chpt22-3固體結構

1、2.2 金屬的晶體結構金屬的晶體結構(Crystal Structure of Metals)面心立方點陣面心立方點陣 體心立方點陣體心立方點陣 密排六方點陣密排六方點陣2.2.1 三種典型的金屬晶體結構三種典型的金屬晶體結構常見的金屬晶體結構包括面心立方結構常見的金屬晶體結構包括面心立方結構(fcc)、體心立方結構、體心立方結構A2(bcc)和密排六方結構和密排六方結構A3(hcp)晶胞中的原子數(shù)晶胞中的原子數(shù)(Number of atoms in unit cell)：n = 81/8 + 61/2 = 4點陣常數(shù)點陣常數(shù)(Lattice parameter)與原子半徑與原子半徑(Atom

2、ic radius)：點陣常數(shù)點陣常數(shù)a， a = 4R配位數(shù)配位數(shù)(coordination number)：12致密度致密度(Efficiency of space filling)：0.74面心立方結構面心立方結構A1(Face-centered cubic lattice)2體心立方結構體心立方結構A2(Body-centered cubic lattice)3晶胞中的原子數(shù)：晶胞中的原子數(shù)：n = 81/8 + 1 = 2點陣常數(shù)與原子半徑：點陣常數(shù)點陣常數(shù)與原子半徑：點陣常數(shù)a， a = 4R配位數(shù)：配位數(shù)：8 致密度：致密度：0.68密排六方結構密排六方結構A3(Hexagona

3、l close-packed lattice)晶胞中的原子數(shù)：晶胞中的原子數(shù)：n = 121/6 + 21/2 + 3 = 6點陣常數(shù)與原子半徑：點陣常數(shù)點陣常數(shù)與原子半徑：點陣常數(shù)a和和c，當，當c/a = 1.633時，時，a = 2R配位數(shù)：配位數(shù)：12致密度：致密度：0.741. 晶胞中的原子數(shù)晶胞中的原子數(shù)面心立方結構：面心立方結構：n = 81/8 + 61/2 = 4體心立方結構：體心立方結構：n = 81/8 + 1 = 2密排六方結構：密排六方結構：n = 121/6 + 21/2 + 3 = 62. 點陣常數(shù)與原子半徑點陣常數(shù)與原子半徑面心立方結構：點陣常數(shù)面心立方結構：點

4、陣常數(shù)a，a = 4R體心立方結構：點陣常數(shù)體心立方結構：點陣常數(shù)a，a = 4R密排六方結構：點陣常數(shù)密排六方結構：點陣常數(shù)a和和c，當，當c/a = 1.633時，時，a = 2R3. 配位數(shù)和致密度配位數(shù)和致密度配位數(shù)：晶體結構中任一原子周圍最近鄰且等距的原子數(shù)配位數(shù)：晶體結構中任一原子周圍最近鄰且等距的原子數(shù)致密度：晶體結構中原子體積占總體積的百分數(shù)。以一晶胞計算，則致密度：晶體結構中原子體積占總體積的百分數(shù)。以一晶胞計算，則致密度致密度K就是晶胞中原子體積與晶胞體積之比，即就是晶胞中原子體積與晶胞體積之比，即K = nv/V三種典型金屬結構的晶體學特點三種典型金屬結構的晶體學特點晶體

5、的原子堆垛晶體的原子堆垛(Atomic packing)方式：四種堆跺方式方式：四種堆跺方式 實質上是相同的實質上是相同的(密排六方結構，密排六方結構，hcp) ACACABAB2.2.2 晶體的原子晶體的原子堆垛方式堆垛方式和間隙和間隙 實質上是相同的實質上是相同的(面心立方結構，面心立方結構，fcc) ACBACBABCABC面心立方和密排六方點陣中密排面的分析面心立方和密排六方點陣中密排面的分析間間 隙隙(Interstice)面心立方結構：八面體間隙及四面體間隙面心立方結構：八面體間隙及四面體間隙間隙密度：八面體間隙：間隙密度：八面體間隙：1 + 121/4 = 4 (個個)四面體間隙

