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第一章金属的晶体结构第1页，共71页，编辑于2022年，星期二1.1 金属1.1.1 金属原子的结构特点原子结构：核外电子的排列遵循能量最低原理！第2页，共71页，编辑于2022年，星期二1.1.2 1.1.2 结合键结合键第3页，共71页，编辑于2022年，星期二1、离子键 Na+:Cl Na+:Cl:（1）离子键的形成）离子键的形成 当电负性较小的活泼金属元素的原子与电负性较大的活泼非金属元素的原子当电负性较小的活泼金属元素的原子与电负性较大的活泼非金属元素的原子当电负性较小的活泼金属元素的原子与电负性较大的活泼非金属元素的原子当电负性较小的活泼金属元素的原子与电负性较大的活泼非金属元素的原子相互接近时，金属原子失去最外层电子形成带正电荷的阳离子；而非金属原子得相互接近时，金属原子失去最外层电子形成带正电荷的阳离子；而非金属原子得相互接近时，金属原子失去最外层电子形成带正电荷的阳离子；而非金属原子得相互接近时，金属原子失去最外层电子形成带正电荷的阳离子；而非金属原子得到电子形成带负电荷的阴离子。到电子形成带负电荷的阴离子。到电子形成带负电荷的阴离子。到电子形成带负电荷的阴离子。阳、阴离子之间除了静电相互吸引外，还存在电子与电子、原子核与原阳、阴离子之间除了静电相互吸引外，还存在电子与电子、原子核与原阳、阴离子之间除了静电相互吸引外，还存在电子与电子、原子核与原阳、阴离子之间除了静电相互吸引外，还存在电子与电子、原子核与原子核之间的相互排斥作用。当阳、阴离子接近到一定距离时，吸引作用和排子核之间的相互排斥作用。当阳、阴离子接近到一定距离时，吸引作用和排子核之间的相互排斥作用。当阳、阴离子接近到一定距离时，吸引作用和排子核之间的相互排斥作用。当阳、阴离子接近到一定距离时，吸引作用和排斥作用达到了平衡，系统的能量降到最低，阳、阴离子之间就形成了稳定的斥作用达到了平衡，系统的能量降到最低，阳、阴离子之间就形成了稳定的斥作用达到了平衡，系统的能量降到最低，阳、阴离子之间就形成了稳定的斥作用达到了平衡，系统的能量降到最低，阳、阴离子之间就形成了稳定的化学键。化学键。化学键。化学键。这种阳、阴离子间通过这种阳、阴离子间通过这种阳、阴离子间通过这种阳、阴离子间通过静电作用静电作用静电作用静电作用所形成的化学键称为所形成的化学键称为所形成的化学键称为所形成的化学键称为离子键离子键离子键离子键。第4页，共71页，编辑于2022年，星期二（2 2）离子键及其特点：）离子键及其特点：定义：正负离子间的静电吸引力叫做离子键。定义：正负离子间的静电吸引力叫做离子键。特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性且无方向性，无饱和性NaCl 晶体晶体第5页，共71页，编辑于2022年，星期二左图 NaCl离子晶体上图 离子键材料导电性u离子晶体的特点离子晶体的特点 u正负离子静电引力强，结合牢固，故离子晶体有较高熔点，固体下不导正负离子静电引力强，结合牢固，故离子晶体有较高熔点，固体下不导电（很难产生自由移动的电子），熔融时才导电。电（很难产生自由移动的电子），熔融时才导电。u离子间发生相对位移，电平衡破坏，离子键破坏，脆性材料。离子间发生相对位移，电平衡破坏，离子键破坏，脆性材料。u较高熔点（正、负离子间有很强的电的吸引力较高熔点（正、负离子间有很强的电的吸引力 ）第6页，共71页，编辑于2022年，星期二共价键共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子间通是由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。过共用电子对而形成的化学键。共价键的本质共价键的本质是由于原子相互接近时轨道重叠是由于原子相互接近时轨道重叠（即波函数叠加），原子间通过共用自旋相反（即波函数叠加），原子间通过共用自旋相反的电子对使能量降低而成键。的电子对使能量降低而成键。共价键的主要特点共价键的主要特点是具有饱和性和方向性，是具有饱和性和方向性，配位配位数较小。数较小。共价晶体特点是共价晶体特点是结构稳定结构稳定,熔点高熔点高,质硬脆质硬脆,一般一般是绝缘体是绝缘体,其导电性能差（共用电子对不能自由其导电性能差（共用电子对不能自由的运动）。的运动）。（1）共价键的本质和特点2、共价键第7页，共71页，编辑于2022年，星期二（2）共价键形成实例 金刚石是共价键结合的典型，下图表示了它的结合情况，金刚石是共价键结合的典型，下图表示了它的结合情况，碳的四个价电子分别与其周围的四个碳原于组成四个公用电子碳的四个价电子分别与其周围的四个碳原于组成四个公用电子时，达到八个电子的稳定结构。