浙大材料科学基础课件part3.doc

第三章 金属与陶瓷的结构一、学习目的材料的结构问题需分层次认识，第一层次是原子核外电子的排布即电子组态和电子构型；第二层次是原子与原子之间的排列位置与相互作用即晶体结构；第三层次是晶相、玻璃相的分布、大小、形状等即显微结构。

固态物质按照原子间（或分子）的聚集状态可以分为晶体和非晶体，在金属与陶瓷中，这两种状态都存在，并且以晶体为主。

在掌握了原子结构与化学键基础上，学习晶体结构基础知识，掌握固体中原子与原子之间的排列关系，对认识和理解材料性能至关重要。

二、本章主要内容在结晶性固体中，材料的许多性能依赖于内部原子的排列，因此，必须掌握晶体特征和描述方法。

本章从微观层次出发，介绍了金属、陶瓷材料的结构特点，介绍了结晶学的基础知识。

主要内容包括：1、 晶体和晶胞晶体：是原子、离子或分子按照一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性。

晶胞：是从晶体结构中取出的能够反映晶体周期性和对程性的重复单元。

2、 金属的晶体结构金属原子之间靠金属键结合形成的晶体为金属晶体。

金属晶体的三种类型和特征为：面心立方晶体：晶胞中八个角上各有一个原子，六个面中心各有一个原子，角上的原子为临近8个晶胞所共有，每个面中心原子为2个晶胞所共有。

晶胞的原子数为4。

晶胞长度a （晶胞参数a=b=c ）与原子半径R 之间的关系为：2a =晶胞中原子堆积系数（晶胞中原子体积与晶胞体积的比值）APF=0.74. 体心立方晶体：晶胞中八个角上各有一个原子，晶胞的中心有一个原子，角上的原子为临近8个晶胞所共有，所以，体心立方晶胞中的原子数为2。

晶胞长度a （晶胞参数a=b=c ）与原子半径R 之间的关系为：a =晶胞中原子堆积系数APF=0.68.密排六方晶体：由两个简单六方晶胞穿插而成。

形状为八面体，上下两个面为六角形，六个侧面为长方形。

密排六方的晶胞参数有两个，a 为正六边形的边长，c 为上下底面的间距（晶胞高度）。

滑动面表示符号：平移为a/2、b/2或c/2时，写作a、b或c；沿体对角线平移1/2距离，写作n；沿面对角线平移1/4距离，写作d。

(2)螺旋轴：由回转轴和平行于轴的平移构成。

图1-24为3次螺旋轴，绕轴回转120º并沿轴平移c/3。

螺旋轴按其回转方向有右旋和左旋之分螺旋轴表示符号：21(表示2次、c/2)，31(表示3次、c/3、右旋)，32(表示3次、c/3、左旋)，41(表示4次、c/4、右旋)，42(4次、c/2)，43(表示4次、c/4、左旋)， 61(6次、c/6、右旋)，62(6次、c/3、右旋)，63(6次、c/2)， 64(6次、c/6、左旋)， 65(6次、c/3、左旋)所有对称要素归纳：回转对称轴：1、2、3、4、6对称面：m（2）对称中心：1（z）回转-反演轴：3、4、6滑动面：a、b、c、n、d螺旋轴：21、31、32、41、42、43、61、62、63、64、65(二)点群、单形及空间群点群：晶体可能存在的对称类型。

通过宏观对称要素在一点上组合运用而得到。

只能有32种对称类型，称32种点群表1- 3 32种点群及所属晶系*2/m表示其对称面与二次轴相垂直，/表示垂直的意思。

其余类推同一晶系晶体可为不同点群的原因：阵点上原子组合情况不同。

如图1-25，对称性降低，平行于六面体面的对称面不存在，4次对称轴也不存在。

理想晶体的形态―单形和聚形：单形：由对称要素联系起来的一组同形等大晶面的组合。

32种对称型总共可以导出47种单形，如图1-26.1，图1-26.2，图1-26.3所示聚形：属于同一晶类的两个或两个以上的单形聚合而成的几何多面体。

大量的晶体形态是由属于同一晶类的单形聚合而成的封闭一定空间的几何多面体，如单形四方柱与平行双面形成了四方柱体的真实晶体形态空间群：描述晶体中原子通过宏观和微观对称要素组合的所有可能方式。

属于同一点群的晶体可因其微观对称要素的不同而分属不同的空间群，空间群有230种，见教材中表1- 4国际通用的空间群符号及其所代表的意义为：P：代表原始格子以及六方底心格子（六方底心格子为三方晶系和六方晶系所共有）。

(六)晶界的特性晶界的特性：不完整，畸变较大，存在晶界能，晶粒长大和晶界的平直化能减小晶界总面积，降低晶界总能量；晶界常温下对塑性变形起阻碍作用，显然，晶粒越细，金属材料的强度、硬度也越高；晶界有较高动能及缺陷，熔点较低，腐蚀速度较快第三章固溶体固溶体：类似于液体中含有溶质的溶液，晶体中含有外来杂质原子的一种固体的溶液固溶体特点：掺入外来杂质原子后原来的晶体结构不发生转变。

但点阵畸变，性能变化如多数合金，硅中掺入磷和硼都是固溶体固溶度：外来组分量可在一定范围内变化，不破坏晶体结构的最大溶解度量中间相：超过固溶体的溶解限度时，可能形成晶体结构不同，处于两端固溶体的中间部位的新相固溶体分类：置换固溶体，间隙固溶体，缺位固溶体,如错误!未找到引用源。

所示溶体的有序和无序分类：据溶质原子在溶剂晶体结构中排列的有序与否区分。

达某一尺度为有序畴；长程有序可为超结构有限和无限固溶体分类：两组元在固态呈无限溶解，即为（连§3-1影响固溶度的因素结构相同只是完全固溶的必要条件，不是充分条件续固溶体）无限固溶体一、休姆-罗瑟里(Hume-Rothery)规律固溶体固溶度的一般规律：1、尺寸因素:当尺寸因素不利时，固溶度很小；2、化学亲和力:稳定中间相（和组元的化学亲和力有关）会使一次固溶体的固溶度下降（中间相自由能曲线低）；3、电子浓度:电子浓度（价电子数和原子数的比值）影响固溶度和中间相稳定性，100)100(vx x V a e +-=（溶质价为v ，溶剂价为V ）。

还有适用于某些合金系的“相对价效应” ，即高价元素在低价中的固溶度大二、尺寸因素尺寸与溶解度关系：溶质与溶剂原子的尺寸相差大，畸变大，稳定性就低，溶解度小点阵常数的改变：置换固溶体，平均点阵常数增大或收缩,如错误!未找到引用源。

所示；间隙固溶体，总是随溶质溶入而增大。

维伽定律：固溶体点阵常数a 与溶质的浓度x 之间呈线性关系：x a a a a )(121-+=。