材料科學(xué)基礎(chǔ)4

1、1.2.1 三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)1.2.2 金屬的原子堆垛方式和間隙金屬的原子堆垛方式和間隙1.2.3 多晶型性多晶型性1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)n 決定晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)在因素是：原子間鍵的決定晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)在因素是：原子間鍵的類(lèi)型和強(qiáng)弱類(lèi)型和強(qiáng)弱n 金屬晶體的結(jié)合鍵是金屬鍵金屬晶體的結(jié)合鍵是金屬鍵n 金屬鍵具有無(wú)飽和性和無(wú)方向性的特點(diǎn)金屬鍵具有無(wú)飽和性和無(wú)方向性的特點(diǎn)n 金屬原子趨于緊密排列、高度對(duì)稱(chēng)的簡(jiǎn)單金屬原子趨于緊密排列、高度對(duì)稱(chēng)的簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的金屬晶體結(jié)構(gòu)有：最常

2、見(jiàn)的金屬晶體結(jié)構(gòu)有：面心立方面心立方 (face-centered cubic，fcc )體心立方體心立方 (body-centered cubic，bcc)1.密排六方密排六方 (hexagonal close-packed，hcp) n 原子排列方式（原子所處的位置）原子排列方式（原子所處的位置）n 晶胞內(nèi)原子數(shù)晶胞內(nèi)原子數(shù)n 點(diǎn)陣常數(shù)（晶胞參數(shù)間的關(guān)系）點(diǎn)陣常數(shù)（晶胞參數(shù)間的關(guān)系）n 原子半徑（與晶胞參數(shù)的關(guān)系）原子半徑（與晶胞參數(shù)的關(guān)系）n 配位數(shù)配位數(shù)n 致密度致密度n 原子間隙（大小和數(shù)量）原子間隙（大小和數(shù)量）n 堆垛方式堆垛方式三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)面心立

3、方（面心立方（fcc）面心立方晶胞示意圖面心立方晶胞示意圖（a）剛球模型；（）剛球模型；（b）質(zhì)點(diǎn)模型；（）質(zhì)點(diǎn)模型；（c）晶胞中原子數(shù)示意圖）晶胞中原子數(shù)示意圖 體心立方（體心立方（bcc）體心立方晶胞示意圖體心立方晶胞示意圖（a）剛球模型；（）剛球模型；（b）質(zhì)點(diǎn)模型；（）質(zhì)點(diǎn)模型；（c）晶胞中原子數(shù)示意圖）晶胞中原子數(shù)示意圖 密排六方（密排六方（hcp）密排六方晶胞示意圖密排六方晶胞示意圖（a）剛球模型；（）剛球模型；（b）質(zhì)點(diǎn)模型；（）質(zhì)點(diǎn)模型；（c）晶胞中原子數(shù)示意圖）晶胞中原子數(shù)示意圖 21818n體心立方體心立方4216818n面心立方面心立方632126112n密排六方密排六方

4、晶胞中原子數(shù)晶胞中原子數(shù)原子半徑原子半徑n 目前尚不能從理論上精確計(jì)算出原子半徑。目前尚不能從理論上精確計(jì)算出原子半徑。n 實(shí)驗(yàn)表明原子半徑大小隨外界條件，結(jié)合鍵，實(shí)驗(yàn)表明原子半徑大小隨外界條件，結(jié)合鍵，配位數(shù)等因素變化，并隨價(jià)電子數(shù)的增加先配位數(shù)等因素變化，并隨價(jià)電子數(shù)的增加先減小后增加。減小后增加。n 在研究晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，假設(shè)相同的原子是等徑在研究晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，假設(shè)相同的原子是等徑剛球，最密排方向上原子彼此相切，兩球心剛球，最密排方向上原子彼此相切，兩球心距離之半便是原子半徑距離之半便是原子半徑 。n 點(diǎn)陣常數(shù)與原子半徑點(diǎn)陣常數(shù)與原子半徑:n 晶胞大小由晶胞邊長(zhǎng)晶胞大小由晶胞邊長(zhǎng)(a b c)

5、即點(diǎn)陣常即點(diǎn)陣常數(shù)數(shù)(晶格常數(shù)晶格常數(shù))衡量衡量n 是晶體結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)是晶體結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)n 由由X射線衍射分析決定射線衍射分析決定n 點(diǎn)陣常數(shù)隨溫度而變化點(diǎn)陣常數(shù)隨溫度而變化原子半徑原子半徑n 晶胞的晶胞的3個(gè)棱邊長(zhǎng)度（個(gè)棱邊長(zhǎng)度（a、b、c）稱(chēng)為點(diǎn)陣常數(shù)或晶格常數(shù)，）稱(chēng)為點(diǎn)陣常數(shù)或晶格常數(shù)，如果把原子看成剛性球，并設(shè)其半徑為如果把原子看成剛性球，并設(shè)其半徑為r，根據(jù)簡(jiǎn)單的幾何，根據(jù)簡(jiǎn)單的幾何知識(shí)求出知識(shí)求出a、b、c與與r之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：n 面心立方結(jié)構(gòu)：面心立方結(jié)構(gòu)： a=b=c，a2+ a2=（2r+2r）2， 2a=4 ra42r體心立方結(jié)構(gòu)：體心立方結(jié)構(gòu)：（a=b=c）

6、a2 + a2+ a2 =（2r+2r）2ar43 密排六方結(jié)構(gòu)：密排六方結(jié)構(gòu)： a=bc，c/a=1.633 時(shí)，時(shí)，a=2r； c/a 1.633 時(shí)，（時(shí)，（a2/3+c2/4)1/2=2r n 配位數(shù)和致密度定量地表示原子排列的緊密程度。配位數(shù)和致密度定量地表示原子排列的緊密程度。n 配位數(shù)（配位數(shù)（coordination number，CNCN）：晶體結(jié)構(gòu)中任一）：晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周?chē)罱徢业染嚯x的原子數(shù)原子周?chē)罱徢业染嚯x的原子數(shù)n 致密度（致密度（K K）：晶胞中原子所占的體積分?jǐn)?shù)，）：晶胞中原子所占的體積分?jǐn)?shù)，n 式中，式中，n n為晶胞原子數(shù)，為晶胞原子數(shù)，v v原子

7、體積，原子體積，V V晶胞體積。晶胞體積。VnvK 配位數(shù)與致密度配位數(shù)與致密度面心立方配位數(shù)為面心立方配位數(shù)為121274. 0)42(34433aaVnvK體心立方配位數(shù)為體心立方配位數(shù)為8 868. 0)43(34233aaVnvK密排六方配位數(shù)為密排六方配位數(shù)為1212（c/a=1.633c/a=1.633時(shí)，見(jiàn)課本注釋?zhuān)〞r(shí)，見(jiàn)課本注釋?zhuān)?+66+6）n 同理可算出理想的密排六同理可算出理想的密排六方結(jié)構(gòu)（方結(jié)構(gòu)（c/a1.633）配位）配位數(shù)也是數(shù)也是12，致密度也是，致密度也是0.74。n 以上分析表明，面心立方以上分析表明，面心立方與密排六方的配位數(shù)與致與密排六方的配位數(shù)與致密度

8、均高于體心立方，故密度均高于體心立方，故稱(chēng)為最緊密排列稱(chēng)為最緊密排列 0.74126密排六方密排六方0.74124面心立方面心立方0.6882體心立方體心立方致密度致密度配位數(shù)配位數(shù)原子數(shù)原子數(shù)原子半徑原子半徑ar43ar21ar42例題例題n 試計(jì)算體心立方鐵受熱而變?yōu)槊嫘牧⒎借F時(shí)出現(xiàn)的體積試計(jì)算體心立方鐵受熱而變?yōu)槊嫘牧⒎借F時(shí)出現(xiàn)的體積變化。在轉(zhuǎn)變溫度下變化。在轉(zhuǎn)變溫度下,體心立方鐵的點(diǎn)陣參數(shù)是體心立方鐵的點(diǎn)陣參數(shù)是2.863埃，埃，而面心立方鐵的點(diǎn)陣參數(shù)是而面心立方鐵的點(diǎn)陣參數(shù)是3.591埃。埃。n 這表明鐵在加熱由體心立方變?yōu)槊嫘牧⒎綍r(shí)出現(xiàn)收縮。這表明鐵在加熱由體心立方變?yōu)槊嫘牧⒎綍r(shí)出

