1、材 料 科 学 基 础,主讲教师：王亚男,这门课的主要内容有：,材料科学基础,金属材料,基础理论,固态相变,材料的结构 晶体缺陷 纯金属的凝固 二元相图 三元相图 材料的变形 再结晶 扩散,钢的固态转变,工业用钢 铸铁 有色金属及其合金,金属材料：以金属键结合为主的材料，如钢铁材料。 无机非金属材料：以离子键和共价键结合为主的材料，如陶瓷材料。 高分子材料：以共价键结合为主的材料，如塑料、橡胶。 复合材料：以界面特征结合为主的材料，如玻璃钢。,根据原子间的化学键不同可将材料分为四类：,结构材料：利用它的力学性能，用于制造需承受一定载荷的设备、零部件、建筑结构等。 功能材料：利用它的特殊物理性能
2、（电、热、光、磁等），用于制造各种电子器件、光敏元件、绝缘材料等。,根据材料的特性和用途不同可将材料分为两类:,1. 金属材料,黑色金属材料主要指钢铁材料。 钢（Steel） 按化学成分分为碳素钢、合金钢等；按质量分为普通、优质、高级优质钢等；按金相组织分为珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体钢等；按用途分为工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢等；按冶炼方法分为转炉、电炉、沸腾炉钢等。 铸铁（Cast iron）按石墨形态及性能分为灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁、特殊性能铸铁等。,有色金属材料常分为五大类：轻金属(4.5g/cm3): 如铝、镁、钠、钙等；重金属(4.5g/cm3): 如铜、
3、镍、铅、锌等；贵金属: 如金、银、铂、铑等；类（半）金属: 如硅、硒、砷、硼等；稀有金属: 如钛、锂、钨、钼、镭等。,金属材料的基本特性： a.金属键； b.固体熔点较高； c.金属光泽； d.纯金属范性大、延展性大； e.强度较高； f.导热、导电性好； g.空气中易氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改善抗氧化性。,2.无机非金属材料,按成分、化学结构和用途分为四大类： 水泥(Cements) 玻璃（Glass） 耐火材料（Refractories） 陶瓷（器）（Ceramics） 其中陶瓷又分为：传统陶瓷（天然硅酸盐矿,各中粘土烧制而成)和特种陶瓷（人工化合物：氧化物、氮化物、硼化物、碳化
4、物）。,无机非金属材料的特性 a.离子键、共价键及其混合键； b.硬而脆； c.熔点高、耐高温、抗氧化； d.导热、导电性差； e.耐化学腐蚀性好； f.耐磨； g.成型方式为粉末制坯、烧制成型。,3.高分子材料(高聚物）,高聚物：是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。 分类 按主链结构分为碳链CCC、杂链CNC=O COC等； 按使用性质分为塑料、橡胶、合成纤维、粘合剂、涂料等。,高分子材料的特性 a.共价键，部分范氏键； b.分子量大，无明显熔点，有玻璃转变温度Tg和粘流温度Tf； c.力学状态有三态：玻璃态、高弹态、粘流态； d.比重小； e.绝缘性好； f.优
5、越的化学稳定性； g.成型方法多。,定义：是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。 分类： a.按性能分为：结构复合材料、功能复合材料； b.按增强剂形状及增强机理分为：粒子增强、纤维 增强复合材料； c.按基体材料分为：树酯基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。,4. 复合材料,复合材料的基本性质 a.抗疲劳性能良好； b.结构件减震性好； c.比强度和比量高； d.具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能。,第1章 晶体结构,1.1 晶体学基础1.2 晶体结构小结思考题,1.1 晶体学基础,1.1.1 晶体的概念,1. 晶体：物质的质点（分子、原子或离子）在三维空间呈规则的周
