金属与合金的晶体结构精选文档.ppt

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1、金属与合金的晶体结构2022/9/21金属学与热处理原理1本讲稿第一页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理2第一章：金属的晶体结构第一章：金属的晶体结构n11 金属原子间的结合金属原子间的结合n12 金属的晶体结构金属的晶体结构 n13 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构本讲稿第二页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理311 金属原子间的结合金属原子间的结合一、金属的一般特性和金属键一、金属的一般特性和金属键1、特性特性结构特点：原子结构，核外电子数，最外层电子数，次外层电子数结构特点：原子结构，核外电子数，最外层电子数，次外层电子数性性能能特特点点：良良好好的的导导电电

2、性性、导导热热性性、塑塑性性（延延展展性性），具具有有金金属属光光泽泽，不不透透明明，正正的的电电阻温度系数。阻温度系数。2、原因原因这主要是与金属原子内部的自身结构和原子间的结合方式有关这主要是与金属原子内部的自身结构和原子间的结合方式有关。本讲稿第三页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理4二、二、金属键金属键电子云电子云当大量金属原子结合在一起，构成金属晶体时，金属原子失当大量金属原子结合在一起，构成金属晶体时，金属原子失去外层电子变成正离子；失去的外层电子成为自由电子，为去外层电子变成正离子；失去的外层电子成为自由电子，为整个金属所共有，构成电子云，金属正离子在其平衡位置作整个

3、金属所共有，构成电子云，金属正离子在其平衡位置作高频率的热振动；金属离子和自由电子之间的引力与离子间高频率的热振动；金属离子和自由电子之间的引力与离子间和电子间的斥力相平衡，从而构成稳定的金属晶体。这种结和电子间的斥力相平衡，从而构成稳定的金属晶体。这种结合方式称之为金属键。合方式称之为金属键。本讲稿第四页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理5 金属离子与自由电子之间存在着较强的作用力金属键e-+e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-本讲稿第五页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理6金属特性的金属键理论解释金属特性的金属键理论解释(1)自自由由电电子子在在电电场场的的

4、作作用用下下定定向向运运动动形形成成电电流流，从从而而显显示示出出良良好好的导电性。的导电性。(2)随随着着温温度度升升高高，正正离离子子振振动动的的振振幅幅要要加加大大，对对自自由由电电子子通通过过的的阻阻碍碍作作用用也也加加大大，因因而而，金金属属的的电电阻阻是是随随温温度度的的升升高高而而增增加加的的，即即具具有有正的电阻温度系数。正的电阻温度系数。(3)自自由由电电子子的的运运动动和和正正离离子子的的振振动动可可以以传传递递热热能能，因因而而使使金金属属具具有有较好的导热性。较好的导热性。本讲稿第六页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理7当当金金属属发发生生塑塑性性变变形形后

5、后，正正离离子子与与自自由由离离子子间间所所能能保持金属键的结合，使金属显示出良好的塑性。保持金属键的结合，使金属显示出良好的塑性。自自由由电电子子能能吸吸收收可可见见光光的的能能量量，故故金金属属具具有有不不透透明明性性。吸吸收收能能量量后后跳跳到到较较高高能能级级的的电电子子，当当它它重重新新跳跳回回到到原原来来低低能能级级时时，就就把把所所吸吸收收的的可可见见光光的的能能量量以以电电磁磁波波的的形形式式辐辐射射出出来来，在在宏宏观观上上就就表表示示为金属的光泽。为金属的光泽。本讲稿第七页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理8三、结合力与结合能三、结合力与结合能上一级排斥力排斥力

6、吸引力吸引力结结合合力力结结合合能能排斥能排斥能吸引能吸引能ABEABBA00dcd0原子间距原子间距d原子间距原子间距d本讲稿第八页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理9一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体区别：规则排列与非规则排列区别：规则排列与非规则排列内部质点按一定的几何规律呈周期性规则排列的物质称为晶体。内部质点按一定的几何规律呈周期性规则排列的物质称为晶体。晶晶体体有有固固定定的的熔熔点点（如如铁铁为为1538，铜铜为为1083，铝铝为为660）；一一般般具具有有规规则则的的外外形形；在在不不同同的的方方向向上上具具有有不不同同的的性性能能，即即表表现现出晶体的各向异性。出晶

7、体的各向异性。晶体分类和材料的结晶倾向性：晶体分类和材料的结晶倾向性：金属键金属键金属晶体金属晶体 共价键共价键原子晶体原子晶体 离子键离子键离子晶体离子晶体 范德华力范德华力分子晶体分子晶体12 金属的晶体结构金属的晶体结构上一级晶体与非晶体在一晶体与非晶体在一定条件下可互相定条件下可互相转化。转化。本讲稿第九页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理10二、晶体结构与空间点阵二、晶体结构与空间点阵原子堆垛模型：真实、立体感强原子堆垛模型：真实、立体感强空间点阵：原子用节点表示，用空间网空间点阵：原子用节点表示，用空间网格表示原子间的关系，形成周期性排列格表示原子间的关系，形成周期性排