6、：四面體間隙：24 = 8間隙大?。喊嗣骟w間隙半徑為間隙大小：八面體間隙半徑為 0.414rA 四面體間隙半徑為四面體間隙半徑為 0.225rA體心立方結構：八面體間隙及四面體間隙體心立方結構：八面體間隙及四面體間隙間隙密度：扁八面體間隙間隙密度：扁八面體間隙 61/2 + 121/4 = 6 (個個) 四面體間隙四面體間隙 26 = 12 (個個)間隙半徑：八面體間隙間隙半徑：八面體間隙 0.15rA 四面體間隙四面體間隙 0.29rA密排六方結構：八面體間隙及四面體間隙密排六方結構：八面體間隙及四面體間隙間隙密度：扁八面體間隙間隙密度：扁八面體間隙 61/2 + 121/4 = 6 (個個

7、) 四面體間隙四面體間隙 26 = 12 (個個)間隙半徑：八面體間隙間隙半徑：八面體間隙 0.414rA 四面體間隙四面體間隙 0.225rA2.2.3 多晶型性多晶型性概概 念：同種組分金屬在不同的溫念：同種組分金屬在不同的溫度和壓力下具有不同的晶體結構的度和壓力下具有不同的晶體結構的現(xiàn)象，也稱為同素異構現(xiàn)象。例如：現(xiàn)象，也稱為同素異構現(xiàn)象。例如：鐵在鐵在912以下為體心立方結構，以下為體心立方結構，稱為稱為-Fe；在；在912-1394具有面心具有面心立方結構，稱為立方結構，稱為-Fe；溫度超過；溫度超過1394至熔點間又變成體心立方結至熔點間又變成體心立方結構，稱為構，稱為-Fe。因此

8、，在測量。因此，在測量Fe加加熱時的膨脹曲線時會發(fā)現(xiàn)在晶型轉熱時的膨脹曲線時會發(fā)現(xiàn)在晶型轉變處存在明顯的轉折點。變處存在明顯的轉折點。純純Fe加熱時的膨脹曲線加熱時的膨脹曲線2.3 合金相結構合金相結構合合 金：由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒金：由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒 結或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質。如銅結或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質。如銅鋅合金、鋼等。鋅合金、鋼等。組組 元：組成合金的基本的、獨立的物質?？梢允墙M成合金的元元：組成合金的基本的、獨立的物質。可以是組成合金的元素，也可以是化合物。素，也可以是化合物。 相：合金中具有同一

9、聚集狀態(tài)、同一晶體結構和性質并以相：合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一晶體結構和性質并以 界面相互隔開的均勻組成部分。界面相互隔開的均勻組成部分。固溶體：以某一組元為溶劑，在其晶體點陣中溶入其他組元原固溶體：以某一組元為溶劑，在其晶體點陣中溶入其他組元原 子（溶質原子）所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，它保子（溶質原子）所形成的均勻混合的固態(tài)溶體，它保 持著溶劑的晶體結構類型。持著溶劑的晶體結構類型。2.3.1 固溶體固溶體固溶體晶體結構的最大特點是保持著原溶劑的晶體結構固溶體晶體結構的最大特點是保持著原溶劑的晶體結構分分 類：類：根據(jù)溶質原子在溶劑中的溶解度，可將固溶體分為有限固溶體根據(jù)溶質原子在溶劑中

10、的溶解度，可將固溶體分為有限固溶體和連續(xù)固溶體；和連續(xù)固溶體；根據(jù)溶質原子在溶劑點陣中所處的位置，可將固溶體分為置換根據(jù)溶質原子在溶劑點陣中所處的位置，可將固溶體分為置換型固溶體和間隙型固溶體；型固溶體和間隙型固溶體；1. 置換固溶體置換固溶體定義：當溶質原子溶入溶劑中形成固溶體時，溶質原子占據(jù)溶定義：當溶質原子溶入溶劑中形成固溶體時，溶質原子占據(jù)溶劑點陣的陣點，或者說溶質原子置換了溶劑點陣的部分溶劑原劑點陣的陣點，或者說溶質原子置換了溶劑點陣的部分溶劑原子，這種固溶體稱為置換固溶體。子，這種固溶體稱為置換固溶體。影響溶質原子溶解度的因素影響溶質原子溶解度的因素 晶體結構晶體結構晶體結構相同是

