晶体学基础精.ppt

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1、晶体学基础2023/2/151第1页，本讲稿共49页体心立方点阵面心立方点阵密排六方点阵三三 金属晶体结构金属晶体结构123面心立方结构（面心立方结构（A A）face-centred cubic lattice face-centred cubic lattice 常见金属晶体结常见金属晶体结 体心立方结构（体心立方结构（A A）body-centred cubic lattice body-centred cubic lattice密排立方结构（密排立方结构（A A）hexagonal close-packed lattice hexagonal close-packed lattice2

2、023/2/152第2页，本讲稿共49页三三 金属晶体结构金属晶体结构1、面心立方结构、面心立方结构A1（fcc）晶胞中原子数：晶胞中原子数：点阵常数点阵常数a与原子半径与原子半径R有关系：有关系：具有面心立方结构的具有面心立方结构的金属有：铜、银、金属有：铜、银、金、铝、铅、锰、金、铝、铅、锰、-铁等铁等2023/2/153第3页，本讲稿共49页三三 金属晶体结构金属晶体结构2、体心立方结构、体心立方结构A2（bcc）晶胞中原子数：晶胞中原子数：点阵常数点阵常数a与原子半径与原子半径R有关系：有关系：2023/2/154第4页，本讲稿共49页三三 金属晶体结构金属晶体结构3、密排六方结构、密

3、排六方结构A3(hcp)晶胞中原子数晶胞中原子数点阵常数点阵常数a、c与原子半径与原子半径R的关系的关系1）理想情况）理想情况c/a=1.633,a=2R.2）实际测得轴比）实际测得轴比c/a1.633,(a2/3+c2/4)1/2=2R 具有密排六方结构的金属有：镁、具有密排六方结构的金属有：镁、锌、镉等锌、镉等2023/2/155第5页，本讲稿共49页表2.5三种典型金属结构的晶体学特点 三三 金属晶体结构金属晶体结构2023/2/156第6页，本讲稿共49页间隙（Interstice）fccfcc，hcp hcp 间隙为正多面体，且八面体和四面体间隙相互独立间隙为正多面体，且八面体和四面

4、体间隙相互独立bcc bcc 间隙不是正多面体，四面体间隙包含于八面体间隙之中间隙不是正多面体，四面体间隙包含于八面体间隙之中三三 金属晶体结构金属晶体结构2023/2/157第7页，本讲稿共49页三三 金属晶体结构金属晶体结构2023/2/158第8页，本讲稿共49页三三 金属晶体结构金属晶体结构2023/2/159第9页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构合金：由两种或两种经上的金属或金属与非金属经熔炼，烧结合金：由两种或两种经上的金属或金属与非金属经熔炼，烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。如碳钢和铸铁是铁和碳所组成的合金，黄铜是铜和

5、锌的合金。如碳钢和铸铁是铁和碳所组成的合金，黄铜是铜和锌的合金。合金相分为固溶体和中间相两大类。合金相分为固溶体和中间相两大类。2023/2/1510第10页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构 （一）固溶体的概念和分类（一）固溶体的概念和分类1、概念：、概念：在固态条件下，一种组分内“溶解”了其它组分而形成单一、均匀的晶态固体。溶剂（主晶相）溶剂（主晶相）含量较高的成分。含量较高的成分。溶质（杂质）溶质（杂质）含量较低的成分。含量较低的成分。一一 固溶体固溶体2023/2/1511第11页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构几个概念区别：几个概念区别：（1）固溶体与机械混合物）固

6、溶体与机械混合物 二者有本质区别，若由二者有本质区别，若由A和和B形成固溶体，形成固溶体，A与与B以原子以原子尺度混合，是均匀的单相材料，而尺度混合，是均匀的单相材料，而A和和B形成机械混合物，形成机械混合物，不可能是原子尺度混合，它们各自保持自身不可能是原子尺度混合，它们各自保持自身 的结构与性的结构与性质，不是单相而是二相或多相。质，不是单相而是二相或多相。（2）固溶体与化合物）固溶体与化合物 相同：均为单相材料。相同：均为单相材料。异同：异同：A和和B形成固溶体后，其结构与主晶体一致，形成固溶体后，其结构与主晶体一致，A与与B间无确定的摩尔比，可以在一定范围内波动，如红宝石，间无确定的摩