6、期性重复排列的物质。 2. 空间点阵：把质点看成空间的几何点，点所形成的空间阵列。 3. 晶格：用假想的空间直线，把这些点连接起来，所构成的三维空间格架。 4. 晶胞：从晶格中取出具有代表性的最小几何单元。 5. 晶格参数：描述晶胞的六个参数a、b、c、 晶体分为7个晶系，14种布拉菲点阵。,根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于7种类型，即7个晶系。 按照“每个阵点的周围环境相同“的要求，布拉菲（Bravais A.）用数学方法推导出能够反映空间点阵全部特征的单位平行六面体只有14种，这14种空间点阵也称布拉菲点阵。,表1.1 晶系,表1.2 布拉菲点阵,简单点阵：只在八个角顶
7、有结点； 体心点阵：除了八个角顶外，在体心位置有一个结点； 面心点阵：除了八个角顶外，在六个面的面心各有一个结点； 底心点阵：除了八个角顶外，在上下底面各有一个结点。,底心单斜,三斜 abc 90,简单单斜,单斜 abc =90,表1.2 十四种布拉菲点阵,简单三斜,底心正交,简单正交,面心正交,体心正交,正交 abc =90,简单菱方,简单六方,简单四方,体心四方,四方 a=bc =90,菱方 a=b=c =90,六方 a=bc =90=120,简单立方,体心立方,面心立方,立方 a=b=c =90,7个晶系、14种布拉菲点阵,根据6个点阵参数的相互关系，可将空间点阵分为7个晶系：立方、四方
8、、正交、六方、单斜、三斜、菱方。 按照“每个阵点周围环境相同”的要求，布拉菲用数学方法导出能反映空间点阵全部特征的单位平行六面体只有14种，也称为布拉菲点阵。,立方,四方,正交,六方,单斜,三斜,菱方,1立方晶系的晶面指数晶体中各种方位上的原子面叫晶面，表示晶 面的符号叫晶面指数。,1.1.2 晶面与晶向指数,确定晶面指数的方法： 1） 定坐标：原点不能过所求晶面； 2） 求截距：确定晶面在三个坐标轴上 的截距； 3） 变倒数：将所求截距变为倒数； 4） 化为最小整数：hkl； 5） 加圆括号（hkl）即为晶面指数。,例如：定坐标如图 ABCD面 ABE面 截距： 1，1， 1，1，1/2 倒
9、数： 1，1，0 1，1，2 指数： （110） （112）,（110）,（112）,截距为负值时，在其指数上冠以负号。 （hkl）代表一组互相平行的晶面。 hkl代表原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶面，称为晶面族。如100包括（100）（010）（001）。 立方晶格中三个重要晶面：100，110，111 。,注意：,晶体中各个方向上的原子列叫晶向，表示晶向的符号叫晶向指数。,2立方晶系的晶向指数,确定晶向指数的方法：1）定坐标（原点过所求直线）； 2）过原点引直线，平行于所求晶向； 3）求该直线上任一点的坐标值； 4）化为最小整数：uvw； 5）加方括号uvw即为晶向指数。,例如
10、：求AB晶向指数。定坐标如图，作OPAB，求P点坐标为1，1，0AB晶向指数为110。求OB晶向指数。求B点坐标为1，1，1OB晶向指数为111。,110,111,注意：图中坐标原点的表示,注意：,uvw代表一组互相平行、方向一致的晶向； 代表原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶向，称为晶向族； 三个重要晶向：，； 在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。如：(111) 111，(110) 110。,已知图形，会求指数；已知指数，会画图形。 如： 已知（123）晶面和123晶向，画其图形。,小 结,注意: 晶面变倒数；晶向缩小。,(123),123,通常取四个坐标轴a1、a2、a