时，达到八个电子的稳定结构。此时各个电子对之间静电排斥，因而它们在空间以最此时各个电子对之间静电排斥，因而它们在空间以最大的角度互相分开，互成大的角度互相分开，互成109.5109.5，于是形成一个正四面，于是形成一个正四面体体(图图a)a)，碳原子分别处于四面体中心及四个顶角位置，碳原子分别处于四面体中心及四个顶角位置，正是依靠共价键将许多碳原子形成坚固的网络状大分子。正是依靠共价键将许多碳原子形成坚固的网络状大分子。共价结合时由于电子对之间的强烈排斥力，使共价键具有共价结合时由于电子对之间的强烈排斥力，使共价键具有明显的方向性明显的方向性(图图b)b)，这是其它键所不具备的，由于方向，这是其它键所不具备的，由于方向性、不允许改变原子向的相对位置，所以材料不具塑性且性、不允许改变原子向的相对位置，所以材料不具塑性且比较坚硬像金刚石就是世界上最坚硬的物质之一。比较坚硬像金刚石就是世界上最坚硬的物质之一。第8页，共71页，编辑于2022年，星期二图 金刚石的共价结合及其方向性ab第9页，共71页，编辑于2022年，星期二图 硅原子四个价键 和 硅的键角第10页，共71页，编辑于2022年，星期二 金属离子沉浸在自金属离子沉浸在自 由电子的海洋中由电子的海洋中+3、金属键 由金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。l特点：电子共有化，既无饱和性又无方特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构向性，形成低能量密堆结构 金属原子结合时，阳离子常在空间整齐的排列，而远离核的电子则在各正离子之间自由游荡，形成“电子的海洋”或“电子气”。第11页，共71页，编辑于2022年，星期二u金属键型晶体的特征金属键型晶体的特征u良好的延展性、塑性（良好的延展性、塑性（金属键没有方向性，正离子之间改变相对位置并不会破金属键没有方向性，正离子之间改变相对位置并不会破坏电子与正离子间的结合力坏电子与正离子间的结合力）u良好的导电性、导热性好（自由电子的存在）良好的导电性、导热性好（自由电子的存在）u具有正的电阻温度系数具有正的电阻温度系数u金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光的能量金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光的能量 ）第12页，共71页，编辑于2022年，星期二4、分子键原子耦合吸引原子耦合吸引原子耦合吸引原子耦合吸引 图图 范德瓦耳斯键力示意图范德瓦耳斯键力示意图 a)理论的电子云分布理论的电子云分布 b)原子偶极矩的产生原子偶极矩的产生 c)原子原子(或分子或分子)间的范德瓦耳斯键结合间的范德瓦耳斯键结合第13页，共71页，编辑于2022年，星期二图图分子键分子键特点：范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性。特点：范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性。比化学键的键能少比化学键的键能少1 12 2个数量级。个数量级。第14页，共71页，编辑于2022年，星期二5、氢键 氢键的本质与范德瓦耳斯键一样，也是靠原子氢键的本质与范德瓦耳斯键一样，也是靠原子氢键的本质与范德瓦耳斯键一样，也是靠原子氢键的本质与范德瓦耳斯键一样，也是靠原子(或分子、或分子、或分子、或分子、原子团原子团原子团原子团)的偶极吸引力结合起来的只是氢键中氢原子起了关的偶极吸引力结合起来的只是氢键中氢原子起了关的偶极吸引力结合起来的只是氢键中氢原子起了关的偶极吸引力结合起来的只是氢键中氢原子起了关键作用。它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径比较键作用。它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径比较键作用。它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径比较键作用。它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径比较小的原子相结合，通过氢原子在这两个电负性很强的原子（或小的原子相结合，通过氢原子在这两个电负性很强的原子（或小的原子相结合，通过氢原子在这两个电负性很强的原子（或小的原子相结合，通过氢原子在这两个电负性很强的原子（或原子团）之间形成原子团）之间形成原子团）之间形成原子团）之间形成“桥梁桥梁桥梁桥梁”，成为氢键。，成为氢键。，成为氢键。