固體材料結構課件

1、 2.1 基礎知識 2.2 金屬及合金相的晶體結構 2.3 陶瓷的晶體結構 2.4 高分子的鏈結構及聚集態(tài)結構 2.5 復合材料的細觀結構 2.6 非晶、準晶和納米晶第 章 固體材料的結構 2.2 金屬及合金相的晶體結構 2.2.1 元素的晶體結構 第一類是真正的金屬 除少數(shù)例外，絕大多數(shù)都具有高對稱性的簡單結構，其典型結構為：面心立方結構(代號為A1)；體心立方結構(A2)；密排六方結構(A3)。 第二類包括8個金屬元素，其晶體結構和第一類有些不同。 第三類多數(shù)為非金屬元素，也包括少數(shù)亞金屬，如硅、鍺等。 2.2.2 典型金屬的晶體結構 一、三種常見結構 由于金屬鍵沒有飽和性和方向性，因此大

2、多數(shù)金屬的晶體結構比較簡單，而且傾向于形成比較致密的結構。晶胞中的原子數(shù)：4點陣常數(shù)：密排面：111、密排方向：配位數(shù)（Coodinative Number）：12致密度(Efficiency of Space Filling)：74%1 fcc面心立方（Al、g-Fe、Ni、Cu、Ag、Au） 配位數(shù) 配位數(shù)是指晶體結構中，與任一原子最近鄰的原子數(shù)。對單質金屬而言，配位數(shù)可為12、8、6、4、2、1。金屬晶體結構一般為12或8。致密度 致密度是指晶體結構中單位體積里院子所占體積。若將晶體中的原子看作等徑剛球，那么可將其最近鄰原子間距定義為原子直徑。如以一個晶胞來計算，致密度K就等于晶胞中原子

3、所占體積與晶胞體積之比，即 Knv/V 式中：n是晶胞中原子數(shù)， v是一個原子（剛球）的體積， V是晶胞體積。 面心立方結構的配位數(shù)為12，每個原子有12個最近鄰原子。 面心立方結構密排方向是面對角線，相鄰的原子彼此接觸，因此剛球的直徑就等于最近鄰原子間距d： 故致密度為：晶胞內原子數(shù)：2密排面：110； 密排方向：配位數(shù)：8致密度：68%2 bcc體心立方（a-Fe、Cr、V、Nb、Mo） 體心立方結構的配位數(shù)為8，每個原子有8個最近鄰原子。 體心立方結構密排方向是體對角線，相鄰的原子彼此接觸，因此剛球的直徑就等于最近鄰原子間距d： 故致密度為：晶胞內原子數(shù)：6密排面：0001、密排方向：配

4、位數(shù)：12、6+6致密度：74%-3 hcp密排六方（a-Ti、a-Zr、Be、Mg、Zn、Cd） 密排六方結構在理想情況下，原子不僅與同層周圍六個原子相接觸，還與其上面和下面相鄰面內的各三個原子相接觸，所以密排六方結構的配位數(shù)等于12，而最近鄰的原子間距d=a。 而: 因此軸比應當為： 實際上大多密排六方結構軸比都與1.633有不同程度的偏差。尤其是鋅和鎘的軸比超過很多，嚴格看來其配位數(shù)應為6，如果考慮到另6個次近鄰原子相差不大，配位數(shù)也可寫成66。 在周期表中，大約有40多種元素具有兩種或兩種以上的晶體結構，即具有同素異晶性，或稱多晶型性。因它們在不用的溫度或壓力范圍內具有不用的晶體結構，

5、故當條件變化時，會由一種結構轉變?yōu)榱硪环N結構，稱為多晶型轉變或同素異構轉變。 4 多晶型性純鐵加熱時的膨脹曲線 二、晶體中原子的堆垛方式二維排列方式 密排面原子排列方式 以密排面按圖中A-B-C-A順序堆垛，就形成了面心立方結構，其密排面為(111)面。三維排列方式 以密排面按圖中A-B-A-B的順序堆垛，就形成了密排六方結構，其密排面為(0001)面。NaCl晶體最緊密堆積原理：晶體中各離子間的相互結合，可以看作是球體的堆積，按照晶體中質點的結合應遵循勢能最低的原則，從球體堆積的幾何角度來看，球體堆積的密度越大，系統(tǒng)的勢能越低，晶體越穩(wěn)定。等徑球體的最緊密堆積方式球體在平面的堆積方式兩層球體