11、3、c，这比三个坐标轴更为方便，由于选取了四个坐标轴，则,3. 六方晶系的晶面和晶向指数,a=bc =90=120,晶面指数用四个指数（hkil）表示，其中i指数并非独立 ，i=-（h+k）。 晶向指数也用四个指数 uvtw表示，其中t指数也并非独立 ， t =-（u+v ）。,六方晶系中的一些晶面指数,六方晶系中，三轴指数和四轴指数的相互转化 三轴晶向指数U V W 四轴晶向指数u v t w三轴晶面指数(h k l） 四轴晶面指数(h k i l)i ( h + k ),所有平行或相交于某一直线的这些晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。属此晶带的晶面称为共带面。 晶带轴u v w与该晶带的
12、晶面（h k l）之间存在以下关系： hu + kv + lw = 0 凡满足此关系的晶面都属于以u v w为晶带轴的晶带，故此关系式也称作晶带定律。,4晶带,已知两个不平行的晶面(h1 k1 l1)和(h2 k2 l2)，求晶带轴的晶向指数u v w。,晶面1 (h1 k1 l1),晶面2 (h2 k2 l2),晶带轴 u v w,晶带定律的应用（1）,已知两晶向u1 v1 w1和u2 v2 w2，求两晶向所决定的晶面指数（ h k l）。,晶带定律的应用（2）,晶带定律的应用（3）,若,则,三个晶轴同在一个晶面上。,晶带定律的应用（4）,晶面1 (h1 k1 l1),晶面2 (h2 k2
13、l2),晶面3 (h3 k3 l3),若,则,三个晶面同属一个晶带。,5. 晶面间距,晶面指数确定了晶面的位向和间距。 晶面的位向是用晶面法线的位向来表示的； 空间任意直线的位向可以用它的方向余弦来表示。 对立方晶系：,晶面间距（1）,由晶面指数求面间距dhkl,通常，低指数的面间距较大，而高指数的晶面间距则较小。,晶面间距愈大，该晶面上的原子排列愈密集； 晶面间距愈小，该晶面上的原子排列愈稀疏。,图1.12 晶面间距,只要求出 的值就可求得dhkl。,晶面间距（2）,晶面间距公式的推导 设ABC为距原点O最近的晶面，其法线N与a,b,c的夹角为,则得,图1.12 晶面间距公式的推导,正交晶系
14、abc =90,晶面间距（3）,立方晶系a=b=c =90,六方晶系a=bc =90=120,注意：上述晶面间距计算公式仅适用于简单晶胞。,练习题 1、在立方晶系中，一晶面在x轴的截距为1，在y轴的截距为1/2，且平行于z轴，一晶向上某点坐标为x=1/2，y=0，z=1，求出其晶面指数和晶向指数，并绘图示之。 根据晶面和晶向指数的标定方法可知，题中晶面指数为（120），如图中ABCD，晶向指数为102如图中OP。,1.2 晶体结构,1.2.1 典型金属的晶体结构 体心立方晶格：BCC(Body Centered Cubic lattice) 面心立方晶格：FCC(Face Centered C
15、ubic lattice) 密排六方晶格：HCP(Hexagonal Close Packed),晶胞中原子的排列方式 (原子所处的位置) 点阵参数 (晶格常数和晶轴间夹角) 晶胞中原子数 原子半径和点阵常数关系 配位数和致密度 密排方向和密排面 晶体结构中间隙 (大小和数量) 原子的堆垛方式,描述晶胞从以下几个方面：,1BCC,1) 晶胞尺寸：八个原子构成立方体，体中心还有一个原子。a=b=c，=90。,2) 晶胞原子数：指一个晶胞内所含的原子个数。BCC晶胞原子数为：3) 原子半径：指晶胞中原子密度最大方向上相邻两个原子之间距离的一半，与晶格常数有关。BCC原子半径为：4) 配位数：指晶格
