材料科学基础第二章

2.AB2型化合物的结构 以荧石（CaF2）为代表，具有 面心立方结构
3.A2B3 型化合物的结构
刚玉是典型代表 ,简单六方 点阵
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4. ABO3型化合物的结构 钙钛矿（CaTiO3）为为ABO3型化合物的典型 。
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5. AB2O4型结构 以尖晶石（MgAl2O4）为典型。
晶格特征：面心立方点阵
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表1-6 间隙相的化学式及晶格类型
化学式类 型 钢中可能遇到的间隙相化学 式 晶格类型
M4 X
M2 X
Fe4 N ，Nb4 C， Mn4 C
Fe2 N，Cr2N，W2C，Mo2C TaC，TiC，ZrC，VC TiN，ZrN，VN MoN，CrN，WC VC2，CeC2，ZrH2，TiH2， LaC2
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晶格类型：取决于电子浓度。
电子浓度为3/2时，呈体心立方结构,相；
电子浓度为21/13时，具有复杂立方晶格， 相 ； 电子浓度为21/12时，则为密排六方晶格， 相 。 性能特点：电子化合物以金属键为主，具有明 显的金属特性，其强度、硬度高
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三、间隙化合物
由过渡族元素与碳、氮、氢、硼等原子半 径较小的非金属元素形成的化合物称为间隙化 合物。 1.间隙相 当非金属原子半径与金属原子半径 之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化 合物，称为间隙相。一些间隙相及晶格类型见 表1-6。间隙相具有金属特性，有极高的熔点 及硬度，非常稳定。
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2.影响置换固溶体溶解度的因素 1) 原子尺寸因素
原子尺寸差越小，越易形成置换固溶体，且溶 解度越大。 原因：两组元的原子尺寸差别愈大，畸变能的 增加也愈大。在畸变能增加到一定程度后，晶 体就变得不稳定。
△r=(rA-rB)/rA 当△r<15%时，有利于大量互溶
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2)晶体结构因素 形成无限固溶体的必要条件：溶质与溶剂的晶 体结构类型相同。 只有满足这个条件，溶质原子才有可能连续不 断地置换固溶晶格中的原子，而仍能保持固溶 体原来的晶格类型。 溶剂晶格间隙的形状大小不同，溶解度不同。 一般情况下面心立方中的溶解度大于体心立方 中的溶解度。
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按结构可分为：氧化物陶瓷，硅酸盐陶瓷。 陶瓷的特点：
结合键主要是离子键，或含有一定比例的共
价键；
有确定的成分，可以用准确的分子式表示；
具有典型的非金属性质等。
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一、氧化物结构陶瓷 氧化物陶瓷是典型的离子化合物。 有AB，AB2，A2B3，ABO3，AB2O4等结构。 1.AB型结构
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AB2型：CaF2型，Ca2+离子构成了面心立方结 构。8个F－离子位于面心立方的四面体间隙当 中，其离子数比为1：2。
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二、电子化合物（电子相）
电子化合物是由ⅠB族或过渡族金属元素与ⅡB， ⅢA，ⅣA族元素形成的金属化合物。 键型：金属键（金属－金属），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，但其成分可在一定范围内变化，故可认为 电子化合物是以化合物为基的固熔体。 特点：不遵守化合价规律，而是按照一定电子 浓度值形成的化合物。
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三、玻璃结构
无规网络学认为，玻璃态结构与晶体结构相似， 是由离子多面体组成的空间网络。在玻璃态的 网络结构中，多面体的排列无规律。
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第五节
分子相
分子相：是指固体中分子的聚集状态，它决定 了分子固体的微观结构。 高分子：相对分子质量特别大的有机化合物的 总称，称为聚合物或高聚物。
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聚合物分类： 从聚合物分子结构上可分为线型聚合物和三维 网型聚合物；2）从聚合物受热时的行为上， 可分为热塑性聚合物和热固性聚合物。 一、大分子及其构成 1.高分子化合物：由一种或多种化合物聚合而 成的相对分子质量很大的化合物。又称聚合物 或高聚物。
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2.分类 按相对分子质量：分为低分子聚合物（<5000） 和高分子聚合物（>5000）。 按组成物质：分为有机聚合物和无机聚合物。
组成高分子的低分子化合物称为单体。
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高分子化合物的分子很大，主要呈长链型，故 常称大分子链或分子链。大分子链由许多结构 相同的基本单元重复连接构成的。 链节:组成大分子链的这种特定结构单元。 高分子化合物的大分子链由链节连成，链节的 重复次数称为聚合度。
简单间隙化合物的分子 式通常为MX，M2X，MX2， M4X等，但实际成分常 常包括一定范围，这与 间隙的填充程序有关。
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2复杂间隙化合物 复杂间隙化合物主要是铬、锰、铁、钴的碳化 物以及铁的硼化物等。在合金钢中常见的有M3C 型（如Fe3C）、M7C3型（如Cr7C3）、M23C6型（如 Cr23C6）和M6C型（如Fe3W3C）等。 特点：晶体结构都很复杂
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3）电负性因素 负电性(电负性)：从其他原子夺取电子而变为 负离子的能力。 电负性差不大时：随着电负性差值的增加，越 易形成固溶体，溶解度越大。 溶质原子与溶剂原子的负电性相差很大，即两 者之间化学亲和力很大，则它们往往容易形成 比较稳定的化合物。（不再是固溶体）