7、尔比，可以在一定范围内波动，如红宝石，A与与B形成化合物形成化合物AmBn后，生成物结构即不同于后，生成物结构即不同于A也不同也不同于于B，是一种新结构，是一种新结构，A与与B存在一定摩尔比。存在一定摩尔比。2023/2/1512第12页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构2、分类、分类 1）按结构类型分）按结构类型分（1）置换型固溶体（）置换型固溶体（2）填隙型固溶体（）填隙型固溶体（3）缺位型固溶体）缺位型固溶体2）按溶解能力分）按溶解能力分连续固溶体：两种组分可按任意比例混合都能形成均一的固溶体。如：MgO-FeO有限固溶体：两种组分在一定范围内可形成均一固溶体。3）按溶质分布）按

8、溶质分布无序固溶体溶质杂乱分布，是统计均匀的。有序固溶体有序固溶体溶质在溶剂中分布均匀。溶质在溶剂中分布均匀。2023/2/1513第13页，本讲稿共49页有序固溶体偏聚有序固溶体偏聚有序固溶体短程有序固溶体短程2023/2/1514第14页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构固溶体的典型结构示意图2023/2/1515第15页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构（二）置换型固溶体：转换进去的原子或离子全部在正常位（二）置换型固溶体：转换进去的原子或离子全部在正常位置（点阵结点）上。不存在间隙或缺位情况（原有热缺陷置（点阵结点）上。不存在间隙或缺位情况（原有热缺陷不算）不算）影响置

9、换固溶体因素：影响置换固溶体因素：1 原子或离子大小：要求对应的原子离子大小越相近，则原子或离子大小：要求对应的原子离子大小越相近，则固溶体越稳定。固溶体越稳定。（休姆罗瑟里规律）如：设如：设r1，r2分别为溶剂和溶质的离子半径，则有经验规律分别为溶剂和溶质的离子半径，则有经验规律 形成连续固溶体形成连续固溶体形成有限固溶体形成有限固溶体 基本不形成固溶体基本不形成固溶体2023/2/1516第16页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构2023/2/1517第17页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构2 晶体结构类型晶体结构类型 对形成连续固溶体，要求结构类型相同，（必要条件）对形

10、成连续固溶体，要求结构类型相同，（必要条件）如如 MgO-FeO，MgO-NiO均属均属NaCl型结构，形成连续型结构，形成连续固溶体，固溶体，CaO-ZrO2，CaO(NaCl型型)，ZrO2（萤石型）（萤石型），不形成连续固溶体。，不形成连续固溶体。3 离子的类型和键性：离子的类型和键性：要求离子的类型和键性相同或相近。要求离子的类型和键性相同或相近。4 电价影响电价影响 要求取代前后，电价平衡。要求取代前后，电价平衡。2023/2/1518第18页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构5 电负性电负性 要求电负性相近。要求电负性相近。电负性：微量元素的原子吸电负性：微量元素的原子吸附

11、电子的能力。附电子的能力。一般说，电负性相近的组分一般说，电负性相近的组分间易形成固溶体，电负性相间易形成固溶体，电负性相差较大的组分间易生成化合差较大的组分间易生成化合物。物。6 温度和压力温度和压力 温度是外因，温度是外因，T升高，有利于升高，有利于固溶体生成，压力也是外因，固溶体生成，压力也是外因，作用与温度相反，压力增加，作用与温度相反，压力增加，不利于固溶体生成。不利于固溶体生成。2023/2/1519第19页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构间隙固溶体间隙固溶体外来较小杂质进入晶格间隙形成的固溶体。外来较小杂质进入晶格间隙形成的固溶体。影响间隙固溶体因素：影响间隙固溶体因素

12、：外来杂质的大小与晶体结构密切相关。外来杂质的大小与晶体结构密切相关。要形成间隙固溶体，添加原子要小，晶体的空隙要大。要形成间隙固溶体，添加原子要小，晶体的空隙要大。（三）间隙固溶体（三）间隙固溶体2023/2/1520第20页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构溶质原子、离子的溶入导致固溶体的点阵常数，力学性能，溶质原子、离子的溶入导致固溶体的点阵常数，力学性能，物理和化学性能产生不同程度的变化。物理和化学性能产生不同程度的变化。1、点阵常数改变、点阵常数改变 形成固溶体时，由于溶质与溶剂原子大小不同，总会引起形成固溶体时，由于溶质与溶剂原子大小不同，总会引起点阵畸变并导致点阵常数发生

13、变化。点阵畸变并导致点阵常数发生变化。2、产生固溶强化、产生固溶强化 无论形成哪类固溶体，由于溶质原子溶入，都使晶格产生无论形成哪类固溶体，由于溶质原子溶入，都使晶格产生畸变，使塑变抗力增加，表现为强度增加，硬度变大，塑畸变，使塑变抗力增加，表现为强度增加，硬度变大，塑性降低，韧性降低，这种现象称固溶强化。性降低，韧性降低，这种现象称固溶强化。（四）固溶体的性质（四）固溶体的性质2023/2/1521第21页，本讲稿共49页2023/2/1522第22页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构3、物理和化学性能变化、物理和化学性能变化 由于固溶，产生畸变，点阵常数变化，使物理，化学性能由于固

