材料科学基础1金属的晶体结构.ppt

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1、第一节 金属与非金属(2)一、定义：核外电子、分类二、结合键（化和键）共价键、离子键、金属键、范德瓦尔键三、金属特性 1.导电性 2.导热性 3.延展性 4.正的电阻温度系数 5.金属光泽第二节 晶体与非晶体一、概念：原子排列、金属晶体 晶体是指其原子呈规则排列的固态物体。在自然界中，晶体是指其原子呈规则排列的固态物体。在自然界中，包括金属在内的大多数固体物质都属于晶体。天然晶体往包括金属在内的大多数固体物质都属于晶体。天然晶体往往会具有规则的几何外形，如钻石、宝石、水晶等，冰花、往会具有规则的几何外形，如钻石、宝石、水晶等，冰花、雪花、食盐等也容易看到规则的几何外形。但金属晶体及雪花、食盐等

2、也容易看到规则的几何外形。但金属晶体及其制品，一般则看不到规则的几何外形。其制品，一般则看不到规则的几何外形。少数物质，如玻璃、松香、木材、棉花等属于非晶体，少数物质，如玻璃、松香、木材、棉花等属于非晶体，其内部的原子则是散乱分布，至多有些局部存在短程规则其内部的原子则是散乱分布，至多有些局部存在短程规则排列。排列。由于晶体中的原子呈一定规则周期性的重复排列，造由于晶体中的原子呈一定规则周期性的重复排列，造成晶体在性能上区别于非晶体的一些重要特性：（成晶体在性能上区别于非晶体的一些重要特性：（1 1）晶）晶体可具有规则的几何外形；（体可具有规则的几何外形；（2 2）晶体具有固定的熔点；）晶体具

3、有固定的熔点；（3 3）晶体具有各向异性。）晶体具有各向异性。二、相互转化 晶体向非晶体的转化及应用 非晶体向晶体的转化及应用 第三节 金属晶体结构(2)一、晶体结构模型 1.球体几何模型 2.点阵几何模型 3.晶胞几何模型 晶格中选取一个最基本的几何单元来表达晶体规则排晶格中选取一个最基本的几何单元来表达晶体规则排列的形式特点列的形式特点,如图如图1-1c.1-1c.组成晶格的这种最基本的几何单组成晶格的这种最基本的几何单元称为晶胞元称为晶胞.晶胞的大小和形状常以晶胞的棱便边长度晶胞的大小和形状常以晶胞的棱便边长度a a、b b、c(c(称作晶格常数称作晶格常数)和棱边间互相夹角和棱边间互相

4、夹角、来表示来表示.晶格常数以晶格常数以 为计量单位为计量单位二、布拉菲点阵 7个晶系14种布拉菲点阵模型三、常见金属晶体结构 1.体心立方晶格体心立方晶格 动画演示动画演示 体心立方晶格的晶胞模型如图体心立方晶格的晶胞模型如图1-21-2所示。其晶胞是一所示。其晶胞是一个立方体，晶胞得三个棱边长度个立方体，晶胞得三个棱边长度a=b=ca=b=c，通常只用一个晶，通常只用一个晶格常数格常数a a表示即可。三个晶轴之间夹角均为表示即可。三个晶轴之间夹角均为9090。在体心。在体心立方晶胞的每个角上和晶胞中心都排列有一个原子。体心立方晶胞的每个角上和晶胞中心都排列有一个原子。体心立方晶胞中属于单个

5、晶胞的原子数为（立方晶胞中属于单个晶胞的原子数为（1/81/8）8 81 12 2个个（如图如图1-21-2）。在体心立方晶胞中，原子沿立方体对角线紧密地接在体心立方晶胞中，原子沿立方体对角线紧密地接触排列，长度为触排列，长度为 a a ，等于，等于4 4个原子半径，所以体心立方个原子半径，所以体心立方晶格的原子半径晶格的原子半径 r r a/4a/4。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-Fe、CrCr、V V、NbNb、MoMo、W W、-Ti-Ti等。等。2.2.面心立方晶格面心立方晶格 动画演示动画演示 面心立方晶格的晶胞模型如图面心立方晶格的晶胞模型如图1-31-3

6、所示。其晶胞也是所示。其晶胞也是一个立方体，晶格常数用一个立方体，晶格常数用a a表示。在面心立方晶格的每个表示。在面心立方晶格的每个角上和晶胞的六个表面的中心都排列有一个原子。面心立角上和晶胞的六个表面的中心都排列有一个原子。面心立方晶胞中属于单个晶胞的原子数为（方晶胞中属于单个晶胞的原子数为（1/81/8）8 8（1/21/2）6=46=4个个（如图如图1-31-3）。在面心立方晶胞中，原子。在面心立方晶胞中，原子沿晶胞六个表面的对角线紧密地接触排列，长度为沿晶胞六个表面的对角线紧密地接触排列，长度为 a a，等于，等于4 4个原子半径，所以面心立方晶格的原子半径个原子半径，所以面心立方晶

