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1、第二章 金属及合金相的晶体结构2.1 晶体结构的几何特性(1)配位数（coordination number, CN ）一个原子周围的最近邻原子数 对纯元素晶体，最近邻原子与考察原子 的距离相等 对多元素晶体，最近邻原子与考察原子 的距离不一定相等 (2)晶胞内的原子数n可由晶格图直接读出，但要注意：角、棱、面上的原子为几个相邻晶胞所共有。对立方晶系：顶角原子为八个晶胞所共有棱边原子为四个晶胞所共有表面原子为两个晶胞所共有对六方晶系：顶角原子为六个晶胞所共有棱边原子为三个晶胞所共有表面原子为两个晶胞所共有（3）堆积因子（packing factor） 又叫致密度、堆垛密度、紧密系数 等式中V为
2、原子体积V0为晶胞体积一般假设原子为半径r的刚球，最近邻原子 是相切的（刚球密排模型）例：对一般立方晶格，晶胞长度为2r，原 子个数为1,则有(4)间隙（interstice）位于晶格中可容纳其他原子的格点对晶体性能影响很大2.2 金属中常见的晶体结构1、面心立方（Face-centered cubic, FCC）(A1,cF4) CN=12; =0.74 基元为单个原子如-Fe, Al, Cu, Ni, Pb, Au, Ag, Pt等2、体心立方（Body-centered cubic, BCC）(A2,cI2) CN=8; =0.68 基元为单个原子如-Fe, Cr, W, Mo, V,
3、Nb, -Ti, -Zr等3、密排六方（Hexagonal close-packed, HCP）(A3,hp2) CN=12; =0.74 基元为2个原子如Be, -Ti, -Zr, Mg, Zn, Cd等2.2 密堆积结构中原子的堆积方式 二维密排原子面中，每个小球与六个球 相切，每个球附近有6个间隙，可分为B,C两类 ；如图2.8所示每个间隙附近有三个球如第二排原子正好对准B或C，排成 ABABABAB则为密排六方结构如第一排为A，第二排为B，第三排为C，第四排为A，形成ABCABCABC.则为面心立方结构2.3 晶体结构中的间隙一、间隙的种类有三面体、四面体、五面体、八面体、十二面体、二
4、十面体等在BCC, FCC, HCP中，以四面体、八面体为主二、间隙的密度每个四面体间隙有4个原子，每个原子周围有8个四面体间隙；每个八面体间隙有6个原子，每个原子周围有6个四面体间隙；三、BCC, FCC, HCP的间隙BCC: 八面体间隙6个 (略受压缩的八面体)四面体间隙12个 （非正四面体）FCC: 八面体间隙4个四面体间隙8个HCP: 八面体间隙6个四面体间隙12个2.4 同素异构性同素异构性元素在温度或压力发生改 变时具有不同结构的特性金属元素中，有37种元素具有同素异构性通常在金属符号前加以 ， .等表 示，如-Fe，-Ti，-Fe等Fe: 13.2 C, -Sn (A5, tI
5、4) 体心四方结构 白锡二者转变时，晶胞体积变化26%，会使灰锡裂开2.5 金属晶体中原子的大小一般认为原子半径r与最近邻原子间距S0 有关 系但原子间距会随CN的增加而增加Goldschmidt于1928年提出：将CN=12看 成标准密堆积，对其他CN值进行修正CN 4 6 8 10 12 14 16% 12 4 3 1.4 0 -1.2 -2.2Goldschmidt法只适用于简单结构的元素 为消除CN对原子大小的影响，常用原子 体积（ ）参数：一般变化较小2.6 合金相的分类相（Phase）在任一给定的物质系统中，具 有相同化学成分、相同原子聚集状态、相同物 理化学性质的均匀连续的组成部
6、分相与相之间有界面分开固体材料可以是单相，如纯金属、聚乙烯等也可以是多相，如钢= -Fe+Fe3 陶瓷=晶体相+玻璃相+气相 置换固溶体固溶体 间隙固溶体 合金相 价化合物中间相 电子相拓扑密堆积相（TCP相）2.7 固溶体(Solid Solution)固溶体固态下溶质（solute）溶解在溶 剂（solvent）中形成的新相固溶体具有溶剂组元的点阵类型溶质原子在溶剂中的最大含量（极限溶 解度）称为固溶度（Solid Solubility） 一、固溶体的分类按原子占位分类： 置换固溶体间隙固溶体按溶解度分类： 无限固溶体有限固溶体按秩序分类： 无序固溶体 有序固溶体二、置换固溶体（Subst
7、itutional Solid Solution ）置换固溶体溶质原子占据溶剂原子的格位不少金属间可以形成置换固溶体，但固溶度相 差很大主要原因：原子尺寸、结构因素、电负性、电 子浓度等对置换固溶体的固溶度影响很大。 1、原子尺寸相差越小越易形成置换固溶体2、结构因素结构相同可形成无限固溶体同种原子在面心立方结构中的溶解度大于在体心立方中的溶解度3、电负性电负性相差越大、越容易形成置换固溶体4、电子浓度 电子浓度越大，溶解度越大。Darken-Gurry图可以预测固溶度 ， 如图2.17所示三、间隙固溶体（Intistitial SolidSolution）由于非金属元素的原子半径小H(0.046 nm), N(0.071 nm), C(0.077 nm)B(0.097 nm), O(0.060 nm)溶解在金属中一般占据间隙位置，溶解度有限 。例：在1000C时，有溶解度c=1.7%的C原子溶解于FCC的Fe中。求100个单位晶胞中有多少个C原子？ （已知Fe的相对原子量为55.85，C的相对原子量为12.01）解： 100个单位晶胞中有400个Fe原子，占98.3%的质量总质量为 M总= （400 55.85）/0.983=22726 amuC原子数nc为：nc=（22726 0.017）/12.02=32表明大约每3个单位晶胞才有一个C原子