9、現(xiàn)收縮。 %34. 1%1002863. 22863. 24591. 3%333V分別畫(huà)出面心立方晶格和體心立方晶格分別畫(huà)出面心立方晶格和體心立方晶格100, 110, 100, 110, 111111晶面上陣點(diǎn)排列示意圖（結(jié)點(diǎn)示意圖，原子排列圖）。晶面上陣點(diǎn)排列示意圖（結(jié)點(diǎn)示意圖，原子排列圖）。例題例題n 面心立方和密排六方結(jié)構(gòu)的致密度均為面心立方和密排六方結(jié)構(gòu)的致密度均為0.74，是純金屬，是純金屬中最密集的結(jié)構(gòu)中最密集的結(jié)構(gòu)n 面心立方與密排六方雖然晶體結(jié)構(gòu)不同，但配位數(shù)與致面心立方與密排六方雖然晶體結(jié)構(gòu)不同，但配位數(shù)與致密度卻相同，為搞清其原因，必須研究晶體中原子的堆密度卻相同，為搞清

10、其原因，必須研究晶體中原子的堆垛方式垛方式n 面心立方與密排六方的最密排面原子排列情況完全相同，面心立方與密排六方的最密排面原子排列情況完全相同，但堆垛方式不一樣但堆垛方式不一樣晶體中原子的堆垛方晶體中原子的堆垛方式式晶體中原子的堆垛方式晶體中原子的堆垛方式n 三種晶體結(jié)構(gòu)中均有一組原子密三種晶體結(jié)構(gòu)中均有一組原子密排面和原子密排方向排面和原子密排方向n 它們分別是面心立方結(jié)構(gòu)的它們分別是面心立方結(jié)構(gòu)的( (111)，體心立方結(jié)構(gòu)的，體心立方結(jié)構(gòu)的(110)和密排六方結(jié)構(gòu)的和密排六方結(jié)構(gòu)的(0001)11(0001)20n 這些原子密排面在空間一層一層這些原子密排面在空間一層一層平行地堆垛起來(lái)

11、就分別構(gòu)成上述平行地堆垛起來(lái)就分別構(gòu)成上述三種晶體結(jié)構(gòu)。三種晶體結(jié)構(gòu)。面心立方與密排六方的最密排面面心立方與密排六方的最密排面111與（與（0001）原子排列）原子排列情況完全相同情況完全相同.密排六方結(jié)構(gòu)可看成由（密排六方結(jié)構(gòu)可看成由（0001）面沿）面沿001方向逐層堆垛而方向逐層堆垛而成，其剛球模型如圖。其堆垛順序可參考圖，圖中成，其剛球模型如圖。其堆垛順序可參考圖，圖中“”代表代表A層原子中心，層原子中心，A層堆完后，有兩種凹坑層堆完后，有兩種凹坑“”與與“”，如果下一層原子占，如果下一層原子占B位置位置“”，再下一層又占，再下一層又占“”，即按，即按ABAB順序堆垛即為密排六方結(jié)構(gòu)順

12、序堆垛即為密排六方結(jié)構(gòu) 面心立方結(jié)構(gòu)堆垛方式的剛球模型與質(zhì)點(diǎn)模型如圖。它面心立方結(jié)構(gòu)堆垛方式的剛球模型與質(zhì)點(diǎn)模型如圖。它是以（是以（111）面逐層堆垛而成的，堆垛順序可參考圖。）面逐層堆垛而成的，堆垛順序可參考圖。第一層與第二層與密排六方完全相同，第三層不與第一第一層與第二層與密排六方完全相同，第三層不與第一層重合，而是占層重合，而是占“”位置，即按位置，即按ABCABC順序堆順序堆垛。顯然這種堆垛順序的差別不影響原子排列的緊密程垛。顯然這種堆垛順序的差別不影響原子排列的緊密程度，故兩者都是最緊密排列度，故兩者都是最緊密排列 ABAABCA面心立方晶格密排面的堆垛方式面心立方晶格密排面的堆垛方

13、式密排六方晶格密排面的堆垛方式密排六方晶格密排面的堆垛方式n 由原子排列的剛球模型可看出球與球之間存在許多間由原子排列的剛球模型可看出球與球之間存在許多間隙，分析間隙的數(shù)量、大小及位置對(duì)了解材料的相結(jié)隙，分析間隙的數(shù)量、大小及位置對(duì)了解材料的相結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散、相變等問(wèn)題都是很重要的。構(gòu)、擴(kuò)散、相變等問(wèn)題都是很重要的。n 要知道金屬的三種典型晶體結(jié)構(gòu)的間隙所處位置，按要知道金屬的三種典型晶體結(jié)構(gòu)的間隙所處位置，按計(jì)算晶胞原子數(shù)的方法可算出晶胞所包含的間隙數(shù)目，計(jì)算晶胞原子數(shù)的方法可算出晶胞所包含的間隙數(shù)目，得出晶胞原子數(shù)與間隙數(shù)之比。得出晶胞原子數(shù)與間隙數(shù)之比。n 通過(guò)幾何方法可算出各種間隙的間隙半

14、徑通過(guò)幾何方法可算出各種間隙的間隙半徑rB，得出間，得出間隙半徑與原子半徑之比隙半徑與原子半徑之比rB/rA。用以表示間隙的大小。用以表示間隙的大小 金屬晶體結(jié)構(gòu)中的間隙金屬晶體結(jié)構(gòu)中的間隙位于位于6個(gè)原子組成的八面體中間的間隙稱(chēng)為八面體間隙個(gè)原子組成的八面體中間的間隙稱(chēng)為八面體間隙位于位于4個(gè)原子組成的四面體中間的間隙稱(chēng)為四面體間隙個(gè)原子組成的四面體中間的間隙稱(chēng)為四面體間隙面心立方結(jié)構(gòu)中的間隙面心立方結(jié)構(gòu)中的間隙N1+12(1/4)=4N=8體心立方結(jié)構(gòu)中的間隙體心立方結(jié)構(gòu)中的間隙n=6(1/2)+12(1/4)=6n=4(1/2)6=12密排六方結(jié)構(gòu)中的間隙密排六方結(jié)構(gòu)中的間隙n=6n=3

15、+3+2+6(2/3)=12三種典型晶體結(jié)構(gòu)中的間隙三種典型晶體結(jié)構(gòu)中的間隙幾點(diǎn)說(shuō)明幾點(diǎn)說(shuō)明:(1) fcc和和hcp都是密排結(jié)構(gòu)，而都是密排結(jié)構(gòu)，而bcc則是比較則是比較“開(kāi)放開(kāi)放”的結(jié)的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗拈g隙較多。因此，碳、氮、氫、氧、硼構(gòu)，因?yàn)樗拈g隙較多。因此，碳、氮、氫、氧、硼等原子半徑較小的元素（即間隙原子）在等原子半徑較小的元素（即間隙原子）在bcc金屬中金屬中的擴(kuò)散速率往往比在的擴(kuò)散速率往往比在fcc及及hcp金屬中高得多金屬中高得多(2) fcc和和hcp金屬中的八面體間隙大于四面體間隙，故這金屬中的八面體間隙大于四面體間隙，故這些金屬中的間隙原子往往位于八面體間隙中。些金屬中的

