材料科学基础
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材料科学基础. 绪论. 工程材料(按属性分类): 金属材料、陶瓷材料和高分子 材料,也可由此三类材料相互组合而成复合材料。 材料科学基础 :研究材料的 成分、 结构、组织、 加工工艺 与性能之间的关系及其变化规律。 主要任务 :了解材料组织结构的形成规律,了解材料在性 能上产生差异的原因 。. 第一章 材料中的晶体结构. 1-1 晶体. 一、晶体及其性质 (一)晶体: 构成固体的基本粒子(原子、离子、 分子、原子集团)在三维空间呈规则 分布或排列。. 1-1 晶体.

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材料科学基础


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绪论

工程材料(按属性分类):金属材料、陶瓷材料和高分子

材料,也可由此三类材料相互组合而成复合材料。

材料科学基础:研究材料的成分、结构、组织、加工工艺

与性能之间的关系及其变化规律。

主要任务:了解材料组织结构的形成规律,了解材料在性

能上产生差异的原因。


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第一章

材料中的晶体结构


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1-1 晶体

一、晶体及其性质

(一)晶体:构成固体的基本粒子(原子、离子、

分子、原子集团)在三维空间呈规则

分布或排列。


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1-1 晶体

高分辨电镜(High Resolution Electron Microscope, HREM)直接观察晶体中原子的规则排列。


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1-1 晶体

(二)晶体的性质:

(1)组成晶体的各种粒子在空间是呈有规律的

周期性重复排列。

(2)具有规则多面体的对称外形。

(3)具有固定的熔点。

(4)具有各向异性。


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1-1 晶体

晶粒:晶体中原子排列规律相同、位向一致的

小区域。

单晶体:仅由一个晶粒组成的晶体。

多晶体:由多个晶粒组成的晶体。

晶界:相邻晶粒之间的分界面。


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1-1 晶体

二、晶体中的结合键

(一)金属键:由金属中的自由电子与金属正离子

之间产生强烈的静电相互作用所构

成的键合。

金属键既无饱和性也无方向性。


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1-1 晶体

(二)共价键:相邻原子各给出一个电子作为二者

共有,原子借共用电子对所产生的

力而结合。

共价键既有饱和性又有方向性。


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1-1 晶体

(三)离子键:失掉电子的正离子和得到电子的负

离子依靠静电引力而结合。

离子键无方向性。


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1-1 晶体

(四)分子键(范德华键):组成晶体的中性原子

或中性分子互相靠近时,出现电子的

不均匀分布,从而使正、负电荷的中

心发生偏离,形成电偶极子,电偶极

子的异极相吸而结合 。

分子键无饱和性和方向性。


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1-1 晶体

(五)氢键:由氢原子同时与两个电负性很大而原

子半径较小的原子(O、F、N等)相

结合。

氢键既有饱和性也有方向性。


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1-1 晶体

二、晶体中原子间的作用力及结合能

(一)晶体中原子间作用力

平衡距离:两相邻原子之

间的作用力为

零时原子间的

距离(r0)。


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1-1 晶体

(二)结合能

平衡距离下的原子间相互

作用能。

离子键、共价键的结合能

最大,金属键次之,其后为氢

键,分子键的结合能最低。


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1-2 晶体学基础

一、空间点阵和晶胞

(一)空间点阵

空间点阵

阵点

晶格

结点


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1-2 晶体学基础

(二)晶胞

1.概念:点阵中具有

代表性的基本单元

(最小平行六面体)


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1-2 晶体学基础

2. 晶胞的选取原则

(1) 选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性;

(2) 平行六面体内的棱和角相等的数目应最多;

(3) 当平行六面体的棱边夹角存在直角时,直角数目

应最多;

(4) 在满足上述条件下,晶胞应具有最小的体积。


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1-2 晶体学基础

3. 晶胞的分类

简单晶胞:只在平行六面体的八个顶角上有

阵点。

复合晶胞:除在平行六面体顶角位置含有阵

点外,在体心、面心、底心等位

置上亦存在阵点。


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1-2 晶体学基础

4. 点阵参数

棱边边长:a、b、c(称

为点阵常数或晶格常

数)