8、列的空间几何图形的空间几何图形晶格晶格晶胞：从晶格中取出一个可以代表原子晶胞：从晶格中取出一个可以代表原子空间排列情况的最小几何结构单元。空间排列情况的最小几何结构单元。晶格常数：晶格常数：a，b，c；、本讲稿第十页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理11晶胞选取应满足下列条件晶胞选取应满足下列条件 ：(1)(1)晶胞几何形状充分反映点阵对称性；晶胞几何形状充分反映点阵对称性；(2)(2)平行六面体内相等的棱和角数目最多；平行六面体内相等的棱和角数目最多；(3)(3)当棱间呈直角时，直角数目应最多；当棱间呈直角时，直角数目应最多；(4)(4)满足上述条件，晶胞体积应最小。满足上述条件

9、，晶胞体积应最小。本讲稿第十一页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理1214种点阵分属7个晶系。典型晶体结构典型晶体结构本讲稿第十二页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理13上一级1、体心立方晶格、体心立方晶格(图图)（BCC Body-Centered Cube）a=b=c =90 晶胞中实际原子数为晶胞中实际原子数为:具有体心立方晶格的金属有：具有体心立方晶格的金属有：-Fe、Cr、W、Mo、V等。等。三、三种典型的金属三、三种典型的金属晶体结构晶体结构体心立方体心立方BCC（A2型）型）本讲稿第十三页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理142、面心立方晶格面

10、心立方晶格(图图)（FCC Face-Centered Cube）a=b=c =90晶胞中原子数为：晶胞中原子数为：具有面心立方晶格的金属有：具有面心立方晶格的金属有：-Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pb、Ni等。等。上一级面心立方面心立方FCC（A1型）型）本讲稿第十四页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理153、密排六方晶格密排六方晶格(图图)a=b c =90=120 密排六方晶格中原子数为：密排六方晶格中原子数为：具有密排六方晶格的金属有：具有密排六方晶格的金属有：Mg、Zn、Be、Cd、Zr等。等。上一级（c）密排六方）密排六方HCP（A3型）型）（HCP Hexagona

11、l Close-Packed）本讲稿第十五页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理16a、晶体结构的致密度、晶体结构的致密度致密度：是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。致密度：是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。体心立方的致密度体心立方的致密度 上一级本讲稿第十六页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理17面心立方与密排六方的致密度面心立方与密排六方的致密度 计算同体心立方，但数值均为计算同体心立方，但数值均为0.74。致密度数值越大，则原子排列越紧密。致密度数值越大，则原子排列越紧密。为何面心立方和密排六方的致密度一样？为何面心立方和密排六方的致密度一样？均为密排特征

12、！均为密排特征！上一级本讲稿第十七页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理18b、配位数的概念、配位数的概念配位数是指晶体结构中，与任一原于最近邻并且等配位数是指晶体结构中，与任一原于最近邻并且等距离的原子数。距离的原子数。体心立方：体心立方：8；面心立方：；面心立方：12；密排六方：；密排六方：12配位数的多少也可以反映原子排列的紧密程度。配位数的多少也可以反映原子排列的紧密程度。上一级本讲稿第十八页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理193、晶体中原子的堆垛方式和间隙、晶体中原子的堆垛方式和间隙（1）原子堆垛方式）原子堆垛方式上一级ABCBCCBBCACAACCA本讲稿第

13、十九页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理20AA（2）面向立方与密排六方比较）面向立方与密排六方比较上一级BBAC本讲稿第二十页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理21（3）体心立方）体心立方上一级AB本讲稿第二十一页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理22(4)间隙：间隙：间隙半径（间隙半径（rB）：间隙中所能容纳的）：间隙中所能容纳的最大圆球半径。最大圆球半径。本讲稿第二十二页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理23本讲稿第二十三页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理24三种晶体基本参数归纳三种晶体基本参数归纳晶格晶格类型类型原子半径原子

14、半径rA原子原子数数配位配位数数致密致密度度K堆垛方堆垛方式式间隙结间隙结构构半径半径rBrB/rA体心体心立方立方280.68ABAB非密排非密排四四12八八60.126a0.067a0.290.15面心面心立方立方4120.74ABCABC四四8八八40.08a0.146a0.2260.414密排密排六方六方6120.74ABABAB四四12八八60.113a0.207a0.2260.414 本讲稿第二十四页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理25四、晶面与晶向四、晶面与晶向晶面：晶面：通过空间点阵，由一系列原子所通过空间点阵，由一系列原子所构成的平面称为晶面。通过晶体中原子构成