16、間隙原子往往位于八面體間隙中。(3) fcc和和hcp中的八面體間隙遠(yuǎn)大于中的八面體間隙遠(yuǎn)大于bcc中的八面體或四面中的八面體或四面體間隙，因而間隙原子在體間隙，因而間隙原子在fcc和和hcp中的溶解度往往比中的溶解度往往比在在bcc中大得多。中大得多。多晶型性多晶型性n 有些固態(tài)金屬在不同的溫度和壓力下具有不同的晶體有些固態(tài)金屬在不同的溫度和壓力下具有不同的晶體結(jié)構(gòu)即具有多晶型性，轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱(chēng)為同素異構(gòu)體。結(jié)構(gòu)即具有多晶型性，轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱(chēng)為同素異構(gòu)體。n 例如，鐵在例如，鐵在912912以下為體心立方結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為。以下為體心立方結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為。 -F-Fe e；在在91213949121394具有

17、面心立方結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為具有面心立方結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為 - -FeFe，溫度超，溫度超過(guò)過(guò)13941394至熔點(diǎn)間又變成體心立方結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為至熔點(diǎn)間又變成體心立方結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為 - -Fe Fe n 由于不同晶體結(jié)構(gòu)的致密度不同，當(dāng)金屬由一種晶體由于不同晶體結(jié)構(gòu)的致密度不同，當(dāng)金屬由一種晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，將伴隨有質(zhì)量體積的躍結(jié)構(gòu)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，將伴隨有質(zhì)量體積的躍變即體積的突變變即體積的突變多晶型性多晶型性1.3 合金相結(jié)構(gòu)合金相結(jié)構(gòu)n 合金是由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非合金是由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)過(guò)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并金屬經(jīng)過(guò)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并具有金屬

18、特性的物質(zhì)具有金屬特性的物質(zhì)n 組成合金的基本的獨(dú)立的物質(zhì)稱(chēng)為組元組成合金的基本的獨(dú)立的物質(zhì)稱(chēng)為組元n 組元可以是金屬、非金屬、化合物組元可以是金屬、非金屬、化合物n 應(yīng)用最普遍的碳鋼和鑄鐵就是主要由鐵和碳應(yīng)用最普遍的碳鋼和鑄鐵就是主要由鐵和碳所組成的合金；黃銅則為銅和鋅的合金所組成的合金；黃銅則為銅和鋅的合金雖然純金屬在工業(yè)上獲得了一定的應(yīng)用，但由于純雖然純金屬在工業(yè)上獲得了一定的應(yīng)用，但由于純金屬的性能有一定的局限性，特別是強(qiáng)度等重要性金屬的性能有一定的局限性，特別是強(qiáng)度等重要性能指標(biāo)往往不能滿足要求，因此它的應(yīng)用范圍也受能指標(biāo)往往不能滿足要求，因此它的應(yīng)用范圍也受到了限制。實(shí)際使用的金屬

19、材料絕大部分是合金，到了限制。實(shí)際使用的金屬材料絕大部分是合金，合金化后金屬的性能得到大大的提高，合金化是提合金化后金屬的性能得到大大的提高，合金化是提高金屬性能的最主要的途徑。高金屬性能的最主要的途徑。1.3 合金相結(jié)構(gòu)合金相結(jié)構(gòu)工業(yè)純工業(yè)純FeFe、AlAl、CuCu合金化前后合金化前后b的變化的變化n 通常把組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本而且能獨(dú)立通常把組成合金的最簡(jiǎn)單、最基本而且能獨(dú)立存在的物質(zhì)稱(chēng)為組元。存在的物質(zhì)稱(chēng)為組元。n 在大多數(shù)情況下，組元就是元素。但在所研究在大多數(shù)情況下，組元就是元素。但在所研究的合金系內(nèi)，存在著既不分解也不發(fā)生任何化的合金系內(nèi)，存在著既不分解也不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)

20、的穩(wěn)定化合物，也可看為組元。學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定化合物，也可看為組元。n 因?yàn)楹辖鹬懈鹘M元之間會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的物理、化因?yàn)楹辖鹬懈鹘M元之間會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的物理、化學(xué)作用，所以在固態(tài)合金中存在一些成分不同，學(xué)作用，所以在固態(tài)合金中存在一些成分不同，結(jié)構(gòu)不同，性能也不相同的合金相。結(jié)構(gòu)不同，性能也不相同的合金相。n 所謂合金相（簡(jiǎn)稱(chēng)相）是合金中具有同一聚集所謂合金相（簡(jiǎn)稱(chēng)相）是合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一結(jié)構(gòu)，以及成分性質(zhì)完全相同的均狀態(tài)、同一結(jié)構(gòu)，以及成分性質(zhì)完全相同的均勻組成部分。勻組成部分。1.3 合金相結(jié)構(gòu)合金相結(jié)構(gòu)1.3 合金相結(jié)構(gòu)合金相結(jié)構(gòu)n 欲知合金元素加入后是如何起到改變和提高金屬性欲知合金元素加

21、入后是如何起到改變和提高金屬性能的作用，首先必須知道合金元素加入后的存在狀能的作用，首先必須知道合金元素加入后的存在狀態(tài)，即可能形成的合金相及其構(gòu)成的各種不同組織態(tài)，即可能形成的合金相及其構(gòu)成的各種不同組織形態(tài)。形態(tài)。1.3 合金相結(jié)構(gòu)合金相結(jié)構(gòu)n 一定成份的合金可以由若干不同的相組成，這些一定成份的合金可以由若干不同的相組成，這些相的總體稱(chēng)為合金的組織相的總體稱(chēng)為合金的組織n 由一種相組成的合金稱(chēng)為單相合金，由幾種不同由一種相組成的合金稱(chēng)為單相合金，由幾種不同的相組成的合金稱(chēng)為多相合金的相組成的合金稱(chēng)為多相合金n 盡管合金中的組成相多種多樣，但根據(jù)合金組成盡管合金中的組成相多種多樣，但根據(jù)合

22、金組成元素及其原子相互作用的不同，固態(tài)下所形成的元素及其原子相互作用的不同，固態(tài)下所形成的合金相基本上可分為固溶體和中間相兩大類(lèi)合金相基本上可分為固溶體和中間相兩大類(lèi)n 固溶體是以某一組元為溶劑，在其晶體點(diǎn)陣中溶入固溶體是以某一組元為溶劑，在其晶體點(diǎn)陣中溶入其它組元原子（溶質(zhì)原子）所形成的均勻混合的固其它組元原子（溶質(zhì)原子）所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，它保持者溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型態(tài)溶體，它保持者溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型n 中間相：組成合金相的異類(lèi)原子有固定的比例，所中間相：組成合金相的異類(lèi)原子有固定的比例，所形成固相的晶體結(jié)構(gòu)與所有組元均不同，則稱(chēng)這種形成固相的晶體結(jié)構(gòu)與所有組元均不同，則稱(chēng)這種合金相

23、為金屬化合物。這種相的成分多數(shù)處在合金相為金屬化合物。這種相的成分多數(shù)處在A在在B中溶解限度和中溶解限度和B在在A中的溶解限度之間，因此也叫做中的溶解限度之間，因此也叫做中間相中間相1.3 合金相結(jié)構(gòu)合金相結(jié)構(gòu)固溶體的定義：固溶體的定義：n 固溶體是一種組元固溶體是一種組元( (溶質(zhì)溶質(zhì)) )溶解在另一種組元溶解在另一種組元( (溶劑，溶劑，一般是金屬一般是金屬) )中，其特點(diǎn)是溶劑（或稱(chēng)基體）的點(diǎn)中，其特點(diǎn)是溶劑（或稱(chēng)基體）的點(diǎn)陣類(lèi)型不變，溶質(zhì)原子或是代替部分溶劑原子而形陣類(lèi)型不變，溶質(zhì)原子或是代替部分溶劑原子而形成置換式固溶體，或是進(jìn)入溶劑組元點(diǎn)陣的間隙中成置換式固溶體，或是進(jìn)入溶劑組元點(diǎn)