11、組元間形成無限固溶體的必要條件，例如具有晶體結構相同是組元間形成無限固溶體的必要條件，例如具有fcc結構的結構的Mn、Co、Ni、Cu，在，在-Fe中固熔度較大，而在中固熔度較大，而在-Fe中固熔度較小，見中固熔度較小，見P43表表2.9。 原子尺寸原子尺寸原子尺寸因素的影響主要與溶質原子的溶入所引起的點陣畸變及原子尺寸因素的影響主要與溶質原子的溶入所引起的點陣畸變及其結構狀態(tài)有關，其結構狀態(tài)有關，r愈大，溶入后點陣畸變程度愈大，畸變能愈大，溶入后點陣畸變程度愈大，畸變能愈高，結構的穩(wěn)定性愈低，溶解度則愈小。愈高，結構的穩(wěn)定性愈低，溶解度則愈小。Hume-Rothery提出提出有利于大量固溶的

12、原子尺寸條件為兩組元的原子半徑差不超過有利于大量固溶的原子尺寸條件為兩組元的原子半徑差不超過15%，即，即r15%時有利于形成大溶解度的固溶體；而時有利于形成大溶解度的固溶體；而r15%時，時，r越大，則溶解度越小。越大，則溶解度越小。 化學親和力（電負性）化學親和力（電負性）溶質與溶劑元素之間的化學親和力愈強，傾向于生成化合物而不溶質與溶劑元素之間的化學親和力愈強，傾向于生成化合物而不利于固溶體，生成的化合物愈穩(wěn)定，則固溶體的溶解度就愈小。利于固溶體，生成的化合物愈穩(wěn)定，則固溶體的溶解度就愈小。因此，兩者相差不是很大時，隨電負性差值增加，固溶度增大；因此，兩者相差不是很大時，隨電負性差值增加

13、，固溶度增大；當相差很大時，易形成化合物。當相差很大時，易形成化合物。元素的電負性元素的電負性銅合金，銀合金的固相線和固溶度曲線銅合金，銀合金的固相線和固溶度曲線 電子濃度電子濃度(原子價原子價)如果以一價的貴金屬作溶劑，加入不同原子價的溶質元素時，如果以一價的貴金屬作溶劑，加入不同原子價的溶質元素時，當原子尺寸因素有利的條件下，溶質元素的原子價愈高，則形當原子尺寸因素有利的條件下，溶質元素的原子價愈高，則形成固溶體的極限固溶度越小。成固溶體的極限固溶度越小。溶質原子價的影響實質是溶質原子價的影響實質是“電子濃度電子濃度”所決定。所謂電子濃度所決定。所謂電子濃度就是合金中價電子數(shù)目與原子數(shù)目的

14、比值就是合金中價電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值e/a ，即，即式中式中A，B分別為溶劑和溶質的原子價，分別為溶劑和溶質的原子價，x為溶質的原子數(shù)為溶質的原子數(shù)(%)實驗結果表明合金中的電子濃度不能超過實驗結果表明合金中的電子濃度不能超過1.4這個極限濃度，這個極限濃度，否則固溶體就不穩(wěn)定而要形成另外的相。否則固溶體就不穩(wěn)定而要形成另外的相。除了以上因素外，固溶度還與溫度有關，一般地，溫度升高，除了以上因素外，固溶度還與溫度有關，一般地，溫度升高，固溶度升高。固溶度升高。100)100(BxxAae2. 間隙固溶體間隙固溶體定定 義：溶質原子分布于溶劑點陣的陣點，或者說溶質晶格間義：溶質原子分布于溶劑