6、的堆積方式三層球體的堆積方式空隙類型空隙數(shù)與球數(shù)的關系空間利用率（致密度）的求解1. 球體在平面的堆積方式2. 兩層球體的最緊密堆積方式ACBABCABCABC3. 三層球體的最緊密堆積方式（一）ABC三層球體的最緊密堆積方式（二）ABC4. 空隙類型ABC5. 球數(shù)與空隙數(shù)的關系(以B空隙上面的球為例)（ABAB）ABC球數(shù)與空隙數(shù)的關系（ABCABC）總結：在密堆積結構中，每個球接觸到同種球的個數(shù)為12個；密堆積結果形成2種方式：六方緊密堆積和立方緊密堆積；密堆積結果形成2種空隙：一種是由6個球形成的八面體空隙，一種是由4個球形成的四面體空隙。每個球周圍有6個八面體空隙，對n個等大球體堆積

7、系統(tǒng)，其八面體空隙總數(shù)為 ；每個球體周圍有8 個四面體空隙，對n 個等大球體堆積系統(tǒng)，其四面體空隙總數(shù)為 。 不等徑球體的緊密堆積較大球體作等徑球體的緊密堆積，較小的球填充在大球緊密堆積形成的空隙中。例：NaCl晶體例：以球體緊密堆積模型，計算下列結構的空間利用率。(1) 簡立方； (2) 體心立方；(3) 面心立方； (4) 六方密積；ca例：以NaCl晶胞為例，說明等徑球面心立方緊密堆積中的八面體和四面體空隙的位置和數(shù)量，并計算其空間利用率。 例1 面心立方結構中的間隙體心及各棱邊中點八面體間隙四面體間隙(Tetrahedral Interstice)體對角線 及 處 例2 體心立方結構中

8、的間隙 體心立方八面體間隙位于晶胞面心和棱邊中點位置，明顯不是正八面體。 每個晶胞內有6個八面體間隙，其間隙半徑為： 體心立方四面體間隙位于晶胞棱邊中點連線的1/4位置，也不是正四面體。 每個晶胞內有12個四面體間隙，其間隙半徑為： 雖然體心立方致密度低于面心立方接結構，但間隙相對分散，因此能溶入的間隙原子量反而比面心立方少。 例3 密排六方點陣中的間隙晶體結構八面體間隙四面體間隙間隙數(shù)/原子數(shù)rB/rA間隙數(shù)/原子數(shù)rB/rABCC6230.15512260.291FCC4410.4148420.225HCP6610.41412620.225面心立方結構的四面體間隙和八面體間隙比較總之：若將

9、規(guī)則的四面體和八面體堆積起來使晶體空間能夠完全被填滿可以有兩種不同的方式： 密排六方結構中的間隙組態(tài)； 面心立方結構中的間隙組態(tài)。 2.2.3合金相的晶體結構 一、研究意義材 料 sb/MPa備 注工業(yè)純鐵200退火狀態(tài)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工業(yè)純鋁50退火狀態(tài)LD10480Cu:3.9-4.8 Mn:0.4-1.0 Mg:0.4-0.8LC6680Cu:2.2-2.8 Mn:0

10、.2-0.5 Mg:2.5-3.2 Zn:7.6-8.6工業(yè)純銅230退火狀態(tài)H70660Zn:30QBe21400Be:1.9-2.2 二、基本概念 1、合金(alloy) 金屬金屬或金屬非金屬 例： 注意： （1）A和B的比例不同，合金的結構可能不同； （2）溫度變化時合金的結構可能變化。 描述結構、成分、溫度之間的關系相圖 2、 組元(component) 合金的成分單元，可以是純元素，也可以是穩(wěn)定化合物。 例：FeC合金CuZn合金CuZnFeCFeFeSFeFe3c 3、相 (phase) 是從組織角度說明合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一結構，以及成分性質完全相同的均勻組成部分。 單相合金、兩相合金、多相合金彈殼黃銅H68黃銅，單相 商業(yè)黃銅H62黃銅，兩相 4、組織(microstructure) 不同成分、結構和性能的合金相組成合金的組織。 固溶體(Solid Solution)：一種組元(溶質)溶解在另一種組元(溶劑，一般是金屬)中，其特點是溶劑（或稱基體）的點陣類