1、 2.1 基础知识基础知识 2.2 金属及合金相的晶体结构金属及合金相的晶体结构 2.3 陶瓷的晶体结构陶瓷的晶体结构 2.4 高分子的链结构及聚集态结构高分子的链结构及聚集态结构 2.5 复合材料的细观结构复合材料的细观结构 2.6 非晶、准晶和纳米晶非晶、准晶和纳米晶第第 章章 固体材料的结构固体材料的结构 2.2 金属及合金相的晶体结构金属及合金相的晶体结构 2.2.1 元素的晶体结构元素的晶体结构 第一类是真正的金属第一类是真正的金属 除少数例外，绝大多数都具有高对称性的简单结构，其典型除少数例外，绝大多数都具有高对称性的简单结构，其典型结构为：面心立方结构结构为：面心立方结构(代号为
2、代号为A1)；体心立方结构；体心立方结构(A2)；密排；密排六方结构六方结构(A3)。第二类包括第二类包括8个金属元素个金属元素，其晶体结构和第一类有些不同。，其晶体结构和第一类有些不同。第三类多数为非金属元素第三类多数为非金属元素，也包括少数亚金属，如硅、锗等。，也包括少数亚金属，如硅、锗等。2.2.2 典型金属的晶体结构典型金属的晶体结构 一、三种常见结构一、三种常见结构 由于金属键没有饱和性和方向性，因此大多数金属的由于金属键没有饱和性和方向性，因此大多数金属的晶体结构比较简单，而且倾向于形成比较致密的结构。晶体结构比较简单，而且倾向于形成比较致密的结构。晶胞中的原子数晶胞中的原子数：4
3、点阵常数点阵常数：密排面：密排面：111、密排方向：、密排方向：配位数配位数（Coodinative Number）：12致密度致密度(Efficiency of Space Filling)：74%1 fcc面心立方（面心立方（Al、g-Fe、Ni、Cu、Ag、Au）配位数配位数 配位数是指晶体结构中，与任一原子最近邻的原子数。对单质金属而配位数是指晶体结构中，与任一原子最近邻的原子数。对单质金属而言，配位数可为言，配位数可为12、8、6、4、2、1。金属晶体结构一般为。金属晶体结构一般为12或或8。致密度致密度 致密度是指晶体结构中单位体积里院子所占体积。若将晶体中的原子致密度是指晶体结构
4、中单位体积里院子所占体积。若将晶体中的原子看作等径刚球，那么可将其最近邻原子间距定义为原子直径。如以一个晶看作等径刚球，那么可将其最近邻原子间距定义为原子直径。如以一个晶胞来计算，致密度胞来计算，致密度K就等于晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比，即就等于晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比，即 Knv/V 式中：式中：n是晶胞中原子数，是晶胞中原子数，v是一个原子（刚球）的体积，是一个原子（刚球）的体积，V是晶胞体积。是晶胞体积。面心立方结构的配位数为面心立方结构的配位数为12，每个原子有每个原子有12个最近邻原子。个最近邻原子。面心立方结构密排方向是面心立方结构密排方向是面对角线面对角线，相，相邻
5、的原子彼此接触，因此刚球的直径就等于邻的原子彼此接触，因此刚球的直径就等于最近邻原子间距最近邻原子间距d：ad22 故致密度为：故致密度为：晶胞内原子数：晶胞内原子数：2密排面：密排面：110；密排方向：密排方向：配位数：配位数：8致密度：致密度：68%2 bcc体心立方（体心立方（a-Fe、Cr、V、Nb、Mo）体心立方结构的配位数为体心立方结构的配位数为8，每个原子有每个原子有8个最近邻原子。个最近邻原子。体心立方结构密排方向是体心立方结构密排方向是体对角线体对角线，相邻的原子彼，相邻的原子彼此接触，因此刚球的直径就等于最近邻原子间距此接触，因此刚球的直径就等于最近邻原子间距d：ad23
6、故致密度为：故致密度为：晶胞内原子数：晶胞内原子数：6密排面：密排面：0001、密排方向：、密排方向：配位数：配位数：12、6+6致密度：致密度：74%-3 hcp密排六方（密排六方（a-Ti、a-Zr、Be、Mg、Zn、Cd）密排六方结构在理想情况下，原子不仅密排六方结构在理想情况下，原子不仅与同层周围六个原子相接触，还与其上面和与同层周围六个原子相接触，还与其上面和下面相邻面内的各三个原子相接触，所以密下面相邻面内的各三个原子相接触，所以密排六方结构的配位数等于排六方结构的配位数等于12，而最近邻的原，而最近邻的原子间距子间距d=a。而而:4)/(312acad633.138ac 因此轴比
