合物) 主要受

45、组元的原子尺寸因素控制，通常是由过渡族金属原子主要受组元的原子尺寸因素控制，通常是由过渡族金属原子与原子半径小于与原子半径小于0.1nm0.1nm的非金属元素碳、氮、氢、氧、硼所组成。的非金属元素碳、氮、氢、氧、硼所组成。由于非金属元素由于非金属元素(X)(X)与金属元素与金属元素(M)(M)原子半径比不同，结构也有所原子半径比不同，结构也有所不同。不同。 当当r rX X/r/rM M0.590.590.59时，形成的化合物的晶体结构也较复杂，通常时，形成的化合物的晶体结构也较复杂，通常称它们为称它们为间隙化合物间隙化合物，相应的分子式也较复杂，如钢中常见的，相应的分子式也较复杂，如钢中常见

46、的FeFe3 3C C、CrCr7 7C C3 3、CrCr2323C C6 6等。等。 B)B)金属化合物类型金属化合物类型 4/74/7续续3.3.间隙化合物间隙化合物通常晶体结构较复杂通常晶体结构较复杂 B)B)金属化合物类型金属化合物类型 5/75/74.4.溶剂为化合物的固溶体溶剂为化合物的固溶体如如金属化合物为溶剂：金属化合物为溶剂： 溶质为化合物中的某一组元，相当于原子比可在一定范围溶质为化合物中的某一组元，相当于原子比可在一定范围内变动，晶格未发生变化。内变动，晶格未发生变化。也可能也可能溶质为化合物中组元溶质为化合物中组元之外元之外元素的原子。素的原子。 溶质原子的相互置换溶

47、质原子的相互置换 FeFe3 3C C中溶入一定的中溶入一定的MnMn，形成合金渗碳体，形成合金渗碳体(Fe,Mn)(Fe,Mn)3 3C C。 B)B)金属化合物类型金属化合物类型 6/76/7钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C、FeB、Fe2B等都是这类化合物。Fe3C是铁碳合金中的重要组成相, 具有复杂的斜方晶格复杂的斜方晶格。其中铁原子可以部分地被 锰、铬、钼、钨等金属原子所置换, 形成以间隙化以间隙化合物为基的固溶体合物为基的固溶体, 如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C等。具有很高的熔点和硬度, 但比间隙相稍低些, 在钢中也起强化相作用 大多数化合

48、物，特别是正常价化合物，熔点都较高大多数化合物，特别是正常价化合物，熔点都较高(结合键强结合键强的表现之一的表现之一)，力学性能表现为，力学性能表现为硬而脆。硬而脆。间隙相间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度具有金属特性，有极高的熔点和硬度, 非常稳定。非常稳定。合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。高合金钢和硬质合金中的重要组成相。 另一方面，化合物往往由特殊的物理、化学另一方面，化合物往往由特殊的物理、化学( (电、磁、光、声电、磁、光、声等等) )性能，从而在功能材料中的应用

49、得到迅速发展。性能，从而在功能材料中的应用得到迅速发展。 单一由化合物在金属材料中比较少见，而陶瓷材料则是以化合单一由化合物在金属材料中比较少见，而陶瓷材料则是以化合物为主体。少量硬度高的质点加入到塑性材料中，将明显提高材料物为主体。少量硬度高的质点加入到塑性材料中，将明显提高材料的强度，即第二相强化机制的强度，即第二相强化机制 。C)C)金属化合物的性能特点金属化合物的性能特点 7/77/7合金合金 组元组元 相相 组织组织 组织组成物组织组成物固溶体固溶体 化合物化合物 电子浓度电子浓度固溶体和化合物的类型、结构特点，影响其结构的固溶体和化合物的类型、结构特点，影响其结构的因素。因素。相结

50、构与材料的性能之间的关系。相结构与材料的性能之间的关系。名词概念名词概念理解内容理解内容 相结构小结相结构小结第一章小第一章小 结结 1三种常见金属的晶体结构 BCC晶格（胞）：晶格常数a、90，晶胞原子数为2个，原子半径： ，密度为68%，最大空隙半径 r四=0.29r原子，配位数为8 FCC晶格（胞）：晶格常数a、90，晶胞原子数为4个，原子半径： ，致密度为74%，最大空隙半径r八=0.414r原子，配位数为12。HCP晶格（胞）：晶格常数a、c、90、120，晶胞原子数为6个，原子半径： ， 致密度为74%，最大空隙半径 r八=0.414r原子 ，配位数为12。2晶面与晶向可用晶面指数