晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定方法發(fā)展歷程

三方晶系； -R c；菱面體晶胞：arh=0.637 nm,α=46°07′；Z=2；如果轉(zhuǎn)換成六方(雙重體心)格子，則：ah=0.499 nm,ch=1.706 nm;Z=6。? 方解石型結(jié)構(gòu)見礦物學(xué)第22章概述部分。

方解石的晶體結(jié)構(gòu)可由NaCl結(jié)構(gòu)導(dǎo)出。設(shè)想使NaCl的晶體結(jié)構(gòu)沿一個(gè)三次軸方向壓扁，把碳酸根離子和Ca離子分別置于變形NaCl結(jié)構(gòu)的Cl離子和Na離子的位置上，并使平面三角狀的碳酸根離子均垂直三次軸排列，即成為方解石的晶體結(jié)構(gòu)（見圖[方解石的晶體結(jié)構(gòu)]）常見完好晶體。形態(tài)多種多樣，不同聚形達(dá)600種以上。主要呈平行發(fā)育的柱狀及平行{0001}

方解石

方解石 (3張)

發(fā)育的板狀和各種狀態(tài)的菱面體或復(fù)三方偏三角面體(圖H-1)。方解石常依（0001）形成接觸雙晶，更常依（01 2）形成聚片雙晶，這一聚片雙晶紋在解理面上的方位與白云石不同(圖H-2)，在自然界，這種聚片雙晶的出現(xiàn)，可用以說明方解石形成后，曾遭受地質(zhì)應(yīng)力的作用。

無(wú)色或白色，有時(shí)被Fe、Mn、Cu等元素染成淺黃、淺紅、紫、褐黑色。無(wú)色透明的方解石稱為冰洲石(icespar)。解理{10 1}完全；在應(yīng)力影響下，沿{01 2}聚片雙晶方向滑移成裂開。硬度3。相對(duì)密度2.6～2.9。某些方解石具發(fā)旋旋光性。

方解石是地殼最重要的造巖礦石。英文名:calcite，屬變巖，碳酸鹽礦物，化學(xué)成分：CaCO3 ，三方晶系，三組完全解理，斷口;玻璃光澤.完全透明至半透明，普通為白色或無(wú)色，因含有其它金屬致色無(wú)素呈現(xiàn)出淡紅，淡黃,淡茶，玫紅,紫，多種顏色，條痕白色，硬度2.704--3.0，比重2.6～2.8，遇稀鹽酸劇烈起泡，非常純凈完全透明的晶體俗稱為冰洲石（Iceland Spar），具有強(qiáng)烈雙折射功能和最大的偏振光功能是人工不能制造也不能替代的自然晶體。

根據(jù)原子在物質(zhì)內(nèi)部的排列方式，可將固態(tài)物質(zhì)分為兩大類:晶體，內(nèi)部原子呈規(guī)則排列的物質(zhì)。如固態(tài)金屬;非晶體--內(nèi)部原子無(wú)規(guī)則排列的物質(zhì)。如松香、玻璃等。

金屬的晶體結(jié)構(gòu):是指金屬材料內(nèi)部的原子的排列規(guī)律。它決定著材料的顯微組織特性和材料的宏觀性能。

金屬鍵:金屬原子間的結(jié)合鍵稱為金屬鍵。(帶負(fù)電的自由電子與帶正電的的金屬正離子之間產(chǎn)生靜電吸力，使金屬原子結(jié)合在一起，這就是金屬鍵結(jié)合的本質(zhì)。金屬特性:良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性;強(qiáng)度高;具有塑性;

有固定熔點(diǎn);各向異性。

金屬鍵模型圖，如圖所示:

一、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識(shí):

(一)基本概念

1、晶胞:晶格中能夠代表晶格特征的最小幾何單元。

2、晶格參數(shù):晶體學(xué)中用來(lái)描述晶胞大小與形狀的幾何參數(shù)。包括晶胞的三個(gè)棱邊長(zhǎng)度a、b、c和三個(gè)棱邊夾角α、β、γ。

3、晶格常數(shù):決定晶胞大小的三個(gè)棱長(zhǎng)a、b、c。

(二)金屬中常見的晶格

1、體心立方晶格:晶格參數(shù) a=b=c;α=β=γ

=90°;立方體八個(gè)角上各有一個(gè)原子，體心處有一個(gè)原子。每個(gè)晶胞中原子數(shù)為2=1/8×8+1。

屬于體心立方晶格的常用金屬:α鉻、鎢、鉬、釩、α鐵、β鈦、鈮等。

結(jié)構(gòu)圖如圖所示:

2、面心立方晶格:晶格參數(shù):a=b=c;α=β=γ=90°;晶胞的八個(gè)角上各有一個(gè)原子，立方體六個(gè)面的面心各有一個(gè)原子。每個(gè)晶胞中原子數(shù)為4=1/8×8+1/2×6

