第一章材料的结构.ppt

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1、1 第一章 材料的结构第一节 材料的结合方式第二节 晶体学基础第三节 材料的晶体结构1材料的组织结构与性能材料的组织结构与性能2材料的性质材料的性质34材料微结构决定了材料的性能材料微结构决定了材料的性能结构和组分物理、化学、力学性能 使用性能微结构的多层性：决定了材料性能的复杂性微结构的多层性：决定了材料性能的复杂性电子结构、原子结构、化学健等结构和组分物质结构的多层次性56 第一节 材料的结合方式1 原子结构原子结构 2 原子结合键原子结合键 （1）离子键与离子晶体）离子键与离子晶体 原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；

2、硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷。离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷。67 第一节 材料的结合方式（2）共价键与原子晶体）共价键与原子晶体 原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原原子子晶晶体体：强强度度高高、硬硬度度高高（金金刚刚石石）、熔熔点点高高、脆脆性性大、导电性差。如高分子材料。大、导电性差。如高分子材料。78 第一节 材料的结合方式（3）金属键与金属晶体）金属键与金属晶体 原原子子结结合合：电电子子逸逸出出共共有有，结结合合力力较较大大，无方向性和饱和性；无方向性和饱和性；金金属属晶晶体体

3、：导导电电性性、导导热热性性、延延展展性性好好，熔点较高。如金属。熔点较高。如金属。金金属属键键：依依靠靠正正离离子子与与构构成成电电子子气气的的自自由由电电子子之之间间的的静静电电引引力力而而使使诸诸原原子子结结合合到一起的方式。到一起的方式。89 第一节 原子的结合方式（4）分子键与分子晶体）分子键与分子晶体 原原子子结结合合：电电子子云云偏偏移移，结结合合力力很很小，无方向性和饱和性。小，无方向性和饱和性。分分子子晶晶体体：熔熔点点低低，硬硬度度低低。如如高高分子材料。分子材料。氢氢键键：（离离子子结结合合）X-H-Y（氢氢键结合），有方向性，如键结合），有方向性，如O-HO（5）混合键

4、。如复合材料。）混合键。如复合材料。910 第一节 材料的结合方式3 结合键分类结合键分类（1）一次键）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。（化学键）：金属键、共价键、离子键。（2）二次键）二次键（物理键）：分子键和氢键。（物理键）：分子键和氢键。4 原子的排列方式原子的排列方式（1）晶晶体体：原原子子在在三三维维空空间间内内的的周周期期性性规规则则排排列列。长长程有序，各向异性。程有序，各向异性。（2）非非晶晶体体：不不规规则则排排列列。长长程无序，各向同性。程无序，各向同性。1011 第二节 晶体学基础1 空间点阵与晶体结构空间点阵与晶体结构（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列

5、所形成的三维阵列。空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。特征：特征：a)原子的理想排列；原子的理想排列；b)有有14种。种。其中：其中：阵点阵点空间点阵中的点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。空间点阵中的点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。晶格晶格描述晶体中原子排列规律的空间格架。描述晶体中原子排列规律的空间格架。晶胞晶胞空间点阵中最小的几何单元。空间点阵中最小的几何单元。（2）晶体结构：原子、离子或）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。原子团按照空间点阵的实际排列。特征：特征：a可能存在局部缺陷；可能存在局部缺陷；b可有无限多种。可有无限多种。1112

6、 第二节晶体学基础2 晶胞晶胞 （1）定义：构成空间点阵的最基本单元。）定义：构成空间点阵的最基本单元。（2）选取原则：）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；具有尽可能多的直角；d 体积最小。体积最小。（3）形状和大小）形状和大小 有三个棱边的长度有三个棱边的长度a,b,c及其夹角及其夹角,表示。表示。（4）晶胞中点的位置表示（坐标法）。）晶胞中点的位置表示（坐标法）。1213 第二节晶体学基础3 布拉菲点阵布拉菲点阵 14种点阵分属种点阵分属7个晶系个晶系。1314 第二节晶体学

7、基础4 晶向指数与晶面指数晶向指数与晶面指数 晶向：空间点阵中各阵点列的方向。晶向：空间点阵中各阵点列的方向。晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。1415 第二节晶体学基础（1）晶向指数的标定）晶向指数的标定 a 建立坐标系。确定原点（阵点）、坐标轴和建立坐标系。确定原点（阵点）、坐标轴和度量单位度量单位（棱边）。（棱边）。b 求坐标。求坐标。u,v,w。c 化整数。化整数。u,v,w.d 加加 。uvw。说明：说明：a 指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。指数意义：代表相互