24、陣的間隙中而形成間隙式固溶體。而形成間隙式固溶體。n 一般來(lái)說(shuō)，固溶體都有一定的成分范圍。溶質(zhì)在溶一般來(lái)說(shuō)，固溶體都有一定的成分范圍。溶質(zhì)在溶劑中的最大含量劑中的最大含量( (即極限溶解度即極限溶解度) )便稱(chēng)為固溶度。便稱(chēng)為固溶度。固溶體的特點(diǎn)：固溶體的特點(diǎn)：a.a.溶質(zhì)和溶劑原子占據(jù)一個(gè)共同的布拉菲點(diǎn)陣，且此點(diǎn)溶質(zhì)和溶劑原子占據(jù)一個(gè)共同的布拉菲點(diǎn)陣，且此點(diǎn)陣類(lèi)型和溶劑點(diǎn)陣類(lèi)型相同。陣類(lèi)型和溶劑點(diǎn)陣類(lèi)型相同。b.b.有一定的成分范圍，也就是說(shuō)，組元的含量可在一定有一定的成分范圍，也就是說(shuō)，組元的含量可在一定范圍內(nèi)改變而不會(huì)導(dǎo)致固溶體點(diǎn)陣類(lèi)型的改變。由范圍內(nèi)改變而不會(huì)導(dǎo)致固溶體點(diǎn)陣類(lèi)型的改變。

25、由于固溶體的成分范圍是可變的，而且有一個(gè)溶解度于固溶體的成分范圍是可變的，而且有一個(gè)溶解度極限，故通常固溶體不能用一個(gè)化學(xué)式來(lái)表示。極限，故通常固溶體不能用一個(gè)化學(xué)式來(lái)表示。c.c.具有比較明顯的金屬性質(zhì)，例如，具有一定的導(dǎo)電、具有比較明顯的金屬性質(zhì)，例如，具有一定的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和一定的塑性等等。固溶體中的結(jié)合鍵主要導(dǎo)熱性和一定的塑性等等。固溶體中的結(jié)合鍵主要是金屬鍵。是金屬鍵。固溶體的分類(lèi)：固溶體的分類(lèi)：我們可以從不同角度對(duì)固溶體進(jìn)行不同方法的分類(lèi)：我們可以從不同角度對(duì)固溶體進(jìn)行不同方法的分類(lèi)：a.a.按照溶質(zhì)原子在溶劑晶格中位置的不同，可將固溶體分為按照溶質(zhì)原子在溶劑晶格中位置的不同，可將

26、固溶體分為置換式固溶體和間隙式固溶體。置換式固溶體和間隙式固溶體。純銅的晶體結(jié)構(gòu)和純銅的晶體結(jié)構(gòu)和Cu-Ni置置換固溶體換固溶體 間隙固溶體間隙固溶體b.b.按照固溶體溶解度大小的不同可分為無(wú)限固溶體和有限按照固溶體溶解度大小的不同可分為無(wú)限固溶體和有限 固溶體。固溶體。 置換式固溶體在一定條件下可能是無(wú)限固溶體，但間隙置換式固溶體在一定條件下可能是無(wú)限固溶體，但間隙固溶體都是有限固溶體。固溶體都是有限固溶體。 形成無(wú)限置換固溶體時(shí)兩組元原子連續(xù)置換示意圖形成無(wú)限置換固溶體時(shí)兩組元原子連續(xù)置換示意圖c.c.根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的分布特點(diǎn)可分為無(wú)序固溶根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的分布特點(diǎn)可分為

27、無(wú)序固溶 體和有序固溶體體和有序固溶體。有序固溶體和無(wú)序固溶體有序固溶體和無(wú)序固溶體置換固溶體置換固溶體n 溶質(zhì)原子溶入溶劑中形成固溶體時(shí)，溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑溶質(zhì)原子溶入溶劑中形成固溶體時(shí)，溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑點(diǎn)陣的陣點(diǎn)，或者溶質(zhì)原子置換了溶劑點(diǎn)陣的部分溶劑點(diǎn)陣的陣點(diǎn)，或者溶質(zhì)原子置換了溶劑點(diǎn)陣的部分溶劑原子，這種固溶體稱(chēng)為置換固溶體原子，這種固溶體稱(chēng)為置換固溶體n 金屬元素彼此之間一般都能形成置換固溶體，但溶解度金屬元素彼此之間一般都能形成置換固溶體，但溶解度視不同元素而異有些能無(wú)限溶解，有的只能有限溶解。視不同元素而異有些能無(wú)限溶解，有的只能有限溶解。影響溶解度的因素很多，主要取決于以下幾個(gè)因素

28、：影響溶解度的因素很多，主要取決于以下幾個(gè)因素： （a）組元的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型）組元的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型 （b）原子尺寸因素）原子尺寸因素 （c）電負(fù)性因素（化學(xué)親和力）電負(fù)性因素（化學(xué)親和力） （d）電子濃度因素）電子濃度因素影響溶解度的因素影響溶解度的因素n 晶體結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)相同是組元間形成無(wú)限固溶體晶體結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)相同是組元間形成無(wú)限固溶體的必要條件的必要條件n 只有組元只有組元B與組元與組元A的結(jié)構(gòu)類(lèi)型相同，的結(jié)構(gòu)類(lèi)型相同，B原子才有可原子才有可能連續(xù)不斷的置換能連續(xù)不斷的置換A原子。原子。n 結(jié)構(gòu)類(lèi)型不同時(shí)，組元間的溶解度只能是有限的結(jié)構(gòu)類(lèi)型不同時(shí)，組元間的溶解度只能是有限的n 形成有限固

29、溶體時(shí)，結(jié)構(gòu)類(lèi)型相同，溶解度也較結(jié)形成有限固溶體時(shí)，結(jié)構(gòu)類(lèi)型相同，溶解度也較結(jié)構(gòu)類(lèi)型不同時(shí)為大構(gòu)類(lèi)型不同時(shí)為大影響溶解度的因素影響溶解度的因素 b原于尺寸因素：原于尺寸因素： 大量實(shí)驗(yàn)表明，在其他條件相近大量實(shí)驗(yàn)表明，在其他條件相近的情況下，原子半徑差的情況下，原子半徑差 r15時(shí)，有利于形成時(shí)，有利于形成溶解度較大的固溶體；而當(dāng)溶解度較大的固溶體；而當(dāng) r15時(shí)，時(shí)， r越大，越大，則溶解度越小則溶解度越小 原子尺寸因素的影響主要與溶質(zhì)原子的溶入所引原子尺寸因素的影響主要與溶質(zhì)原子的溶入所引起的點(diǎn)陣畸變及其結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)。起的點(diǎn)陣畸變及其結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)。 r愈大，溶入愈大，溶入后點(diǎn)陣疇變程度愈大

30、，畸變能愈高，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定后點(diǎn)陣疇變程度愈大，畸變能愈高，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性愈低，溶解度則愈小性愈低，溶解度則愈小形成置換固溶體時(shí)的點(diǎn)陣畸變形成置換固溶體時(shí)的點(diǎn)陣畸變電負(fù)性影響電負(fù)性影響n原子的電離能：使一個(gè)能量最低狀態(tài)的氣態(tài)原子原子的電離能：使一個(gè)能量最低狀態(tài)的氣態(tài)原子丟掉一個(gè)電子成為氣態(tài)一價(jià)正離子所需要的能量丟掉一個(gè)電子成為氣態(tài)一價(jià)正離子所需要的能量稱(chēng)為第一電離能。稱(chēng)為第一電離能。 A（g）I1A（g)en原子的電子親和能：一個(gè)最低能量的氣態(tài)原子，原子的電子親和能：一個(gè)最低能量的氣態(tài)原子，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，獲得一個(gè)電子成為氣態(tài)一價(jià)負(fù)離在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，獲得一個(gè)電子成為氣態(tài)一價(jià)負(fù)離子時(shí)所放出的能量，成為電子

