合金相结构.ppt

2.3合金相结构,第二章固体结构（SolidStructure）,重点掌握1.相、组织、固溶体、中间相（金属间化合物）的概念2.固溶体、中间相的分类、特点和用途一般了解1.离子、共价和聚合物的晶态结构及相对应的性能特点,概述,1.合金alloy----两种或两种以上的金属或金属与非金属经冶炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。组元----组成合金的基本单元。组元可以是金属和非金属,也可以是化合物2.组织structure----材料中的直观形貌,可以用肉眼观察到,也可以借助于放大镜、显微镜观察到的微观形貌。分为宏观组织肉眼或是30倍放大镜所呈现的形貌；显微组织显微镜观察而呈现的形貌。3.相phase----合金中具有同一聚集状态,同一化学成分、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。,相分类固溶体和中间相金属间化合物固溶体中间相中间相可以用分子式来大致表示其组成。合金相的性质由以下三个因素控制（1）电化学因素电负性或化学亲和力因素电负性（2）原子尺寸因素△r（rA－rB/rA△r越大，越易形成中间相。△r越小，越易形成固溶体（3）原子价因素电子浓度因素C电子[A100－x＋Bx]/100C越大，越易形成化合物；C越小，越易形成固溶体,2.3.1固溶体,固溶体solidsolution固溶体的最大特点是保持溶剂的晶体结构。,1.固溶体分类,1按溶质原子在点阵中所占位置分为置换固溶体substitutionalsolidsolution溶质原子置换了溶剂点阵中部分溶剂原子。间隙固溶体interstitialsolidsolution溶质原子分布于溶剂晶格间隙中。2按溶质原子在溶剂原子中溶解度分类有限固溶体在一定条件下,溶质原子在溶剂中的溶解量有一个上限,起过这个限度就形成新相。无限固溶体溶质原子可以任意比例溶入溶剂晶格中形成的。如CuNiAuAgTiZr，结构相同。,3按溶质原子在溶剂中的分布特点分类无序固溶体溶质原子在溶剂中任意分布,无规律性。有序固溶体溶质原子按一定比例和有规律分布在溶剂晶格的点阵或间隙里。4按基体类型分类一次固溶体以纯金属为基形成的固溶体。二次固溶体以化合物为基形成的固溶体。,固溶体的两种类型（置换和间隙）,有序固溶体－短程,有序固溶体－长程,有序固溶体－偏聚,2.置换固溶体,置换固溶体一般在金属元素之间形成，但要有一定条件。1晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件。否则只能形成有限固溶体。2原子尺寸在其它条件相近时,△r0.85固溶体中溶解度较大,否则较小。如铁基合金中，△r8才能形成无限固溶体。铜基合金中，△r41或r质/r剂r剂，a增大；r质0.59，硼化物均为间隙化合物；而碳原子半径处于中间,某些碳化物为间隙相,某些为间隙化合物。间隙化合物的熔点、硬度较高，也是强化相。2TCP相TCP相（topologicallyclose-packedphase）的特点①由配位数为12、14、15、16的配位多面体堆垛而成；②呈层状结构。TCP相类型①Lavs相AB2型镁合金、不锈钢中出现②σ相AB型或AxBx型有害相,4.超结构有序固溶体,超结构（superstructure/lattice）类型有序化条件异类原子之间的相互吸引大于同类原子间有序化影响因素温度、冷却速度和合金成分,5.金属间化合物的性质及应用（P56）（1）（7）,CuAu有序固溶体的晶体结构,2.4离子晶体,离子晶体有关概念1.离子晶体ioniccrystal由正、负离子通过离子键按一定方式堆积起来而形成的。陶瓷大多数属于离子晶体。2.离子半径ionicradius从原子核中心到其最外层电子的平衡距离。对离子晶体，通常认为晶体中相邻的正负离子中心之间的距离作为正负离子半径之和，即R0RR－。但利用x射线可求得R。离子半径大小并非绝对，同一离子随着价态和配位数而变。3.离子堆积离子晶体通常由负离子堆积成骨架，正离子按其自身大小居于相应负离子空隙（负离子配位多面体）。,4.配位数CNcoordinationnumber与某一离子邻接的异号离子的数目。取决于正负离子的半径比R/R，常见的是4、6、8，不同配位数时，离子半径间关系为0.97γCN8≈γCN6≈1.1γCN45.负离子配位多面体离子晶体中与某一正离子成配位关系而邻接的各负离子中心线所构成的多面体。6.离子晶体的特点离子键、硬度高、强度大、熔点高、等。典型的离子晶体是无色透明的。,2.4.1离子晶体的结构规则鲍林规则,1.负离子配位多面体规则这一规则符合最小内能原理2.电价规则3.负离子多面体共用顶、棱、面的规则共用点、棱、面,会降低结构稳定性4.