8、平行、方向一致的所有晶向。b 负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。c 晶晶向向族族：晶晶体体中中原原子子排排列列情情况况相相同同但但空空间间位位向向不不同同的的一一组组晶晶向向。用用表表示示，数数字字相相同同，但但排排列列顺顺序序不不同同或或正正负负号号不不同同的的晶晶向向属于同一晶向族。属于同一晶向族。15111111111111XZY1617 第二节晶体学基础（2）晶面指数的标定）晶面指数的标定 a 建立坐标系：确定原点（建立坐标系：确定原点（非阵点非阵点）、坐标轴和）、坐标轴和度量单位度量单位。b 量截距：量截距：x,y,z。c 取倒数

9、：取倒数：h,k,l。d 化整数：化整数：h,k,k。e 加圆括号：加圆括号：(hkl)。1718 第二节晶体学基础说明：说明：a 指数意义：代表一组平行的晶面；指数意义：代表一组平行的晶面；b 0的意义：面与对应的轴平行；的意义：面与对应的轴平行；c 平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反；平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反；d 晶晶面面族族：晶晶体体中中具具有有相相同同条条件件（原原子子排排列列和和晶晶面面间间距距完完全全相相同同），空空间间位位向向不不同同的的各各组组晶晶面面。用用hkl表表示。示。e 若晶面与晶向同面，则若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0;f 若晶面与

10、晶向垂直，则若晶面与晶向垂直，则u=h,k=v,w=l。18110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY1920 第二节晶体学基础（3）六方系晶向指数和晶面指数）六方系晶向指数和晶面指数 a 六方系指数标定的特殊性：四轴坐标系（等价晶面不具有等价指数）。六方系指数标定的特殊性：四轴坐标系（等价晶面不具有等价指数）。b 晶面指数的标定晶面指数的标定 标法与立方系相同标法与立方系相同(四个截距四个截距)；用四个数字；用四个数字(hkil)表示；表示；i=-(h+k)。c 晶向指数的标定晶向指数的标定 标法与立方系相同标法与立方系相同(四个坐标四个坐标)；用四个数字；用四

11、个数字(uvtw)表示；表示；t=-(u+w)。依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。坐标换算法：坐标换算法：UVWuvtw u=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(U+V)/3,w=W。2021 第二节晶体学基础（3）六方系晶向指数和晶面指数）六方系晶向指数和晶面指数 2122 第二节晶体学基础（4）晶带）晶带 a：平行于某一晶向直线所有晶面的组合。：平行于某一晶向直线所有晶面的组合。晶带轴晶带轴 晶带面晶带面 b 性质：晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面性质：晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面/晶带轴；晶带轴；hu+kv+lw=0

12、c 晶带定律晶带定律 凡满足上式的晶面都属于以凡满足上式的晶面都属于以uvw为晶带轴的晶带。推论：为晶带轴的晶带。推论：（a）由两晶面由两晶面(h1k1l1)(h2k2l2)求其晶带轴求其晶带轴uvw：u=k1l2-k2l1;v=l1h2-l2h1;w=h1k2-h2k1。（b）由两晶向由两晶向u1v1w1u2v2w2求其决定的晶面求其决定的晶面(hkl)。h=v1w2-v2w1;k=w1u2-w2u1;l=u1v2-u2v1。2223 第二节晶体学基础（5）晶面间距）晶面间距 a 定义：一组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的距离。定义：一组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的距离。b 计算公式

13、（简单立方）：计算公式（简单立方）：d=a/(h2+k2+l2)1/2 注注意意：只只适适用用于于简简单单晶晶胞胞；对对于于面面心心立立方方hkl不不全全为为偶偶、奇奇数数、体体心立方心立方h+k+l=奇数时，奇数时，d(hkl)=d/2。低指数晶面的面间距较大；低指数晶面的面间距较大；231.3.1典型金属的晶体结构三种常见晶体结构三种常见晶体结构面心立方（面心立方（A1,FCC）体心立方（体心立方（A2,BCC）密排六方（密排六方（A3,HCP）第三节材料的晶体结构24面心立方晶格面心立方晶格 fccfcc-Fe-Fe、CuCu、NiNi、AlAl、AuAu、AgAg 等等25面心立方面心

