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2.2金属的晶体结构(CrystalStructureofMetals)面心立方点阵体心立方点阵密排六方点阵2.2.1三种典型的金属晶体结构常见的金属晶体结构包括面心立方结构(fcc)、体心立方结构A2(bcc)和密排六方结构A3(hcp)晶胞中的原子数(Numberofatomsinunitcell)：n=8×1/8+6×1/2=4点阵常数(Latticeparameter)与原子半径(Atomicradius)：点阵常数a，a=4R配位数(coordinationnumber)：12致密度(Efficiencyofspacefilling)：0.74面心立方结构A1(Face-centeredcubiclattice)2体心立方结构A2(Body-centeredcubiclattice)3晶胞中的原子数：n=8×1/8+1=2点阵常数与原子半径：点阵常数a，a=4R配位数：8致密度：0.68密排六方结构A3(Hexagonalclose-packedlattice)晶胞中的原子数：n=12×1/6+2×1/2+3=6点阵常数与原子半径：点阵常数a和c，当c/a=1.633时，a=2R配位数：12致密度：0.741.晶胞中的原子数面心立方结构：n=8×1/8+6×1/2=4体心立方结构：n=8×1/8+1=2密排六方结构：n=12×1/6+2×1/2+3=62.点阵常数与原子半径面心立方结构：点阵常数a，a=4R体心立方结构：点阵常数a，a=4R密排六方结构：点阵常数a和c，当c/a=1.633时，a=2R3.配位数和致密度配位数：晶体结构中任一原子周围最近邻且等距的原子数致密度：晶体结构中原子体积占总体积的百分数。以一晶胞计算，则致密度K就是晶胞中原子体积与晶胞体积之比，即K=nv/V三种典型金属结构的晶体学特点晶体的原子堆垛(Atomicpacking)方式：四种堆跺方式实质上是相同的(密排六方结构，hcp)ACACABAB2.2.2晶体的原子堆垛方式和间隙实质上是相同的(面心立方结构，fcc)ACBACBABCABC面心立方和密排六方点阵中密排面的分析间隙(Interstice)面心立方结构：八面体间隙及四面体间隙间隙密度：八面体间隙：1+12×1/4=4(个)四面体间隙：2×4=8间隙大小：八面体间隙半径为0.414rA四面体间隙半径为0.225rA体心立方结构：八面体间隙及四面体间隙间隙密度：扁八面体间隙6×1/2+12×1/4=6(个)四面体间隙2×6=12(个)间隙半径：八面体间隙0.15rA四面体间隙0.29rA密排六方结构：八面体间隙及四面体间隙间隙密度：扁八面体间隙6×1/2+12×1/4=6(个)四面体间隙2×6=12(个)间隙半径：八面体间隙0.414rA四面体间隙0.225rA2.2.3多晶型性概念：同种组分金属在不同的温度和压力下具有不同的晶体结构的现象，也称为同素异构现象。例如：铁在912℃以下为体心立方结构，称为α-Fe；在912-1394℃具有面心立方结构，称为γ-Fe；温度超过1394℃至熔点间又变成体心立方结构，称为δ-Fe。因此，在测量Fe加热时的膨胀曲线时会发现在晶型转变处存在明显的转折点。纯Fe加热时的膨胀曲线2.3合金相结构合金：由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。如铜锌合金、钢等。组元：组成合金的基本的、独立的物质。可以是组成合金的元素，也可以是化合物。相：合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。固溶体：以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。2.3.1固溶体固溶体晶体结构的最大特点是保持着原溶剂的晶体结构分类：根据溶质原子在溶剂中的溶解度，可将固溶体分为有限固溶体和连续固溶体；根据溶质原子在溶剂点阵中所处的位置，可将固溶体分为置换型固溶体和间隙型固溶体；1.