31、親和能子時(shí)所放出的能量，成為電子親和能Y A (g)eA-(g)Yn原子的電負(fù)性：化合物分子中原子對(duì)成鍵電子原子的電負(fù)性：化合物分子中原子對(duì)成鍵電子 吸吸引能力相對(duì)大小的量度引能力相對(duì)大小的量度原子的電負(fù)性原子的電負(fù)性H2.10原子的電負(fù)性原子的電負(fù)性HeLi 0.98BeBCNOF 3.98NeNa 0.93MgAlSiPSCl 3.16ArK 0.82CaCuGaGeAsSeBr2.96KeRbSrAgInSnSbTeIXeCsBaAuTlPbBiPoAtRnFr電負(fù)性因素電負(fù)性因素n 電負(fù)性差越大，溶質(zhì)與溶劑原子間化學(xué)親合電負(fù)性差越大，溶質(zhì)與溶劑原子間化學(xué)親合力越強(qiáng)，兩者傾向于形成化合物

32、而不利于形力越強(qiáng)，兩者傾向于形成化合物而不利于形成固溶體。成固溶體。n 生成的化合物越穩(wěn)定，固溶體的溶解度越小生成的化合物越穩(wěn)定，固溶體的溶解度越小n 電負(fù)性相近的元素才可能具有大的溶解度電負(fù)性相近的元素才可能具有大的溶解度原子價(jià)因素原子價(jià)因素n 原子的尺寸因素有利時(shí)，原子價(jià)差別越大，溶解度原子的尺寸因素有利時(shí)，原子價(jià)差別越大，溶解度越小。越小。n 原子價(jià)的影響，由原子價(jià)的影響，由“電子濃度電子濃度”所決定。所決定。n 電子濃度：合金中價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值電子濃度：合金中價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值 A、B分別為溶劑和溶質(zhì)的原子價(jià)，分別為溶劑和溶質(zhì)的原子價(jià)，X為溶質(zhì)百分為溶質(zhì)百分?jǐn)?shù)數(shù)n 極

33、限電子濃度為極限電子濃度為1.4，超過(guò)此值時(shí)，固溶體不穩(wěn)定，超過(guò)此值時(shí)，固溶體不穩(wěn)定而形成新相而形成新相100Bxx100Aae)(間隙固溶體間隙固溶體n 溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱(chēng)為間隙固溶體體稱(chēng)為間隙固溶體n 溶質(zhì)原子半徑很小時(shí)，形成間隙固溶體。常溶質(zhì)原子半徑很小時(shí)，形成間隙固溶體。常常是非金屬元素的原子常是非金屬元素的原子n 溶質(zhì)原子一般比晶格間隙尺寸要大，溶入溶溶質(zhì)原子一般比晶格間隙尺寸要大，溶入溶劑后會(huì)引起溶劑點(diǎn)陣畸變，點(diǎn)陣常數(shù)變大，劑后會(huì)引起溶劑點(diǎn)陣畸變，點(diǎn)陣常數(shù)變大，畸變能升高?；兡苌?。n 間隙固溶體都是有限固溶體間隙固溶

34、體都是有限固溶體間隙固溶體間隙固溶體n 一些原子半徑比較小的非金屬元素作為溶質(zhì)溶入金屬或一些原子半徑比較小的非金屬元素作為溶質(zhì)溶入金屬或化合物的溶劑中時(shí)，這些小的溶質(zhì)原子不占有溶劑晶格化合物的溶劑中時(shí)，這些小的溶質(zhì)原子不占有溶劑晶格的結(jié)點(diǎn)位置，而存在于間隙位置，形成間隙固溶體。形的結(jié)點(diǎn)位置，而存在于間隙位置，形成間隙固溶體。形成間隙固溶體的溶劑元素大多是過(guò)渡族元素，溶質(zhì)元素成間隙固溶體的溶劑元素大多是過(guò)渡族元素，溶質(zhì)元素一般是原子半徑較小的一些非金屬元素，即氫、硼、碳、一般是原子半徑較小的一些非金屬元素，即氫、硼、碳、氮、氧等。氮、氧等。n 溶質(zhì)原子存在于間隙位置上引起點(diǎn)陣畸變較大，所以它溶質(zhì)

35、原子存在于間隙位置上引起點(diǎn)陣畸變較大，所以它們不可能填滿全部間隙，而且一般固溶度都很小。固溶們不可能填滿全部間隙，而且一般固溶度都很小。固溶度大小除與溶質(zhì)原子半徑大小有關(guān)以外，還與溶劑元素度大小除與溶質(zhì)原子半徑大小有關(guān)以外，還與溶劑元素的晶格類(lèi)型有關(guān)，因?yàn)樗鼪Q定了間隙的大小。的晶格類(lèi)型有關(guān)，因?yàn)樗鼪Q定了間隙的大小。固溶體的微觀不均勻性固溶體的微觀不均勻性溶質(zhì)原子的分布通常會(huì)偏溶質(zhì)原子的分布通常會(huì)偏離完全無(wú)序狀態(tài)，呈現(xiàn)微離完全無(wú)序狀態(tài)，呈現(xiàn)微觀的不均勻性。若同類(lèi)原觀的不均勻性。若同類(lèi)原子結(jié)合力較強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生溶子結(jié)合力較強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生溶質(zhì)原子的偏聚；若異類(lèi)原質(zhì)原子的偏聚；若異類(lèi)原子結(jié)合力較強(qiáng)，則溶質(zhì)原子

36、結(jié)合力較強(qiáng)，則溶質(zhì)原子趨于以異類(lèi)原子為鄰的子趨于以異類(lèi)原子為鄰的短程有序分布短程有序分布形成固溶體后對(duì)晶體性質(zhì)的影響形成固溶體后對(duì)晶體性質(zhì)的影響 1、點(diǎn)陣常數(shù)改變、點(diǎn)陣常數(shù)改變2、穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生3、活化晶格、活化晶格 4、固溶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化5、形成固溶體后對(duì)材料物理性質(zhì)的影響、形成固溶體后對(duì)材料物理性質(zhì)的影響點(diǎn)陣常數(shù)改變點(diǎn)陣常數(shù)改變n 形成固溶體時(shí)，雖然仍保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)，但由于溶形成固溶體時(shí)，雖然仍保持著溶劑的晶體結(jié)構(gòu)，但由于溶質(zhì)與溶劑的原子大小不同，總會(huì)引起點(diǎn)陣畸變并導(dǎo)致點(diǎn)陣質(zhì)與溶劑的原子大小不同，總會(huì)引起點(diǎn)陣畸變并導(dǎo)致點(diǎn)陣常數(shù)發(fā)生變化

37、。常數(shù)發(fā)生變化。n 對(duì)置換固溶體而言，當(dāng)原子半徑對(duì)置換固溶體而言，當(dāng)原子半徑rBrA時(shí)，溶質(zhì)原子周?chē)鷷r(shí)，溶質(zhì)原子周?chē)c(diǎn)陣膨脹，平均點(diǎn)陣常數(shù)增大；當(dāng)點(diǎn)陣膨脹，平均點(diǎn)陣常數(shù)增大；當(dāng)rBrA時(shí)，溶質(zhì)原子周時(shí)，溶質(zhì)原子周?chē)c(diǎn)陣收縮，平均點(diǎn)陣常數(shù)減小。對(duì)間隙因溶體而言，點(diǎn)圍點(diǎn)陣收縮，平均點(diǎn)陣常數(shù)減小。對(duì)間隙因溶體而言，點(diǎn)陣常數(shù)隨溶質(zhì)原子的溶人總是增大的，這種影響往往比置陣常數(shù)隨溶質(zhì)原子的溶人總是增大的，這種影響往往比置換固溶體大得多。換固溶體大得多。穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生穩(wěn)定晶格，阻止某些晶型轉(zhuǎn)變的發(fā)生 (1) PbTiO3是一種鐵電體，純是一種鐵電體，純PbTiO3燒結(jié)性能極差，燒結(jié)性能極差

