1-3-1 金属的晶体结构.ppt
材料科学基础材料科学基础福州大学材料科学与工程学院福州大学材料科学与工程学院 刘旭俐刘旭俐College of Materials Science and Engineering,FZUFundament of Material Science11.3.1 1.3.1 金属晶体结构金属晶体结构金属晶体的结合键是金属键。金属晶体的结合键是金属键。金属键无饱和性和无方向性，使金属内部的金属键无饱和性和无方向性，使金属内部的原子趋于紧密排列，构成高度对称性的简单原子趋于紧密排列，构成高度对称性的简单晶体结构；晶体结构；亚金属晶体的主要结合键为共价键，共价键亚金属晶体的主要结合键为共价键，共价键有方向性，使其具有较复杂的晶体结构。有方向性，使其具有较复杂的晶体结构。2一、典型金属的晶体结构一、典型金属的晶体结构 最常见的金属晶体结构有三种：面心立方结最常见的金属晶体结构有三种：面心立方结构、体心立方结构和密排六方结构。构、体心立方结构和密排六方结构。本节主要讨论原子的排列方式、晶胞内原子本节主要讨论原子的排列方式、晶胞内原子数、点阵常数、原子半径、原子配位数、致密度数、点阵常数、原子半径、原子配位数、致密度和原子间隙大小。和原子间隙大小。下面分别加以讨论：下面分别加以讨论：31、原子排列方式、原子排列方式 单一质点的等大球体最紧密堆积，如纯金属晶体。单一质点的等大球体最紧密堆积，如纯金属晶体。几种质点的不等大球体的紧密堆积，如离子晶体。几种质点的不等大球体的紧密堆积，如离子晶体。1）球体的紧密堆积球体的紧密堆积4等大球体的最紧密排列平面有如等大球体的最紧密排列平面有如图的形式。在图的形式。在A球的周围有六个球的周围有六个球相邻接触，每三个球围成一个球相邻接触，每三个球围成一个空隙。其中一半是尖角向下的空隙。其中一半是尖角向下的B空隙，另一半是尖角向上的空隙，另一半是尖角向上的C空空隙，两种空隙相间分布。隙，两种空隙相间分布。A等大球体的最紧密堆积等大球体的最紧密堆积等大球体平面内的最紧密排列及空隙5第二层堆积的特征第二层堆积的特征：第二层的每个球均与第一层中的三个球体相邻接触，且第二层的每个球均与第一层中的三个球体相邻接触，且 要落在同一类三角形空隙的位置上，如要落在同一类三角形空隙的位置上，如B空隙位置或空隙位置或C空空 隙位置，但其结果并不引起本质的差别。隙位置，但其结果并不引起本质的差别。第二层上存在着两类不同的空隙，一类是连续穿透两层第二层上存在着两类不同的空隙，一类是连续穿透两层 的双层空隙，另一类是未穿透两层的单层空隙的双层空隙，另一类是未穿透两层的单层空隙。6有两种完全不同的堆积方式。有两种完全不同的堆积方式。a.a.堆积在单层空隙位置堆积在单层空隙位置从垂直图面的方向观察，第三层球的位置正好与第从垂直图面的方向观察，第三层球的位置正好与第一层相重复。如果继续堆第四层，其又与第二层重一层相重复。如果继续堆第四层，其又与第二层重复，第五层与第三层重复，如此继续下去，这种紧复，第五层与第三层重复，如此继续下去，这种紧密堆积方式用密堆积方式用ABABABABABAB的记号表示。的记号表示。第三层堆积的特征：第三层堆积的特征：7六方紧密堆积六方紧密堆积hcphcp (ABAB)ABAB)对应对应ABAB紧密堆积方式，其球体紧密堆积方式，其球体在空间的分布与空间格子中的六方格子在空间的分布与空间格子中的六方格子相同，其最相同，其最紧密排列层紧密排列层平行平行(0001)面面。8（B B）六方紧密堆积侧视图（A A）六方紧密堆积俯视图A9b.b.堆积在穿透一、二层的双层空隙位置堆积在穿透一、二层的双层空隙位置 此时第三层和第一、二层都不同。在叠置第四层此时第三层和第一、二层都不同。在叠置第四层时，才与第一层重复，第五层与第二层重复，第六层时，才与第一层重复，第五层与第二层重复，第六层与第三层重复，这种紧密堆积方式用与第三层重复，这种紧密堆积方式用ABCABCABCABC的记的记号表示。号表示。10立方紧密堆积立方紧密堆积fcpfcp (ABCABC)ABCABC)对应对应ABCABC紧密堆积方式，紧密堆积方式，其球体在空间的分布与空间格子中其球体在空间的分布与空间格子中的立方面心格子相同，其最的立方面心格子相同，其最紧密排紧密排列层列层平行平行(111)面面。11 （A A）立方紧密堆积俯视图（B B）立方紧密堆积侧视图B12 立方密堆积（111111）面最密排层13B.等大球体的其它堆积方式等大球体的其它堆积方式 等大球体等大球体还有还有其它堆积方式其它堆积方式，但，但不是最紧密堆积不是最紧密堆积，如体心立方堆积、简单立方堆积、简单六方堆积、如体心立方堆积、简单立方堆积、简单六方堆积、体心四方堆积、四面体堆积等。