棱间夹角:、、


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晶系

棱边长度及夹角关系

举例

三斜

单斜

正交

六方

菱方

四方

立方

a≠b≠c, ≠≠≠90

a≠b≠c, ==90≠

a≠b≠c, ===90

a=b≠c, ==90, =120

a=b=c, ==≠90

a=b≠c, ===90

a=b=c, ===90

K2CrO7

-S、CaSO42H2O

-S、Ga、Fe3C

Zn、Cd、Mg、NiAs

As、Sb、Bi

-Sn、TiO2

Fe、Cr、Cu、Ag、Au

1-2 晶体学基础

(三)晶系和布拉菲点阵

1.晶系(七个)


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布拉菲点阵

晶系

布拉菲点阵

晶系

简单三斜

三斜

简单六方

六方

简单单斜

底心单斜

单斜

简单菱方

菱方

简单四方

体心四方

四方

简单正交

底心正交

体心正交

面心正交

正交

简单立方

体心立方

面心立方

立方

1-2 晶体学基础

2. 布拉菲点阵(十四种):每个阵点的周围环境相同


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1-2 晶体学基础


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1-2 晶体学基础


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1-2 晶体学基础

(四)晶体结构与晶体点阵

晶体结构:晶体中实际质点

(原子、离子或

分子)的具体排

列情况


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1-2 晶体学基础

晶体点阵:晶体中实际原

子、离子或分

子中心的具体

排列情况


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1-2 晶体学基础

不同的晶体结构类型属于相同的空间点阵

Cu晶体

NaCl晶体

CaF2晶体


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Cr晶体

CsCl晶体

1-2 晶体学基础

相似的晶体结构类型属于不同的空间点阵


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1-2 晶体学基础

思考题:

说明为何十四种布拉菲点阵中不存在底心

四方点阵和面心四方点阵?


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1-2 晶体学基础

二、原子坐标、晶面指数和晶向指数

(一)原子(阵点)坐标

原子坐标的表示方法:

P点坐标可表示为

[[x, y, z]]或[[x y z]]


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1-2 晶体学基础

(二)晶面与晶面指数

1. 晶面

不在同一直线上的三个以上原子所构成的平面。

2. 晶面指数及其表示方法

通常采用密勒指数(Miller Index)来标定晶面

指数。


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1-2 晶体学基础

(1)已知晶面标定其晶面指数

标定步骤:

1)以晶胞的某一阵点O为坐标原点,过原点O的三个棱

边为坐标轴x、y、z;

2)求得待定指数晶面在三个坐标轴上的截距;

3)取各截距的倒数;

4)将三倒数化为互质的整数,并加上圆括号,即表示

该晶面的指数,记为(h k l)。


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1-2 晶体学基础

(2)已知晶面指数确定其标示的晶面

确定步骤:

1)在晶胞中确定坐标原点O,以过原点O的三个棱边为

坐标轴x、y、z;

2)取各晶面指数的倒数,即可得到该晶面在三个坐标轴

上的截距;

3)根据三个截距确定该晶面与三个坐标轴的交点, 将

三个交点依次用直线连接起来,即可画出相应晶面。


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1-2 晶体学基础

3. 晶面族与同一晶面

晶面族:原子的排列状况完全相同,只是空间位向不同

的所有晶面。

晶面族的表示方法:{hkl}

同一晶面:原子的分布状况完全相同,空间位向也相同

的所有晶面。


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1-2 晶体学基础

(三)晶向与晶向指数

1. 晶轴:两个以上原子所构成的直线。

2. 晶向:两个以上原子所构成的原子列的方向。

3. 晶向指数及其表示方法

通常也采用密勒指数(Miller Index)来标定晶

向指数


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1-2 晶体学基础

(1)已知晶向标定其晶向指数

标定步骤:

1)以待定晶向的始点O为坐标原点,过原点O的三个棱

边为坐标轴x、y、z;