14、立方晶胞晶胞晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c；=90=90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径原子半径r：XYZabc密排方向密排方向4 4致密度：致密度：0.740.7426体心立方晶格体心立方晶格 bccbcc-Fe-Fe、W W、V V、Mo Mo 等等27体心立方体心立方晶胞晶胞晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c；=90=90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径原子半径r：致密度致密度=VaVa/VcVc，其中其中VcVc:晶胞体积晶胞体积a a3 3VaVa:原子总体积原子总体积2 2 4 4 r r3 3/3/3致密度：致密度：0.680.68XYZabc2r2raa2

15、228密排六方密排六方晶格晶格 hcphcpC C（石墨）、石墨）、MgMg、ZnZn 等等晶格常数晶格常数底面边长底面边长a a底面间距底面间距c c侧面间角侧面间角120120 侧面与底面夹角侧面与底面夹角9090 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径原子半径r：a/2致密度：致密度：0.740.7462930 第三节材料的晶体结构晶体中原子的堆垒方式晶体中原子的堆垒方式ABCABC.ABABAB.ABABAB.3031 第三节材料的晶体结构晶体结构中的间隙晶体结构中的间隙四面体、八面体四面体、八面体四面体、八面体四面体、八面体四面体、八面体四面体、八面体（个数）（个数）84126126（rB

16、/rA）0.2250.4140.2910.1540.2250.414间隙半径（间隙半径（rB）：间隙中所能容纳的最大圆球半径。）：间隙中所能容纳的最大圆球半径。思考：碳原子在思考：碳原子在-Fe和和-Fe中的溶解度？中的溶解度？3132 第三节材料的晶体结构*影响原子半径的因素（1）温度与应力）温度与应力（2）结合键的影响）结合键的影响（3）配配位位数数的的影影响响（高高配配位位结结构构向向低低配配位位结结构构转转变变时时，体体积积膨胀，原子半径减小减缓体积变化。膨胀，原子半径减小减缓体积变化。)（4）核核外外电电子子分分布布的的影影响响（一一周周期期内内，随随核核外外电电子子数数增增加加至至

17、填满，原子半径减小至一最小值。填满，原子半径减小至一最小值。)思思考考：假假设设铁铁的的原原子子半半径径不不变变，计计算算铁铁转转变变为为铁铁的的体体积积变变化。化。2h32第三节材料的晶体结构*多晶型性多晶型性多晶型性多晶型性 元素的晶体结构随外界条件的变化而发生转变的性质。元素的晶体结构随外界条件的变化而发生转变的性质。如：如：Fe(-).3334 第三节材料的晶体结构1.3.2共价晶体的晶体结构共价晶体的晶体结构（1饱和性：一个原子的共价键数为饱和性：一个原子的共价键数为8-N。（2方向性：各键之间有确定的方位方向性：各键之间有确定的方位（配位数小，结构稳定）（配位数小，结构稳定）金刚石

18、结构金刚石结构第第A族元素族元素As、Sb、Bi的层状结构的层状结构Se和和Te的链结构的链结构34C家族微观结构家族微观结构Diamond金刚石金刚石(Sp3)Graphite石墨石墨(Sp2+范力范力)Fullerenes富勒烯富勒烯C60(Sp2)Carbon-Onion洋葱碳洋葱碳(Sp2+范力范力)Bucky-DiamondB-B-金刚石金刚石(Sp3+Sp2)Carbon-Nanotube碳纳米管碳纳米管(Sp2)35第三节材料的晶体结构1.3.3离离子晶体的结构子晶体的结构（1离离子晶体的主要特点子晶体的主要特点硬度高、脆性大；硬度高、脆性大；熔点高，热膨胀系数小；熔点高，热膨胀