体心四方堆积、四面体堆积等。球体密堆积方式还可能有诸如球体密堆积方式还可能有诸如ABCBABCBABCBABCB等一系列等一系列 不同方式，但在晶体构造中出现很少。六方密堆积和不同方式，但在晶体构造中出现很少。六方密堆积和 立方密堆积是晶体构造中最常见的两种方式。立方密堆积是晶体构造中最常见的两种方式。14C.不等大球体的紧密堆积不等大球体的紧密堆积 对不等大球体堆积，可看成较大的球体作等大球体的对不等大球体堆积，可看成较大的球体作等大球体的 密堆积，而较小的球按其大小，充填在八面体或四面体密堆积，而较小的球按其大小，充填在八面体或四面体 空隙中，形成不等大球体的紧密堆积。空隙中，形成不等大球体的紧密堆积。这种堆积方式，在离子晶体构造中相当于半径较大的这种堆积方式，在离子晶体构造中相当于半径较大的 阴离子作密堆积，半径较小的阳离子充填于空隙中。阴离子作密堆积，半径较小的阳离子充填于空隙中。在实际晶体中，阳离子的大小不一定无间隙地充填在在实际晶体中，阳离子的大小不一定无间隙地充填在 空隙中，当阳离子的尺寸稍大于空隙，将会略微空隙中，当阳离子的尺寸稍大于空隙，将会略微“撑开撑开”阴离子堆积。当阳离子的尺寸较小，填充在阴离子空隙阴离子堆积。当阳离子的尺寸较小，填充在阴离子空隙 内有余量。这两种结果都将对晶体结构及性能产生影响。内有余量。这两种结果都将对晶体结构及性能产生影响。152、金属的三种典型结构、金属的三种典型结构 1)面心立方结构面心立方结构以以ABCABCABCABCABCABC的堆积方式，的堆积方式，从结构中可分析出从结构中可分析出面心立方面心立方晶胞。晶胞。具有这种结构的金属：具有这种结构的金属：AlAl、-Fe-Fe、NiNi、CuCu、Rh Rh、PtPt、AgAg和和AuAu。1617 2)密排六方结构密排六方结构属于六方紧密堆积，以属于六方紧密堆积，以ABABABABABAB的方式堆积，的方式堆积，从结构中可分析出从结构中可分析出六方六方晶胞。晶胞。具有这种结构的金属：具有这种结构的金属：BeBe、MgMg、ZnZn、CdCd、-Ti-Ti和和-Co-Co。18 3)体心立方结构体心立方结构属于体心立方紧密堆积，原子是以属于体心立方紧密堆积，原子是以体心立方体心立方空间空间点阵的形式排列，可分析出点阵的形式排列，可分析出体心立方体心立方晶胞。晶胞。具有这种结构的金属：具有这种结构的金属：V V、-Fe-Fe、NbNb、MoMo、Cr Cr和和W W。193、晶胞中的原子数、晶胞中的原子数 1)简单立方结构简单立方结构 (SC/Simple cubic)20 3)3)面心立方结构面心立方结构(fcc/Face-centered cubic)2)体心立方结构体心立方结构(bcc/Body-centered cubic)21 4)密排六方结构密排六方结构 (hcp/hexagonal Close-packed)224、点阵常数与原子半径、点阵常数与原子半径晶胞的大小一般是由晶胞的晶胞的大小一般是由晶胞的棱边长度棱边长度(a,b,c）即即点阵常数点阵常数（或称（或称晶格常数晶格常数）衡量，它是表征）衡量，它是表征晶体结构的一个重要基本参数。晶体结构的一个重要基本参数。点阵常数主要通过点阵常数主要通过X射线衍射射线衍射分析求得。分析求得。23RRa 1)简单立方结构简单立方结构(SC)24 2)体心立方结构体心立方结构(bcc)BCCRR2Ra25SCFCCRR2Ra 3)3)面心立方结构面心立方结构 (fcc)26HCPCC/2C/2aa 4)密排六方结构密排六方结构 (hcp)275、配位数和致密度、配位数和致密度配位数配位数(CN)是指晶体结构中任一原子周围是指晶体结构中任一原子周围 最近邻且等距离的最近邻且等距离的原子数原子数.致密度致密度(K)是指晶体结构中原子体积占总体积是指晶体结构中原子体积占总体积 的的百分数百分数.n为一个晶胞占有原子的数目为一个晶胞占有原子的数目.V0为一个晶胞的体积为一个晶胞的体积.28 1)简单立方结构简单立方结构(SC)CN=6 K =0.5329 2)体心立方结构体心立方结构(bcc)CN=8 K =0.6830 3)3)面心立方结构面心立方结构 (fcc)CN=12 K =0.7431 4)密排六方结构密排六方结构 (hcp)CN=12 或或(6+6)K =0.7432从前面可知：从前面可知：面心立方面心立方和和密排六方密排六方结构的致密度均为结构的致密度均为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。