2)在待定指数晶向上选取距原点O最近的一个阵点P,确

定P点的3个坐标值;

3)将3个坐标值化为最小整数u、v、w,并加上方括号,

即表示该晶向的指数,记为[u v w] 。


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1-2 晶体学基础

(2)已知晶向指数确定其标示的晶向

确定步骤:

1) 在晶胞中确定坐标原点O,以过原点O的三个棱边为

坐标轴x、y、z;

2)将晶向指数中的最大数字归一化,即得到P点的阵点

坐标值,并确定出P点的位置;

3)由O点向P点引矢量,即可画出相应晶向。


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1-2 晶体学基础

4. 晶向族

晶向族:原子的排列状况

完全相同的所有

晶向。

晶向族的表示方法:<uvw>


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1-2 晶体学基础

(四) 六方晶系的晶面指数和晶向指数

1. 晶面指数

采用四轴指数表示,

即(h k i l),其中

i = - (h + k)


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1-2 晶体学基础

2. 晶向指数

采用四轴指数表示,

即[uvtw],其中:

t = - (u + v)


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1-2 晶体学基础

3. 三轴指数与四轴指数间的换算

对晶面指数:从四轴指数(hkil)转换成三轴指数(hkl)时,只要去掉 i 即可,反之则直接加上i = - (h + k) 。

对晶向指数,三轴指数[UVW]与四轴指数[uvtw]之间的互换关系为:


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1-2 晶体学基础

  • (五) 晶带与晶带定律

  • 晶带:所有平行或相交于

  • 同一直线的晶面。

  • 2. 晶带定律:晶带轴[u v w]

  • 与该晶带的晶面(h k l)

  • 之间存在以下关系:


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1-2 晶体学基础

3. 晶带定律的推论

1)已知两个不平行的晶面(h1k1l1)和(h2k2l2),则

其所属晶带轴[uvw]可以从下式求得:

2)已知二晶向[u1v1w1]和[u2v2w2],由此二晶向所决定

的晶面指数(hkl)则为:


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1-2 晶体学基础

3)已知三个晶面(h1k1l1)、(h2k2 l2)和(h3k3l3),若有:

,则此三个晶面同属一个晶带。

4)已知三个晶轴[u1v1w1]、[u2v2w2]和[u3v3w3],若:

,则三个晶轴在同一个晶面上。


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1-2 晶体学基础

(六) 晶面间距

晶面间距:最近邻的两个晶面间的距离。

低指数晶面的面间距通常较大,而高指数晶

面的面间距则较小。

晶面间距愈大,则该晶面上的原子排列愈密

集,晶面间距愈小,则原子排列愈稀疏。


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1-2 晶体学基础

对于立方晶系,晶面间距的计算公式为:

对于面心立方晶体,当h、k、l不全为奇数或

不全为偶数时,对于体心立方晶体,当h+k+l奇数

时,均含有单纯由体心、面心原子组成的附加原

子面,故实际的晶面间距应为dhkl /2。


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思考题:

1. 画出面心立方晶体中(111)面上的[11]晶向。

2. 何谓晶带定律?判断( 10)、( 2)和( 11)

晶面是否属于同一晶带。

3. 分别计算晶格常数为a的面心和体心立方

晶体{110}晶面的面间距。

1-2 晶体学基础


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1-3 常见的晶体结构

一、金属晶体结构

(一)三种典型金属晶体结构

1. 面心立方结构

(1)晶胞模型

(2)单胞原子数

(3)原子半径

(4)配位数和致密度

(5)原子面密度

(6)重要的晶面和晶向

(7)具有面心立方结构的典型金属


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1-3 常见的晶体结构

2. 体心立方结构

(1)晶胞模型

(2)单胞原子数

(3)原子半径

(4)配位数和致密度

(5)原子面密度

(6)重要的晶面和晶向

(7)具有体心立方结构的典型金属


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1-3 常见的晶体结构

3. 密排六方结构

(1)晶胞模型

(2)单胞原子数

(3)原子半径

(4)配位数和致密度

(5)原子面密度

(6)重要的晶面和晶向

(7)具有密排六方结构的典型金属


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1-3 常见的晶体结构

思考题:

1. 分别画出面心立方、体心立方、密排六方

晶胞,并分别计算面心立方、体心立方、密排

六方晶体的致密度。

2. 分别计算面心立方晶体{111}晶面和体心

立方晶体{110}晶面原子面密度。


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A

A

A

A

A

A

A

1-3 常见的晶体结构

(二) 金属晶体中的原子堆垛方式

刚球密堆模型

面心立方晶体的堆垛顺序

密排六方晶体的堆垛顺序


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1-3 常见的晶体结构

(三) 晶格间隙

1. 晶格间隙:晶体中未被原子占据的空间

2. 面心立方结构中的晶格间隙

(1)八面体间隙

(2)四面体间隙


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A

C

F

D

E

B

1-3 常见的晶体结构

3. 体心立方结构中的晶格间隙

(1)八面体间隙

(2)四面体间隙


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1-3 常见的晶体结构

4.密排六方结构中的晶格间隙

(1)八面体间隙

(2)四面体间隙


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1-3 常见的晶体结构

(四) 多晶型性与同素异构转变

1. 多晶型性(同素异构性)

2. 铁的多晶型性

3. 同素异构转变


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立方ZnS型晶体结构

NaCl型晶体结构

CsCl型晶体结构

1-3 常见的晶体结构

二、离子晶体结构

(一)AB型化合物的晶体结构


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Ti 4+

O2-

TiO2型晶体结构

c

a

a

O2-

Si 4+

-方石英型晶体结构

CaF2型晶体结构

1-3 常见的晶体结构

(二)AB2型化合物的晶体结构


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-Al2O3型晶体结构

1-3 常见的晶体结构

(三)A2B3型化合物的晶体结构


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a

b

金刚石型晶体结构(配位数为4)

a — 共价键; b — 晶胞

1-3 常见的晶体结构

三、共价晶体(原子晶体)结构


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Se和Te的晶体结构(配位数为2)

As、Sb、Bi的晶体结构(配位数为3)

1-3 常见的晶体结构

三、共价晶体(原子晶体)结构


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1-3 常见的晶体结构

思考题:

1. 何谓金属的多晶型性?

2. 分别计算面心立方和体心立方结构中八面

体和四面体间隙的大小。


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1-4 相结构

一、基本概念

合金

组元

组织


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1-4 相结构

一、基本概念(续)

单相合金

多相合金

固溶体

中间相(金属间化合物)


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1-4 相结构

二、固溶体

(一)固溶体的结构特点及分类

1. 固溶体的结构特点

2. 固溶体的分类

按溶质原子在溶剂点阵中所处的位置

按溶质原子在溶剂中的溶解度

按溶质原子在溶剂点阵中的分布规律


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1-4 相结构

(二) 置换固溶体

1. 置换固溶体的概念及其形成条件

2. 影响置换固溶体固溶度的主要因素

晶体结构

原子尺寸因素

电负性(化学亲和力)因素

原子价(电子浓度)因素

温度


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Cd、In、Sn、Sb在Ag中的固溶度

Zn、Ga、Ge、As在Cu中的固溶度

1-4 相结构


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1-4 相结构

(三) 间隙固溶体

1. 间隙固溶体的概念及其形成条件

2. 影响间隙固溶体固溶度的主要因素

溶质原子大小

溶剂晶体结构


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1-4 相结构

思考题:

何谓间隙固溶体?何谓置换固溶体?