置换固溶体定义：当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体称为置换固溶体。影响溶质原子溶解度的因素@晶体结构晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件，例如具有fcc结构的Mn、Co、Ni、Cu，在γ-Fe中固熔度较大，而在α-Fe中固熔度较小，见P43表2.9。@原子尺寸原子尺寸因素的影响主要与溶质原子的溶入所引起的点阵畸变及其结构状态有关，△r愈大，溶入后点阵畸变程度愈大，畸变能愈高，结构的稳定性愈低，溶解度则愈小。Hume-Rothery提出有利于大量固溶的原子尺寸条件为两组元的原子半径差不超过15%，即△r15%时有利于形成大溶解度的固溶体；而△r≥15%时，△r越大，则溶解度越小。@化学亲和力（电负性）溶质与溶剂元素之间的化学亲和力愈强，倾向于生成化合物而不利于固溶体，生成的化合物愈稳定，则固溶体的溶解度就愈小。因此，两者相差不是很大时，随电负性差值增加，固溶度增大；当相差很大时，易形成化合物。元素的电负性铜合金，银合金的固相线和固溶度曲线@电子浓度(原子价)如果以一价的贵金属作溶剂，加入不同原子价的溶质元素时，当原子尺寸因素有利的条件下，溶质元素的原子价愈高，则形成固溶体的极限固溶度越小。溶质原子价的影响实质是“电子浓度”所决定。所谓电子浓度就是合金中价电子数目与原子数目的比值e/a，即式中A，B分别为溶剂和溶质的原子价，x为溶质的原子数(%)实验结果表明合金中的电子浓度不能超过1.4这个极限浓度，否则固溶体就不稳定而要形成另外的相。除了以上因素外，固溶度还与温度有关，一般地，温度升高，固溶度升高。100)100(BxxAae2.间隙固溶体定义：溶质原子分布于溶剂点阵的阵点，或者说溶质晶格间隙而形成的固溶体。在间隙固溶体中，由于溶质原子一般比晶格间隙的尺寸大，所以当它们溶入后都会引起晶格畸变，点阵常数增大，畸变能升高。因此，间隙固溶体都是有限固溶体，而且溶解度很小。3.固溶体的微观不均匀性在热力学平衡状态下，固熔体的成分从宏观看是均匀的，但从微观看来溶质原子的分布是不均匀的，固溶体中溶质原子的分布方式主要取决于同类原子间的结合能和异类原子间的结合能的相对大小。如果EAA≈EBB≈EAB，则溶质原子倾向于呈无序分布；如果(EAA+EBB)/2EAB，则溶质原子呈偏聚状态；如果(EAA+EBB)/2EAB，则溶质原子呈部分有序或完全有序排列。短程序参数：用来描述固溶体的微观不均匀性。假定在以溶质B原子为中心的各同心球分布着A、B组元原子。如果i层球面上共有ci个原子，其中A原子的平均数目为ni个，若已知该合金成分中A的原子分数为mA，则此层上A原子数目应为mAci。短程序参数定义为：αi=1-ni/mAci当αi=0，即ni=mAci时，固溶体为完全无序分布；当αi0，即nimAci时，固溶体为短程有序分布；当αi0，即nimAci时，固溶体处于同类原子相邻几率较高的偏聚状态。4.固溶体的性质结构特点：保持了溶剂的点阵类型。成分(在微观上)是不均匀的，存在原子偏聚或短程有序现象。点阵产生畸变由于溶质与溶剂的原子大小差异引起点阵畸变和晶格常数的变化。置换固溶体：rBrA，溶质原子周围点阵膨胀，平均点阵常数增大rBrA，溶质原子周围点阵收缩，平均点阵常数减小间隙固溶体：点阵常数总是增大产生固溶强化通过溶入某种元素形成固熔体,而使金属强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。这是提高合金机械性能的重要途径之一。如向Cu中加入0.19Ni，机械强度可从220MN/m2升至380～400MN/m2，硬度可从44升至70。物理化学性能变化随着固溶度的增加，点阵畸变增大，一般固溶体的电阻率ρ升高，同时降低电阻温度系数α。