，成为氢键。氢键具有饱和性和方向性，键能位氢键具有饱和性和方向性，键能位于化学键和物理键之间。于化学键和物理键之间。第15页，共71页，编辑于2022年，星期二6、混合键 初看起来，上述各种键的形成条件完全不同，故对于某一具初看起来，上述各种键的形成条件完全不同，故对于某一具初看起来，上述各种键的形成条件完全不同，故对于某一具初看起来，上述各种键的形成条件完全不同，故对于某一具体材料而言，似乎只能满足其中的一种，只具有单一的结合键，体材料而言，似乎只能满足其中的一种，只具有单一的结合键，体材料而言，似乎只能满足其中的一种，只具有单一的结合键，体材料而言，似乎只能满足其中的一种，只具有单一的结合键，如金属应为金属键，如金属应为金属键，如金属应为金属键，如金属应为金属键，AAAA族元素应为共价键，电负性不同的元素应族元素应为共价键，电负性不同的元素应族元素应为共价键，电负性不同的元素应族元素应为共价键，电负性不同的元素应结合成离子键结合成离子键结合成离子键结合成离子键。然而，实际材料中单一结合键的情况并不是。然而，实际材料中单一结合键的情况并不是。然而，实际材料中单一结合键的情况并不是。然而，实际材料中单一结合键的情况并不是很多，前面讲的只是一些典型的例子，大部分材料的内部原子结很多，前面讲的只是一些典型的例子，大部分材料的内部原子结很多，前面讲的只是一些典型的例子，大部分材料的内部原子结很多，前面讲的只是一些典型的例子，大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混合。合键往往是各种键的混合。合键往往是各种键的混合。合键往往是各种键的混合。化合物中离子键的比例取决于组成元化合物中离子键的比例取决于组成元化合物中离子键的比例取决于组成元化合物中离子键的比例取决于组成元素的电负件差素的电负件差素的电负件差素的电负件差电负性相差越大则离子键比例越高。电负性相差越大则离子键比例越高。电负性相差越大则离子键比例越高。电负性相差越大则离子键比例越高。第16页，共71页，编辑于2022年，星期二类类 型型作用力来源作用力来源键合强弱键合强弱形成晶体的特点形成晶体的特点离子键离子键 原子得、失电子后形成负、原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库正离子，正负离子间的库仑引力仑引力 强强 无方向性键、高配位数、无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、高熔点、高强度、高硬度、固态不导电、熔态离子导固态不导电、熔态离子导电电 共价键共价键 相邻原子价电子各处于相相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间反的自旋状态，原子核间的库仑引力的库仑引力 最强最强 有方向性键、低配位数、有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、高熔点、高强度、高硬度、即使在熔态也不导电即使在熔态也不导电 金属键金属键 自由电子气与正离子实之自由电子气与正离子实之间的库仑引力间的库仑引力 较强较强 无方向性键、配位数高、无方向性键、配位数高、塑性较好、有光泽、好的塑性较好、有光泽、好的导热、导电性导热、导电性 分子键分子键 原子间瞬时电偶极矩的感原子间瞬时电偶极矩的感应作用应作用 最弱最弱 无方向性键、结构密堆、无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘高熔点、绝缘 第17页，共71页，编辑于2022年，星期二1.1.3 1.1.3 结合力与结合能结合力与结合能固体中原子是依据结合键力结合起来的。结合力是怎样产生固体中原子是依据结合键力结合起来的。结合力是怎样产生固体中原子是依据结合键力结合起来的。结合力是怎样产生固体中原子是依据结合键力结合起来的。结合力是怎样产生的呢的呢的呢的呢?下面以最简单的双原子模型来说明。下面以最简单的双原子模型来说明。下面以最简单的双原子模型来说明。下面以最简单的双原子模型来说明。不论是何种类型的结合键，固体原子间总存在两种力，不论是何种类型的结合键，固体原子间总存在两种力，不论是何种类型的结合键，固体原子间总存在两种力，不论是何种类型的结合键，固体原子间总存在两种力，一是吸引力，来源于异类电荷间的静电吸引；二是同种电荷一是吸引力，来源于异类电荷间的静电吸引；二是同种电荷一是吸引力，来源于异类电荷间的静电吸引；二是同种电荷一是吸引力，来源于异类电荷间的静电吸引；二是同种电荷之间的排斥力。之间的排斥力。之间的排斥力。之间的排斥力。第18页，共71页，编辑于2022年，星期二根据库伦定律，吸引力和排斥力均随原子根据库伦定律，吸引力和排斥力均随原子间距的增大而减小。