16、中任一原子周围所具有的最近且等距的原子数。BCC配位数为：8,5）致密度：BCC： 即晶格中有68体积被原子占据，其余为空隙。 6）属于这种晶格的金属：-Fe 、Cr、Mo、W、V。,K=nv/V,立方体对角面上和体对角线上原子排列最紧密。密排面：110密排方向：,体心立方晶格密排面,7）原子密排面和密排方向,原子堆垛方式为ABABAB.,8）原子堆垛方式,体心立方晶格的 ABAB 密堆结构,9）体心立方晶格间隙,间隙: 八面体和四面体间隙。 八面体间隙位于晶胞中每个面的中心和每个棱的中心，数量为6。 四面体间隙由两个体心原子和两个顶角原子所围成，数量为12。,体心立方八面体间隙,体心立方四面
17、体间隙,八面体间隙间隙半径的计算：间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径，原子中心到间隙中心的距离皆为a/2，所以间隙半径为：,四面体间隙 间隙半径的计算： 体心立方晶格四面体间隙的棱边长度不全相等，为不对称的间隙。间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径，原子中心到间隙中心的距离皆为 ，所以间隙半径为：,2FCC,1) 晶胞尺寸：八个原子构成立方体，每个面心上还各有一个原子。 a=b=c，=90。,2）晶胞原子数： 3）原子半径： 4）配位数：12。 5）致密度：6）具有FCC的金属：-Fe、Al、Cu、Ni、Pb。,密排面：111密排方向：,7）原子密排面和密排方向,8）原子
18、堆垛方式原子面的空隙是有三个原子所构成的,原子排列较为紧密,原子堆垛方式为ABCABC.,间隙：四面体间隙和八面体间隙 八面体间隙位于晶胞体中心和每个棱边的中点，由 6 个面心原子所围成, 间隙数量为4个。 四面体间隙由一个顶点原子和三个面心原子围成，间隙数量为8个。,9）面心立方晶格间隙,八面体间隙面心立方晶格的八面体间隙是由六个面的面心组成的，属于正八面体间隙。 间隙半径的计算：面心立方晶格八面体间隙属于正八面体间隙，间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径，原子中心到间隙中心的距离皆为a/2，原子半径为 ，所以间隙半径为：,面心立方八面体间隙,面心立方八面体间隙,正四面体间隙半径的
19、计算： 面心立方晶格四面体间隙属于正四面体间隙，间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径，原子中心到间隙中心的距离皆为 ，所以间隙半径为：,面心立方四面体间隙,面心立方四面体间隙,分析间隙的数量、大小和位置对了解材料的相结构、扩散、相变等问题都是很重要的。 金属的三种典型晶体结构的间隙如图1- 25、图1-26 、图1-27 所示。由图可清晰地判定间隙所处位置。按计算晶胞原子数的方法可算出晶胞所包含的间隙数目。,晶体结构中的间隙小结,体心立方晶格间隙有两种： 八面体间隙间隙半径为：间隙个数为：6 四面体间隙间隙半径为：间隙个数为：12 面心立方晶格间隙有两种： 八面体间隙间隙半径为：间隙
20、个数为：4 四面体间隙间隙半径为：间隙个数为：8可见，面心立方八面体间隙比体心立方中间隙半径较大的四面体间隙半径还大，因此面心立方结构的-Fe的溶碳量大大超过体心立方结构的-Fe。,小 结,3HCP,1）晶胞尺寸：由12个原子构成简单六方体，上下两个六方面中心还各有一个原子，两个六方面之间还有三个原子，晶格常数比值c/a=1.633时，排列最紧密。,2）晶胞原子数： 3）原子半径： 4）配位数：12 5）致密度：6）属于这种晶格的金属：Mg、Zn、Cd、Be。,密排面:0001 密排方向:,7）原子密排面和密排方向,原子堆垛方式为ABAB,8）原子堆垛方式,FCC与HCP密排面堆垛方式比较,F