14、溶，产生畸变，点阵常数变化，使物理，化学性能变化。变化。如：如：Si溶入溶入-Fe中，磁导率增加，含中，磁导率增加，含2%-4%Si的硅的硅钢片是一种应用广泛的软磁材料。钢片是一种应用广泛的软磁材料。Cr溶入溶入-Fe中，含中，含13%Cr的不锈钢可有效抵抗空气、的不锈钢可有效抵抗空气、水气、稀硝酸等腐蚀。水气、稀硝酸等腐蚀。2023/2/1523第23页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构 两组元两组元A、B组成合金时组成合金时 固溶体（结构与溶剂相同固溶体（结构与溶剂相同)新相（结构不同新相（结构不同A、B）中）中 间间相相中间相：中间相：A、B组成的新相在二元相图上的位置总是位于中

15、组成的新相在二元相图上的位置总是位于中间。间。金属间化合物：金属与金属、金属与准金属形成的化合物金属间化合物：金属与金属、金属与准金属形成的化合物（是一种新相，晶格类型和性能不同（是一种新相，晶格类型和性能不同A、B）二、中间相（金属间化合物）二、中间相（金属间化合物）2023/2/1524第24页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构共同特：共同特：结合键是金属键与其它键（离子、共价、分结合键是金属键与其它键（离子、共价、分 子子 键）相混合。键）相混合。不一定都符合化合价规律，：如不一定都符合化合价规律，：如Fe3C、CuZn.具有金属性。具有金属性。中间相分为：正常价化合物，电子化合

16、物，原子尺寸因素有中间相分为：正常价化合物，电子化合物，原子尺寸因素有关的化合物和超结构（有序固溶体）。关的化合物和超结构（有序固溶体）。2023/2/1525第25页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构1 正常价化合物正常价化合物符合原子价规则的化合物，成分可用分子式表达，AB、AB2、A2B3构成：金属与电负性较强的A、A、A族元素组成。如：Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Ge、Mg2Si等。特点：晶体结构对应于同类分子式的离子化合物。如：NaCl、ZnS、CaF2型等。稳定性与组元间电负性差有关，S降低，不稳定。如：Mg2Si最稳定，熔点1102，而Mg2Pb是5502023/2/1

17、526第26页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构2 电子化合物电子化合物 Electron compound由电子浓度决定的化合物，电子浓度相同，相的晶体结构类型相同。电子浓度e/a，（e 价电子数，a 原子数）特点：电子浓度是决定结构的主要因素，以金属键为主有明显的金属特性，一般不符合化合价规律，可视为以化合物为基的固溶体。2023/2/1527第27页，本讲稿共49页相相:电子浓度为电子浓度为21/12的电子化合物的电子化合物.密排六方密排六方结构结构相相:电子浓度为电子浓度为21/13的电子化合物的电子化合物.具有具有复杂立方结构复杂立方结构.相相:电子浓度为电子浓度为21/14

18、的电子化合物的电子化合物.具有具有体心立方结构体心立方结构2023/2/1528第28页，本讲稿共49页2023/2/1529第29页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构3 与原子尺寸因素有关的化合物与原子尺寸因素有关的化合物 一些化合物类型与组成元素的原子尺寸差别有关，一些化合物类型与组成元素的原子尺寸差别有关，当两种原子半径差很大的元素形成化合物时，倾向当两种原子半径差很大的元素形成化合物时，倾向形成拓扑密排相。形成拓扑密排相。1）间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物 由由过过渡渡族族元元素素与与碳碳、氮氮、氢氢、硼硼等等原原子子半半径径较较小小的的非非金金属元素形成的化合物称为间隙

19、化合物。属元素形成的化合物称为间隙化合物。间间隙隙相相 当当非非金金属属原原子子半半径径与与金金属属原原子子半半径径之之比比小小于于0.59时时，形形成成具具有有简简单单晶晶格格的的间间隙隙化化合合物物，称称为为间间隙隙相相。一一些些间间隙隙相相及及晶晶格格类类型型见见表表。间间隙隙相相具具有有金金属属特特性性，有有极极高高的的熔点及硬度，非常稳定。熔点及硬度，非常稳定。2023/2/1530第30页，本讲稿共49页2023/2/1531第31页，本讲稿共49页 间隙相具有比较简单的晶体结构间隙相具有比较简单的晶体结构,面心立方面心立方,密排六方密排六方,体心立体心立方或简单六方结构方或简单六