但两者减小的情况不间距的增大而减小。但两者减小的情况不同，根据计算，排斥力更具有短程力的性同，根据计算，排斥力更具有短程力的性质，即当距离很远时，排斥力很小，只有质，即当距离很远时，排斥力很小，只有当原子间接近至电子轨道互相重叠时，排当原子间接近至电子轨道互相重叠时，排斥力才明显增大，并超过了吸引力斥力才明显增大，并超过了吸引力(图图1-1-8a)8a)在某距离下吸引力与排斥力相等，两原在某距离下吸引力与排斥力相等，两原子便稳定在此相对位置上，这一距离、相子便稳定在此相对位置上，这一距离、相当于原子的平衡距离，或称当于原子的平衡距离，或称原子间距原子间距。当原。当原子距离被外力拉开时，相互吸引力则力图使子距离被外力拉开时，相互吸引力则力图使它们缩回到平衡距离它们缩回到平衡距离r r0 0；反之，当原子受到；反之，当原子受到压缩时，排斥力又起作用，使之回到平衡压缩时，排斥力又起作用，使之回到平衡距离距离r r0 0 第19页，共71页，编辑于2022年，星期二 在作用力等于零的平衡距离下能量应该达到最低值，表明征该距离下在作用力等于零的平衡距离下能量应该达到最低值，表明征该距离下体系处于稳定状态。能量曲线可解释如下：当两个原子无限远时原子间不体系处于稳定状态。能量曲线可解释如下：当两个原子无限远时原子间不发生作用，作用能可视为零。当距离在吸引力作用下靠近时，体系的位能远发生作用，作用能可视为零。当距离在吸引力作用下靠近时，体系的位能远渐下降、到达平衡距离时，位能最低。当原子距离进一步接近，就必须克服渐下降、到达平衡距离时，位能最低。当原子距离进一步接近，就必须克服反向排斥力，使作用能重新升高。通常把平街距离下的作用能定义为原子的反向排斥力，使作用能重新升高。通常把平街距离下的作用能定义为原子的结合能结合能E E0 0。第20页，共71页，编辑于2022年，星期二1.2 金属的晶体结构1.2.1 晶体与非晶体晶体与非晶体u1.晶体的定义晶体的定义u物质的质点物质的质点(分子、原子或离子分子、原子或离子)在三维空间作有规律的周期在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体。性重复排列所形成的物质叫晶体。uu2.2.非晶体非晶体非晶体非晶体u非晶体在整体上是无序的非晶体在整体上是无序的 ；近程有序；近程有序 。图 材料中原子的排列第21页，共71页，编辑于2022年，星期二u3.晶体的特征晶体的特征u（1 1）周期性（不论沿晶体的哪个方向看去，总是相隔一定的距离就）周期性（不论沿晶体的哪个方向看去，总是相隔一定的距离就出现相同的原子或原子集团。这个距离称为周期出现相同的原子或原子集团。这个距离称为周期 ）液体和气体都是非）液体和气体都是非晶体。晶体。u（2 2）有固定的凝固点和熔点）有固定的凝固点和熔点u（3 3）各向异性（沿着晶体的不同方向所测得的性能通常是不同的）各向异性（沿着晶体的不同方向所测得的性能通常是不同的 ：晶体的导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强度、光学性质：晶体的导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强度、光学性质 ）。）。第22页，共71页，编辑于2022年，星期二u4.晶体与非晶体的区别晶体与非晶体的区别ua.a.根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列ub.b.晶体熔化时具有固定的熔点晶体熔化时具有固定的熔点,而非晶体无明显熔点而非晶体无明显熔点,只存在一个只存在一个软化温度范围软化温度范围uc.c.晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性（多晶体也呈各向同性，晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性（多晶体也呈各向同性，称称“伪各向同性伪各向同性”）u5.晶体与非晶体的相互转化晶体与非晶体的相互转化u玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃u通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶态通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶态u获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法 ）第23页，共71页，编辑于2022年，星期二1.2.2 空间点阵空间点阵u1.