21、CC与HCP晶体结构不同，但配位数、致密度相同，为搞清其原因，必须研究晶体中原子的堆垛方式。 FCC的密排面为（111）其堆垛方式是ABCABC。,HCP的密排面为（0001）其堆垛方式是ABAB。,两种晶格密排面的堆垛方式,9）晶体中的间隙,间隙: 较为复杂八面体间隙 有 6 个 四面体间隙 有 12 个,密排六方晶格八面体间隙,密排六方晶格四面体间隙,1合金的基本概念由于纯金属的机械性能较低，所以工程上使用的材料都是合金。 合金：是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。如：黄铜，Cu、Zn合金；碳钢，Fe、C合金。 组元：组成合金最基本的独立物质（组成合金的元素、稳定化合物）。
22、组元间相互作用会形成各种不同的相。 相：成分结构相同并以界面分开的均匀部分。在合金中，由于形成条件不同，各相可以不同的数 量、形状、大小互相组合，我们将 组织：在显微镜下所看到的相的分布形态。,1.2.2 合金相结构,(1) 固溶体：指溶质组元溶于溶剂晶格中，并保持溶剂组元晶格类型而形成的均匀固体。 溶剂组元：含量较多的成分, 溶质组元：含量较少的成分。 固溶体特点：保持溶剂组元的晶格类型。,2合金的相结构,固溶体,中间相,按溶质在溶剂晶格中的位置不同可分为： 置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体。例如：纯铜与黄铜。 间隙固溶体溶质原子占据溶剂晶格间隙而形成的固溶体。例如
23、：C-Fe = F ，见图1-35，P19。 形成条件：只有当 r溶质/r溶剂0.59时，才能形成间隙固溶体。,固溶体的两种类型,置换固溶体,间隙固溶体,按固溶度不同可分为： 有限固溶体具有有限固溶度的固溶体。如黄铜：Zn39%出现化合物。 无限固溶体溶质能以任意比例溶入溶剂的固溶体。如Cu-Ni合金：浓度50%的为溶剂。,按溶质原子与溶剂原子的相对分布不同可分为： 无序固溶体溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无规律的。 有序固溶体溶质原子占据溶剂晶格的一定位置。,有序固溶体短程,有序固溶体偏聚,固溶体的性能 点阵常数改变：置换固溶体：r质r剂，a增大；r质r剂，a减小。间隙固溶体：a始终随
24、溶质原子溶入而增大。 产生固溶强化：由于溶质原子的溶入，产生晶格畸变，使固溶体强度、硬度升高的现象。 物理性能改变：溶质，电阻，电阻温度系数。,影响固溶体固溶度的因素：,1) 晶体结构因素：溶质与溶剂晶格结构类型相同，固溶度. 2) 原子尺寸因素：溶剂原子半径rA与溶质原子半径rB的相对差（rA-rB）/rA15%有利于固溶，固溶度。 3) 电负性因素：两元素间的电负性差越小，越易形成固溶体，固溶度。电负性大小看其在周期表中的位置：同一周期的元素，电负性随原子序数而；同一族的元素，电负性随原子序数而。所以，元素在周期表中相距越远，电负性相差，越不利于形成固溶体，固溶度。 4) 电子浓度因素：电
25、子浓度越高，固溶度越小。电子浓度为合金中价电子数目与原子数目的比值。,（2）中间相,中间相可以是化合物，也可以是以化合物为基的固溶体，它具有金属的性质，又称金属间化合物。 合金中各组元之间发生相互作用而形成的一种新相，叫金属间化合物。具有较高熔点、高硬度，常作强化相，种类很多。 根据形成条件和结构特点不同金属间化合物可分为：正常价化合物、电子化合物、间隙相与间隙化合物。,正常价化合物：符合一般化合物原子价规律，成分固定并可用分子式表示，如AB、A2B、AB2、A2B3，主要受电负性控制的一种中间相。常见于陶瓷材料，多为离子化合物。 在元素周期表中，一些金属与电负性较强的A、A、A族的一些元素按