38、，居里點(diǎn)為居里點(diǎn)為490，發(fā)生相變時(shí)，晶格常數(shù)劇烈變化，在，發(fā)生相變時(shí)，晶格常數(shù)劇烈變化，在常溫下發(fā)生開(kāi)裂。常溫下發(fā)生開(kāi)裂。PbZrO3是一種反鐵電體，居里點(diǎn)為是一種反鐵電體，居里點(diǎn)為230。兩者結(jié)構(gòu)相同，。兩者結(jié)構(gòu)相同，Zr4+、Ti4+離子尺寸相差不多，離子尺寸相差不多，能在常溫生成連續(xù)固溶體能在常溫生成連續(xù)固溶體Pb(ZrxTi1-x)O3，x=0.10.3。在斜方鐵電體和四方鐵電體的邊界組成在斜方鐵電體和四方鐵電體的邊界組成Pb(Zr0.54Ti0.46)O3，壓電性能、介電常數(shù)都達(dá)到最大值，壓電性能、介電常數(shù)都達(dá)到最大值，燒結(jié)性能也很好，被命名為燒結(jié)性能也很好，被命名為PZT陶瓷。陶

39、瓷。(2)ZrO2是一種高溫耐火材料，熔點(diǎn)是一種高溫耐火材料，熔點(diǎn)2680，但發(fā)生相變時(shí)，但發(fā)生相變時(shí)伴隨很大的體積收縮，這對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料是致命的。若加伴隨很大的體積收縮，這對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料是致命的。若加入入CaO，則和，則和ZrO2形成固溶體，無(wú)晶型轉(zhuǎn)變，體積效應(yīng)減形成固溶體，無(wú)晶型轉(zhuǎn)變，體積效應(yīng)減少，使少，使ZrO2成為一種很好的高溫結(jié)構(gòu)材料。成為一種很好的高溫結(jié)構(gòu)材料。 四方單斜C1200活化晶格活化晶格 形成固溶體后，晶格結(jié)構(gòu)有一定畸變，處于高能量的形成固溶體后，晶格結(jié)構(gòu)有一定畸變，處于高能量的活化狀態(tài)，有利于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。如，活化狀態(tài)，有利于進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。如，Al2O3熔點(diǎn)高熔點(diǎn)高（2

40、050），不利于燒結(jié)，若加入），不利于燒結(jié)，若加入TiO2，可使燒結(jié)溫度下，可使燒結(jié)溫度下降到降到1600，這是因?yàn)?，這是因?yàn)锳l2O3 與與TiO2形成固溶體，形成固溶體，Ti4+置置換換Al3+后，帶正電，為平衡電價(jià)，產(chǎn)生了正離子空位，加后，帶正電，為平衡電價(jià)，產(chǎn)生了正離子空位，加快擴(kuò)散，有利于燒結(jié)進(jìn)行?？鞌U(kuò)散，有利于燒結(jié)進(jìn)行。 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化定義：固溶體的強(qiáng)度與硬度往往高于各組元，而塑性則較低，定義：固溶體的強(qiáng)度與硬度往往高于各組元，而塑性則較低，稱(chēng)為固溶強(qiáng)化。稱(chēng)為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化的特點(diǎn)和規(guī)律：固溶強(qiáng)化的程度固溶強(qiáng)化的特點(diǎn)和規(guī)律：固溶強(qiáng)化的程度(或效果或效果)不僅取決不僅取決與它的成

41、分，還取決與固溶體的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、固溶度、與它的成分，還取決與固溶體的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、固溶度、組元原子半徑差等一系列因素。組元原子半徑差等一系列因素。 1）間隙式溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效果一般要比置換式溶質(zhì)原子）間隙式溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效果一般要比置換式溶質(zhì)原子更顯著。更顯著。 2）溶質(zhì)和溶劑原子尺寸相差越大或固溶度越小，固溶強(qiáng)）溶質(zhì)和溶劑原子尺寸相差越大或固溶度越小，固溶強(qiáng)化越顯著?；斤@著。實(shí)際應(yīng)用：鉑、銠單獨(dú)做熱電偶材料使用，熔點(diǎn)為實(shí)際應(yīng)用：鉑、銠單獨(dú)做熱電偶材料使用，熔點(diǎn)為1450，而將鉑銠合金做其中的一根熱電偶，鉑做另一，而將鉑銠合金做其中的一根熱電偶，鉑做另一根熱電偶，熔點(diǎn)為根熱電偶，熔點(diǎn)為

42、1700，若兩根熱電偶都用鉑銠合金，若兩根熱電偶都用鉑銠合金而只是鉑銠比例不同，熔點(diǎn)達(dá)而只是鉑銠比例不同，熔點(diǎn)達(dá)2000以上以上物理和化學(xué)性能的變化物理和化學(xué)性能的變化n 固溶體合金隨著固溶度的增加，點(diǎn)陣畸變?cè)龃?，一般固溶固溶體合金隨著固溶度的增加，點(diǎn)陣畸變?cè)龃?，一般固溶體的電阻率升高，同時(shí)降低電阻溫度系數(shù)。體的電阻率升高，同時(shí)降低電阻溫度系數(shù)。n 又如又如Si溶人溶人 -Fe中可以提高磁導(dǎo)率，因此質(zhì)量分?jǐn)?shù)中可以提高磁導(dǎo)率，因此質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(Si)為為2-4的硅鋼片是一種應(yīng)用廣泛的軟滋材料。的硅鋼片是一種應(yīng)用廣泛的軟滋材料。n 又如又如Cr固溶于固溶于 -Fe中當(dāng)中當(dāng)Cr的原子數(shù)分?jǐn)?shù)達(dá)到的原子數(shù)

43、分?jǐn)?shù)達(dá)到12.5時(shí)，時(shí)，F(xiàn)e的電極電位由的電極電位由-0.60v突然上升到突然上升到+0.2v，從而有效地抵，從而有效地抵抗空氣、水氣、稀硝酸等的腐蝕。因此，不銹鋼中至少含抗空氣、水氣、稀硝酸等的腐蝕。因此，不銹鋼中至少含有有13以上的以上的Cr原子原子中間相中間相n 兩組元兩組元A和和B組成合金時(shí)，除可形成以組成合金時(shí)，除可形成以A為基或以為基或以B為基的固溶體外（端際固溶體）外，還可能形成晶為基的固溶體外（端際固溶體）外，還可能形成晶體結(jié)構(gòu)與體結(jié)構(gòu)與A或或B均不同的新相。由于它們?cè)谙鄨D上的均不同的新相。由于它們?cè)谙鄨D上的位置總是位于中間，通常稱(chēng)為中間相。位置總是位于中間，通常稱(chēng)為中間相。n

44、 中間相可以是化合物，也可以是以化合物為基的固中間相可以是化合物，也可以是以化合物為基的固溶體。溶體。n 中間相大多數(shù)是由不同的金屬或金屬與亞金屬組成中間相大多數(shù)是由不同的金屬或金屬與亞金屬組成的化合物，故這類(lèi)中間相又稱(chēng)為金屬間化合物。的化合物，故這類(lèi)中間相又稱(chēng)為金屬間化合物。金屬間化合物的性質(zhì)和應(yīng)用金屬間化合物的性質(zhì)和應(yīng)用金屬間化合物由于原子鍵合和晶體結(jié)構(gòu)的多樣性，金屬間化合物由于原子鍵合和晶體結(jié)構(gòu)的多樣性，使得這種化合物具有許多特殊的物理、化學(xué)性能，使得這種化合物具有許多特殊的物理、化學(xué)性能，己日益受到人們的重視，不少金屬間化合物特別是己日益受到人們的重視，不少金屬間化合物特別是超結(jié)構(gòu)己作