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4） 电子浓度因素 电子浓度：两个组元的价电子总数（e）和两组 元的原子总数（a）之比
面心立方
密排六方 面心立方 体心立方 简单六方 面心立方
MX
MX2
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钢中常见间隙化合物的硬度及熔点 类型 化学式 硬度HV 熔点/℃ TiC 2850 3080 ZrC 2840 3472±20 简单结构间隙化合物 VC 2010 2650 NbC 2050 3680±50 TaC 1550 3980 WC 1730 2785 ±5 MoC 1480 2527 复杂结构间隙化合物 Cr23 C6 1650 1577 Fe3 C ～800 1227
⑶按溶质原子在固溶体内分布是否有规则，固 溶体分为有序固溶体和无序固溶体。
合金的组织
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一、置换固溶体 置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固 溶体。 固溶度：固溶体中溶质原子在固溶体中的浓度。
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1.影响固溶度的Hume-Rothery经验规律
1）如果形成合金的元素其原子半径之差对溶剂 原子半径的比（取绝对值）超过14%～15%，则 固溶度（摩尔分数）极为有限； 2）溶剂和溶质的电化学性质相近； 3）两个给定元素的相互固溶度（摩尔分数）是 与它们各自的原子价有关；
合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全 不同于任一组元的新相即为金属化合物 ——中间相。其性能特点是熔点一般较高，硬 度高，脆性大。金属化合物是许多合金的重要 组成相（常作为强化相）。
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一、正常价化合物 正常价化合物就是符合原子价规则的化合物。 组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格 遵守化合价规律，此类化合物称为正常价化 合物。例如： Mg2Si、 Cu2Se、ZnS、AlP等。
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二、硅酸盐结构的特点及分类
硅酸盐是一种廉价的陶瓷材料。
1 硅酸盐结构的特点
基本结构——SiO4四面体
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2.硅酸盐结构分类
将硅酸盐分成岛状、链状、 层状、骨架状四类。 1)含有有限硅氧团的硅酸盐 （也称岛状硅酸盐） 含孤立有限硅氧团的硅酸盐 单个硅氧四面体为-4价。孤 立的含义：硅氧四面体彼此 之间不能直接通过了离子键 或共价键连接。
第二章 固体中的相结构
合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金 属经一定方法合成的具有金属特性的物质。 组元：组成合金最基本的独立的物质。（如一 元、二元、三元合金〕，可以是元素，也可以 是化合物。
合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系 列不同成分合金的总称。如Fe-C，Fe-Cr等。
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“相”——是指在任一给定的物质系统中，具 有同一化学成分、同一原子聚集状态和性质的 均匀连续组成部分。当由金属和其他一种或多 种元素通过化学键合而形成合金材料时，一定 成分的合金可以由若干不同的相组成。 虽然固体中有各种不同的相，但从结构上可将 其分为固溶体、化合物、陶瓷晶体相、玻璃相 及分子相等五类。
c
e xv (100 x)u a 100
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二、间隙固溶体 间隙固熔体是由那些原子半径小于0.1nm的非 金属元素，如氢（0.046nm）、氮（0.071nm）、 碳（0.077nm）、硼（0.097nm）及氧 （0.060nm）熔入到熔剂金属晶体点阵的间隙 中所形成的固熔体。
特点：溶解度一般都很小，只形成有限固溶体
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正常价化合物具有比较简单、不同于其组成元 素的晶体结构。其分子式一般有AB，A2B（AB2） 两种类型。
性能：熔点、硬度及脆性均较高
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AB型：NaCl结构，双面心立方穿插而成。 ZnS（闪锌矿）每个原子具有4个相邻的 异类原子，是由两种原子各自的面心立方点阵 穿插而成。
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ZnS（硫锌矿）型，每个原子周围有4个异类原 子构成，两种类型的原子各自组成自己的HCP。
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三、有序固溶体
1.原子微观分布特征
近年来的研究表明，所谓无序固熔体只是宏观 上的一种近似说法。从微观尺度看，它们并不 均匀，可能出现偏聚、部分有序和完全有序。 同类原子间的结合能大于异类原子间的结合能 时，呈现偏聚。 同类原子间的结合能小于异类原子间的结合能 时，形成有序分布。
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完全无序
偏聚
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双链结构
基本单元是4个硅氧团（2+4）,分子式为 [Si4O11]6-。 3）层状硅酸盐
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4）骨架状硅酸盐
骨架状硅酸盐也称为网 络状硅酸盐，它是由硅 氧四面体在空间组成的 三维网络结构。 硅石（SiO2）
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第四节Biblioteka 玻璃相玻璃：一般是指从液态凝固下来的、结构与液 态连续的非晶态固体。形成玻璃的内部条件是 黏度，外部条件是冷却速度。 一、黏度 黏度增大，达到一定温度时，即固化成玻璃。 二、 冷却速度 冷却速度很快时也可以得到非晶态结构。