7、应当为：因此轴比应当为：实际上大多密排六方结构轴比都与实际上大多密排六方结构轴比都与1.633有不同程度的偏差。尤有不同程度的偏差。尤其是锌和镉的轴比超过很多，严格看来其配位数应为其是锌和镉的轴比超过很多，严格看来其配位数应为6，如果考虑，如果考虑到另到另6个次近邻原子相差不大，配位数也可写成个次近邻原子相差不大，配位数也可写成66。在周期表中，大约有在周期表中，大约有40多多种元素具有两种或两种以上的种元素具有两种或两种以上的晶体结构，即具有晶体结构，即具有同素异晶性同素异晶性，或称或称多晶型性多晶型性。因它们在不用。因它们在不用的温度或压力范围内具有不用的温度或压力范围内具有不用的晶体结构
8、，故当条件变化时，的晶体结构，故当条件变化时，会由一种结构转变为另一种结会由一种结构转变为另一种结构，称为构，称为多晶型转变或同素异多晶型转变或同素异构转变构转变。4 4 多晶型性多晶型性纯铁加热时的膨胀曲线纯铁加热时的膨胀曲线 二二、晶体中原子的堆垛方式晶体中原子的堆垛方式二维排列方式 密排面原子排列方式 以密排面按图中以密排面按图中A-B-C-A顺序堆垛，就形成了面心立方结构，顺序堆垛，就形成了面心立方结构，其密排面为其密排面为(111)面。面。三维排列方式 以密排面按图中以密排面按图中A-B-A-B的顺序堆垛，就形成了密的顺序堆垛，就形成了密排六方结构，其密排面为排六方结构，其密排面为(
9、0001)面。面。NaCl晶体晶体最紧密堆积原理：最紧密堆积原理：晶体中各离子间的相互结合，可以看作是球体的堆晶体中各离子间的相互结合，可以看作是球体的堆积，按照晶体中质点的结合应遵循势能最低的原则，积，按照晶体中质点的结合应遵循势能最低的原则，从球体堆积的几何角度来看，从球体堆积的几何角度来看，球体堆积的密度越大，球体堆积的密度越大，系统的势能越低，晶体越稳定系统的势能越低，晶体越稳定。等径球体的最紧密堆积方式 球体在平面的堆积方式球体在平面的堆积方式 两层球体的堆积方式两层球体的堆积方式 三层球体的堆积方式三层球体的堆积方式 空隙类型空隙类型 空隙数与球数的关系空隙数与球数的关系 空间利用
10、率（致密度）的求解空间利用率（致密度）的求解1.1.球体在平面的堆积方式球体在平面的堆积方式2.两层球体的最紧密堆积方式两层球体的最紧密堆积方式ABCABC3.3.三层球体的最紧密堆积方式（一）三层球体的最紧密堆积方式（一）三层球体的最紧密堆积方式（二）三层球体的最紧密堆积方式（二）4.空隙类型空隙类型5.球数与空隙数的关系球数与空隙数的关系(以以B空隙上面的球为例空隙上面的球为例)（ABAB）球数与空隙数的关系（球数与空隙数的关系（ABCABC）nn66nn248总结：u在密堆积结构中，每个球接触到同种球的个数为12个；u密堆积结果形成2种方式：六方紧密堆积和立方紧密堆积；u密堆积结果形成2
11、种空隙：一种是由6个球形成的八面体空隙，一种是由4个球形成的四面体空隙。每个球周围有6个八面体空隙，对n个等大球体堆积系统，其八面体空隙总数为 ；每个球体周围有8 个四面体空隙，对n 个等大球体堆积系统，其四面体空隙总数为 。不等径球体的紧密堆积不等径球体的紧密堆积较大球体作等径球体的紧密堆积，较大球体作等径球体的紧密堆积，较小的球填充在大球紧密堆积形成的空隙中。较小的球填充在大球紧密堆积形成的空隙中。例：例：NaCl晶体晶体例：以球体紧密堆积模型，计算下列结构的空间利用率。例：以球体紧密堆积模型，计算下列结构的空间利用率。(1)简立方；简立方；(2)体心立方；体心立方；(3)面心立方；面心立
12、方；(4)六方密积；六方密积；ca例：以例：以NaCl晶胞为例，说明等径球面心立方紧密晶胞为例，说明等径球面心立方紧密堆积中的八面体和四面体空隙的位置和数量，并堆积中的八面体和四面体空隙的位置和数量，并计算其空间利用率。计算其空间利用率。例例1 1 面心立方结构中的间隙面心立方结构中的间隙体心及各棱边中点八面体间隙四面体间隙(Tetrahedral Interstice)体对角线 及 处4143 例例2 体心立方结构中的间隙体心立方结构中的间隙 体心立方八面体间隙位于晶胞面心和棱边中点位置，明显不是正八面体。每个晶胞内有6个八面体间隙，其间隙半径为：rrrrar1547.02-34212-21