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无序

偏聚

短程有序

长程有序

1-4 相结构

(四) 固溶体的微观不均匀性

无序:

偏聚:

短程有序(部分有序)

长程有序(完全有序)


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1-4 相结构

(五) 固溶体的性能特点

1. 固溶体的点阵常数

2. 固溶体的强度和硬度

3. 固溶体的物理性能

4. 固溶体的化学性能


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1-4 相结构

三、中间相(金属间化合物)

(一) 正常价化合物

金属与电负性较强的ⅣA、VA、ⅥA族元素间形成

1. 类型:AB型、A2B(或AB2)型、A3B2型

2. 结构:对应于同类分子式的离子化合物型结构,

如NaCl型、ZnS型、CaF2型等

3. 特点:组元间电负性差愈小,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。


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1-4 相结构

(二) 电子浓度化合物(休姆-罗塞里相)

IB族的贵金属(Cu、Ag、Au)与IIB、IIIA、IVA

族元素间形成,后发现在过渡族金属Fe、Co、Ni与

A1、Zn元素间形成。

电子浓度化合物的晶体结构取决于电子浓度:具

有相同的电子浓度,其晶体结构类型相同。

电子浓度(e/a):每个原子平均占有的价电子数


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1-4 相结构

电子浓度为 3/2(或 21/14):体心立方结构、复杂立方

的 -Mn结构、密排六方结构(两组元

的原子半径相近,倾向于形成密排六方

结构;两组元的原子半径相差较大,倾

向于形成体心立方结构)

电子浓度为 21/13:-黄铜结构(复杂立方结构的相)

电子浓度为 7/4(或 21/12):密排六方结构


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1-4 相结构

思考题:

Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、Cu3Al、Cu5Si、

Cu5Zn8、CuZn3、Au5Zn8化合物中,哪些属于

正常价化合物?哪些属于电子浓度化合物?


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1-4 相结构

(三) 原子尺寸因素化合物

原子半径较小的非金属元素如H、N、C、B等与过

渡族金属元素间形成。

1. 间隙相

当rx/rM < 0.59 时形成,具有简单的晶体结构如面

心立方、密排六方、体心立方、简单六方结构。

过渡族金属的氢化物、氮化物以及部分碳化物为

间隙相。


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1-4 相结构

间隙相中,金属原子占据正常晶格结点位置,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所占据的间隙位置主要取

决于原子尺寸因素:当rx/ rM< 0.414时(如H原子),

进入四面体间隙;若rx/rM>0.414时,则进入八面体间

隙(如C、N原子)。

间隙相的分子式:M4X、M2X、MX、MX2


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1-4 相结构

2. 间隙化合物

当rx/rM>0.59 时形成,具有复杂的晶体结构。

过渡族金属的硼化物和部分碳化物为间隙化合物。

间隙化合物的分子式:M3C(如Fe3C、Mn3C)、

M7C3(如Cr7C3)、M23C6(如Cr23C6)、M6C(如

Fe3W3C、Fe4W2C)、Fe2B、FeB 。

间隙化合物的熔点和硬度较高,但低于间隙相。


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Cu3Au型有序固溶体

1-4 相结构

(四) 有序固溶体(超点阵、超结构)

1. 以面心立方为基的有序固溶体

Cu3Au 型


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CuAuII型有序固溶体

CuAu I型有序固溶体

1-4 相结构

CuAuI型

CuAuII型


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CuZn (-黄铜) 型有序固溶体

Fe3A1型有序固溶体

1-4 相结构

2. 以体心立方为基的有序固溶体

CuZn型Fe3A1型


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MgCd3型有序固溶体

Mg

Cd

1-4 相结构

3. 以密排六方为基的有序固溶体

MgCd3型


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1-4 相结构

(五) 中间相的性质和应用

(1) 具有超导性质的中间相 ;

(2) 具有特殊电学性质的中间相;

(3) 具有强磁性的中间相;

(4) 具有特殊吸释氢本领的中间相(贮氢材料);

(5) 具有耐热特性的中间相;

(6) 耐蚀的中间相;

(7) 具有形状记忆效应、超弹性和消震性的中间相。


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1-4 相结构

思考题:

1. Fe4N、Cr2N、VC、TiH2、Fe3C、Cr7C3、

Cr23C6化合物中,哪些属于间隙相?哪些属于间

隙化合物?

2. 指出间隙相和间隙化合物之间的主要区别

和联系。


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