2.2--金属的晶体结构.ppt

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1、2.22.2金属的晶体结构金属的晶体结构（CrystalCrystal StructureStructure ofof MetalsMetals）为什么金属原子趋向于紧密排列？为什么金属原子趋向于紧密排列？为什么金属具有高度对称性的晶体结构？为什么金属具有高度对称性的晶体结构？n 面心立方（面心立方（A1,A1,FCCFCC）n 体心立方（体心立方（A2,A2,BCCBCC）n 密排六方（密排六方（A3,A3,HCPHCP）2.2.1 三种典型的金属晶体结构1晶胞内的原子数晶胞内的原子数点阵常数与原子半径点阵常数与原子半径配位数：是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的配位数：是指晶体结构中

2、任一原子周围最近邻且等距离的原子数原子数 。致密度：晶体结构中原子体积占总体积的百分比。致密度：晶体结构中原子体积占总体积的百分比。K为致密度 n为晶胞中原子数 v是一个原子的体积 原子间隙2体心立方体心立方体心立方体心立方面心立方面心立方面心立方面心立方密排六方密排六方密排六方密排六方u 晶胞中原子数晶胞中原子数3 体心立方体心立方体心立方体心立方 面心立方面心立方面心立方面心立方 密排六方密排六方密排六方密排六方u 原子半径原子半径4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。配位数（配位数（coordinationcoordination nu

3、mbernumber，CNCN）：）：晶体结构中任一原子晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。周围最近且等距离的原子数。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，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。u 配位数与致密度配位数与致密度5uu 体心立方配位数为体心立方配位数为体心立方配位数为体心立方配位数为8 8 8 86uu 面心立方配位数为面心立方配位数为面心立方配位数为面心立方配位数为121212127u密排六方配位数为密排六方配位数为121280.740.7412126 6密排六方密排

4、六方0.740.7412124 4面心立方面心立方0.680.688 82 2体心立方体心立方致密度致密度配位数配位数原子数原子数原子半径原子半径9原子个数：原子个数：2 2配位数：配位数：8 8致密度：致密度：0.680.68常见金属：常见金属：-Fe-Fe、CrCr、W W、MoMo、V V、NbNb等等晶格常数：晶格常数：a a(a a=b b=c c)原子半径：原子半径：体体心立方心立方10 a a4 42 2r r=：原子半径原子半径原子个数：原子个数：4 4配位数：配位数：1212致密度：致密度：0.740.74常见金属：常见金属：-Fe-Fe、NiNi、AlAl、CuCu、PbP

5、b、AuAu等等晶格常数：晶格常数：a a面心立方面心立方11密排密排立方立方12a a2 21 1r r=：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6 6配位数：配位数：1212致密度：致密度：0.740.74常见金属：常见金属：MgMg、ZnZn、BeBe、CdCd等等晶格常数：底面边长晶格常数：底面边长 a a 和高和高 c c，c/a=1.633c/a=1.63313晶面及晶向的原子密度晶面及晶向的原子密度 不同晶体不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列排列紧密程度是不一密程度是不一样的。的。单位面积晶面上的原子数称单位面积晶面上的原

6、子数称晶面原子密度晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称原子密度最大的晶面或晶向称密排面密排面或或密排方向密排方向。1415密排面密排面数量数量密排方向密排方向数量数量体心立方晶格体心立方晶格1101106 64 4面心立方晶格面心立方晶格1111114 46 6密排六方晶格密排六方晶格六方底六方底面面1 1底面对角底面对角线线3 316体心立方晶格的密排面和密排方向体心立方晶格的密排面和密排方向17面心立方晶格的密排面和密排方向面心立方晶格的密排面和密排方向18六方底面六方底面底面对角线底面对角线密排六方晶格的密排面

7、和密排方向密排六方晶格的密排面和密排方向19体心立方体心立方(110)(110)面面面心立方面心立方(111)(111)面面密排六方底面密排六方底面20u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，是纯金属中最密集的结构。中最密集的结构。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。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，面心立方与密排六方的最密排面原子排列情况完全相同

8、，但堆垛方式不一样。但堆垛方式不一样。2.2.22.2.2 晶体中原子的堆垛方式晶体中原子的堆垛方式2122AAAAAABBBCCCC层B层ABABABAB ACACACACABCABCABC ACBACBACB2324A AB BA AA AB BC CA A25面心立方晶格密排面的堆垛方式面心立方晶格密排面的堆垛方式26密排六方晶格密排面密排六方晶格密排面的堆垛方式的堆垛方式27面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序密排六方晶格的堆垛顺序密排六方晶格的堆垛顺序为为ABABABABABAB面心立方晶格面心立方晶格的堆垛顺序的堆垛顺序为为ABCAB