13、）（）（八 体心立方四面体间隙位于晶胞棱边中点连线的1/4位置，也不是正四面体。每个晶胞内有12个四面体间隙，其间隙半径为：rrrr291.0-3445四 虽然体心立方致密度低于面心立方接结构，但间隙相对分散，因此能溶入的间隙原子量反而比面心立方少。例例3 密排六方点阵中的间隙密排六方点阵中的间隙晶体结构晶体结构八面体间隙八面体间隙四面体间隙四面体间隙间隙数间隙数/原子数原子数rB/rA间隙数间隙数/原子数原子数rB/rABCC6230.15512260.291FCC4410.4148420.225HCP6610.41412620.225面心立方结构的四面体间隙和八面体间隙比较面心立方结构的四
14、面体间隙和八面体间隙比较总之：若将规则的四面体和八面体堆积起来使晶体空间能够完全被填满可以有两种不同的方式：密排六方结构中的间隙组态；面心立方结构中的间隙组态。2.2.3合金相的晶体结构合金相的晶体结构 一、研究意义材材 料料 sb/MPa备备 注注工业纯铁工业纯铁200退火状态退火状态40Cr1000C:0.37-0.45 Cr:0.80-1.10 Mn:0.50-0.80 Si:0.20-0.4060Si2CrVA1900C:0.56-0.64 Si:1.40-1.80 Cr:0.90-1.20 V:0.10-0.20工业纯铝工业纯铝50退火状态退火状态LD10480Cu:3.9-4.8
15、Mn:0.4-1.0 Mg:0.4-0.8LC6680Cu:2.2-2.8 Mn:0.2-0.5 Mg:2.5-3.2 Zn:7.6-8.6工业纯铜工业纯铜230退火状态退火状态H70660Zn:30QBe21400Be:1.9-2.2 二、基本概念二、基本概念 1、合金、合金(alloy)金属金属或金属非金属金属金属或金属非金属 例：例：注意：注意：（1）A和和B的比例不同，合金的结构可能不同；的比例不同，合金的结构可能不同；（2）温度变化时合金的结构可能变化。）温度变化时合金的结构可能变化。描述结构、成分、温度之间的关系描述结构、成分、温度之间的关系相图相图 2、组元组元(componen
16、t)合金的成分单元，可以是纯元素，也可以是稳定化合物。合金的成分单元，可以是纯元素，也可以是稳定化合物。例：例：FeC合金合金CuZn合金合金CuZnFeCFeFeSFeFe3c 3、相、相(phase)是从组织角度说明合金中具有同一聚集状态、同一结构，是从组织角度说明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。以及成分性质完全相同的均匀组成部分。单相合金、两相合金、多相合金单相合金、两相合金、多相合金弹壳黄铜弹壳黄铜H68黄铜，单黄铜，单相相 商业黄铜商业黄铜H62黄铜，黄铜，两相两相 4、组织、组织(microstructure)不同成分、结构和性能的合金相组成合
17、金的组织。不同成分、结构和性能的合金相组成合金的组织。固溶体固溶体(Solid Solution)：一种组元：一种组元(溶质溶质)溶解在另一种溶解在另一种组元组元(溶剂，一般是金属溶剂，一般是金属)中，其特点是溶剂（或称基体）的中，其特点是溶剂（或称基体）的点阵类型不变，溶质原子或是代替部分溶剂原子而形成置换点阵类型不变，溶质原子或是代替部分溶剂原子而形成置换固溶体，或是进入溶剂组元点阵的间隙中而形成间隙固溶体。固溶体，或是进入溶剂组元点阵的间隙中而形成间隙固溶体。化合物化合物(compound)：由两种或多种组元按一定比例：由两种或多种组元按一定比例(一一定的成分定的成分)构成一个新的点阵，也可能会存在成分范围，又构成一个新的点阵，也可能会存在成分范围，又称中间相称中间相(Intermediate Phase)。5、合金相的分类、合金相的分类谢谢欣赏THANK YOU FOR WATCHING
