北科大材料考研试题

当rx／rM＜0.414时，通常可进入四面体间

隙。

当0.414＜rx／rM＜0.59时通常可进入八面体 间隙。
间隙相的分子式一般为M4x，M2x，Mx和Mx2 四种。常见的间隙相及其晶体结构如表2.11
2间隙化合物
当非金属原子半径与过渡族金属原子半径之 比rx／rM＞0.59时所形成的相往往具有复杂的 晶体结构，这就是间隙化合物。通常过渡族 金属 Cr ， Mn ， Fe ， Co ， Ni 与碳元素所形成 的碳化物都是间隙化合物。常见的间隙化合 物有 M 3 C 型 ( 如 Fe 3 C ， Mn 3 C) ， M 7 C 3 型 ( 如 Cr 7 C 3 ) ，间隙化合物中的金属元素常常被其 他金属元素所置换而形成化合物为基的固溶 体。例如(Fe，Mn)3C（合金渗碳体）。
对于正常价化合物：
电负性差越小，化合物越不稳定，越趋于金属键结 合 电负性差越大，化合物越稳定，越趋于离子键结合 如二价的Mg与四价的Pb，Sn，Ge，Si形成Mg2Pb， Mg2Sn ， Mg2Ge ， Mg2Si 。由 Pb 到 Si 电负性逐渐增 大，故上述四种正常价化合物中Mg2Si最稳定，熔 点 为 1012℃ ， 而 且 系 典 型 的 离 子 化 合 物 ； 而 Mg2Pb熔点仅为550℃，且显示出典型的金属性质， 其电阻值随温度升高而增大。
3)无固定熔点 玻璃态物质由固体转变 为液体是在一定温度区域 内进行的，它与结晶· 态 物质不同，没有确定的熔 点。
(4)熔融态向玻璃态转化 的过程是可逆的与渐变的
A点是温度为T的熔体．将熔 体 A 逐渐冷却时，熔体体积和 内能沿着 AB 线收缩和降低， 到达 B 点 ( 熔点 ) 时熔体冷却相 变为晶体，此时熔体的内能和 体积发生急速变化，相当于 B 变化到 C ．当熔体全变为晶体， 这时放出的是熔化热(结晶 热)．体积收缩到C后，温度继 续下降时，晶体体积和内能沿 着 CD 下降，这个过程放出的 是显热。
3.拓扑密堆相 原子差别处于中等 对于结构中存在两种大小不同的原子，当以四面体紧密堆 积，即形成存在四面体空隙的密排结构，配位数可达 12、14、15、16，这种结构称为拓扑密堆结构。 合金中由两种大小不同的原子所构成的具有高致密度和高 配位数的晶体结构的中间相称为拓扑密堆相。 也称为 TCP相，区别于fcc,bcc,hcp。
2.5 硅酸盐结构



硅酸盐是一种廉价的陶瓷材料。普通水泥是人们 最熟悉的硅酸盐。许多陶瓷材料，如砖、瓦、玻 璃、搪瓷等都是由硅酸盐制成。用于制造陶瓷材 料的主要硅酸盐矿物有长石、高岭土、滑石、镁 橄榄石等。 硅酸盐的成分和结构都比较复杂，但在所有的硅 酸盐结构中起决定作用的是硅－氧间的结合。 硅酸盐晶体主要结构类型有岛状结构、组群状结 构、链状结构、层状结构以及架状结构。

影响中间相的形成及其结构的主要因素和固溶体一样也 包括电负性、电子浓度、原子尺寸。

一、正常价化合物
电负性差别较大的组元可能组成与离子化合物结构相同 的金属化合物，这种化合物中组元的原子数比较符合化 合价规律，所以叫做正常价化合物。 由M+电负性较强的ⅣA、ⅤA、ⅥA族元素构成 正常价化合物的分子式一般有AB、 A2B（或 AB2 ）两 种类型，如MgSe、Cu2S等。 正常价化合物通常具有较高的硬度和脆性。
(4)熔融态向玻璃态转化的过程 是可逆的与渐变的
当熔体冷却到 B（ Tm ）点时，体积 和内能不发生异常变化，而是沿着BF 过冷线变化（变为过冷液体），当到 达 F 点时，过冷熔体开始固化形成玻 璃体，固化的对应温度Tg称为玻璃的 形成温度，或称玻璃脆性温度，对应 粘度为1012Pa.S。继续冷却时，体积 和内能降低程度较小，曲线在 F 点出 现转折。由此可见熔体冷却变为玻璃 体时，整个过程是连续的渐变过程， 给玻璃加热，可沿着相反的方向变化， 所以是个渐变的可逆过程。
间隙化合物硬度、熔点很高（但不如间隙相）， 是钢中主要的强化相。 如：Fe3C与间隙相相反，间隙化合物的晶体结构 都很复杂。 间隙化合物中原子间结合键为共价键和金属键。 还应指出，在钢中只有周期表中位于Fe左方的 过渡族金属元素才能形成碳化物(包括间隙相 和间隙化合物)，它们的d层电子越少，与碳的 亲和力就越强，则形成的碳化物越稳定。
1.4.2 中间相
中间相通常包括主要受电负性控制的正常价化合物、 以原子尺寸为主要控制因素的间隙相和间隙化合物 以及由电子浓度引起主要控制作用的电子化合物。