基本概念基本概念u（1 1）空间点阵：为了便于研究晶体中原子）空间点阵：为了便于研究晶体中原子(分子或离子分子或离子)的的排列情况，将晶体看成是无错排的理想晶体，忽略其物质性，排列情况，将晶体看成是无错排的理想晶体，忽略其物质性，抽象为规则排列于空间的无数抽象为规则排列于空间的无数几何点几何点。u这些点代表原子这些点代表原子(分子或离子分子或离子)的中心，也可是彼此等同的原子群或的中心，也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，各点的周围环境相同。这种点的空间排列称为分子群的中心，各点的周围环境相同。这种点的空间排列称为空间点空间点阵阵。u可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点有可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点有一群原子（原子集团）。一群原子（原子集团）。第24页，共71页，编辑于2022年，星期二u（2 2）晶胞）晶胞u从点阵中取出一个仍能保持点阵特征的最基本单元叫从点阵中取出一个仍能保持点阵特征的最基本单元叫晶胞晶胞。u在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的是小平行六面体在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的是小平行六面体 。u整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。u（3 3）晶格）晶格u将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫晶格晶格。第25页，共71页，编辑于2022年，星期二图 空间点阵第26页，共71页，编辑于2022年，星期二u2.描述晶胞的六参数描述晶胞的六参数u晶胞的尺寸和形状可用点阵参数来描述，它包括晶胞的各边长度和各边之间的夹晶胞的尺寸和形状可用点阵参数来描述，它包括晶胞的各边长度和各边之间的夹角。角。图 晶胞、晶轴和点阵参数第27页，共71页，编辑于2022年，星期二u3.七种晶系七种晶系第28页，共71页，编辑于2022年，星期二u4.十四种布拉菲点阵十四种布拉菲点阵 u按照按照“每个阵点的周围环境相同每个阵点的周围环境相同”的要求，最先是布拉菲（的要求，最先是布拉菲（A.A.BravaisBravais）用数学方法证明了只能有）用数学方法证明了只能有1414种空间点阵。通常人们所说的点种空间点阵。通常人们所说的点阵就是指布拉菲点阵。阵就是指布拉菲点阵。图 布拉菲点阵第29页，共71页，编辑于2022年，星期二晶系晶系布拉菲点阵布拉菲点阵晶系晶系布拉菲点布拉菲点阵阵三斜三斜TriclinicTriclinicabc abc，单斜单斜 Monoclinic Monoclinicabcabc，=90=90正交正交abcabc，=9090 简单三斜简单三斜简单单斜简单单斜底心单斜底心单斜简单正交简单正交底心正交底心正交体心正交体心正交面心正交面心正交六方六方 Hexagonal Hexagonala a1 1=a=a2 2a a3 3cc，=9090 ，=120=120菱方菱方 Rhombohedral Rhombohedrala=b=c,=90a=b=c,=90 四方（正方）四方（正方）TetragonalTetragonala=bc,=a=bc,=9090 立方立方 Cubic Cubica=b=ca=b=c，=9090 简单六方简单六方简单菱方简单菱方简单四方简单四方体心四方体心四方简单立方简单立方体心立方体心立方面心立方面心立方 七个晶系，14个布拉菲点阵第30页，共71页，编辑于2022年，星期二底心单斜简单三斜简单单斜第31页，共71页，编辑于2022年，星期二底心正交简单正交面心正交体心正交第32页，共71页，编辑于2022年，星期二简单菱方简单六方简单四方体心四方第33页，共71页，编辑于2022年，星期二简单立方体心立方面心立方第34页，共71页，编辑于2022年，星期二u提示：空间点阵虽然只可能有提示：空间点阵虽然只可能有14种，但晶体结构则是无限多种，但晶体结构则是无限多的。的。