15、點陣的陣點，或者說溶質晶格間隙而形成的固溶體。在間隙固溶體中，由于溶質原子一般比晶格隙而形成的固溶體。在間隙固溶體中，由于溶質原子一般比晶格間隙的尺寸大，所以當它們溶入后都會引起晶格畸變，點陣常數(shù)間隙的尺寸大，所以當它們溶入后都會引起晶格畸變，點陣常數(shù)增大，畸變能升高。因此，間隙固溶體都是有限固溶體，而且溶增大，畸變能升高。因此，間隙固溶體都是有限固溶體，而且溶解度很小。解度很小。3. 固溶體的微觀不均勻性固溶體的微觀不均勻性在熱力學平衡狀態(tài)下，固熔體的成分從宏觀看是均勻的，但從在熱力學平衡狀態(tài)下，固熔體的成分從宏觀看是均勻的，但從微觀看來溶質原子的分布是不均勻的，固溶體中溶質原子的分微觀看來

16、溶質原子的分布是不均勻的，固溶體中溶質原子的分布方式主要取決于同類原子間的結合能和異類原子間的結合能布方式主要取決于同類原子間的結合能和異類原子間的結合能的相對大小。如果的相對大小。如果EAA EBB EAB，則溶質原子傾向于呈無序分，則溶質原子傾向于呈無序分布；如果布；如果(EAA+ EBB)/2 EAB，則溶質原子呈部分有序或完全有序排列。，則溶質原子呈部分有序或完全有序排列。短程序參數(shù)：用來描述固溶體的微觀不均勻性。假定在以溶質短程序參數(shù)：用來描述固溶體的微觀不均勻性。假定在以溶質B原子為中心的各同心球分布著原子為中心的各同心球分布著A、B組元原子。如果組元原子。如果i層球面上層球面上共

17、有共有ci個原子，其中個原子，其中A原子的平均數(shù)目為原子的平均數(shù)目為ni個，若已知該合金成個，若已知該合金成分中分中A的原子分數(shù)為的原子分數(shù)為mA，則此層上，則此層上A原子數(shù)目應為原子數(shù)目應為mAci。短程。短程序參數(shù)定義為：序參數(shù)定義為：i = 1 - ni/mAci 當當i = 0，即，即ni = mAci時，固溶體為完全無序分布；時，固溶體為完全無序分布； 當當i mAci時，固溶體為短程有序分布；時，固溶體為短程有序分布； 當當i 0，即，即ni rA，溶質原子周圍點陣膨脹，平均點陣常數(shù)增大，溶質原子周圍點陣膨脹，平均點陣常數(shù)增大 rB rA，溶質原子周圍點陣收縮，平均點陣常數(shù)減小，溶

18、質原子周圍點陣收縮，平均點陣常數(shù)減小 間隙固溶體：點陣常數(shù)總是增大間隙固溶體：點陣常數(shù)總是增大 產生固溶強化產生固溶強化 通過溶入某種元素形成固熔體通過溶入某種元素形成固熔體,而使金屬強度、而使金屬強度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為固溶強化。這是提高合金機械性能的重要硬度升高的現(xiàn)象，稱為固溶強化。這是提高合金機械性能的重要途徑之一。如向途徑之一。如向Cu中加入中加入0.19Ni，機械強度可從，機械強度可從220 MN/m2 升升至至380400 MN/m2，硬度可從，硬度可從44升至升至70。 物理化學性能變化物理化學性能變化 隨著固溶度的增加，點陣畸變增大，一隨著固溶度的增加，點陣畸變增大，一般固溶

19、體的電阻率般固溶體的電阻率升高，同時降低電阻溫度系數(shù)升高，同時降低電阻溫度系數(shù)。 如：如：Si固溶于固溶于-Fe中可以提高磁導率；中可以提高磁導率； Cr固溶于固溶于-Fe中可以提高中可以提高-Fe的電極電位，抗腐蝕的電極電位，抗腐蝕2.3.2 中間相中間相(金屬化合物金屬化合物)定定 義：兩組元義：兩組元A和和B組成合金時，除了可形成以組成合金時，除了可形成以A為基或以為基或以B為為基的固溶體外，還可能形成晶體結構與基的固溶體外，還可能形成晶體結構與A、B兩組元均不相同的兩組元均不相同的新相，這個相稱為中間相。新相，這個相稱為中間相。中間相對金屬材料的性能影響很大。許多金屬間化合物的熔點中間