15、的平面称为晶面。通过晶体中原子中心的平面称晶面。中心的平面称晶面。晶向：通过晶体中原子中心的直线为原晶向：通过晶体中原子中心的直线为原子列，其所代表的方向叫晶向。子列，其所代表的方向叫晶向。任意两任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。个原子之间连线所指的方向称为晶向。上一级本讲稿第二十五页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理26不同的不同的晶面晶面和和晶向晶向上原子排列的疏密程度不同，原上原子排列的疏密程度不同，原子间相互作用也就不同，因而不同晶面和晶向就子间相互作用也就不同，因而不同晶面和晶向就显示不同的显示不同的力学性能和理化性能力学性能和理化性能。面密度，线密度面密度，线密度

16、表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的位向称为晶面指数和晶向指数。的位向称为晶面指数和晶向指数。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。上一级本讲稿第二十六页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理271、晶向指数求法晶向指数求法设坐标设坐标 x，y，z引圆点（引圆点（OA）求坐标（求坐标（x，y，z）化整数化整数列括号列括号u v w 上一级立方晶系的晶向和晶面指数本讲稿第二十七页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理282、晶面指数求法晶面指数求法 设坐标设坐标x，y，z,避圆点；避圆点；求截距求截距

17、(x，y，z)；取倒数；取倒数；化整数；化整数；列括号列括号(h k l)。h k l上一级本讲稿第二十八页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理29XYZ举例：举例：立方晶系的晶面表示方法立方晶系的晶面表示方法(111),(001),(010),(100),(110),等等 晶面族晶面族：原子排列完全相同但在空间位向不同。原子排列完全相同但在空间位向不同。如：如：111、100、110等等 立方晶系的晶向表示方法立方晶系的晶向表示方法101、011、111、110、100等。等。晶向族晶向族：原子排列完全相同但在空间位向不同。原子排列完全相同但在空间位向不同。如如：.(111)-(1

18、11)(010)(001)(100)(110)XYZ111100110011101本讲稿第二十九页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理30晶面指数说明：a a 指数意义：指数意义：代表一组平行的晶面；代表一组平行的晶面；b 0b 0的意义：的意义：面与对应的轴平行；面与对应的轴平行；c c 平平行行晶晶面面：指指数数相相同同，或或数数字字相相同同但但正正负负号号相反；相反；d d 晶晶面面族族：晶晶体体中中具具有有相相同同条条件件（原原子子排排列列和和晶晶面面间间距距完完全全相相同同），空空间间位位向向不不同同的的各各组组晶晶面。用面。用hklhkl表示。表示。e e 若晶面与晶向同

19、面，若晶面与晶向同面，则则hu+kv+lw=0;hu+kv+lw=0;f f 若晶面与晶向垂直，若晶面与晶向垂直，则则u=h,k=v,w=lu=h,k=v,w=l。本讲稿第三十页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理313 3、六方系晶向指数和晶面指数、六方系晶向指数和晶面指数a a、六方系指数标定的特殊性：、六方系指数标定的特殊性：四轴坐标系（三个参数时，等价指数不具有等价晶面）。四轴坐标系（三个参数时，等价指数不具有等价晶面）。b b、晶面指数的标定：、晶面指数的标定：标法与立方系相同标法与立方系相同(四个截距四个截距)；用四个数字用四个数字(hkil)(hkil)表示；表示；i=

20、-(h+k)i=-(h+k)。c c、晶向指数的标定、晶向指数的标定标法与立方系相同标法与立方系相同(四个坐标四个坐标)；用四个数字用四个数字(uvtw)(uvtw)表示；表示；t=-(u+v)t=-(u+v)。依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。坐标换算法：坐标换算法：UVWuvtwUVWuvtw u=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(U+V)/3,w=W u=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(U+V)/3,w=W。本讲稿第三十一页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理32晶向指数标定：从圆点出发，选择可涉及

21、a3的路径，逐次沿着各坐标移动，最终到达标定方向上的节点上。注意移动时，满足t=-(u+v)。本讲稿第三十二页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理33五、晶带五、晶带a 定义：平行于某一晶向直线所有晶面的组合。晶带轴 晶带面 共带面共带面b 性质：晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面/晶带轴；hu+kv+lw=0c 晶带定律 凡满足上式的晶面都属于以凡满足上式的晶面都属于以uvw为晶带轴的晶带。为晶带轴的晶带。推论：同一晶带轴中各共带面的法线与晶带轴垂直。推论：同一晶带轴中各共带面的法线与晶带轴垂直。（a）由两晶面由两晶面(h1k1l1)(h2k2l2)，求其晶带轴求其晶带轴uvw：u