屬于面心立方晶格的常用金屬:γ鐵、鋁、銅、鎳等。結(jié)構(gòu)圖如圖所示:

3、密排六方晶格:晶格參數(shù):a=b≠c;α=β=90°、γ=120°;每個(gè)晶胞中原子數(shù)為:6=1/6×12+1/2×2+3。

屬于密排六方晶格的常用金屬:鎂、鋅、鈹、α鈦、鎘等。結(jié)構(gòu)圖如圖所示:

(三)晶格的致密度

致密度=原子所占的總體積÷晶胞的體積

體心立方晶格的致密度=0.68，計(jì)算公式為:

面心立方晶格的致密度=0.74

密排六方晶格的致密度=0.74

(四)晶面指數(shù)與晶向指數(shù)

晶面:晶體中由物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)所組成的平面。

晶向:由物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)所決定的直線。

每一組平行的晶面和晶向都可用一組數(shù)字來(lái)標(biāo)定其位向。這組數(shù)字分別稱為晶面指數(shù)和晶向指數(shù)。

晶面指數(shù)的確定:晶面與三個(gè)坐標(biāo)軸截距的倒數(shù)取最小整數(shù)，用圓括號(hào)表示。如(111)、(112)。

晶向指數(shù)的確定:通過坐標(biāo)原點(diǎn)直線上某一點(diǎn)的坐標(biāo)，用方括號(hào)表示。

晶面族與晶向族

晶面族:晶面指數(shù)中各個(gè)數(shù)字相同但是符號(hào)不同或排列順序不同的所有晶面。這些晶面上的原子排列規(guī)律相同，具有相同的原子密度和性質(zhì)。如{110}=(110)+(101)+(011)+(101)+(110)+(011)

晶向族:原子排列密度完全相同的晶向。如<111>=[111]+[111]+[111]+[111]

(五)晶體的各向異性

在晶體中，由于各個(gè)晶面和晶向上原子排列密度不同，使原子間的相互作用力也不相同。因此在同一單晶體內(nèi)不同晶面和晶向上的性能也是不同的。這種現(xiàn)象稱為晶體的各向異性。

晶體分單晶體和多晶體

單晶體:晶體內(nèi)各處晶格位向一致的晶體。

多晶體:晶體內(nèi)晶格位向不相同的晶體。

實(shí)際金屬是多晶體

二、純金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)

(一)晶粒與亞晶粒

晶粒--金屬晶體中，晶格位向基本一致，并有邊界與鄰區(qū)分開的區(qū)域。

晶界--晶粒之間原子排列不規(guī)則的區(qū)域。

實(shí)際金屬晶粒大小除取決于金屬種類外，主要取決于結(jié)晶條件和熱處理工藝。

亞晶粒--晶粒內(nèi)部晶格位向差小于2°、3°的更小的晶塊。

亞晶界--亞晶粒間的過渡區(qū)。

(二)晶體中的晶體缺陷

晶體缺陷:是指晶體中原子排列不規(guī)則的區(qū)域。

根據(jù)晶體缺陷的幾何特點(diǎn)和對(duì)原子排列不規(guī)則性的影響范圍可分為三大類:

1、點(diǎn)缺陷;

2、線缺陷;

3、面缺陷。

1)點(diǎn)缺陷

以一個(gè)點(diǎn)為中心，在它周圍造成原子排列不規(guī)則，產(chǎn)生晶格畸變和內(nèi)應(yīng)力的缺陷。點(diǎn)缺陷類型主要有三種:

(1)間隙原子

(2)晶格空位

(3)置換原子

在晶格的結(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)原子直徑不同的異類原子的晶體缺陷。置換原子示意圖，如圖所示:

☆間隙原子:在晶格的間隙處出現(xiàn)多余原子的晶體缺陷。

☆晶格空位:在晶格的結(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)缺少原子的晶體缺陷。如圖所示:

2)線缺陷

主要是指各種形式的位錯(cuò)。

位錯(cuò):是指晶體中某一列或若干列原子發(fā)

生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。位錯(cuò)密度:單位體積內(nèi)位錯(cuò)線的長(zhǎng)度，(cm)，如圖所示:

3)面缺陷

主要是指晶界和亞晶界。它是由于受到其兩側(cè)的不同晶格位向的晶?；騺喚Я５挠绊懚乖映什灰?guī)則排列。

如圖所示:

一、基本概念

合金系:是指具有相同組元，而成分比例不同的一系列合金。如各種碳素鋼。

相:是指在合金中，凡是化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其它部分分隔開來(lái)的一個(gè)均勻區(qū)域。在一個(gè)相中可以有多個(gè)晶粒，但是一個(gè)晶粒中只能是同一個(gè)相。

