香花石晶体结构

香花石属于等轴晶系，T5-I213，a0=1.288 nm，Z=4。属架状硅酸盐矿物。香花石晶体结构的特 点如图H-26。结构中[SiO4]四面体和[BeO4]四面体共角顶呈三度空间骨架，每两个[SiO4]四面体和两个[BeO4]四面体交替以角顶连接组成4四面体环。每3个[SiO4]四面体和3个[BeO4]四面体交替连接组成6四面体环。4四面体环垂直于立方晶胞的二次螺旋轴，居于单位立方体面上。6四面体环垂直于立方晶胞的三次轴，环绕单位立方体诸角顶。6四面体环形成的中心空洞，延长方向平行于三次轴，为F原子所充填。紧靠F原子一侧的四面体空隙中充填着Li原子，其配位数为4(3O+1F)。4四面体环中心空洞为Ca原子所充填，其配位数为8(6O+2F)。

香花石的发现，是中国地质学史和国内矿物学史上的一个重要的里程碑。 其科研价值和收藏价值是行家们梦寐已求的矿物品种。而它黑白相间的基岩、流畅优美的蛇纹线条、白色方解石伴生紫红色萤石，及点缀在其中珠光宝气的晶体就具有很高的观赏性。尤其在光亮油黑的云母中，突出一颗颗亮白透明如珍珠般光泽的球形晶体。黑白分明的强烈反差格外炫丽夺目，宝气十足。如果在放大镜下观看，则更让人赏心悦目。一些肉眼看不太清的晶体，放大后有的犹如一颗颗钻石，镶嵌在白色方解石或黑色云母，中闪闪发亮。有的好似一堆堆珍珠分布在石中不同位置，五光十色，珠圆玉润。有的成片铺撒，有的成条如带。稍大的晶体可见棱角分明，呈现毕丽灵气，大晶体则可分辨出不同棱面。恰似花团锦簇，叫人美不胜收，心旷神怡。

由于近年来随着有色金属在国际市场价位不断走高，香花岭矿区个体非法采矿现象屡禁不止，所采取的破坏性开采使"国宝"香花石难逃厄运。

据统计，上世纪九十年代，香花岭不法矿点不足10家。目前成规模的不法矿点已增至数百家，其矿石采掘总量是当地国有矿企年产量的20倍以上。过去青山翠绿的香花岭，现在已是满目疮痍。 肉眼可见的晶体很难得到，香花石已经濒临绝迹。

郴州市地处湘南，南邻粤北，市内特殊的地质构造孕育着地下丰富的矿产资 源，"有色金属之乡"的美誉。

据资料记载，现已探明的矿种达96种，主要矿床237处。由于郴州得天独厚的地质条件和矿产资源，使之盛产各类矿物晶体和极具观赏价值的矿物石，部分矿种早已名扬四海。

三方晶系； -R c；菱面体晶胞：arh=0.637 nm,α=46°07′；Z=2；如果转换成六方(双重体心)格子，则：ah=0.499 nm,ch=1.706 nm;Z=6。  方解石型结构见矿物学第22章概述部分。

方解石的晶体结构可由NaCl结构导出。设想使NaCl的晶体结构沿一个三次轴方向压扁，把碳酸根离子和Ca离子分别置于变形NaCl结构的Cl离子和Na离子的位置上，并使平面三角状的碳酸根离子均垂直三次轴排列，即成为方解石的晶体结构（见图[方解石的晶体结构]）常见完好晶体。形态多种多样，不同聚形达600种以上。主要呈平行发育的柱状及平行{0001}

方解石

方解石 (3张)

发育的板状和各种状态的菱面体或复三方偏三角面体(图H-1)。方解石常依（0001）形成接触双晶，更常依（01 2）形成聚片双晶，这一聚片双晶纹在解理面上的方位与白云石不同(图H-2)，在自然界，这种聚片双晶的出现，可用以说明方解石形成后，曾遭受地质应力的作用。

无色或白色，有时被Fe、Mn、Cu等元素染成浅黄、浅红、紫、褐黑色。无色透明的方解石称为冰洲石(icespar)。解理{10 1}完全；在应力影响下，沿{01 2}聚片双晶方向滑移成裂开。硬度3。相对密度2.6～2.9。某些方解石具发旋旋光性。

方解石是地壳最重要的造岩矿石。英文名:calcite，属变岩，碳酸盐矿物，化学成分：CaCO3 ，三方晶系，三组完全解理，断口;玻璃光泽.完全透明至半透明，普通为白色或无色，因含有其它金属致色无素呈现出淡红，淡黄,淡茶，玫红,紫，多种颜色，条痕白色，硬度2.704--3.0，比重2.6～2.8，遇稀盐酸剧烈起泡，非常纯净完全透明的晶体俗称为冰洲石（Iceland Spar），具有强烈双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体。