20、方结构.间隙相的分子式一般为间隙相的分子式一般为M4X,M2X,MX,MX22023/2/1532第32页，本讲稿共49页化学式类型钢中可能遇到的间隙相化学式晶格类型M4XFe4 N，Nb4 C，Mn4 C面心立方M2XFe2 N，Cr2N，W2C，Mo2C密排六方MXTaC，TiC，ZrC，VCTiN，ZrN，VNMoN，CrN，WC面心立方体心立方简单六方MX2VC2，CeC2，ZrH2，TiH2，LaC2面心立方四四 合金相结构合金相结构2023/2/1533第33页，本讲稿共49页类型简单结构间隙化合物复杂结构间隙化合物化学式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23 C6Fe3

21、C硬度HV28502840201020501550173014801650800熔点/3080347220265036805039802785 5252715771227四四 合金相结构合金相结构2023/2/1534第34页，本讲稿共49页复杂结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物 当非金属原子半径与金属当非金属原子半径与金属原子半径之比大于原子半径之比大于0.590.59时，形成具有复杂结构的间隙时，形成具有复杂结构的间隙化合物。钢中的化合物。钢中的FeFe3 3C C、CrCr2323C C6 6、FeBFeB、FeFe4 4W W2 2C C、CrCr7 7C C3 3、FeFe2 2B

22、 B等均属于这类化合物。等均属于这类化合物。四四 合金相结构合金相结构2023/2/1535第35页，本讲稿共49页2）、拓扑密堆相 拓扑密堆相:是由两种大小不同的金属原子所构成的一类中间相,其中大小原子通过适当配合构成空间利用率和配位数都很高的复杂结构.由于这类结构具有拓扑特征,故称这些相为拓扑密堆相,简称TCP相.特点:(1)由配位数为12,14,15,16的配位多面体堆垛而成.(2)呈层状结构：原子半径小的原子构成密排面，其中嵌镶有原子半径大的原子，由这些密排层按一定顺序堆垛而成，从而构成空间利用率很高，只有四面体间隙的密排结构。2023/2/1536第36页，本讲稿共49页四四 合金相

23、结构合金相结构2023/2/1537第37页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构2023/2/1538第38页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构4 4 超结构（有序固溶体）超结构（有序固溶体）长程有序的固溶体在X射线上产生外加衍射线条，称超结构线，所以有序固溶体称超结构或超点阵。2023/2/1539第39页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构1）、面心立方结构为基的超结构）、面心立方结构为基的超结构（1）Cu3Au型型2023/2/1540第40页，本讲稿共49页四四 合金相结构合金相结构（2）CuAu型型（3）CuPt型型2023/2/1541第41页，本讲稿共49页四

24、四 合金相结构合金相结构2）、体心立方结构为基的超结构、体心立方结构为基的超结构 1）CuZn型型 2）Fe3Al型型3）、密排六方为基的超结构）、密排六方为基的超结构2023/2/1542第42页，本讲稿共49页1、把下面的图案抽象出一个平面点阵。、把下面的图案抽象出一个平面点阵。2、下面晶体结构中包含两类原子，把这个晶体结构抽象出、下面晶体结构中包含两类原子，把这个晶体结构抽象出空间点阵，画出其中一个结构基元。空间点阵，画出其中一个结构基元。3、4、(011)、(121)、(312)面是否同属一个晶带？如是，求面是否同属一个晶带？如是，求出晶带轴的方向指数。出晶带轴的方向指数。在单胞中画出

25、在单胞中画出(010)、(110)、(121)、(312)等晶面，画出等晶面，画出111、123、110和和211等晶向。等晶向。2023/2/1543第43页，本讲稿共49页5 5 在立方在立方P P、I I、F F点阵的结点上放上硬球，证明可填点阵的结点上放上硬球，证明可填充的致密度分别为充的致密度分别为0.520.52、0.680.68、0.740.746 6、纯铝晶体为面心立方点阵，已知铝的相对原子质、纯铝晶体为面心立方点阵，已知铝的相对原子质量（量（AlAl）=27=27，原子半径，原子半径r=0.143nmr=0.143nm，求铝晶体的，求铝晶体的密度密度2023/2/1544第44页，本讲稿共49页解：纯铝晶体为面心立方点阵，每个晶胞有解：纯铝晶体为面心立方点阵，每个晶胞有4 4个原子，点阵常数个原子，点阵常数a a可由原子半径求得。即可由原子半径求得。即2023/2/1545第45页，本讲稿共49页2023/2/1546第46页，本讲稿共49页2023/2/1547第47页，本讲稿共49页2023/2/1548第48页，本讲稿共49页2023/2/1549第49页，本讲稿共49页