9、CABCABCABCABC28典型金属晶体中原子间的间隙典型金属晶体中原子间的间隙(Interstice)(Interstice)由由于于球球体体之之间间是是刚刚性性点点接接触触堆堆积积，最最紧紧密密堆堆积积中中仍仍然然有有空空隙隙存存在在。从从形形状状上上看看，空空隙隙有有两两种种：一一种种是是四四面面体体空空隙隙（tetrahedraltetrahedral intersticeinterstice），由由4 4个个球球体体所所构构成成，球球心心连连线线构构成成一一个个正正四四面面体体；另另一一种种是是八八面面体体空空隙隙（octahedraloctahedral i interstice

10、nterstice），由由6 6个个球球体体构构成成，球球心心连连线线形形成成一一个个正正八八面面体。显然，由同种球组成的四面体空隙小于八面体空隙体。显然，由同种球组成的四面体空隙小于八面体空隙。29八面体间隙BCCv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30八面体间隙FCCvv八面体间隙的数目八面体间隙的数目八面体间隙的数目八面体间隙的数目vv八面体间隙半径八面体间隙半径八面体间隙半径八面体间隙半径31八面体间隙HCP32四面体间隙BCCv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33四面体间隙FCCv四面体间隙的数目四面体间隙的数目v四面体间隙半

11、径四面体间隙半径34四面体间隙HCP35面心立方结构中间隙的刚球模型八面体间隙面心立方结构中间隙的刚球模型八面体间隙36面心立方结构中间隙的刚球模型四面体间隙面心立方结构中间隙的刚球模型四面体间隙37三种典型金属结构的晶体学特点三种典型金属结构的晶体学特点 38ufccfcc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，因为的结构，因为它的间隙较多。因此，碳、氮、氢、氧、硼等原子半径较小的它的间隙较多。因此，碳、氮、氢、氧、硼等原子半径较小的元素（即间隙原子）在元素（即间隙原子）在bccbcc金属中的扩散速率往往比在金属中的扩散速率往往比在fc

12、cfcc及及hcphcp金属中高得多。金属中高得多。ufccfcc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。的间隙原子往往位于八面体间隙中。ufccfcc和和hcphcp中的八面体间隙远大于中的八面体间隙远大于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中的固解度往往比在中的固解度往往比在bccbcc中大得多。中大得多。几点说明几点说明几点说明几点说明39u在在bccbcc晶体中，四面体间隙大于八面体间隙，因而间隙原晶体中，四

13、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，由于子应占据四面体间隙位置。但另一方面，由于bccbcc的八面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，也只引起距间隙中心为的两个原子显著地偏离平衡位置，也只引起距间隙中心为的两个原子显著地偏离平衡位置。因此，在有些置。因此，在有些bccbcc金属中，间隙原子占据四面体间隙金属中，间隙原子占据四面体间隙位置（如碳在钼中），在另一些位置（如碳在钼中），在另一些bccbcc晶体中，间隙原子占晶体中，间隙原子占据八面体间隙位置（如碳在据八面体间隙位置（如碳在-铁中

14、）。铁中）。ufccfcc和和hcphcp晶体中的八面体间隙大小彼此相等，四面体间隙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。相像。402.2.32.2.3 多晶型转变多晶型转变 当外部的温度和当外部的温度和压强改改变时，有些金属会由一种晶体，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体构向另一种晶体结构构转变，称之，称之为多晶型多晶型转变，又称，又称为同素同素异构异构转变。由同素异构。由同素异构转变所得的不同晶格所得的不同晶格类型的晶体称型的晶体称为同素异构体同素异构体。纯铁的同素异构转变纯铁的

15、同素异构转变铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。纯铁的铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。纯铁的结晶和同素异构转变的过程：结晶和同素异构转变的过程：1394 1394 912 912-Fe-Fe -Fe-Fe -Fe-Fe41纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变-Fe-Fe，fccfcc-Fe-Fe，bccbcc912 C4243思考题u试计算体心立方铁受热而变为面心立方铁时出现的体积变化。试计算体心立方铁受热而变为面心立方铁时出现的体积变化。在转变温度下在转变温度下,体心立方铁的点阵参数是体心立方铁的点阵参数是2.8632.863埃，而面心立埃，而面心立方铁的点阵参数是方铁的点阵参数是3.5913.591埃。埃。u这表明铁在加热时出现收缩。这表明铁在加热时出现收缩。44