大多数金属间化合物中原子间的结合方式是金属 结合与其他典型结合（离子结合、共价结合和分 子结合）相混合的一种方式，因此他们多具有金 属性。化学分子式并不都符合化合物规律，如 CuZn、Fe3C、TiC等。各组元原子占据一定的位 置，呈有序排列。
(1)
(2)
(3)
(4)
结构共同特点： 结构中Si4+间没有直接 的键，而它们是通过 O2-连接Baidu Nhomakorabea来的。 结构是以硅氧四面体 为结构的基础。 每一个O2-只能连接2个 硅氧四面体。 硅氧四面体只能共顶 连接，而不能共棱和 共面连接。
1.
2.
硅酸盐化学式的表示方法： 用氧化物表示的方法 用无机络盐的形式表示

玻璃的狭义定义为：“熔融物在冷却过程 中不发生结晶的无机物质。”根据这个定 义，用熔融法以外的其他方法，如真空蒸 发、放射线照射、凝胶加热等方法制作的 非晶态物质不能称为玻璃。还有组成上不 同于无机物质的非晶态金属和非晶态高分 子材料也不能称为玻璃。然而，若根据制 成的材料状态及性质等方法对玻璃进行科 学的分类，就不能采用上面狭义的定义。 若某种材料显示出典型的经典玻璃所具有 的各种特征性质，那么，不管其组成如何， 我们都可以称之为玻璃。

此外，有些金属化合物具有许多特殊的物理化 学性质，诸如电学性质、磁学性质、声学性质、 化学稳定性、热稳定性和高温强度等，其中已 有不少金属化合物已作为新的功能材料和耐热 材料正在开发和应用，对现代科学技术的进步 起着巨大的推动作用。例如，砷化镓具有比较 更为优异的半导体性能，它在信息技术领域的 应用已引起世界的广泛关注。有一些金属化合 物，如TiAl，Ti3Al，Ni3Al等，具有随温度升高 强度也升高的反常特性，若能克服其脆性较大 的缺点，就能用作耐热材料。
(5)熔融态向玻璃态 转化时物理、化学性 质随温度变化的连续 性 三类性质曲线如左图
所示。 Tg玻璃形成温度：玻璃出 现脆性的最高温度。 Tf玻璃软化温度：开始出 现液体典型性质的温度， 可以拉丝温度。 Tg与Tf之间：固体状态与 熔体状态的过渡区间

1.概念
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。 同一种熔体（化学组成相同），冷速不同，固态结构、性 能差异很大。 晶体是失透的，而玻璃是透明的，具有较高的硬度和较大 的脆性。

传统玻璃(如硅酸盐玻璃、硼酸玻璃、磷酸盐 玻璃等)及一些非传统玻璃(如重金属氧化物玻 璃、卤化物玻璃、硫化物玻璃等)都是由玻璃 原料经加热、熔融、冷却而形成的非晶态透明 固体。获得玻璃除有熔体冷却法外，现在还有 气相沉积法、水解法、高能射线辐照法、冲击 波法、溅射法等非熔融法。玻璃态物质究竟有 哪些特征呢?
一些化合物类型与组成元素原子尺寸的差 别有关，当两种原子半径差很大的元素形成 化合物时，倾向于形成间隙相和间隙化合物， 而中等程度差别时则倾向形成拓扑密堆相， 现分别讨论如下：
a．间隙相和间隙化合物 原子半径较小的非 金属元素如 C ， H ， N ， B 等可与金属元素 (主要是过渡族金属)形成间隙相或间隙化合 物。这主要取决于非金属(x)和金属(M)原子 半径的比值r x／r M；当r x／r M＜0.59时，形 成具有简单晶体结构的相，称为间隙相； 当rx／rM＞0.59时，形成具有复杂晶体结构 的相，通常称为间隙化合物。
二、电子化合物
通常电子浓度相同的金属化合物具有相同的晶 体结构。决定电子化合物晶体结构的主要因素是 电子浓度，但尺寸因素及电化学因素对结构也有 影响。 由ⅠB(或过渡族元素)与ⅡB，ⅢA和ⅣA族元素构成
的金属化合物。
电子化合物中原子间结合的性质是金属键结合 为主，它们具有明显的金属特性。
三、受原子尺寸因素控制的金属化合物