合金中有兩類基本的相結(jié)構(gòu)，固溶體和金屬化合物。

顯微組織:是指在顯微鏡下看到的相和晶粒的形態(tài)、大小和分布。它可以看作是由各個(gè)相組成的。

合金的顯微組織可以看作是由各個(gè)相所組成的，這些相稱為合金組織的相組成物;也可以看作是基本組織所組成的，這些基本組織稱為合金組織的組織組成物。合金的力學(xué)性能不僅取決于它的化學(xué)成分，更取決于它的顯微組織。

二、合金的相結(jié)構(gòu)

合金的晶體結(jié)構(gòu):是指合金中各個(gè)相的晶體結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱相結(jié)構(gòu)。

合金的相結(jié)構(gòu)通常分為兩大類:

(一)固溶體;

(二)金屬化合物。

(一)固溶體

固溶體:合金結(jié)晶成固態(tài)時(shí)，溶質(zhì)原子分布在溶劑晶格中形成的一種與溶劑有相同晶格的相。

固溶體與溶劑具有相同晶體結(jié)構(gòu)。

固溶體的類型:1、間隙固溶體 ;2、置換固溶體。

1、間隙固溶體

間隙固溶體: 溶質(zhì)原子分布于溶劑的晶格間隙中所形成的固溶體。都是有限固溶體，也是無(wú)序固溶體。如圖所示:

2、置換固溶體

置換固溶體:溶質(zhì)原子代替溶劑原子占據(jù)著溶劑晶格結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體。置換固溶體可以是有限固溶體也可以是無(wú)限固溶體。

如圖所示:

有限固溶體:固溶體的溶解度是有限的。

無(wú)限固溶體:固溶體的溶解度是無(wú)限的。(組成固溶體的兩種元素隨比例不同可以互為溶質(zhì)或 溶劑。)

形成無(wú)限固溶體的必要條件:是溶劑與溶質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)相同。

無(wú)序固溶體:溶質(zhì)原子的分布是無(wú)序的。

有序固溶體:溶質(zhì)原子的分布是有序的。

固溶體的有序化:無(wú)序固溶體向有序固溶體的轉(zhuǎn)變過程。 硬度和脆性增加，塑性下降。

3、影響溶解度的主要因素

溶解度:溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度稱為溶質(zhì)在固溶體中的溶解度。

影響溶解度的主要因素:

1)溫度

2)原子直徑因素

3)晶體結(jié)構(gòu)因素

4、固溶體的性能

固溶強(qiáng)化:溶入溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象。固溶強(qiáng)化是金屬材料的一種重要的強(qiáng)化途徑。

固溶體的性能:一般來(lái)說，固溶體是一個(gè)硬度不高、塑性較好的一個(gè)相。

(二)金屬化合物(中間相)

在合金中，當(dāng)溶質(zhì)含量超過固溶體的溶解度時(shí)，除了形成固溶體外，還將出現(xiàn)新相。

這個(gè)新相可能是一種新的固溶體，也可能是一種化合物。如:Fe3C、FeS。

金屬化合物:具有金屬性質(zhì)的化合物。(其晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元)

(1)金屬化合物的性能

金屬化合物性能:一般都具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而脆。

金屬化合物若以細(xì)小的粒狀均勻分布在固溶體相的基體上會(huì)使合金的強(qiáng)度、硬度進(jìn)一步提高，這種現(xiàn)象稱為第二相彌散強(qiáng)化。

在合金中，金屬化合物的多少、形態(tài)、大小、分布等對(duì)合金的性能有不同的影響。

(2)金屬化合物的種類

1、正常價(jià)化合物:這類化合物符合正常的原子價(jià)規(guī)律，成分固定并有嚴(yán)格分子式的金屬化合物。

2、電子化合物:這類化合物不遵守原子價(jià)規(guī)律而服從電子濃度規(guī)律。其晶體結(jié)構(gòu)主要取決于電子濃度。

3、間隙化合物:間隙化合物一般是由原子半徑較大的過渡族金屬元素和原子半徑較小的非金屬元素組成的化合物。(非金屬元素有規(guī)則的嵌入金屬元素晶格的間隙中)

a)當(dāng)非金屬原子直徑與金屬原子直徑比值小于0.59時(shí)，形成簡(jiǎn)單晶格的間隙化合物，稱間隙相.

b)當(dāng)非金屬原子直徑與金屬原子直徑比值大于0.59時(shí)，則不能產(chǎn)生間隙相，而形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物.

間隙相、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物、間隙固溶體的區(qū)別:

1、晶體結(jié)構(gòu):間隙固溶體的晶體結(jié)構(gòu)與溶劑相同;而間隙相和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元，間隙相具有簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)。

2、性能:間隙固溶體硬度低、塑性好，通常作為基體使用;間隙相和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物都具有高熔點(diǎn)、高硬度。(尤其是間隙相)通常作為彌散強(qiáng)化相。