19、系数小；绝缘；绝缘；无色透明。无色透明。36第三节材料的晶体结构（2离离子晶体的结构规则子晶体的结构规则鲍林第一规则鲍林第一规则（负离子配位多面体规则）（负离子配位多面体规则）在在离离子子晶晶体体中中，正正离离子子周周围围形形成成一一个个负负离离子子配配位位多多面面体体，正正负负离离子子间间的的平平衡衡距距离离取取决决于于正正负负离离子子半半径径之之和和，正离子的配位数取决于正负离子的半径比。正离子的配位数取决于正负离子的半径比。37第三节材料的晶体结构负离子配位多面体负离子配位多面体:在离子晶体结构中，与某一在离子晶体结构中，与某一个正离子成配位关系而邻接个正离子成配位关系而邻接的各个负离子

20、中心线所构成的各个负离子中心线所构成的多面体。的多面体。3839 第三节材料的晶体结构鲍鲍林林第第二二规规则则（电电价价规规则则含含义义）：一一个个负负离离子子必必定定同同时时被被一一定定数数量量的负离子配位多面体所共有。的负离子配位多面体所共有。鲍鲍林林第第三三规规则则（棱棱与与面面规规则则）：在在配配位位结结构构中中，共共用用棱棱特特别别是是共共用用面面的的存存在在，会会降降低低这这个个结结构构的的稳稳定定性。性。39第三节材料的晶体结构（3常见离常见离子晶体的结构子晶体的结构简单立方结构简单立方结构面心立方结构面心立方结构AB型型40闪锌矿结构闪锌矿结构面心立方结构面心立方结构41纤锌矿

21、型结构纤锌矿型结构2S2-：000；2/31/31/22Zn2+:007/8;2/31/33/842面心立方结构面心立方结构AB2型型43四方晶系四方晶系44也叫方晶石，立方晶系也叫方晶石，立方晶系 45A2B3型型（三方）六方晶系（三方）六方晶系46ABO3型型立方晶系立方晶系47（三方）六方晶系（三方）六方晶系48A2BO4型型49第三节材料的晶体结构1.3.4合金相结构合金：由两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经冶炼、烧结或其他方法组合而成，并具有金属特性的物质。组元相：合金中具有同一聚集状态，成分和性能均一，并以界面互相分开的组成部分。类别：固溶体和化合物50第三节材料的

22、晶体结构1.固溶体固溶体定义：凡溶质原子完全溶于固态溶剂中，并保持溶剂元素的晶定义：凡溶质原子完全溶于固态溶剂中，并保持溶剂元素的晶格类型所形成的合金相。格类型所形成的合金相。固溶强化：形成固溶体而使强度、硬度升高的现象。固溶强化：形成固溶体而使强度、硬度升高的现象。（1）置换固溶体）置换固溶体:有限置换固溶体和无限置换固溶体有限置换固溶体和无限置换固溶体影响因素：影响因素：组元的晶体结构类型组元的晶体结构类型:合金元素在合金元素在Fe中的溶解度中的溶解度如表所示如表所示原子尺寸因素原子尺寸因素:当溶剂原子半径当溶剂原子半径rA与溶质原子半径与溶质原子半径rB的相对差的相对差不超过不超过（14

23、%15%）有利于大量固溶，反之，固溶度非）有利于大量固溶，反之，固溶度非常有限。常有限。电负性因素电负性因素:两元素的电负性相差越大，化学亲和力越强，两元素的电负性相差越大，化学亲和力越强，所生成的化合物也越稳定。若量元素间的电负性相差越小，所生成的化合物也越稳定。若量元素间的电负性相差越小，越易形成固溶体，所形成的固溶体的固溶度也越大。越易形成固溶体，所形成的固溶体的固溶度也越大。元素的电负性如图所示元素的电负性如图所示。515253电子浓度因素电子浓度因素所所谓谓电电子子浓浓度度就就是是合合金金中中价价电电子子数数目目与与原原子子数数目目的的比比值值，即即e/a。合金中的电子浓度可按下式计

24、算：。合金中的电子浓度可按下式计算：式式中中A，B分分别别为为溶溶剂剂和和溶溶质质的的原原子子价价，x为为溶溶质质的的原原子子数数分分数数()。固固溶溶体体的的极极限限电电子子浓浓度度为为1.4。超超过过此此值值时时，固固溶溶体就不稳定而要形成另外的相体就不稳定而要形成另外的相54（2）间隙固溶体）间隙固溶体原子半径小于原子半径小于0.1nm的一些非金属元素。如的一些非金属元素。如H，B，C，N，O等（原子半径分别为等（原子半径分别为0.046，0.097，0.077，0.071，0.060nm）。）。（3）固溶体的微观不均匀性）固溶体的微观不均匀性无序无序偏聚偏聚部分有序或完全有序部分有序或