图 结构相似的不同点阵第35页，共71页，编辑于2022年，星期二1.2.3 典型金属的晶体结构典型金属的晶体结构u化学元素周期表中，金属元素占化学元素周期表中，金属元素占8080余种余种u常见的金属晶体结构有：常见的金属晶体结构有：u体心立方（体心立方（body-centered cubicbody-centered cubic，bccbcc）u面心立方（面心立方（face-centered cubicface-centered cubic，fccfcc）u密排六方（密排六方（hexagonal close-packedhexagonal close-packed，hcphcp）第36页，共71页，编辑于2022年，星期二u体心立方（体心立方（body-centered cubic，bcc）体心立方晶胞示意图体心立方晶胞示意图（a）刚球模型；（）刚球模型；（b）质点模型；（）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图）晶胞中原子数示意图 第37页，共71页，编辑于2022年，星期二u面心立方（面心立方（face-centered cubic，fcc）面心立方晶胞示意图面心立方晶胞示意图（a）刚球模型；（）刚球模型；（b）质点模型；（）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图）晶胞中原子数示意图 第38页，共71页，编辑于2022年，星期二u密排六方（密排六方（hexagonal close-packed，hcp）密排六方晶胞示意图密排六方晶胞示意图（a）刚球模型；（）刚球模型；（b）质点模型；（）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图）晶胞中原子数示意图 第39页，共71页，编辑于2022年，星期二体心立方体心立方面心立方面心立方密排六方密排六方u1.晶胞中原子数晶胞中原子数第40页，共71页，编辑于2022年，星期二体心立方体心立方 面心立方面心立方 密排六方密排六方u2.原子半径原子半径第41页，共71页，编辑于2022年，星期二u配位数和致密度定量地表示原子排列的紧密程度。配位数和致密度定量地表示原子排列的紧密程度。u配位数配位数（coordination numbercoordination number，CNCN）：晶体结构中任一原子周）：晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。围最近且等距离的原子数。u致密度致密度（K K）：晶胞中原子所占的体积分数，）：晶胞中原子所占的体积分数，u式中，式中，n n为晶胞原子数，为晶胞原子数，v v原子体积，原子体积，V V晶胞体积。晶胞体积。u3.配位数与致密度配位数与致密度第42页，共71页，编辑于2022年，星期二u体心立方配位数为体心立方配位数为8 8第43页，共71页，编辑于2022年，星期二u面心立方配位数为面心立方配位数为1212第44页，共71页，编辑于2022年，星期二u密排六方配位数为密排六方配位数为1212第45页，共71页，编辑于2022年，星期二典型金属的晶体结构体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格原子排列特征晶格常数abc，90 abc，90 a=bc，=1.633，=90，=120 原子半径r0.433ar=0.354ar=0.5a晶胞含原子数246配位数81212致密度0.680.740.74第46页，共71页，编辑于2022年，星期二u面心立方和密排六方结构的致密度均为面心立方和密排六方结构的致密度均为0.740.74，是纯金属中，是纯金属中最密集的结构最密集的结构u面心立方与密排六方虽然晶体结构不同，但配位数与致密度却面心立方与密排六方虽然晶体结构不同，但配位数与致密度却相同，为搞清其原因，必须研究晶体中原子的堆垛方式相同，为搞清其原因，必须研究晶体中原子的堆垛方式u面心立方与密排六方的最密排面原子排列情况完全相同，但堆垛方面心立方与密排六方的最密排面原子排列情况完全相同，但堆垛方式不一样式不一样u4.晶体中原子的堆垛方式晶体中原子的堆垛方式第47页，共71页，编辑于2022年，星期二第48页，共71页，编辑于2022年，星期二ABAABCA第49页，共71页，编辑于2022年，星期二图 面心立方晶格密排面的堆垛方式第50页，共71页，编辑于2022年，星期二图 密排六方晶格密排面的堆垛方式第51页，共71页，编辑于2022年，星期二u5.晶体结构中的间隙晶体结构中的间隙v四面体间隙的数目四面体间隙的数目v四面体间隙半径四面体间隙半径第52页，共71页，编辑于2022年，星期二v八面体间隙的数目八面体间隙的数目v八面体间隙半径八面体间隙半径第53页，共71页，编辑于2022年，星期二v四面体间隙的数目四面体间隙的数目v四面体间隙半径四面体间隙半径第54页，共71页，编辑于2022年，星期二v八面体间隙的数目八面体间隙的数目v八面体间隙半径八面体间隙半径第55页，共71页，编辑于2022年，星期二第56页，共71页，编辑于2022年，星期二几点说明几点说明:(1)fcc(1)fcc和和hcphcp都是密排结构，而都是密排结构，而bccbcc则是比较则是比较“开放开放”的结构，因的结构，因为它的为它的间隙较多间隙较多。