22、=k1l2-k2l1;v=l1h2-l2h1;w=h1k2-h2k1。（b）由两晶向由两晶向u1v1w1u2v2w2，求其决定的晶面求其决定的晶面(hkl)。h=v1w2-v2w1;k=w1u2-w2u1;l=u1v2-u2v1。本讲稿第三十三页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理34六、晶体的各向异性六、晶体的各向异性-Fe的性能晶向晶向原子密度原子密度弹性模量弹性模量E/Gpa单单晶晶体体1/a1351.16/a2900.7/a多晶体多晶体210本讲稿第三十四页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理35七、金属的同素异构转变七、金属的同素异构转变多晶型性多晶型性 有些金属

23、在不同温度、压力等外界条件下，会发生晶格类型的转变，这种现象称为同素异构转变。铁、钛、锡、钴、锰等都有同素异构转变体，如图所示为铁的同素异构转变。分析：液态铁结晶后是体心立液态铁结晶后是体心立 方晶格，称为方晶格，称为-Fe；在在1394以下是面心立以下是面心立 方晶格，称方晶格，称-Fe；在在912以下是体心立以下是体心立 方晶格，称方晶格，称-Fe。本讲稿第三十五页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理36离子晶体离子晶体氯化钠晶体的形成：氯化钠晶体的形成：NaNa+ClCl-NaNa+ClCl-NaNa+ClCl-NaNa+ClCl-NaNa+本讲稿第三十六页，共五十页2022/

24、9/21金属学与热处理原理37氯化钠晶胞氯化钠晶胞每个每个每个每个NaClNaClNaClNaCl晶胞中有晶胞中有晶胞中有晶胞中有 个个个个ClClClCl，有，有，有，有 个个个个NaNaNaNa+。4 44 4本讲稿第三十七页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理38氯化铯晶体氯化铯晶体ClCl-CsCsCsCs+ClCl-ClCl-ClCl-本讲稿第三十八页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理39氯化铯氯化铯晶胞晶胞每个每个CsClCsCl晶胞中有晶胞中有 个个CsCs+，有，有 个个Cl Cl-。1 11 1本讲稿第三十九页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原

25、理40 每个每个COCO2 2 分子周围与之分子周围与之紧邻等距离的紧邻等距离的 COCO2 2有有 个个,每个每个COCO2 2 晶胞晶胞中含有中含有 个个COCO2 2分子。分子。124 45 687431243125 687分子晶体分子晶体本讲稿第四十页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理41每个碳原子与 个六员碳环共用。原子晶体原子晶体金刚石晶体结构分金刚石晶体结构分析析本讲稿第四十一页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理42晶体硅结构晶体硅结构碳化硅晶体结构碳化硅晶体结构本讲稿第四十二页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理43二氧化硅晶体二氧化硅晶体石墨

26、结构石墨结构本讲稿第四十三页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理44金属钠晶体金属钠晶体返回本讲稿第四十四页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理45第一章，12节思考题晶体的基本常识。晶体的基本常识。金属键的结合特点与力学、理化性能。金属键的结合特点与力学、理化性能。双原子作用模型。双原子作用模型。三种典型晶体结构：晶格点阵、晶胞、三种典型晶体结构：晶格点阵、晶胞、堆垛方式、间隙位置和大小、配位数和堆垛方式、间隙位置和大小、配位数和致密度、原子半径和个数。致密度、原子半径和个数。晶面和晶向指数的求解。晶面和晶向指数的求解。晶体的各向异性和同素异晶转变。晶体的各向异性和同素异

27、晶转变。本讲稿第四十五页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理46晶体中原子排列示意图晶体中原子排列示意图a)原子对垛模型b)晶格c)晶胞返回本讲稿第四十六页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理47晶晶胞胞参参数数：晶晶胞胞的的形形状状和和大大小小可可以以用用6个个参参数数来来表表示示，此此即即晶晶格格特特征征参参数数，简简称称晶晶胞胞参参数数。它它们们是是3条条棱棱边边的的长长度度a、b、c和和3条棱边的夹角条棱边的夹角、，如图所示。，如图所示。图图1-2 晶胞坐标及晶胞参数晶胞坐标及晶胞参数返回本讲稿第四十七页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理48体心立方晶胞体心立方晶胞a)刚球模型b)质点模型c)晶胞原子数返回本讲稿第四十八页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理49面心立方晶胞面心立方晶胞a)刚球模型b)质点模型c)晶胞原子数返回本讲稿第四十九页，共五十页2022/9/21金属学与热处理原理50密排六方晶胞密排六方晶胞a)刚球模型b)质点模型c)晶胞原子数返回本讲稿第五十页，共五十页