25、完全有序55固溶体的性质固溶体的性质和和纯纯金金属属相相比比，由由于于溶溶质质原原子子的的溶溶入入导导致致固固溶溶体体的的点点阵阵常常数数改改变变，产产生生固固溶溶强强化化及及力力学学性性能能、物物理理和和化化学学性性能能产产生生了了不不同程度的变化。同程度的变化。a点点阵阵常常数数改改变变形形成成固固溶溶体体时时，虽虽然然仍仍保保持持着着溶溶剂剂的的晶晶体体结结构构，但但由由于于溶溶质质与与溶溶剂剂的的原原子子大大小小不不同同，总总会会引引起起点点阵阵畸畸变变并并导导致致点点阵阵常常数数发发生生变变化化。对对置置换换固固溶溶体体而而言言，当当原原子子半半径径rBrA。时时，溶溶质质原原子子周

26、周围围点点阵阵膨膨胀胀，平平均均点点阵阵常常数数增增大大；当当rBrA时时，溶溶质质原原子子周周围围点点阵阵收收缩缩，平平均均点点阵阵常常数数减减小小。对对间间隙隙固固溶溶体体而而言言，点点阵阵常常数数随随溶溶质质原原子子的的溶溶入入总总是是增增大大的的，这种影响往往比置换固溶体大得多。这种影响往往比置换固溶体大得多。56b产产生生固固溶溶强强化化和和纯纯金金属属相相比比，固固溶溶体体的的一一个个最最明明显显的的变变化化是是由由于于溶溶质质原原子子的的溶溶入入，使使固固溶溶体体的的强强度度和和硬硬度度升升高高。这这种种现现象象称称为为固固溶溶强强化化。有有关关固固溶溶强强化化机机理理将将在在后

27、后面面章章节节中中进进一一步讨论。步讨论。c物物理理和和化化学学性性能能的的变变化化固固溶溶体体合合金金随随着着固固溶溶度度的的增增加加，点点阵阵畸畸变变增增大大，一一般般固固溶溶体体的的电电阻阻率率 升升高高，同同时时降降低低电电阻阻温温度度系系数数。又又如如Si溶溶入入-Fe中中可可以以提提高高磁磁导导率率，因因此此质质量量分分数数叫叫(Si)为为24的的硅硅钢钢片片是是一一种种应应用用广广泛泛的的软软磁磁材材料料。又又如如Cr固固溶溶于于铲铲Fe中中，当当Cr的的原原子子数数分分数数达达到到125时时，Fe的的电电极极电电位位由由-0.60V突突然然上上升升到到+0.2V，从从而而有有效

28、效地地抵抵抗抗空空气气、水水气气、稀稀硝硝酸酸等等的的腐腐蚀蚀。因因此此，不不锈锈钢钢中中至至少少含含有有13以上的以上的Cr原子原子。57第三节材料的晶体结构2.中间相中间相定义：定义：两组元组成的合金中，在形成有限固溶体的情况下，如果溶两组元组成的合金中，在形成有限固溶体的情况下，如果溶质含量超过其溶解度时，将会出现新相，其成分处在质含量超过其溶解度时，将会出现新相，其成分处在A在在B中和中和B在在A中的最大溶解度之间，故叫中间相。中的最大溶解度之间，故叫中间相。（1）正常化合物）正常化合物金属与周期表中金属与周期表中A、A、A族的一些元素形成的化合物为族的一些元素形成的化合物为正常价化合

29、物，符合化学的原子价规律，常具有正常价化合物，符合化学的原子价规律，常具有AB，AB2，A2B3分分子式，是主要受电负性控制的一种中间相。电负性差越大，化合物子式，是主要受电负性控制的一种中间相。电负性差越大，化合物越稳定，越趋于离子键结合。电负性差越小，化合物越不稳定，越越稳定，越趋于离子键结合。电负性差越小，化合物越不稳定，越趋于金属键结合。趋于金属键结合。正常价化合物常见于陶瓷材料，多为离子键化合物。正常价化正常价化合物常见于陶瓷材料，多为离子键化合物。正常价化合物的结构与相应分子式的离子化合物相同。分子式为合物的结构与相应分子式的离子化合物相同。分子式为NaCl型结构、型结构、闪锌矿结