26、照化学上的原子价规律所形成的化合物。 如：二价Mg与四价Pb、Sn、Ge、Si形成Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Ge、Mg2Si。, 电子化合物：符合电子浓度规律的化合物。一定的电子浓度形成一定晶格类型的化合物。 如：电子浓度为3/2(21/14)时，形成体心立方结构的相(CuZn)；电子浓度为21/13时，形成复杂立方结构的相(Cu5Zn8)；电子浓度为7/4 (21/12)时，形成密排六方结构的 相(CuZn3)。 电子化合物以金属键为主，具有熔点高、硬度高、脆性大的特点，是有色金属的重要强化相。, 间隙相与间隙化合物：由过渡族金属元素与C、N、H、B等原子半径较小的非金属元素形成的化合物
27、。 当r非/r金0.59时，形成具有简单晶格的化合物，称为间隙相。 间隙相可用化学式表示，并且一定化学式对应一定晶体结构。如：M4XFCC(Fe4N)，M2X HCP(Fe2N)，MX FCC(VC)、BCC(NbH)、简单六方(WC)，MX2 FCC(TiH2)。 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。,当r非/r金0.59时，形成具有复杂结构的化合物，称为间隙化合物。主要类型有M3C、M7C3、M23C6等。 间隙化合物晶体结构十分复杂，如Cr23C6，具有复杂立方结构，92个金属原子，24个碳原子；又如Fe3C，属正交晶系，晶胞中共有16个原子，其中铁原子12个
28、，碳原子4个，符合Fe:C=3:1关系。碳原子位于八面体间隙。 间隙化合物的熔点及硬度比间隙相略低，是钢中最常见的强化相。,Fe3C晶体结构,1.2.3 离子晶体结构,一.离子晶体有关概念 离子晶体(ionic crystal) ：由正、负离子通过离子键或离子键和共价键混合键按一定方式堆积起来而形成的。 离子半径(ionic radius) ：从原子核中心到其最外层电子的平衡距离。,离子晶体配位数CN(coordination number) ：最邻近且等距的异号离子数。取决于正负离子的半径比R+/R-，常见的是4、6、8。 负离子配位多面体：离子晶体中正离子周围配位负离子中心连线构成的多面体
29、称配位多面体。,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）。 四面体空隙：由四个球体围成的空隙,球体中心线围成四面体形。 八面体空隙：由六个球体围成的空隙,球体中心线围成八面体形。,四面体空隙,八面体空隙,1954年因在化学键方面的工作取得诺贝尔化学奖，1962年因反对核弹在地面测试的行动获得诺贝尔和平奖，成为两位获得诺贝尔奖不同奖项的人之一。 鲍林被认为是20世纪对化学科学影响最大的人之一，他所撰写的化学键的本质被认为是化学史上最重要的著作之一，他提出的电负性、共振论、价键理论、杂化轨道、蛋白质折叠等概念和理论在当今的化学界都有着非常基
30、础和广泛的使用。,人物介绍: 莱纳斯卡而鲍林，美国著名化学家，量子力学的先驱者。,1负离子配位多面体规则（鲍林第一规则）在离子晶体结构中，每个正离子周围都形成一个负离子配位多面体；正负离子间的平衡距离取决于正负离子的半径之和；正离子配位数取决于正负离子半径之比。 正负离子之间形成怎样的多面体？,二. 离子化合物结合的几个规则（鲍林规则）,离子半径比、配位数与负离子多面体形状,2电价规则（鲍林第二规则）在一个稳定的离子晶体中，每个负离子的电价Z-等于或近似等于其相邻的正离子到该负离子的各静电键强度S的总和：,式中：Si为第i种正离子静电键强度，Z+为正离子的电价，CN为其配位数。（几个多面体相连
31、）,在一配位结构中，配位多面体共用棱，特别是共用面的存在，会降低这个结构的稳定性，特别是对高电价低配位的正离子，这个效应更显著。（多面体之间怎样连接最稳定）,3负离子多面体共用顶点，棱和面规则（鲍林第三规则）,四面体只能共顶，不能共棱、共面，八面体可共棱、共面。,4不同种类正离子配位多面体间连接规则（鲍林第四规则）在含有一种以上正离子的晶体中，电价大，配位数小的那些正离子之间，有尽量互不结合的趋势（有一种以上正离子时多面体之间怎样连接最稳定）。如硅酸盐晶体M2S，存在MgO6八面体，SiO4四面体，Si4+-Si4+斥力Mg2+-Mg2+，SiO4孤立存在，SiO4与 MgO6共顶，共棱相连，