根据原子在物质内部的排列方式，可将固态物质分为两大类:晶体，内部原子呈规则排列的物质。如固态金属;非晶体--内部原子无规则排列的物质。如松香、玻璃等。

金属的晶体结构:是指金属材料内部的原子的排列规律。它决定着材料的显微组织特性和材料的宏观性能。

金属键:金属原子间的结合键称为金属键。(带负电的自由电子与带正电的的金属正离子之间产生静电吸力，使金属原子结合在一起，这就是金属键结合的本质。金属特性:良好的导电性和导热性;强度高;具有塑性;

有固定熔点;各向异性。

金属键模型图，如图所示:

一、晶体结构的基本知识:

(一)基本概念

1、晶胞:晶格中能够代表晶格特征的最小几何单元。

2、晶格参数:晶体学中用来描述晶胞大小与形状的几何参数。包括晶胞的三个棱边长度a、b、c和三个棱边夹角α、β、γ。

3、晶格常数:决定晶胞大小的三个棱长a、b、c。

(二)金属中常见的晶格

1、体心立方晶格:晶格参数 a=b=c;α=β=γ

=90°;立方体八个角上各有一个原子，体心处有一个原子。每个晶胞中原子数为2=1/8×8+1。

属于体心立方晶格的常用金属:α铬、钨、钼、钒、α铁、β钛、铌等。

结构图如图所示:

2、面心立方晶格:晶格参数:a=b=c;α=β=γ=90°;晶胞的八个角上各有一个原子，立方体六个面的面心各有一个原子。每个晶胞中原子数为4=1/8×8+1/2×6

属于面心立方晶格的常用金属:γ铁、铝、铜、镍等。结构图如图所示:

3、密排六方晶格:晶格参数:a=b≠c;α=β=90°、γ=120°;每个晶胞中原子数为:6=1/6×12+1/2×2+3。

属于密排六方晶格的常用金属:镁、锌、铍、α钛、镉等。结构图如图所示:

(三)晶格的致密度

致密度=原子所占的总体积÷晶胞的体积

体心立方晶格的致密度=0.68，计算公式为:

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)晶面指数与晶向指数

晶面:晶体中由物质质点所组成的平面。

晶向:由物质质点所决定的直线。

每一组平行的晶面和晶向都可用一组数字来标定其位向。这组数字分别称为晶面指数和晶向指数。

晶面指数的确定:晶面与三个坐标轴截距的倒数取最小整数，用圆括号表示。如(111)、(112)。

晶向指数的确定:通过坐标原点直线上某一点的坐标，用方括号表示。

晶面族与晶向族

晶面族:晶面指数中各个数字相同但是符号不同或排列顺序不同的所有晶面。这些晶面上的原子排列规律相同，具有相同的原子密度和性质。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)晶体的各向异性

在晶体中，由于各个晶面和晶向上原子排列密度不同，使原子间的相互作用力也不相同。因此在同一单晶体内不同晶面和晶向上的性能也是不同的。这种现象称为晶体的各向异性。

晶体分单晶体和多晶体

单晶体:晶体内各处晶格位向一致的晶体。

多晶体:晶体内晶格位向不相同的晶体。

实际金属是多晶体

二、纯金属的实际晶体结构

(一)晶粒与亚晶粒

晶粒--金属晶体中，晶格位向基本一致，并有边界与邻区分开的区域。

晶界--晶粒之间原子排列不规则的区域。

实际金属晶粒大小除取决于金属种类外，主要取决于结晶条件和热处理工艺。

亚晶粒--晶粒内部晶格位向差小于2°、3°的更小的晶块。

亚晶界--亚晶粒间的过渡区。

(二)晶体中的晶体缺陷

晶体缺陷:是指晶体中原子排列不规则的区域。

根据晶体缺陷的几何特点和对原子排列不规则性的影响范围可分为三大类:

1、点缺陷;

2、线缺陷;

3、面缺陷。

1)点缺陷

以一个点为中心，在它周围造成原子排列不规则，产生晶格畸变和内应力的缺陷。点缺陷类型主要有三种:

(1)间隙原子

(2)晶格空位

(3)置换原子

在晶格的结点处出现原子直径不同的异类原子的晶体缺陷。置换原子示意图，如图所示:

☆间隙原子:在晶格的间隙处出现多余原子的晶体缺陷。

☆晶格空位:在晶格的结点处出现缺少原子的晶体缺陷。如图所示:

2)线缺陷

主要是指各种形式的位错。

位错:是指晶体中某一列或若干列原子发

生了有规律的错排现象。位错密度:单位体积内位错线的长度，(cm)，如图所示:

3)面缺陷

主要是指晶界和亚晶界。它是由于受到其两侧的不同晶格位向的晶粒或亚晶粒的影响而使原子呈不规则排列。

如图所示:

一、基本概念

合金系:是指具有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。如各种碳素钢。

相:是指在合金中，凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分隔开来的一个均匀区域。在一个相中可以有多个晶粒，但是一个晶粒中只能是同一个相。

合金中有两类基本的相结构，固溶体和金属化合物。

显微组织:是指在显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小和分布。它可以看作是由各个相组成的。

合金的显微组织可以看作是由各个相所组成的，这些相称为合金组织的相组成物;也可以看作是基本组织所组成的，这些基本组织称为合金组织的组织组成物。合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。

二、合金的相结构

合金的晶体结构:是指合金中各个相的晶体结构，简称相结构。

合金的相结构通常分为两大类:

(一)固溶体;

(二)金属化合物。

(一)固溶体

固溶体:合金结晶成固态时，溶质原子分布在溶剂晶格中形成的一种与溶剂有相同晶格的相。

固溶体与溶剂具有相同晶体结构。

固溶体的类型:1、间隙固溶体 ;2、置换固溶体。

1、间隙固溶体

间隙固溶体: 溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体。都是有限固溶体，也是无序固溶体。如图所示:

2、置换固溶体

置换固溶体:溶质原子代替溶剂原子占据着溶剂晶格结点位置而形成的固溶体。置换固溶体可以是有限固溶体也可以是无限固溶体。

如图所示:

有限固溶体:固溶体的溶解度是有限的。

无限固溶体:固溶体的溶解度是无限的。(组成固溶体的两种元素随比例不同可以互为溶质或 溶剂。)

形成无限固溶体的必要条件:是溶剂与溶质的晶体结构相同。

无序固溶体:溶质原子的分布是无序的。

有序固溶体:溶质原子的分布是有序的。

固溶体的有序化:无序固溶体向有序固溶体的转变过程。 硬度和脆性增加，塑性下降。

3、影响溶解度的主要因素

溶解度:溶质在固溶体中的极限浓度称为溶质在固溶体中的溶解度。

影响溶解度的主要因素:

1)温度

2)原子直径因素

3)晶体结构因素

4、固溶体的性能

固溶强化:溶入溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象。固溶强化是金属材料的一种重要的强化途径。

固溶体的性能:一般来说，固溶体是一个硬度不高、塑性较好的一个相。

(二)金属化合物(中间相)

在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除了形成固溶体外，还将出现新相。

这个新相可能是一种新的固溶体，也可能是一种化合物。如:Fe3C、FeS。

金属化合物:具有金属性质的化合物。(其晶体结构不同于任一组元)

(1)金属化合物的性能

金属化合物性能:一般都具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。

金属化合物若以细小的粒状均匀分布在固溶体相的基体上会使合金的强度、硬度进一步提高，这种现象称为第二相弥散强化。

在合金中，金属化合物的多少、形态、大小、分布等对合金的性能有不同的影响。

(2)金属化合物的种类

1、正常价化合物:这类化合物符合正常的原子价规律，成分固定并有严格分子式的金属化合物。

2、电子化合物:这类化合物不遵守原子价规律而服从电子浓度规律。其晶体结构主要取决于电子浓度。

3、间隙化合物:间隙化合物一般是由原子半径较大的过渡族金属元素和原子半径较小的非金属元素组成的化合物。(非金属元素有规则的嵌入金属元素晶格的间隙中)

a)当非金属原子直径与金属原子直径比值小于0.59时，形成简单晶格的间隙化合物，称间隙相.

b)当非金属原子直径与金属原子直径比值大于0.59时，则不能产生间隙相，而形成复杂结构的间隙化合物.

间隙相、复杂结构的间隙化合物、间隙固溶体的区别:

1、晶体结构:间隙固溶体的晶体结构与溶剂相同;而间隙相和复杂结构的间隙化合物的晶体结构不同于任一组元，间隙相具有简单的晶体结构。

2、性能:间隙固溶体硬度低、塑性好，通常作为基体使用;间隙相和复杂结构的间隙化合物都具有高熔点、高硬度。(尤其是间隙相)通常作为弥散强化相。