20、相對金屬材料的性能影響很大。許多金屬間化合物的熔點和硬度很高，它對提高合金的強度、硬度、耐熱性和耐磨性作和硬度很高，它對提高合金的強度、硬度、耐熱性和耐磨性作用很大。還有一些具有特殊物理化學性質的金屬化合物，如超用很大。還有一些具有特殊物理化學性質的金屬化合物，如超導材料導材料Nb3Sn、核反應堆材料、核反應堆材料Zr3Al、記憶合金、記憶合金NiTi等。等。影響因素：電負性、電子濃度和原子尺寸影響因素：電負性、電子濃度和原子尺寸分分 類：正常價化合物、電子化合物、與原子尺寸因素相關的類：正常價化合物、電子化合物、與原子尺寸因素相關的化合物有序固溶體（超結構）化合物有序固溶體（超結構）1. 正

21、常價化合物正常價化合物指符合原子價規(guī)則的化合物，其成分可以用化學式表達，如指符合原子價規(guī)則的化合物，其成分可以用化學式表達，如AB，A2B(或或AB2)，A3B2型型。正?；衔锓€(wěn)定性與組元間的電負性差。正?；衔锓€(wěn)定性與組元間的電負性差有關，一般電負性差愈小，化合物愈不穩(wěn)定，愈趨于金屬鍵結合；有關，一般電負性差愈小，化合物愈不穩(wěn)定，愈趨于金屬鍵結合；電負性差愈大，化合物愈穩(wěn)定，愈趨于離子鍵結合。電負性差愈大，化合物愈穩(wěn)定，愈趨于離子鍵結合。如由如由Mg與與Pb、Sn、Ge、Si形成的正常價化合物中形成的正常價化合物中Mg2Si最穩(wěn)定，熔點為最穩(wěn)定，熔點為1102，為典型的離子化合物；而，為典

22、型的離子化合物；而Mg2Pb熔點僅熔點僅550，顯示出，顯示出典型的金屬性質，其電阻值隨溫度升高而增大。典型的金屬性質，其電阻值隨溫度升高而增大。 形成條件：由周期表上相距較遠、電負性差值較大的元素組成形成條件：由周期表上相距較遠、電負性差值較大的元素組成 即由金屬元素與即由金屬元素與 元素組成。元素組成。Te)Se,S,VIA(O,Bi)Sb,As,P,VA(N,Pb)Sn,Ge,Si,IVA(C2. 電子化合物電子化合物(Hume-Rothery相相)人們把具有一定的電子濃度值而結構相同或密切相關的相稱為人們把具有一定的電子濃度值而結構相同或密切相關的相稱為電子相。該化合物的晶體結構決定于

23、電子濃度。電子相。該化合物的晶體結構決定于電子濃度。每個原子平均每個原子平均所占有的價電所占有的價電子數(shù)子數(shù)(e/a)來表示：來表示： e/a =7/4 = 21/12時，密排六方結構，稱為時，密排六方結構，稱為相相 e/a = 21/13時，復雜立方結構，稱為時，復雜立方結構，稱為相相 e/a = 3/2 = 21/14時，多為體心立方結構，稱為時，多為體心立方結構，稱為相相形成條件：由過渡金屬和形成條件：由過渡金屬和IB族族(Ag，Au，Cu)元素為一方，與元素為一方，與 元素為另一方組成。元素為另一方組成。Pb)Sn,Ge,IVA(Si,In)Ga,IIIA(Al,Hg)Cd,IIB(Z