30、构和纤锌矿结构。分子式为闪锌矿结构和纤锌矿结构。分子式为AB2（或（或AB2）型为）型为Ca2F结构结构（反（反Ca2F结构）。结构）。正常价化合物一般具有较高硬度和脆性，在合金中弥散分布在正常价化合物一般具有较高硬度和脆性，在合金中弥散分布在基体上，常可起弥散强化作用。基体上，常可起弥散强化作用。58（2）电子化合物）电子化合物化合物的晶体结化合物的晶体结构决定于电子浓度，构决定于电子浓度，但并非唯一因素，其但并非唯一因素，其他因素，特别是尺寸他因素，特别是尺寸因素仍起一定作用。因素仍起一定作用。例如当电子浓度为例如当电子浓度为3/2时，如果尺寸因素接时，如果尺寸因素接近与近与0，倾向于形成

31、，倾向于形成密排六方结构；尺寸密排六方结构；尺寸因素较大时倾向于形因素较大时倾向于形成体心立方结构。成体心立方结构。电子化合物的成电子化合物的成分也可在一定范围内分也可在一定范围内变化，因此电子浓度变化，因此电子浓度也并非是一个确定的也并非是一个确定的比值。比值。电子化合物的结合键为金属键，熔点一般较高，硬度高，脆性大，是有电子化合物的结合键为金属键，熔点一般较高，硬度高，脆性大，是有色金属中的重要强化相。色金属中的重要强化相。59（3）间隙相和间隙化合物）间隙相和间隙化合物过渡金属可与过渡金属可与H、B、C、N等原子半径甚小的非金属元素形成化合物。等原子半径甚小的非金属元素形成化合物。当金属

32、（当金属（M）与非金属（）与非金属（X）的原子半径比）的原子半径比rX/rM0.59时，化合物具有简单时，化合物具有简单的晶体结构称为间隙相。当的晶体结构称为间隙相。当rX/rM0.59时，其结构复杂，通常称为间隙化时，其结构复杂，通常称为间隙化合物。合物。间隙相间隙相在间隙相中，金属原子总是排成面心立方或密排六方点阵，少数情况在间隙相中，金属原子总是排成面心立方或密排六方点阵，少数情况下也可排列为体心立方及简单六方点阵，非金属原子则填充在间隙位置。下也可排列为体心立方及简单六方点阵，非金属原子则填充在间隙位置。当当rX/rM0.414时，通常进入四面体间隙；时，通常进入四面体间隙；若若rX/

33、rM0.414时，则进入八时，则进入八面体间隙。面体间隙。间隙相可用简单化学式表示（通常为间隙相可用简单化学式表示（通常为M4X，M2X，MX，MX2)，并且一并且一定化学式对应一定晶体结构（见表）。但其成分也可以在一定的范围内变定化学式对应一定晶体结构（见表）。但其成分也可以在一定的范围内变化。化。60 在密排结构（在密排结构（fcc和和hcp）中，八面体和四面体间隙数与金）中，八面体和四面体间隙数与金属原子的比值分别为属原子的比值分别为1和和2。当非金属原子填满八面体间隙时，。当非金属原子填满八面体间隙时，间隙数的成分恰好是间隙数的成分恰好是MX，结构为，结构为NaCl型（型（MX化合物也

34、可呈闪化合物也可呈闪锌矿结构，非金属占据了四面体间隙的半数）；当非金属原子锌矿结构，非金属占据了四面体间隙的半数）；当非金属原子填满四面体间隙时（仅在氢化物中出现）。则形成填满四面体间隙时（仅在氢化物中出现）。则形成MX2间隙相如间隙相如TiH2（在（在MX2结构中，结构中，H原子也可成对地填入八面体间隙中如原子也可成对地填入八面体间隙中如ZrH2）；在）；在M4X中，金属原子组成面心立方结构，而非金属原子中，金属原子组成面心立方结构，而非金属原子在每个晶胞中占据一个八面体间隙；在在每个晶胞中占据一个八面体间隙；在M2X中，金属原子通常按中，金属原子通常按密排六方结构排列（个别也有密排六方结构

