固体材料的结构

八面体间隙
四面体间隙
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密排六方晶格原子堆垛顺序
堆垛方式: ABABAB…顺序堆垛 hcp结构金属有:Mg、Zn、Be、Cd等
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密排六方晶格（特征）
• 原子排列: 正六棱柱体 12 个顶角和上下底中心各有一 个 原子，正六棱柱体中心有三个原子
• 点阵参数: a1=a2=a3≠c，α=β=90º ，γ =120º • 晶胞中原子数：n=12×1/6＋2×1/2＋3=6个 • 原子半径:2R=a R=a/2 • 配位数和致密度
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5）固溶体的微观不均匀性
固溶体中溶质原子的分布并不是完全无序的。一般认 为热力学上平衡状态的无序固溶体溶质原子分布在宏观上 是均匀的,在微观上是不均匀的。 在一定条件下,溶质原子和溶剂原子在整个晶体中按一定 的顺序排列起来,形成有序固溶体。有序固溶体中溶质原 子和溶剂原子之比是固定的,可以用化学分子式来表示,因 此把有序固溶体结构称为超点阵。 例如：在Cu－Al合金中,Cu：Al原子比是1：1或3：1时 从液态缓冷条件下可形成有序的超点阵结构,用CuAl或Cu 3Al来表示。
面心立方点阵 A1 或 fcc 立方晶系 体心立方点阵 A2 或 bcc 立方晶系 密排六方点阵 A3 或 hcp 六方晶系
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描述晶胞从以下几个方面： • 晶胞中原子的排列方式 (原子所处的位置) • 点阵参数 (晶格常数和晶轴间夹角) • 晶胞中原子数 • 原子半径 R(原子的半径和点阵常数关系) • 配位数和致密度 • 密排方向和密排面 • 晶体结构中间隙 (大小和数量) • 原子的堆垛方式
2
• 2.1.2 能级图和原子的电子结构 • 2.1.3 周期表与周期性 • 2.1.4 晶体中的原子结合
化学键：化学上把原子间强烈的相互作用 金属键 共价键 离子键 分子键和氢键
3
金属键：
金属原子外层电子小，易失去——金属正离子 金属原子相互靠近，外层价电子脱离——自由电子 特点：电子共有化,没有方向性。 特性： (1)良好的导电、导热性；
(2)不透明，具有金属光泽； (3)具有较高的强度和良好的延展性； (4)正的电阻温度系数。
4
共价键
原子间不产生电子的转移，借共用电子对产生的力结合， 如金刚石，单质硅，SiC 特点： 1.饱和性：电子必须由（8－N）个邻近原子共有；
2.具有方向性：氧化硅四面体中硅氧键为109°
3. 脆性：外力作用，原子间发生相对位移，键将被 破坏
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体心立方的间隙
四面体间隙由两个体心原子和两个顶角原子所 围成大小rB=0.291R,有 12 个。
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体心立方晶格原子堆垛顺序
堆垛方式: ABABAB…的顺序堆垛 bcc结构金属: α－Fe、δ－Fe、Cr、Mo、W、V等
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体心立方晶格的 ABAB 密堆结构
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体心立方晶格(特征）
•原子排列:晶胞八个顶角和晶胞体心各有一个 原子 •点阵参数:a=b=c，α=β=γ=90º •晶胞中原子数:n=8×1/8＋1=2个 •原子半径: •配位数和致密度:
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三种典型金属晶体结构刚球模型
体心立方 面心立方 密排六方
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晶胞原子数
体心立方
2
面心立方
4
密排六方
6
16
原子半径与晶格常数
体心立方
r 3a 4
面心立方 密排六方 r 2a 4
r 1a 2
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配位数和致密度
配位数是指晶体结构中与任一原子最近邻并且等 距离的原子数。
面心立方原子配位数
晶体结构 体心立方 面心立方 密排六方
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2）固溶体分类
(1)按溶质原子在点阵中所占位置分为： 置换固溶体：溶质原子置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。 间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙中。
固溶体的两种类型（置换和间隙）
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(2)按固溶体溶解度大小：
有限固溶体：在一定条件下,溶质原子在溶剂中 的溶解量有一个上限,起过这个限度就形成新相。
配位数： CN=12 致密度: K=0.74
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39
2.2.3 合金相的晶体结构
一 基本概念
1. 合金——两种或两种以上的金属或金属与非金属经冶炼、 烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。