不同种类正离子多面体间连接规则电价高、配位数低的正离子配位多面体之间有尽量互不结合的趋势.5.节约规则同种正离子和同种负离子的结合方式应最大限度地趋于一致.,2.4.2典型的离子晶体,1.AB型1CsCl型2NaCl型3立方ZNS闪铝矿型4六方ZNS纤锌矿型2.AB2型1CaF2萤石型2TiO2金红石型3β－SiO2方晶石.方石英型3.A2B3型α－Al2O34.ABO3型1CaTiO3钙钛矿、灰钛矿型2CaCO3方解石型、三方晶系5.AB2O4型尖晶石MgAl2O4,NaCl型结构,CaF2型结构,例题及其解答,1.氧化镁（MgO）与氯化钠（NaCl）具有相同结构。已知Mg离子半径，氧的离子半径。求1MgO的晶格常数；2MgO的密度（ArMg24.31，ArO16.00）2.共价键结合的原子其最大的CN是由此原子所具有的价电子数决定；而离子键结合的原子其最大配位数则受其离子半径比的限制。试证明当CN6时，其最小的半径比为0.41。,2.4.3硅酸盐的晶体结构,硅酸盐的结构组成硅氧骨干一硅和氧按不同比例组成的负离子团、硅氧骨干以外的正离子和负离子。硅酸盐晶体的结构特点1构成的基本结构单元是由Si和O组成的[SiO4]4-四面体。2每个O最多只能为两个[SiO4]4-四面体所3[SiO4]四面体中未饱和的O和金属正离子结合后，可以独立地在结构中存在，也可以通过[SiO4]4-共用四面体顶点连接成单链、双链或成层状、网状等复杂结构,但不能共棱和共面。同一类硅酸盐中,[SiO4]4-四面体连接方式只有一种。4[SiO4]4-中Si－O－Si结合键不是一条直线,呈145夹角。,四面体中硅与氧原子位置,硅酸盐的分类,按[SiO4]4-的不同结合,将硅酸盐分为1.孤岛状硅酸盐[SiO4]4-以孤立状存在。2.组群状硅酸盐由[SiO4]4-通过共用氧桥氧相生成2、3、4或者说个硅氧组群。3.链状硅酸盐由[SiO4]4-通过桥氧的连接在一维方向伸长成单链或双链、链与链间为正离子链结。4.层状硅酸盐由[SiO4]4-四面体某个面在平面内以共用顶点的方式连接成六角对称的二维结构,多为二节单层。当活性氧与其它负离子一起与金属正离子组成八面体层,就与四面体构成双层结构。5.骨架状硅酸盐由[SiO4]4-四面体连成无限六元环状,层中未饱合和交替指向上或向下,把这样的层叠置起来使两个为一个公共氧所代替。,单一和成对四面体（孤岛状硅酸盐）,组群状硅酸盐,2.5共价晶体结构,共价晶体共价晶体特点共价键配位数（CN）符合8－N法则典型晶体金刚石（C的一种结晶形式）晶体结构复杂的结构,其原子排列除按结构排列外,立方体内还有4个原子；一个金刚石晶胞中有8个C原子具有典型金刚石结构的共价晶体有α－Sn、Si、Ge、β－ZnS、SiC其它共价晶体有As、Sb、Bi菱形结构层状Se、Te三角晶体结构,2.6聚合物的晶体结构,聚合物聚集态结构是在分子间力作用下大分子相互敛聚在一起形成的组织结构。聚集态结构分为晶态结构和非晶态结构聚合物聚集态特点1聚合物晶态包含一定量的非晶相2聚集态结构与分子链本身的结构、外界条件有关。聚合物的结晶特征结晶为分子结构、结晶速度慢、结晶具有不完整性、晶内存在大量缺陷。,2.6.1聚合物的晶体型态,聚合物的晶体形态有多种多样,可分为1、单晶2、球晶3、树枝状晶4、串晶5、伸直链晶,2.6.2聚合物晶态结构模型,1、缨状微束模型两相模型认为结晶高分子中晶区和非晶区互相穿插,同时存在。2、叠链模型认为聚合物晶体中大分子链是以折叠形式堆砌起来的。3、伸直链模型认为结晶大分子链垂直排列在晶片中4、串晶的结构模型认为串晶是伸直链和折叠链的组合结构。5、球晶模型认为大量多层片晶以晶核为中心,以相同的速率辐射型长大。6、霍斯曼模型折中模型,2.6.3聚合物晶体的晶胞结构,应用电子显微镜和Xray衍射分析来得到。聚合物晶胞不能是立方晶系；确定时一般取大分链方向为晶胞的C轴。表2.14列举一些主分子的晶胞参数和晶胞类型。,介绍几个概念,1、晶态（crystallinestate）各向异性，原子规排，固定熔点，长程有序2、非晶态（noncrystallinestate）各向同性，无固定熔点，没规则外形，长程无序，短程有序（玻璃）3、准晶态（quasicrystallinestate）具有一般晶体不能有的对称性（如五次对称轴）4、液晶（liquidcrystals）有机物加热时所经历的某一不透明的浑浊液态阶段（中间相），具有和晶体相似的性质，又称中间相或介晶。5、超晶格（点阵）（superlattice）是将两种或两种以上不同材料按照特定的迭代序列、沉积在衬底上而构成的（可是周期、准周期、随机三种）；超晶格自然界不存在，人工生长出来的，用于半导体薄膜。,本节的基本要求,重点掌握1.相、组织、固溶体、中间相（金属间化合物）的概念2.固溶体、中间相的分类、特点和用途一般了解1.离子、共价和聚合物的晶态结构及相对应的性能特点,