金屬與合金的晶體結構

金屬與合金的晶體結構2022/9/13金屬學與熱處理原理1第1頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理2第一章：金屬的晶體結構§1—1金屬原子間的結合§1—2金屬的晶體結構

§1—3實際金屬的晶體結構第2頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理3§1—1金屬原子間的結合一、金屬的一般特性和金屬鍵1、

特性結構特點：原子結構，核外電子數(shù)，最外層電子數(shù)，次外層電子數(shù)性能特點：良好的導電性、導熱性、塑性（延展性），具有金屬光澤，不透明，正的電阻溫度系數(shù)。2、

原因這主要是與金屬原子內部的自身結構和原子間的結合方式有關。第3頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理4二、金屬鍵——電子云當大量金屬原子結合在一起，構成金屬晶體時，金屬原子失去外層電子變成正離子；失去的外層電子成為自由電子，為整個金屬所共有，構成電子云，金屬正離子在其平衡位置作高頻率的熱振動；金屬離子和自由電子之間的引力與離子間和電子間的斥力相平衡，從而構成穩(wěn)定的金屬晶體。這種結合方式稱之為金屬鍵。第4頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理5金屬離子與自由電子之間存在著較強的作用力——金屬鍵e-+++++++++++++e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-第5頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理6金屬特性的金屬鍵理論解釋(1)自由電子在電場的作用下定向運動形成電流，從而顯示出良好的導電性。(2)隨著溫度升高，正離子振動的振幅要加大，對自由電子通過的阻礙作用也加大，因而，金屬的電阻是隨溫度的升高而增加的，即具有正的電阻溫度系數(shù)。(3)自由電子的運動和正離子的振動可以傳遞熱能，因而使金屬具有較好的導熱性。第6頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理7⑷當金屬發(fā)生塑性變形后，正離子與自由離子間所能保持金屬鍵的結合，使金屬顯示出良好的塑性。⑸自由電子能吸收可見光的能量，故金屬具有不透明性。吸收能量后跳到較高能級的電子，當它重新跳回到原來低能級時，就把所吸收的可見光的能量以電磁波的形式輻射出來，在宏觀上就表示為金屬的光澤。第7頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理8三、結合力與結合能上一級排斥力吸引力結合力結合能排斥能吸引能ABEABBA00dcd0原子間距d原子間距d第8頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理9一、晶體與非晶體區(qū)別：規(guī)則排列與非規(guī)則排列內部質點按一定的幾何規(guī)律呈周期性規(guī)則排列的物質稱為晶體。晶體有固定的熔點（如鐵為1538℃，銅為1083℃，鋁為660℃）；一般具有規(guī)則的外形；在不同的方向上具有不同的性能，即表現(xiàn)出晶體的各向異性。晶體分類和材料的結晶傾向性：金屬鍵——金屬晶體共價鍵——原子晶體離子鍵——離子晶體范德華力——分子晶體§1—2金屬的晶體結構上一級晶體與非晶體在一定條件下可互相轉化。第9頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理10二、晶體結構與空間點陣原子堆垛模型：真實、立體感強空間點陣：原子用節(jié)點表示，用空間網(wǎng)格表示原子間的關系，形成周期性排列的空間幾何圖形——晶格晶胞：從晶格中取出一個可以代表原子空間排列情況的最小幾何結構單元。晶格常數(shù)：

a，b，c；α、β、γ第10頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理11晶胞選取應滿足下列條件：(1)晶胞幾何形狀充分反映點陣對稱性；(2)平行六面體內相等的棱和角數(shù)目最多；(3)當棱間呈直角時，直角數(shù)目應最多；(4)滿足上述條件，晶胞體積應最小。第11頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理1214種點陣分屬7個晶系。

典型晶體結構第12頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理13上一級1、體心立方晶格(圖)（BCC—Body-CenteredCube）

a=b=cα=β=γ=90°

晶胞中實際原子數(shù)為:

具有體心立方晶格的金屬有：α-Fe、Cr、W、Mo、V等。三、三種典型的金屬晶體結構體心立方BCC（A2型）第13頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理142、