35、排列（个别也有fcc,如如W2N，Mo2N等），非金属等），非金属原子占据其中一半的八面体间隙位置，或四分之一的四面体间原子占据其中一半的八面体间隙位置，或四分之一的四面体间隙位置。隙位置。M4X和和M2X也可认为是非金属原子未填满间隙的结构。也可认为是非金属原子未填满间隙的结构。间隙相原子间结合键为共价键和金属键，即使大多非金属组间隙相原子间结合键为共价键和金属键，即使大多非金属组元的原子分数大于元的原子分数大于50%，仍具有明显的金属特性。间隙相具有，仍具有明显的金属特性。间隙相具有极高的硬度和熔点，是合金工具钢及硬质合金的主要强化相。极高的硬度和熔点，是合金工具钢及硬质合金的主要强化相。

36、61间隙化合物间隙化合物通常过渡族金属通常过渡族金属Cr，Mn，Fe，Co，Ni与碳元素所形成的碳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化物都是间隙化合物。常见的间隙化合物有M3C型（如型（如Fe3C，Mn3C），），M7C3型（如型（如Cr7C3），），M23C6型（如型（如Cr23C6），和），和M6C型型（如（如Fe3W3C，Fe4W2C）等。间隙化合物中的金属元素常常被其）等。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。他金属元素所置换而形成化合物为基的固溶体。例如（例如（Fe,Mn）3C，（，（Cr,Fe）7C3，（，（Fe,Ni）3（W

37、,Mo）3C等。等。62（4）拓扑密堆相）拓扑密堆相定义：拓扑密堆相是由大小不同的原子适当配合，得到全部或定义：拓扑密堆相是由大小不同的原子适当配合，得到全部或主要是四面体间隙的复杂结构。其空间利用率及配位数均很高，主要是四面体间隙的复杂结构。其空间利用率及配位数均很高，由于具有拓扑学特点，故称之为拓扑密堆相，简称由于具有拓扑学特点，故称之为拓扑密堆相，简称TCP相。相。这种结构的特点：这种结构的特点：（1）由配位数为）由配位数为12，14，15，16的配位多面体堆垛而成。所的配位多面体堆垛而成。所谓配位多面体是以某一原子为中心，将其周围紧密相邻的各原谓配位多面体是以某一原子为中心，将其周围紧

38、密相邻的各原子中心用一些直线连接起来所构成的多面体，每个面都是三角子中心用一些直线连接起来所构成的多面体，每个面都是三角形。形。（2）呈层状结构）呈层状结构:原子半径小的原子构成密排面，其中嵌镶有原子半径小的原子构成密排面，其中嵌镶有原子半径大的原子，由这些密排层按一定顺序堆垛而成，从而原子半径大的原子，由这些密排层按一定顺序堆垛而成，从而构成空间利用率很高，只有四面体间隙的密排结构。构成空间利用率很高，只有四面体间隙的密排结构。原子密排层系由三角形、正方形或六角形组合起来的网格结原子密排层系由三角形、正方形或六角形组合起来的网格结构。网格结构通常可用一定的符号加以表示：取网格中的任一构。网格

39、结构通常可用一定的符号加以表示：取网格中的任一原子，依次写出围绕它的多边形类型。原子，依次写出围绕它的多边形类型。636465常见的有拉弗斯相（如常见的有拉弗斯相（如MgCu2，MgNi2，MgZn2，TiFe2等）等）、相（如相（如FeCr，FeV，FeMo，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）。拉弗斯相（典型分子式为拉弗斯相（典型分子式为AB2）的形成条件：）的形成条件：原子尺寸因素：原

40、子尺寸因素：A原子的半径略大于原子的半径略大于B原子，其理论比值应原子，其理论比值应为为rA/rB=1.255，而实际比例约在，而实际比例约在1.051.68范围之间。范围之间。电子浓度：一定的结构类型对应着一定的电子浓度。电子浓度：一定的结构类型对应着一定的电子浓度。拉弗斯相的晶体结构有三种类型。它们的典型代表为拉弗斯相的晶体结构有三种类型。它们的典型代表为MgCu2，MgZn2和和MgNi2。6667每一密排层成每一密排层成3636网格网格XYZXYZX排列排列Mg原子原子层和层和Cu原子层原子层穿插在穿插在一起，一起，较大的较大的Mg镶嵌镶嵌在小四在小四面体之面体之间的空间的空隙中。隙中。68