45、為新的功能材料和耐熱材料正在被開(kāi)發(fā)超結(jié)構(gòu)己作為新的功能材料和耐熱材料正在被開(kāi)發(fā)應(yīng)用應(yīng)用金屬間化合物的性質(zhì)和應(yīng)用金屬間化合物的性質(zhì)和應(yīng)用n 具有超導(dǎo)性質(zhì)的金屬間化合物，如具有超導(dǎo)性質(zhì)的金屬間化合物，如NbGe，Nb3AI等等n 具有特殊電學(xué)性質(zhì)的金屬間化合物，具有特殊電學(xué)性質(zhì)的金屬間化合物，GaAs-ZnSe等在半導(dǎo)體等在半導(dǎo)體材料的應(yīng)用材料的應(yīng)用n 具有強(qiáng)磁性的金屬間化合物，如稀土元素具有強(qiáng)磁性的金屬間化合物，如稀土元素(Ce，La，Sm，Pu，Y等等)和和Co的化合物，具有特別優(yōu)異的永磁性能；的化合物，具有特別優(yōu)異的永磁性能；n (具有奇特吸釋氫本領(lǐng)的金屬間化合物具有奇特吸釋氫本領(lǐng)的金屬間化

46、合物(常稱(chēng)為貯氫材料常稱(chēng)為貯氫材料)，n 具有耐熱特性的金屬間化合物，如具有耐熱特性的金屬間化合物，如Ni3Al，NiAl，等，等n 耐蝕的金屬間化合物，如某些金屬的碳化物，硼化物、氮化耐蝕的金屬間化合物，如某些金屬的碳化物，硼化物、氮化物和氧化物等在侵蝕介質(zhì)中仍很耐蝕物和氧化物等在侵蝕介質(zhì)中仍很耐蝕n 具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性和消震性的金屬問(wèn)化合物具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性和消震性的金屬問(wèn)化合物中間相中間相n 中間相通常用化合物的化學(xué)分子式表示。中間相通常用化合物的化學(xué)分子式表示。n 大多數(shù)中間相中原子間的結(jié)合方式屬于金屬鍵與其他大多數(shù)中間相中原子間的結(jié)合方式屬于金屬鍵與其他典型鍵典型鍵(如離

47、子鍵、共價(jià)錠和分子鍵如離子鍵、共價(jià)錠和分子鍵)相混合的一種結(jié)相混合的一種結(jié)合方式。因此，它們都具有金屬性。合方式。因此，它們都具有金屬性。n 正是由于中間相中各組元間的結(jié)合含有金屬的結(jié)合方正是由于中間相中各組元間的結(jié)合含有金屬的結(jié)合方式，所以表示它們組成的化學(xué)分子式并不一定符合化式，所以表示它們組成的化學(xué)分子式并不一定符合化合價(jià)規(guī)律，如合價(jià)規(guī)律，如CuZn，F(xiàn)e3C等。等。n 中間相具有不同于各組成元素的晶體結(jié)構(gòu)，組元原中間相具有不同于各組成元素的晶體結(jié)構(gòu)，組元原子各占據(jù)一定的點(diǎn)陣位置，呈有序排列。子各占據(jù)一定的點(diǎn)陣位置，呈有序排列。n 中間相的性能明顯不同于各組元的性能，中間相的性能明顯不同

48、于各組元的性能，一般是硬一般是硬而脆。中間相是許多合金中重要的第二相，其種類(lèi)、而脆。中間相是許多合金中重要的第二相，其種類(lèi)、數(shù)量、大小、形狀和分布決定了合金的顯微組織和數(shù)量、大小、形狀和分布決定了合金的顯微組織和性能。性能。中間相中間相中間相中間相和固溶體一樣，電負(fù)性、電子濃度和原于尺寸對(duì)和固溶體一樣，電負(fù)性、電子濃度和原于尺寸對(duì)中間相的形成及晶體結(jié)構(gòu)都有影響。據(jù)此，可將中間相的形成及晶體結(jié)構(gòu)都有影響。據(jù)此，可將中間相分為正常價(jià)化合物、電子化合物、原于尺中間相分為正常價(jià)化合物、電子化合物、原于尺寸因素有關(guān)的化合物和超結(jié)構(gòu)寸因素有關(guān)的化合物和超結(jié)構(gòu)(有序固溶體有序固溶體)等幾等幾大類(lèi)，下面分別進(jìn)

49、行討論大類(lèi)，下面分別進(jìn)行討論中間相分類(lèi)中間相分類(lèi) 中間相中間相（金屬間化合物）（金屬間化合物）正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物電子化合物電子化合物與尺寸有關(guān)與尺寸有關(guān)間隙相、間隙化合物間隙相、間隙化合物拓?fù)涿芏严嗤負(fù)涿芏严喑Y(jié)構(gòu)超結(jié)構(gòu)(1)(1)正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物在元素周期表中，一些金屬與電負(fù)性較強(qiáng)的在元素周期表中，一些金屬與電負(fù)性較強(qiáng)的IVA，VA，VIA族的一些元素按照化學(xué)上的原子價(jià)規(guī)律所形成的化族的一些元素按照化學(xué)上的原子價(jià)規(guī)律所形成的化合物稱(chēng)為正常價(jià)化合物。它們的成分可用分子式來(lái)表合物稱(chēng)為正常價(jià)化合物。它們的成分可用分子式來(lái)表達(dá)，一般為，達(dá)，一般為，AB，A2B(或或AB2)，A3B2型

50、。如二價(jià)的型。如二價(jià)的Mg與四價(jià)的與四價(jià)的Pb，Sn，Ge，Si形成形成Mg2Pb，Mg2Sn，Mg2Ge，Mg2Si(1)(1)正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物n 這些化合物的穩(wěn)定性與組元間電負(fù)性差有關(guān)，電負(fù)性這些化合物的穩(wěn)定性與組元間電負(fù)性差有關(guān)，電負(fù)性差越大，化合物越穩(wěn)定，越趨于離子鍵結(jié)合。電負(fù)性差越大，化合物越穩(wěn)定，越趨于離子鍵結(jié)合。電負(fù)性差越小，化合物越不穩(wěn)定，越趨于金屬鍵結(jié)合。差越小，化合物越不穩(wěn)定，越趨于金屬鍵結(jié)合。n 正常價(jià)化合物包括從離子鍵、共價(jià)鍵過(guò)渡到金屬鍵為正常價(jià)化合物包括從離子鍵、共價(jià)鍵過(guò)渡到金屬鍵為主的一系列化合物主的一系列化合物n 正常價(jià)化合物通常具有較高的硬度和脆性正常價(jià)

51、化合物通常具有較高的硬度和脆性（2）電子化合物）電子化合物n 電子化合物是電子化合物是Hume-Rothery在研究在研究I B族的貴金屬族的貴金屬(Ag，Au，Cu)與與IIB，IIIA，IVA族元素族元素(如如ZnGa，Ge)所形成的合金時(shí)首先所形成的合金時(shí)首先發(fā)現(xiàn)的，后來(lái)又在發(fā)現(xiàn)的，后來(lái)又在Fe-Al，Ni-A1，CoZn等其他合金中發(fā)現(xiàn)，故等其他合金中發(fā)現(xiàn)，故又稱(chēng)休姆又稱(chēng)休姆-羅塞里相。羅塞里相。n 這類(lèi)化合物的特點(diǎn)是電子濃度是決定晶體結(jié)構(gòu)的主要因素。凡具這類(lèi)化合物的特點(diǎn)是電子濃度是決定晶體結(jié)構(gòu)的主要因素。凡具有相同的電子濃度，則相的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型相同。有相同的電子濃度，則相的晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)