因此，碳、氮、氢、氧、硼等原子半径较小。因此，碳、氮、氢、氧、硼等原子半径较小的元素（即间隙原子）在的元素（即间隙原子）在bccbcc金属中的金属中的扩散速率扩散速率往往比在往往比在fccfcc及及hcphcp金属中高得多。金属中高得多。(2)fcc(2)fcc和和hcphcp金属中的八面体间隙大于四面体间隙，故这些金属中的间金属中的八面体间隙大于四面体间隙，故这些金属中的间隙原子往往位于八面体间隙中。隙原子往往位于八面体间隙中。(3)fcc(3)fcc和和hcphcp中的八面体中的八面体间隙间隙远大于远大于bccbcc中的八面体或四面体间隙，中的八面体或四面体间隙，因而间隙原子在因而间隙原子在fccfcc和和hcphcp中的中的固溶度固溶度往往比在往往比在bccbcc中大得多。中大得多。第57页，共71页，编辑于2022年，星期二(4)(4)在在bccbcc晶体中，四面体间隙大于八面体间隙，因而间隙原子晶体中，四面体间隙大于八面体间隙，因而间隙原子应占据四面体间隙位置。但另一方面，由于应占据四面体间隙位置。但另一方面，由于bccbcc的八面体间隙的八面体间隙是不对称的，即使上述间隙原子占据八面体间隙位置，也只引是不对称的，即使上述间隙原子占据八面体间隙位置，也只引起距间隙中心较近的两个原子显著地偏离平衡位置。因此，在起距间隙中心较近的两个原子显著地偏离平衡位置。因此，在有些有些bccbcc金属中，间隙原子占据四面体间隙位置（如碳在钼中），在另金属中，间隙原子占据四面体间隙位置（如碳在钼中），在另一些一些bccbcc晶体中，间隙原子占据八面体间隙位置（如碳在晶体中，间隙原子占据八面体间隙位置（如碳在-铁中）。铁中）。(5)(5)fccfcc和和hcphcp晶体中的八面体间隙大小彼此相等，四面体间隙大晶体中的八面体间隙大小彼此相等，四面体间隙大小也相等，其原因在于这两种晶体的原子堆垛方式非常相像。小也相等，其原因在于这两种晶体的原子堆垛方式非常相像。第58页，共71页，编辑于2022年，星期二1.2.4 晶面指数和晶向指数晶面指数和晶向指数u1.晶向指数及其标定晶向指数及其标定u定义：在晶体中，任意两个原子之间连线所指的方向即为晶向。定义：在晶体中，任意两个原子之间连线所指的方向即为晶向。u标定：标定：1 1）确定坐标系确定坐标系2 2）过坐标原点，作直线与待求晶向平行；过坐标原点，作直线与待求晶向平行；3 3）在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（x x，y y，z z）4 4）将此值化成最小整数将此值化成最小整数u u，v v，w w并加以方括号并加以方括号u v wu v w即是。即是。（代表一组互相平行，方向一致的晶向）（代表一组互相平行，方向一致的晶向）第59页，共71页，编辑于2022年，星期二图 晶向指数的标定第60页，共71页，编辑于2022年，星期二u晶向指数的说明：晶向指数的说明：ua.a.指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。ub.b.负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。uc.c.晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向，用向，用表示。数字相同，但表示。数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。晶向属于同一晶向族。晶体结构中那些原子密度相同的等同晶体结构中那些原子密度相同的等同晶向称为晶向轴，用晶向称为晶向轴，用表示。表示。第61页，共71页，编辑于2022年，星期二u2.晶面指数及其标定晶面指数及其标定u定义：在晶体中，由一系列原子所组成的平面即为晶面。定义：在晶体中，由一系列原子所组成的平面即为晶面。u标定：标定：1 1）在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点o o，三棱边为三坐，三棱边为三坐标轴标轴x x，y y，z z2 2）以棱边长以棱边长a a为单位，量出待定晶面在三个坐标轴上的截距；为单位，量出待定晶面在三个坐标轴上的截距；3 3）取截距之倒数，并化为最小整数取截距之倒数，并化为最小整数h h，k k，l l并加以圆括号（并加以圆括号（h h k lk l）即是。）即是。