24、n,電子化合物雖然可用化學分子式表示，但不符合化合價規(guī)律，電子化合物雖然可用化學分子式表示，但不符合化合價規(guī)律，而且實際上其成分是而且實際上其成分是在一定范圍內變化，可視其為以化合物為在一定范圍內變化，可視其為以化合物為基的固溶體基的固溶體，其電子濃度也在一定范圍內變化。，其電子濃度也在一定范圍內變化。 電子化合物中原子間的結合方式系以電子化合物中原子間的結合方式系以金屬鍵為主金屬鍵為主，故具有明，故具有明顯的金屬特性。顯的金屬特性。常見的常見的電子化合物及其結構類型電子化合物及其結構類型3. 與原子尺寸因素有關的化合物與原子尺寸因素有關的化合物定定 義：與組成元素的原子尺寸差別有關的金屬間化

25、合物。當兩義：與組成元素的原子尺寸差別有關的金屬間化合物。當兩種原子半徑差很大的元素形成間隙相和間隙化合物；而中等程種原子半徑差很大的元素形成間隙相和間隙化合物；而中等程度的差別時形成拓撲密堆相。度的差別時形成拓撲密堆相。a、間隙相和間隙化合物、間隙相和間隙化合物 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等可與金屬元素等可與金屬元素(主要是過渡元素主要是過渡元素)形成間隙相或間隙化合形成間隙相或間隙化合物。主要取決于非金屬物。主要取決于非金屬(X)和金屬和金屬(M)原子半徑的比值原子半徑的比值(rX/rM)；當；當rX/rM 0.59，形成具有復雜晶體結構的相，稱為間

26、隙化合物。如較大尺寸的形成具有復雜晶體結構的相，稱為間隙化合物。如較大尺寸的B元素與過渡金屬形成的硼化物。而碳化物則介于間隙相和間隙元素與過渡金屬形成的硼化物。而碳化物則介于間隙相和間隙化合物?；衔铩ｉg隙相間隙相間隙相具有比較簡單的晶體結構，如間隙相具有比較簡單的晶體結構，如面心立方面心立方(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)或簡單六方結構或簡單六方結構，與組元的結構均，與組元的結構均不相同。在晶體中，金屬原子占據(jù)正常的位置，而非金屬原子不相同。在晶體中，金屬原子占據(jù)正常的位置，而非金屬原子則規(guī)則地分布于晶格間隙中，非金屬原子在間隙相中占據(jù)什么則

27、規(guī)則地分布于晶格間隙中，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。當間隙位置，也主要取決于原子尺寸因素。當rX/rM0.414時，則進入八面體間隙。時，則進入八面體間隙。 間隙相的成分可以在一定范圍變化，間隙相可以溶解組元元間隙相的成分可以在一定范圍變化，間隙相可以溶解組元元素，形成以化合物為基的固溶體素，形成以化合物為基的固溶體 間隙相之間可以形成連續(xù)固溶體，如間隙相之間可以形成連續(xù)固溶體，如 TiC-ZrC, TiC-VC 間隙相有高硬度、高熔點，是合金工具鋼及硬質合金的主要間隙相有高硬度、高熔點，是合金工具鋼及硬質合金的主要強化相強化相 間隙相舉例間隙相舉例間隙化合

28、物間隙化合物當當rX/rM 0.59時形成具有復雜晶體結構的相，稱為間隙化合物。時形成具有復雜晶體結構的相，稱為間隙化合物。如較大尺寸的如較大尺寸的B元素與過渡金屬形成的硼化物。而過度金屬元素與過渡金屬形成的硼化物。而過度金屬Cr、Mn、Fe、Co、Ni與與C元素形成的碳化物都是間隙化合物。元素形成的碳化物都是間隙化合物。間隙化合物的晶體結構都很復雜間隙化合物的晶體結構都很復雜。如。如Cr23C，F(xiàn)e3C等等間隙化合物中原子間結合鍵為共價鍵和金屬鍵間隙化合物中原子間結合鍵為共價鍵和金屬鍵。其熔點和硬度。其熔點和硬度均較高均較高(但不如間隙相但不如間隙相)，是鋼中的主要強化相。還應指出，在鋼，是