四、金属化合物的特性
共同特性：具有极高的硬度、较高的熔点，而塑 性很差。这是因为金属化合物含有较多的共价键 及离子键的成分。 根据这一特性，绝大多数的工程材料将金属化合 物作为强化合金的第二相来使用。例如，一些正 常价化合物和多数电子化合物可作为有色金属的 强化相。简单间隙化合物在合金钢及硬质合金中 得到广泛应用。复杂间隙化合物同样是合金钢及 高温合金中的重要强化相。

Fe3C是铁碳合金中的一个基本相，称为渗碳 体。C与Fe的原子半径之比为0.63，其晶体结 构如图2.44所示，为正交晶系，三个点阵常数 不相等，晶胞中共有16个原子，其中12个Fe 原子，4个C原子，符合Fe：C＝3：l的关系。 Fe3C中的Fe原子可以被Mn，Cr，Mo，W，V 等金属原子所置换形成合金渗碳体；而Fe3C 中的C可被B置换，但不能被N置换。

2.玻璃的通性
（1）各向同性 （2）介稳性－有析晶（晶化）的倾向 （3）熔融态向玻璃态转化的过程是可逆的与渐变的 （4）无固定的熔点 （5）熔融态向玻璃态转化时物理、化学性质随温度变化 的连续性
1)各向同性 玻璃态物质的质点排列总是无规则的， 是统计均匀分布的，因此，它的物理化学 性质在任何方向都是相同的。例如，在不 存在机械应力的情况下，均匀玻璃没有双 折射现象，也没有解理性，不像晶体那样， 不同的方向具有的性质也不同。


所谓经典玻璃的特征性质是指存在热膨胀系数和 比热的突变温度，即存在玻璃转变温度Tg，也就 是说，具有Tg的非晶态材料都是玻璃。从这个观 点出发，除传统氧化物玻璃外，还可将非晶态硫 系化合物、非晶态金属合金、大部分非晶态高分 子都称为玻璃。当然，在没有证明是玻璃时，最 好称之为非晶态物质。 从实用的角度来说，玻璃是一种透明的无定形 固体材料。透明性指的是对可见光具有一定的透 明度；无定形指的是结构中质点排列是无规则的， 在X射线谱上呈现出宽幅的散射峰。可以根据这 两条来判断某物质是否是玻璃。


由于H和N的原子半径仅为0.046nm和 0.071nm，尺寸小，故它们与所有的过渡族金 属都满足rx／rM＜0.59的条件，因此，过渡族 金属的氢化物和氮化物都为间隙相；而B的原 子半径为0.097nm，尺寸较大，则过渡族金属 的硼化物均为间隙化合物。至于C则处于中间 状态，某些碳化物如TiC，VC，NbC；WC等 系结构简单的间隙相。 而Fe3C，Cr7C3，Cr23C6，Fe3W3C等则是结 构复杂的间隙化合物。
高岭土
2.6 非晶体固体结构


固体可分成晶体和非晶体两种形式。晶体的结构 特点是质点在三维空间作周期性的重复排列，即 近程和远程都是有序的。 非晶态固体具有近程有序而远程无序的特点。 非晶态固体通常指玻璃体、树脂和橡胶等。 玻璃体是一种无机的脆性材料。 下面主要学习玻璃的概念和通性，玻璃的结构和 形成条件。
2）介稳性－有析晶（晶化）的倾 向
玻璃态物质一般是由熔体过冷得到， 在冷却过程中粘度急剧增大，质点来不 及作有规则排列，没有释放出结晶潜热。 因此，玻璃态物质比相应的结晶态物质 含有较大的内能，它不是处于能量最低 的稳定状态，而是介于熔融态和晶态之 间，属于介稳态。从热力学观点看，玻 璃是一种不稳定的高能量状态，必然有 向低能量状态转化的趋势，即有析晶的 倾向。但从动力学角度来说，因玻璃析 晶的动力学条件不具备，阻碍了向晶体 转化的进行，所以，通常看到的玻璃长 时间都是不结晶的。
三、受原子尺寸因素控制的金属间化合 物
1.间隙相 间隙相具有比较简单的晶体结构（面心、密 排、体心），金属原子占据结点位置，而 非金属原子则存在于金属原子间隙中。 间隙相具有很高的硬度和熔点，但很脆（金 属键和共价键 ）。合金钢中的重要的强化相， 也是硬质合金中主要的组成相。

非金属原子在间隙相中占据什么间隙位置，也 主要取决于原子尺寸因素。