2. 组元——组成合金的最简单、最基本而且能独立存在的 物质。组元可以是金属和非金属,也可以是化合物
3. 相——合金中具有同一聚集状态,同一结构，以及成分性 质完全相同的均匀组成部分。单相、两相及多相合金。
面心立方四面体间隙
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面心立方原子堆垛顺序
堆垛方式：ABCABC…或ACBACB…的顺序堆垛 具有面心结构金属:γ－Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag等。
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面心立方晶体的 ABCABC 顺序密堆结构
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面心立方结构(特征）
晶胞中原子排列：在立方体的八个顶角和六个面的面心 各有一个原子。 点阵参数: a=b=c；α=β=γ=90º 晶胞中原子数: n=8×1/8＋6×1/2=4 个 原子半径 R:原子半径---两个相互接触的原子中心距离 一半
配位数与致密度 配位数 CN=12 致密度 k=0.74
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体心立方结构(特征）
体心立方晶格密排面
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体心立方晶格（间隙及堆垛方式）
间隙: 也是两种，为八面体和四面体间隙， 八面体间隙位于晶胞六面体每个面的中心和每个棱的 中心由一个面上四个角和相邻两个晶胞体心共6个原围成， 即数量为6。大小为rB=0.154R(在<100>) 或rB=0.633R (在<110>) 。
• 其形成条件是 △r>41% 或 r质/r剂<0.59 • 间隙固溶体只能是有限固溶体,一般溶解度较小。如：碳
原子在α－Fe（最大Wt=0.0218%）和γ－Fe（最大Wt =2.11%）中形成的间隙固溶体为有限固溶体。
C、N与铁形成的间隙固溶体是钢中的主要合金相
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间隙固溶体示意图1
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间隙固溶体中的点阵畸变
特点：
1. 无方向性，电荷分布是球对称的。
2. 无饱和性，一个离子可同时和几个离子结合
3. 熔点较高，脆性，导电性差
CaF2
8
• Cl和Na离子在引力和斥力作用下，相互保持r0的距离，即F＝0，能 量E为最小（如图1）的位置。每一个Cl（或Na）离子与其近邻的Na
（或Cl）离子均保持这种最低的能量关系，从而，形成NaCl特有的 晶体结构，如图2所示。
材料科学基础
第二章 固体材料的结构
1
2.1 基础知识
2.1.1 原子结构 物质
是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定方式聚 集而成的集合体。
。
原子
是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性的中子 组成)和核外电子(带负电荷)构成。
原子结构的特点：体积很小，质量大部分集中于 原子核内，原子核的密度很大。
N
8
12
12
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致密度是指晶胞中原子所占体积与晶胞体积 之比，用K表示，（对一个晶胞而言）。
K nv V
N——晶胞中原子数 v——一个原子（刚性小球）体积 V——晶胞体积
晶体结构 K
体心立方 0.68
面心立方 0.74
密排六方 0.74
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面心立方结构(特征）
面心立方密排面
密排面为（111）
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配位数： CN=8 致密度： k=0.68
31
密排六方晶格原子位置
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密排六方晶格晶胞原子数
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密排六方晶格密排面
34
密排六方晶格原子配位数
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密排六方晶格(间隙及堆垛方式）
• 间隙: 较为复杂，如图2.34 八面体间隙rB=0.414R 有 6 个 四面体间隙rB=0.225R 有 12 个
4. 组织——在一定的外界条件下，一定成分的合金可能由 不同成分，结构和性能的合金相组成，这些相的总体变称 为合金的组织。
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合金相的分类
1.固溶体：是一种组元（溶质）溶解在另一种组元中（溶 剂，一般为金属中）。
固溶体特点：溶剂的点阵类型不变，溶质原子或是代替部 分溶剂 原子（置换式固溶体），或是进入溶剂组元的 间隙（间隙式固溶体）
c）高分力或氢键
d）复合材料：三种或三种以上
离子键能最高，共价键能次之，金属键能第三，范德瓦耳斯键最弱
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2.2 金属及合金相的晶体结构
金属在固态下一般都是晶体。决定晶体结构的内在因素 是原子，离子，分子间键合的类型及键的强弱。金属晶体 是以金属键结合，其晶体结构比较简单,常见的有:
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结合能
晶体中原子间的相互作用： 吸引力——长程力，源于异性电荷间的库仑力 排斥力 同性电荷间的库仑力
（短程力） 泡利不相容原理引起的
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不同类型结合键的特性
1. 结合键的多重性
a）金属材料：主要是金属键，还有其他键如：共 价键、 离子键
b）陶瓷材料：离子键，如Al2O3,MgO 共价键，如Si3N4,SiC
固溶度：溶质在溶剂中的最大含量（极限溶解度） 2.化合物：由两种或多种组元按一定比例（一定的成分）
构成一个新的点阵，即不是溶剂的点阵也不是溶质的点 阵。
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二 固溶体
1）特征
溶剂和溶质原子占据一个共同的布拉菲点阵，点阵类 型和溶剂点阵类型相同； 有一定的成分范围，组元的含量可在一定范围内改变 而不会导致固溶体点阵类型的改变； 具有比较明显的金属性质，固溶体的结合键主要是金 属键
铜基合金中，△r<10%才能形成无限固溶体。
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3.化学亲和力（电负性因素） 电负差越大,两者间亲和力大,易形成中间相。否则易形成 固溶体。
4.电子浓度因素 电子浓度：固溶体中价电子数目e与原子数目a之比
a）溶质原子价位高，固溶度越小 b) 高价元素在低价元素中的溶解度极限总是大于低价元素
在高价元素的溶解度极限
电子浓度值值大易形成化合物；电子浓度小易形成固溶体。
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置换固溶体示意图
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置换固溶体大小溶质原子引起的点阵畸变
溶入同量溶质原子时，△R越大，引起的晶格畸变越大， 畸变能越高，极限溶解度就越小
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4） 间隙固溶体
• 间隙固溶体的的溶质原子是一些原子半径小于0.1nm的非 金属元素（如C、N、O、、H、B）。
b）形成有限固溶体时，溶质与溶剂的晶体结构相同，则 固溶度较不同结构时大，否则，反之。
2.原子尺寸因素
是指形成固溶体的溶质原子半径与溶剂原子半径的相对 值大小，△R表示
△R=(Ra-Rb)/Ra*100%
△R<14%-15%,有利于大量固溶，反之，固溶度非常有限。
如:铁基合金中，△r<8%才能形成无限固溶体。
图1 Cl和Na离子保持r0的距离
图2 NaCl 晶体
9
•
分子键（范德华力)
以若静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的。
特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性， 无方向性。
氢键： 分子间特殊作用力
表达为：X—H—Y 特点：具有饱和性和方 向性，可存在于分子内 或分子间。氢键主要存 在于高分子材料内。
无限固溶体：溶质原子可以任意比例溶入溶剂 晶格中形成的。如: Cu—Ni Au—Ag Ti—Z r····，结构相同
置换式固溶体在一定条件下可能是无限固溶体， 但间隙固溶体都是有限固溶体
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(3)按溶质原子在溶剂中的分布特点分类 无序固溶体：溶质原子在溶剂中任意分布,无规律性。 有序固溶体：溶质原子按一定比例和有规律分布在溶剂
面心立方结构的间隙
间隙有两种:四面体间隙和八面体间隙 八面体间隙: 位于晶胞体中心和每个棱边的中点，由 6 个面心原子所围成,大小rB=0.414R，rB为间隙半径， R为原子半径，间隙数量为4个。
面心立方八面体间隙
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面心立方四面体间隙
四面体间隙:由一个顶点原子和三个面心原子围成，其大 小：rB=0.225R，间隙数量为8个。
晶格的点阵或间隙里，长程有序。
(4)按基体类型分类： 一次固溶体：以纯金属元素为溶剂形成的固溶体。 二次固溶体：以化合物为溶剂，组元元素之一为溶质 而形成的固溶体。
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3） 置换固溶体
固溶度大小的影响因素： 1.组元的晶体结构
绝大多数金属元 素之间都能形成
a）晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件
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1.溶剂原子的分布完全随机，完全无序 2.若同类原子结合力较强，会产生溶质原子的偏聚 3.若异类原子的结合力较强，则溶质原子趋于以异 类原子为邻的短程有序分布
完全无序
偏聚
短程有序
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短程有序度 假设A,B二组元形成固溶体，A原子的百
4.绝缘性：金刚石的熔点高达3750℃
5
形成共价键的SiO2, 蓝色圆圈代表Si的价电子，红色圆圈代表O的价电子
6
由共价键方向性特点 决定了的SiO2四面体晶体结构
7
离子键
形成：
1.电负性相差较大的原子相互靠近，电负性小的 失电子，电负性大的得电子，形成正负离子。
2.两种离子靠静电应力结合在一起