第62页，共71页，编辑于2022年，星期二图 晶面指数的标定第63页，共71页，编辑于2022年，星期二u晶面指数的说明：晶面指数的说明：u晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶面晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶面 ua.a.指数意义：代表一组平行的晶面；指数意义：代表一组平行的晶面；ub.0b.0的意义：面与对应的轴平行；的意义：面与对应的轴平行；uc.c.平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反；平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反；ud.d.晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相同），晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相同），空间位向不同的各组晶面，用空间位向不同的各组晶面，用hklhkl表示。表示。ue.e.若晶面与晶向同面，则若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0;hu+kv+lw=0;uf.f.若晶面与晶向垂直，则若晶面与晶向垂直，则u=h,k=v,w=lu=h,k=v,w=l。第64页，共71页，编辑于2022年，星期二110 晶面族第65页，共71页，编辑于2022年，星期二1.如果存在底心正方点阵如果存在底心正方点阵,那么底心正方点阵可以连成一个晶胞体积更小的简单正方那么底心正方点阵可以连成一个晶胞体积更小的简单正方点阵。点阵。2.如图如图,由简单正方点阵可以构成一个底心正方点阵。显然由简单正方点阵可以构成一个底心正方点阵。显然,所构成的构所构成的构成一个底心正方点阵较原来的简单正方点阵的晶胞体积大成一个底心正方点阵较原来的简单正方点阵的晶胞体积大,这与晶胞的选这与晶胞的选取原则抵触取原则抵触,因此说因此说:不存在底心正方结构不存在底心正方结构(或者说底或者说底心正方结构等于心正方结构等于简单简单正方结正方结构构)。是否存在底心正方结构？是否存在底心正方结构？第66页，共71页，编辑于2022年，星期二底心正方点阵可以连成一个晶底心正方点阵可以连成一个晶胞体积更小的简单正方点阵胞体积更小的简单正方点阵.简单正方点阵可以构简单正方点阵可以构成一个底心正方点阵成一个底心正方点阵第67页，共71页，编辑于2022年，星期二晶面族h k l中的晶面数：a）h k l三个数不等，且都0，则此晶面族中有 b）h k l有两个数字相等 且都0，则有，如1 1 2c)h k l三个数相等，则有，d）h k l 有一个为0，应除以2，则有 有二个为0，应除以22，则有 思考：第68页，共71页，编辑于2022年，星期二1.2.5晶体的各向异性晶体的各向异性u由于不同晶向上的原子紧密程度不同所致。由于不同晶向上的原子紧密程度不同所致。u原子的紧密程度不同，意味着原子之间的距离不同，则导致原子间结合力不同，原子的紧密程度不同，意味着原子之间的距离不同，则导致原子间结合力不同，从而使晶体在不同晶向上的物理、化学和力学性能不同。从而使晶体在不同晶向上的物理、化学和力学性能不同。u在工业用的金属材料中，通常却见不到这种各向异性特征。在工业用的金属材料中，通常却见不到这种各向异性特征。u一般固态金属都是由很多结晶颗粒所组成，这些结晶颗粒称为晶粒。凡一般固态金属都是由很多结晶颗粒所组成，这些结晶颗粒称为晶粒。凡由两颗以上晶粒所组成的晶体称为多晶体。一般金属都是多晶体。由两颗以上晶粒所组成的晶体称为多晶体。一般金属都是多晶体。u由于多晶体中的晶粒位向是任意的，晶粒的各向异性被相互抵消，由于多晶体中的晶粒位向是任意的，晶粒的各向异性被相互抵消，因此，一般情况整个晶体不显示各向异性，称之为伪等同性。因此，一般情况整个晶体不显示各向异性，称之为伪等同性。第69页，共71页，编辑于2022年，星期二1.2.6多晶型性多晶型性u有些金属具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。有些金属具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。u当外部条件改变时，金属内部有一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称当外部条件改变时，金属内部有一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变。为多晶型转变或同素异构转变。第70页，共71页，编辑于2022年，星期二第71页，共71页，编辑于2022年，星期二