29、鋼中的主要強化相。還應指出，在鋼中只有周期表中位于中只有周期表中位于Fe左方的過渡族金屬元素才能形成碳化物左方的過渡族金屬元素才能形成碳化物(包括間隙相和間隙化合物包括間隙相和間隙化合物)，它們的，它們的d層電子越少，與碳的親和層電子越少，與碳的親和力就越強，則形成的碳化物越穩(wěn)定。力就越強，則形成的碳化物越穩(wěn)定。某些間隙化合物的熔點及硬度某些間隙化合物的熔點及硬度M23C6晶體結構晶體結構 Fe3C晶體結構晶體結構b、拓撲密堆相、拓撲密堆相定定 義：義：拓撲密堆相是由兩種大小不同的金屬原子所構成的一拓撲密堆相是由兩種大小不同的金屬原子所構成的一類中間相，其中大小原子通過適當?shù)呐浜蠘嫵煽臻g利用率

30、和配類中間相，其中大小原子通過適當?shù)呐浜蠘嫵煽臻g利用率和配位數(shù)都很高的復雜結構，這種結構具有拓撲結構特征，因此被位數(shù)都很高的復雜結構，這種結構具有拓撲結構特征，因此被稱為拓撲密堆相，簡稱稱為拓撲密堆相，簡稱TCP相。相。特特 點：點：1）由配位數(shù)為）由配位數(shù)為12、14、15、16的配位多面體堆垛而成；的配位多面體堆垛而成； 2）呈層狀結構：原子半徑小的原子構成密排面，其中嵌鑲有原）呈層狀結構：原子半徑小的原子構成密排面，其中嵌鑲有原子半徑大的原子，由這些密排層按一定順序堆垛而成，從而構子半徑大的原子，由這些密排層按一定順序堆垛而成，從而構成空間利用率很高，只有四面體間隙的密排結構。成空間利用

31、率很高，只有四面體間隙的密排結構。 拓撲密堆相中的拓撲密堆相中的配位多面體配位多面體 原子密排層的網(wǎng)格結構原子密排層的網(wǎng)格結構(a)36型型 (b)63型型 (c)3636型型(d)32434型型分分 類：拉弗斯相，如類：拉弗斯相，如MgCu2， MgNi2，MgZn2，TiFe2等；等； 相，如相，如FeCr，F(xiàn)eV，F(xiàn)eMo，CrCo，WCo等；等； 相，如相，如Fe7W6，Co7Mo6等；等； Cr3Si型相，如型相，如Cr3Si，Nb3Sn，Nb3Sb等；等； R相，如相，如Cr18Mo31Co51等；等； P相，如相，如Cr18Ni40Mo42等。等。(1) 拉弗斯相拉弗斯相 二元合

32、金拉弗斯相分子式為二元合金拉弗斯相分子式為AB2，其形成條件：，其形成條件： 原子尺寸：原子尺寸：rA/rB = 1.051.68 電子濃度：一定的結構類型對應著一定的電子濃度電子濃度：一定的結構類型對應著一定的電子濃度三種典型拉弗斯相的結構類型和電子濃度范圍三種典型拉弗斯相的結構類型和電子濃度范圍MgCu2立方晶胞中立方晶胞中A，B原子的分布原子的分布MgCu2結構中結構中A,B原子分別構成原子分別構成的層網(wǎng)結構的層網(wǎng)結構 拉弗斯相是鎂合金中的重要強化相。在高合金不銹鋼和鐵基、拉弗斯相是鎂合金中的重要強化相。在高合金不銹鋼和鐵基、鎳基高溫合金中，有時也會以針狀的拉弗斯相存在，數(shù)量不能鎳基高溫

33、合金中，有時也會以針狀的拉弗斯相存在，數(shù)量不能過多，否則影響合金性能，應適當控制。過多，否則影響合金性能，應適當控制。(2) 相相 通常通常存在于過渡族金屬元素組成的合金存在于過渡族金屬元素組成的合金中，其分子式中，其分子式可寫作可寫作AB或或AxBy，如，如FeCr，F(xiàn)eV，F(xiàn)eMo，MoCrNi，WCrNi，(Cr, Mo, W)x(Fe, Co, Ni)y等。盡管等。盡管 相可用化學式表示，但其相可用化學式表示，但其成分是在一定范圍內變化，即也是以化合物為基的固溶體。成分是在一定范圍內變化，即也是以化合物為基的固溶體。 相具有復雜的四方結構，其軸比相具有復雜的四方結構，其軸比c/a0.5