7、格的原子半径r r a/4a/4。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-Fe、CuCu、NiNi、AlAl、AgAg、AuAu、PbPb、PtPt、-Co-Co等。等。3.3.密排六方晶格密排六方晶格 动画演示动画演示 密排六方晶格的晶胞模型如图密排六方晶格的晶胞模型如图1-41-4所示。在晶胞的所示。在晶胞的1212个角上各有一个原子，构成六方体，上、下底面的中心各个角上各有一个原子，构成六方体，上、下底面的中心各有一个原子，晶胞内还有三个原子。晶格常数用柱体高度有一个原子，晶胞内还有三个原子。晶格常数用柱体高度c c和六边形的边长和六边形的边长a a两个晶格常数来表示，两

8、个晶格常数来表示，c c与与a a之比之比c/ac/a称称为轴比，典型的密排六方晶格中为轴比，典型的密排六方晶格中 c/ac/a /31.633/31.633。密排六方晶胞中属于单个晶胞的原。密排六方晶胞中属于单个晶胞的原子数为子数为(1/6)(1/6)1212(1/2)(1/2)2 23=63=6个个（如图如图1-41-4）。对于典型的密排六方晶格金属，相互相邻的两个原对于典型的密排六方晶格金属，相互相邻的两个原子紧密的接触排列，长度为子紧密的接触排列，长度为a a，等于两个原子半径，所以，等于两个原子半径，所以密排六方晶格的原子半径密排六方晶格的原子半径r=a/2r=a/2。具有密排六方晶

9、格的金属有具有密排六方晶格的金属有MgMg、ZnZn、BeBe、CdCd、-Ti-Ti、-Co-Co等。等。四、典型晶格的致密度和配位数四、典型晶格的致密度和配位数 金属晶体的一个特点是趋于最紧密的排列，所以晶格中原子排列金属晶体的一个特点是趋于最紧密的排列，所以晶格中原子排列的紧密程度是反映晶体结构特征的一个重要因素。通常用两个参数来的紧密程度是反映晶体结构特征的一个重要因素。通常用两个参数来表征，一个是配位数，一个是致密度。表征，一个是配位数，一个是致密度。(一一)配位数配位数 配位数是指晶体中任意一个原子周围最近邻且等距离的原子的数配位数是指晶体中任意一个原子周围最近邻且等距离的原子的数

10、目。配位数越大，晶体中的原子排列便越紧密。目。配位数越大，晶体中的原子排列便越紧密。(二二)致密致密度度 球体几何模型中，把原子看作刚性圆球，原子与原子结合时球体几何模型中，把原子看作刚性圆球，原子与原子结合时 之间必然存有空隙。晶体中原子排列的紧密程度可用原子所占体积与之间必然存有空隙。晶体中原子排列的紧密程度可用原子所占体积与晶体体积的比值来表示，称为晶体的致密度。晶体体积的比值来表示，称为晶体的致密度。即：即：致密度致密度=晶体中原子所占体积晶体中原子所占体积/晶体体积晶体体积=单个晶胞中原子所占体积单个晶胞中原子所占体积/晶胞体积晶胞体积 晶体的致密度越大，晶体原子排列密度越高，原子结

11、合越紧密。晶体的致密度越大，晶体原子排列密度越高，原子结合越紧密。表表1-11-1是三种典型金属晶格的计算数据。由表列数据是三种典型金属晶格的计算数据。由表列数据可见，不论从配位数还是致密度来看，面心立方晶格和密可见，不论从配位数还是致密度来看，面心立方晶格和密排六方晶格的原子排列都是最紧密的，在所有晶体结构中排六方晶格的原子排列都是最紧密的，在所有晶体结构中属最密排排列方式。体心立方晶格次之，属次密排排列方属最密排排列方式。体心立方晶格次之，属次密排排列方式。式。表1-1 三种典型晶格的数据五、晶体结构中的间隙 三种典型晶体结构的间隙分四面体间隙和八面体间隙两种，体心立方间隙位如图（图1-2