如：Si固溶于α-Fe中可以提高磁导率；Cr固溶于α-Fe中可以提高α-Fe的电极电位，抗腐蚀2.3.2中间相(金属化合物)定义：两组元A和B组成合金时，除了可形成以A为基或以B为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与A、B两组元均不相同的新相，这个相称为中间相。中间相对金属材料的性能影响很大。许多金属间化合物的熔点和硬度很高，它对提高合金的强度、硬度、耐热性和耐磨性作用很大。还有一些具有特殊物理化学性质的金属化合物，如超导材料Nb3Sn、核反应堆材料Zr3Al、记忆合金NiTi等。影响因素：电负性、电子浓度和原子尺寸分类：正常价化合物、电子化合物、与原子尺寸因素相关的化合物＆有序固溶体（超结构）1.正常价化合物指符合原子价规则的化合物，其成分可以用化学式表达，如AB，A2B(或AB2)，A3B2型。正常化合物稳定性与组元间的电负性差有关，一般电负性差愈小，化合物愈不稳定，愈趋于金属键结合；电负性差愈大，化合物愈稳定，愈趋于离子键结合。如由Mg与Pb、Sn、Ge、Si形成的正常价化合物中Mg2Si最稳定，熔点为1102℃，为典型的离子化合物；而Mg2Pb熔点仅550℃，显示出典型的金属性质，其电阻值随温度升高而增大。形成条件：由周期表上相距较远、电负性差值较大的元素组成即由金属元素与元素组成。Te)Se,S,VIA(O,Bi)Sb,As,P,VA(N,Pb)Sn,Ge,Si,IVA(C2.电子化合物(Hume-Rothery相)人们把具有一定的电子浓度值而结构相同或密切相关的相称为电子相。该化合物的晶体结构决定于电子浓度。每个原子平均所占有的价电子数(e/a)来表示：e/a=7/4=21/12时，密排六方结构，称为ε相e/a=21/13时，复杂立方结构，称为γ相e/a=3/2=21/14时，多为体心立方结构，称为β相形成条件：由过渡金属和IB族(Ag，Au，Cu)元素为一方，与元素为另一方组成。Pb)Sn,Ge,IVA(Si,In)Ga,IIIA(Al,Hg)Cd,IIB(Zn,电子化合物虽然可用化学分子式表示，但不符合化合价规律，而且实际上其成分是在一定范围内变化，可视其为以化合物为基的固溶体，其电子浓度也在一定范围内变化。电子化合物中原子间的结合方式系以金属键为主，故具有明显的金属特性。常见的电子化合物及其结构类型3.与原子尺寸因素有关的化合物定义：与组成元素的原子尺寸差别有关的金属间化合物。当两种原子半径差很大的元素形成间隙相和间隙化合物；而中等程度的差别时形成拓扑密堆相。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(主要是过渡元素)形成间隙相或间隙化合物。主要取决于非金属(X)和金属(M)原子半径的比值(rX/rM)；当rX/rM0.59，形成具有简单晶体结构的相，称为间隙相。如小半径元素H和N和过渡金属形成的氢化物和氮化物；rX/rM0.59，形成具有复杂晶体结构的相，称为间隙化合物。如较大尺寸的B元素与过渡金属形成的硼化物。而碳化物则介于间隙相和间隙化合物。间隙相间隙相具有比较简单的晶体结构，如面心立方(fcc)、密排六方(hcp)，少数为体心立方(bcc)或简单六方结构，与组元的结构均不相同。在晶体中，金属原子占据正常的位置，而非金属原子则规则地分布于晶格间隙中，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。当rX/rM0.414时，通常可进入四面体间隙；若rX/rM0.414时，则进入八面体间隙。间隙相的成分可以在一定范围变化，间隙相可以溶解组元元素，形成以化合物为基的固溶体间隙相之间可以形成连续固溶体，如TiC-ZrC,TiC-VC间隙相有高硬度、高熔点，是合金工具钢及硬质合金的主要强化相间隙相举例间隙化合物当rX/rM0.59时形成具有复杂晶体结构的相，称为间隙化合物。如较大尺寸的B元素与过渡金属形成的硼化物。而过度金属Cr、Mn、Fe、Co、Ni与C元素形成的碳化物都是间隙化合物。间隙化合物的晶体结构都很复杂。如Cr23C，Fe3C等间隙化合物中原子