32、结构才稳定。,5节约规则（鲍林第五规则）在同一晶体中，同种正离子与同种负离子的结合方式应最大限度地趋于一致（配位多面体类型趋于最少）。 适用范围：适用于结构简单的离子晶体，也适用于结构复杂的离子晶体及硅酸盐晶体。,小 结,第一规则：由r+/r-正离子的配位数 （四面体，八面体） 第二规则：由电中性配位多面体间连接方式（几个多面体相连） 第三规则：配位多面体间怎样连接最稳定。 第四规则：有几种正离子时，电价大，配位数小的正离子配位多面体，尽量互不连结。 第五规则：配位多面体类型趋于最少。,三. 典型离子晶体结构,1. AB型化合物结构 (1)CsCl晶体结构,第三规则 8个CsCl8共棱，共面相
33、连，实际CsCl8共面相连。,Cl-,Cs+,可见：CsCl晶体结构是Cl-作简单立方堆积，Cs+充填在全部立方体间隙中，CsCl属立方晶系，简单立方点阵，晶格常数a0=0.411nm，两套格子穿插而成，相差1/2单位。,每个晶胞中含有一个CsCl分子。,3)属于CsCl结构:CsBr，CsI。,2)结构特点,第三规则：八面体可共棱，共面连接，实际共棱相连。,（）NaCl型结构,2) 结构特点：Cl-作立方密堆，Na+占据所有八面体空隙，立方晶系，面心立方点阵，两套面心立方点阵穿插构成，每个晶胞含有4个NaCl分子。 3)属于NaCl结构二价金属氧化物MgO、CaO、SrO、BaO、CdO、M
34、nO、FeO、CoO、NiO，还有氮化物，碳化物等，氧化物中，O2-离子相当Cl-，占据Cl-位置。,2. AB2型化合物结构,1)把Ca2+作立方堆积，F-占据全部四面体 空隙。2)若F-作简单立方堆积，Ca2+只占据立方体空隙的一半。3)从空间格子观点看，两套F-面心立方格子与一套Ca2+面心立方格子穿插而成。4)晶胞内有4个CaF2分子。,2)结构特点,3)反萤石型结构一些碱金属氧化物Li2O、Na2O、K2O结构中的正、负离子分布刚好与CaF2相反，阳离子占据F-位置，O2-占据Ca2+位置。 4)属于CaF2型结构有:UO2、CeO2、HfO2、ThO2等，ZrO2可认为是扭曲了的C
35、aF2型结构。 5）萤石用途 钢铁工业，每熔炼一吨铁，需萤石69公斤，每生产一吨钢，需萤石29公斤, 萤石的主要作用是与其它的造渣材料，生成低熔点物质，即降低渣的熔点，提高渣的流动性,促进钢渣界面反应，脱S/P 。,（2）金红石（TiO2）型结构,2）结构特点 1)四方晶系，简单四方点阵，a=b=0.458nm， c=0.295nm。 2)O2-近似成六方最紧密堆积，Ti4+填充半数的八面体空隙中。 3)从空间格子观点看，则是四套O，两套Ti的四方原始格子互相穿插而成。 4)晶胞内有2个分子TiO2。,3）属于金红石型结构有：GeO2、SnO2、PbO2、MnO2、CoO2、MnF2、FeF2
36、、MgF2等。 4）性质及应用： TiO2具有较大的折射率，是制备高折射玻璃的原料。 TiO2具有较大的介电常数，在无线电陶瓷中占有重要地位（电容器瓷料）。 染料（白色）。 除金红石外，还有另外两种变体锐钛矿和板钛矿，结构有一定差别。,概念晶体，空间点阵，晶格，晶胞，配位数，致密度，合金，固溶体，置换固溶体，间隙固溶体，间隙相 晶面及晶向指数要求：已知图形，会求指数；已知指数，会画图形。,小 结,纯金属的晶体结构合金的相结构固溶体和金属化合物的特点？影响固溶体固溶度的因素？ 离子晶体结构（了解）,1.在单位立方晶胞中画出(112)和(110)晶面，并求出两晶面交线的晶向指数。 2.已知铜的原子半径为0.127nm，求其晶格常数和致密度各为多少？ 3.在立方晶胞中画出(221)， 晶面和221， 晶向。 4.影响固溶体固溶度的因素有哪些？ 5.固溶体和金属化合物的特点是什么？,思考题,