12、5）间隙半径为0.291和0.145；面心立方间隙位如图（图1-26）间隙半径为0.225和0.414；密排六方间隙位如图（图1-27）间隙半径同面心立方也为0.225和0.414。第四节 典型晶体晶面、晶向分析(2)一、定义 在晶体中，过各原子中心所构成的不同方位上的原子在晶体中，过各原子中心所构成的不同方位上的原子面称为晶面，过各原子中心所构成不同方向上的原子列称面称为晶面，过各原子中心所构成不同方向上的原子列称为晶向。为晶向。二、晶面指数二、晶面指数 以立方晶格位例，确定晶面指数的方法包括如下四个以立方晶格位例，确定晶面指数的方法包括如下四个步骤：步骤：1.1.设坐标设坐标 在立方晶格中

13、，沿晶胞的相互垂直的三在立方晶格中，沿晶胞的相互垂直的三条棱边设主参考坐标条棱边设主参考坐标x x、y y、z z。2.2.求截距求截距 以晶胞的棱边长度即晶格常数为单位，以晶胞的棱边长度即晶格常数为单位，确定待求晶面在各坐标轴上的截距值。确定待求晶面在各坐标轴上的截距值。3.3.取倒数取倒数 将所求三截距值取倒数，取倒数的目的将所求三截距值取倒数，取倒数的目的是为了避免晶面指数出现是为了避免晶面指数出现。4.4.化整数化整数 将所取三倒数按比例化为最小整数，用将所取三倒数按比例化为最小整数，用圆括号（圆括号（）括起，便得到所求晶面的晶面指数。晶面指）括起，便得到所求晶面的晶面指数。晶面指数的

14、一般形式用（数的一般形式用（hklhkl）表示。）表示。图图1-51-5为立方晶体中三个最具有意义的晶面的晶面指数。为立方晶体中三个最具有意义的晶面的晶面指数。其中晶面其中晶面A A在三个坐标轴上的截距分别为在三个坐标轴上的截距分别为1 1、，取其，取其倒数为倒数为1 1、0 0、0 0，故其晶面指数为（，故其晶面指数为（100100）。晶面）。晶面B B在三个在三个坐标轴上的截距分别为坐标轴上的截距分别为1 1、1 1、1 1，取其倒数为，取其倒数为1 1、1 1、1 1，则，则其晶面指数为（其晶面指数为（111111）。）。三、晶向指数三、晶向指数 以立方体晶格为例，确定晶向指数的方法以立

15、方体晶格为例，确定晶向指数的方法包括如下三个步骤：包括如下三个步骤：1.1.设坐标设坐标 方法同晶面指数，但一般使所设方法同晶面指数，但一般使所设坐标轴的原点坐标轴的原点O O位于待定晶向的直线上。位于待定晶向的直线上。2.2.求坐标值求坐标值 以晶格常数为单位，求待定晶以晶格常数为单位，求待定晶向上任两点的三坐标值向上任两点的三坐标值.（也可采用坐标平移，以（也可采用坐标平移，以原点引平行直线或求待定晶向上取两点差值等方原点引平行直线或求待定晶向上取两点差值等方法求待定晶向的坐标值）。法求待定晶向的坐标值）。3.3.求差值求差值 前点坐标值减后点坐标值。前点坐标值减后点坐标值。4.4.化整数

16、化整数 将所求三个坐标值按比例化为最将所求三个坐标值按比例化为最小整数，用方括号小整数，用方括号 括起，即得出所求晶向的晶括起，即得出所求晶向的晶向指数。晶向指数的一般形式用向指数。晶向指数的一般形式用 uvwuvw 表示。表示。立方晶体中三个最具有代表意义的晶向的晶向指数。立方晶体中三个最具有代表意义的晶向的晶向指数。其中晶向其中晶向OAOA的的A A结点坐标为（结点坐标为（1 1，0 0，0 0），其晶向指数为），其晶向指数为100100。OBOB晶向的晶向的B B结点坐标为（结点坐标为（1 1，1 1，0 0），其晶向指数），其晶向指数为为110110。OCOC晶向的晶向的C C结点坐标

17、为（结点坐标为（1 1，1 1，1 1），其晶向指），其晶向指数为数为111111。四、晶体的各向异性四、晶体的各向异性(1)(1)1.1.定义：定义：晶体沿不同方向或面性能不同的现象。晶体沿不同方向或面性能不同的现象。2.2.晶面密度晶面密度：（晶面上的原子密度指晶面上的原子密度指）其单位面积上所截原子其单位面积上所截原子个数个数。3.3.晶向密度晶向密度：（晶向上的原子密度晶向上的原子密度）指其单位长度上所截原子指其单位长度上所截原子个数。个数。晶体晶面和晶向上的原子排列情况常用晶面上的原子密度和晶晶体晶面和晶向上的原子排列情况常用晶面上的原子密度和晶向上的原子密度来表示。表向上的原子密度来表示。表1-21-2列出了体心里方晶格各主要晶面和晶列出了体心里方晶格各主要晶面和晶向上的原子密度。向上的原子密度。