34、2，每個晶胞中有，每個晶胞中有30個原子個原子。 相在常溫下硬而脆，它的存在通常對合金性能有害。在不相在常溫下硬而脆，它的存在通常對合金性能有害。在不銹鋼中出現(xiàn)銹鋼中出現(xiàn) 相會引起晶間腐蝕和脆性；在相會引起晶間腐蝕和脆性；在Ni基高溫合金和耐基高溫合金和耐熱鋼中，如果成分或熱處理控制不當，會發(fā)生片狀的硬而脆的熱鋼中，如果成分或熱處理控制不當，會發(fā)生片狀的硬而脆的 相沉淀，而使材料變脆，故應避免出現(xiàn)這種情況。相沉淀，而使材料變脆，故應避免出現(xiàn)這種情況。 相的晶體結構相的晶體結構 4. 超結構超結構(有序固溶體有序固溶體)對某些成分接近于一定的原子比對某些成分接近于一定的原子比(如如AB或或AB3

35、)的無序固溶體中，的無序固溶體中，當它從高溫緩冷到某一臨界溫度以下時，溶質原子會從統(tǒng)計隨當它從高溫緩冷到某一臨界溫度以下時，溶質原子會從統(tǒng)計隨機分布狀態(tài)過渡到占有一定位置的規(guī)則排列狀態(tài)，即發(fā)生有序機分布狀態(tài)過渡到占有一定位置的規(guī)則排列狀態(tài)，即發(fā)生有序化過程，形成有序固溶體。長程有序的固溶體在其化過程，形成有序固溶體。長程有序的固溶體在其X射線衍射圖射線衍射圖上會產生外加的衍射線條，稱為超結構線，所以有序固溶體通上會產生外加的衍射線條，稱為超結構線，所以有序固溶體通常稱為超結構或超點陣。常稱為超結構或超點陣。 (1) 超結構的主要類型：超結構的類型較多。超結構的主要類型：超結構的類型較多。 (2

36、) 有序化和影響有序化的因素：有序化的基本條件是異類原有序化和影響有序化的因素：有序化的基本條件是異類原子之間的相互吸引大于同類原子間的吸引作用，從而使有序固子之間的相互吸引大于同類原子間的吸引作用，從而使有序固溶體的自由能低于無序態(tài)。溶體的自由能低于無序態(tài)。a) Cu3Au I型超點陣型超點陣 b) CuAu I型超點陣型超點陣 c) CuAu II型超點陣型超點陣 幾種典型超點陣結構幾種典型超點陣結構 d) 黃銅黃銅(CuZn)型超點陣型超點陣 e) Fe3Al 型超點陣型超點陣 f) MgCd3型超點陣型超點陣 幾種典型的超結構幾種典型的超結構有序化程度：有序化程度：用長程有序度參數(shù)用長

37、程有序度參數(shù)S來定量描述。來定量描述。 式中式中P為為A原子的正確位置上原子的正確位置上(即在完全有序時此位置應為即在完全有序時此位置應為A原子原子所占據(jù)所占據(jù))出現(xiàn)出現(xiàn)A原子的幾率；原子的幾率；XA為為A原子在合金中的原子數(shù)分數(shù)。原子在合金中的原子數(shù)分數(shù)。 完全有序時，完全有序時，P = 1，此時，此時S = 1； 完全無序時，完全無序時，P = XA，此時，此時S = 0。有序疇：有序疇：從無序到有序的轉變過程是依賴于原子遷移來實現(xiàn)的，從無序到有序的轉變過程是依賴于原子遷移來實現(xiàn)的，即存在形核和長大過程。電鏡觀察表明，最初核心是短程有序的即存在形核和長大過程。電鏡觀察表明，最初核心是短程有序的微小區(qū)域。當