因为在面心立方和密排六方结构中，密排面上因为在面心立方和密排六方结构中，密排面上每个原子和最近邻的原子之间都是相切的；每个原子和最近邻的原子之间都是相切的；而在体心立方结构中，除位于体心的原子与位而在体心立方结构中，除位于体心的原子与位于顶角上的于顶角上的8 8个原子相切外，个原子相切外，8 8个顶角原子之间并不个顶角原子之间并不相切，故其致密度没有前者大。相切，故其致密度没有前者大。336、晶体结构中的间隙、晶体结构中的间隙 从晶体中原子排列的刚性模型和对致密度的分从晶体中原子排列的刚性模型和对致密度的分析可以看出，金属晶体存在许多间隙，这种间隙对析可以看出，金属晶体存在许多间隙，这种间隙对金属的性能、合金相结构和扩散、相变等都有重要金属的性能、合金相结构和扩散、相变等都有重要影响。影响。位于位于6 6个原子组成的八面体中间的间隙称个原子组成的八面体中间的间隙称八面体间隙八面体间隙；位于位于4 4个原子组成的四面体中间的间隙称个原子组成的四面体中间的间隙称四面体间隙四面体间隙。34等大球体密堆积中的两种空隙等大球体密堆积中的两种空隙 四面体空隙：四面体空隙：是上述未穿透两层的、由四个球体所围的是上述未穿透两层的、由四个球体所围的 空隙。四个球体中心之联线恰成一四面体形状。空隙。四个球体中心之联线恰成一四面体形状。八面体空隙：八面体空隙：是上述连续穿透两层的、由六个球体所围是上述连续穿透两层的、由六个球体所围 的空隙。六个球体中心之联线恰成一八面体形状。的空隙。六个球体中心之联线恰成一八面体形状。八面体空隙的空间大于四面体空隙的空间八面体空隙的空间大于四面体空隙的空间。球数和两种空隙数间的关系：球数和两种空隙数间的关系：按六方密堆中任一第二层球考虑，一、二层间有紧靠它按六方密堆中任一第二层球考虑，一、二层间有紧靠它的的3 3个八面体空隙和个八面体空隙和4 4个四面体空隙。二、三层间也有紧靠个四面体空隙。二、三层间也有紧靠它的它的3 3个八面体空隙和个八面体空隙和4 4个四面体空隙。即每一个球的周围个四面体空隙。即每一个球的周围共有共有6 6个八面体空隙和个八面体空隙和8 8个四面体空隙。个四面体空隙。属于一个球的八面体空隙为：属于一个球的八面体空隙为：61/6=1 61/6=1 个；个；四面体空隙为：四面体空隙为：81/4=2 81/4=2 个。个。推广结论：若有推广结论：若有n n个等大球体作最紧密堆积，将有个等大球体作最紧密堆积，将有n n个八面个八面体空隙和体空隙和2n2n个四面体空隙存在个四面体空隙存在。对立方紧密堆积，结论相同对立方紧密堆积，结论相同。35八面体间隙八面体间隙四面体间隙四面体间隙（三个相邻面心与顶角组成的四面体中心）（三个相邻面心与顶角组成的四面体中心）8 1)1)面心立方结构面心立方结构 (fcc)36四面体间隙大小四面体间隙大小Center of tetrahedron,o,oD=(3/4)DE 2RfccABCDoACBEDfcc372RRR2r38八面体间隙八面体间隙面心和棱中点面心和棱中点 2)2)体心立方结构体心立方结构 (bcc)39a/4abcc四面体间隙四面体间隙侧面中心线侧面中心线1/4和和3/4处处40a0/4a0/2bccrinRbcc四面体间隙大小四面体间隙大小41a0/4a0/2bccrinRbcc八面体间隙大小八面体间隙大小42八面体间隙八面体间隙 6 63)3)密排六方结构密排六方结构 (hcp)(hcp)43hcp四面体间隙四面体间隙棱和中心线的棱和中心线的1/41/4和和3/43/4处处44晶体结构晶体结构间隙类型间隙类型间隙数目间隙数目间隙大小间隙大小(rB/rA)面心立方面心立方四面体间隙四面体间隙八面体间隙八面体间隙840.2250.414体心立方体心立方四面体间隙四面体间隙八面体间隙八面体间隙1260.2910.1540.633密排六方密排六方四面体间隙四面体间隙八面体间隙八面体间隙1260.2250.414三种典型金属结构的间隙三种典型金属结构的间隙45作业作业4：1、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数和堆积系数。配位数和堆积系数。2、Ag和和Al都是面心立方结构，且原子半径相似，都是面心立方结构，且原子半径相似，r(Ag)=0.288nm，r(Al)=0.286nm，但都不能形成连续，但都不能形成连续 （无限）固溶体，为什么？（无限）固溶体，为什么？3、(1)叙述形成固溶体的影响因素叙述形成固溶体的影响因素;(2)形成连续固溶体的充分必要条件是什么形成连续固溶体的充分必要条件是什么?4、什么是金属间化合物？金属间化合物的结构类型和结构、什么是金属间化合物？金属间化合物的结构类型和结构 特点是什么？特点是什么？4647