52、型相同。n 電子濃度用化合物中每個(gè)原子平均所占有的價(jià)電子數(shù)電子濃度用化合物中每個(gè)原子平均所占有的價(jià)電子數(shù)(e/a)表示。表示。n 計(jì)算過(guò)渡族元素時(shí)，其價(jià)電子數(shù)視為零。計(jì)算過(guò)渡族元素時(shí)，其價(jià)電子數(shù)視為零。n 電子濃度為電子濃度為21/12的電子化合物稱(chēng)為的電子化合物稱(chēng)為 相，具有密排六方結(jié)構(gòu)；電相，具有密排六方結(jié)構(gòu)；電子濃度為子濃度為21/13的為的為 相，具有復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)；電子濃度為相，具有復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)；電子濃度為21/14的的為為 相，一般具有體心立方結(jié)構(gòu)，但有時(shí)還可能呈復(fù)雜立方的結(jié)相，一般具有體心立方結(jié)構(gòu)，但有時(shí)還可能呈復(fù)雜立方的結(jié)構(gòu)或密排六方結(jié)構(gòu)構(gòu)或密排六方結(jié)構(gòu)（2）電子化合物）電子化合

53、物n 電子化合物雖然可用化學(xué)分子式表示，但不符合電子化合物雖然可用化學(xué)分子式表示，但不符合化合價(jià)規(guī)律，而且實(shí)際上其成分是在一定范圍內(nèi)化合價(jià)規(guī)律，而且實(shí)際上其成分是在一定范圍內(nèi)變化，可視其為以化合物為基的固溶體，其電子變化，可視其為以化合物為基的固溶體，其電子濃度也在一定范圍內(nèi)變化。濃度也在一定范圍內(nèi)變化。n 電子化合物中原子間的結(jié)合方式以金屬鍵為主，電子化合物中原子間的結(jié)合方式以金屬鍵為主，故具有明顯的金屬特性。故具有明顯的金屬特性。（3）與原子尺寸因素有關(guān)的化合物）與原子尺寸因素有關(guān)的化合物一些金屬間化合物類(lèi)型與組成元素的原于一些金屬間化合物類(lèi)型與組成元素的原于尺寸差別有關(guān)，當(dāng)兩種原子半徑差

54、很大的尺寸差別有關(guān)，當(dāng)兩種原子半徑差很大的元素形成化合物時(shí)，傾向于形成間隙相和元素形成化合物時(shí)，傾向于形成間隙相和間隙化合物，而中等程度差別時(shí)傾向形成間隙化合物，而中等程度差別時(shí)傾向形成拓?fù)涿芏严嗤負(fù)涿芏严嚅g隙相和間隙化合物間隙相和間隙化合物n 原子半徑較小的非金屬元素如原子半徑較小的非金屬元素如C，H，N，B等可等可與金屬元素與金屬元素(主要是過(guò)渡族金屬主要是過(guò)渡族金屬)形成間隙相或間形成間隙相或間隙化合物。這主要取決于非金屬隙化合物。這主要取決于非金屬(x)和金屬和金屬(M)原原子半徑的比值子半徑的比值rxrM；n 當(dāng)當(dāng)rxrM0.59時(shí)，形成具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的相，時(shí)，形成具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)

55、的相，稱(chēng)為間隙相；稱(chēng)為間隙相；n 當(dāng)當(dāng)rxrM0.59時(shí)，形成具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的相，時(shí)，形成具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的相，通常稱(chēng)為間隙化合物。通常稱(chēng)為間隙化合物。間隙相和間隙化合物間隙相和間隙化合物由于由于H和和N的原子半徑僅為的原子半徑僅為0.046nm和和0.071nm數(shù)值數(shù)值甚小，故它們與所有的過(guò)渡族金屬都滿足甚小，故它們與所有的過(guò)渡族金屬都滿足rxrM0.59的條件，因此，過(guò)渡族金屬的氫化物和氮化物都的條件，因此，過(guò)渡族金屬的氫化物和氮化物都為間隙相：而為間隙相：而B(niǎo)的原子半徑的原子半徑0.091nm，數(shù)值較大，則過(guò)，數(shù)值較大，則過(guò)渡族金屬的硼化物均為間隙化合物。至于渡族金屬的硼化物均為間隙化

56、合物。至于C則處于中則處于中間狀態(tài)，某些碳化物如間狀態(tài)，某些碳化物如TiC，VC，NbC，WC等系結(jié)等系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的間隙相，而構(gòu)簡(jiǎn)單的間隙相，而Fe3C、Cr7C3等則是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的等則是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的間隙化合物間隙化合物間隙相VC的晶體結(jié)構(gòu)間隙相ZrH2的結(jié)構(gòu)和間隙相Fe4N的結(jié)構(gòu)間隙相間隙相n 間隙相具有比較簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)，如面心立方間隙相具有比較簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)，如面心立方(fcc)、密排六方密排六方(hcp)，少數(shù)為體心立方，少數(shù)為體心立方(bcc)或簡(jiǎn)單六方結(jié)或簡(jiǎn)單六方結(jié)構(gòu)，與組元的結(jié)構(gòu)均不相同。構(gòu)，與組元的結(jié)構(gòu)均不相同。n 在晶體中，金屬原子占據(jù)正常的位置而非金屬原在晶體中，金屬原子占據(jù)正常

57、的位置而非金屬原子則規(guī)則地分布于晶格間隙中，這就構(gòu)成一種新的子則規(guī)則地分布于晶格間隙中，這就構(gòu)成一種新的晶體結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)。n 非金屬原子在間隙相中占據(jù)什么間隙位置，也主要非金屬原子在間隙相中占據(jù)什么間隙位置，也主要取決于原子尺寸因素。當(dāng)取決于原子尺寸因素。當(dāng)rxrM0.414時(shí)，通常可時(shí)，通常可進(jìn)入四面體間隙；若進(jìn)入四面體間隙；若rxrM0.414時(shí)，則進(jìn)入八面時(shí)，則進(jìn)入八面體間隙。體間隙。間隙相間隙相n 間隙相用化學(xué)分子式表示，但其成份在一定范間隙相用化學(xué)分子式表示，但其成份在一定范圍內(nèi)變化圍內(nèi)變化n 間隙相為共價(jià)鍵與金屬鍵混合，具有明顯金屬間隙相為共價(jià)鍵與金屬鍵混合，具有明顯金屬特性，并

58、具有高熔點(diǎn)和高硬度（工具鋼、硬質(zhì)特性，并具有高熔點(diǎn)和高硬度（工具鋼、硬質(zhì)合金）合金）間隙化合物間隙化合物n 當(dāng)非金屬原子半徑與過(guò)渡族金屬原子半徑之比當(dāng)非金屬原子半徑與過(guò)渡族金屬原子半徑之比rx /rM0.59時(shí)所形成的相往往具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，這就是間時(shí)所形成的相往往具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，這就是間隙化合物。隙化合物。n 通常過(guò)渡族金屬通常過(guò)渡族金屬Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni與碳元素所形成與碳元素所形成的碳化物都是間隙化合物。的碳化物都是間隙化合物。n 間隙化合物為共價(jià)鍵和金屬鍵的混合間隙化合物為共價(jià)鍵和金屬鍵的混合n 高硬度和高熔點(diǎn)（但不如間隙相），鋼中的主要強(qiáng)化相高硬度和高熔點(diǎn)（但不如間隙相），鋼中的主要強(qiáng)化相間隙化合物間隙化合物Fe3C是鐵碳合金中的一個(gè)基本是鐵碳合金中的一個(gè)基本相，稱(chēng)為滲碳體。相，稱(chēng)為滲碳體。