面心立方晶格(圖)（FCC—Face-CenteredCube）a=b=cα=β=γ=90°晶胞中原子數(shù)為：具有面心立方晶格的金屬有：γ-Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pb、Ni等。上一級面心立方FCC（A1型）第14頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理153、

密排六方晶格(圖)a=b≠cα=β=90°γ=120°密排六方晶格中原子數(shù)為：

具有密排六方晶格的金屬有：Mg、Zn、Be、Cd、Zr等。上一級（c）密排六方HCP（A3型）（HCP—HexagonalClose-Packed）第15頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理16a、晶體結構的致密度致密度：是指晶胞中原子所占體積與該晶胞體積之比。體心立方的致密度

上一級第16頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理17面心立方與密排六方的致密度

計算同體心立方，但數(shù)值均為0.74。致密度數(shù)值越大，則原子排列越緊密。為何面心立方和密排六方的致密度一樣？均為密排特征！上一級第17頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理18b、配位數(shù)的概念配位數(shù)是指晶體結構中，與任一原于最近鄰并且等距離的原子數(shù)。

體心立方：8；面心立方：12；密排六方：12配位數(shù)的多少也可以反映原子排列的緊密程度。上一級第18頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理193、晶體中原子的堆垛方式和間隙

（1）原子堆垛方式上一級ABCBCCBBCACAACCA第19頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理20AA（2）面向立方與密排六方比較上一級BBAC第20頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理21（3）體心立方上一級AB第21頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理22(4)

間隙：間隙半徑（rB）：間隙中所能容納的最大圓球半徑。第22頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理23第23頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理24三種晶體基本參數(shù)歸納晶格類型原子半徑rA原子數(shù)配位數(shù)致密度K堆垛方式間隙結構半徑rBrB/rA體心立方280.68ABAB非密排四－12八－60.126a0.067a0.290.15面心立方4120.74ABCABC四－8八－40.08a0.146a0.2260.414密排六方6120.74ABABAB四－12八－60.113a0.207a0.2260.414

第24頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理25四、晶面與晶向晶面：通過空間點陣，由一系列原子所構成的平面稱為晶面。通過晶體中原子中心的平面稱晶面。晶向：通過晶體中原子中心的直線為原子列，其所代表的方向叫晶向。任意兩個原子之間連線所指的方向稱為晶向。上一級第25頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理26不同的晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，原子間相互作用也就不同，因而不同晶面和晶向就顯示不同的力學性能和理化性能。

面密度，線密度表述不同晶面和晶向的原子排列情況及其在空間的位向稱為晶面指數(shù)和晶向指數(shù)。國際上通用米勒指數(shù)標定晶向和晶面。

上一級第26頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理271、

晶向指數(shù)求法設坐標x，y，z引圓點（OA）求坐標（x，y，z）化整數(shù)

列括號[uvw]<uvw>上一級立方晶系的晶向和晶面指數(shù)第27頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理282、晶面指數(shù)求法①

設坐標x，y，z,避圓點；②

求截距(x，y，z)；③

取倒數(shù)；④

化整數(shù)；⑤列括號(hkl)。{hkl}上一級第28頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理29XYZ舉例：①立方晶系的晶面表示方法(111),(001),(010),(100),(110),等

晶面族：原子排列完全相同但在空間位向不同。

如：｛111｝、｛100｝、｛110｝等

②立方晶系的晶向表示方法[101]、[011]、[111]、[110]、[100]等。晶向族：原子排列完全相同但在空間位向不同。

如：<100>.<110>.<111>

(111)-(111)(010)(001)(100)(110)XYZ[111][100][110][011][101]第29頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理30晶面指數(shù)說明：

a指數(shù)意義：代表一組平行的晶面；

b0的意義：面與對應的軸平行；

c平行晶面：指數(shù)相同，或數(shù)字相同但正負號相反；

d晶面族：晶體中具有相同條件（原子排列和晶面間距完全相同），空間位向不同的各組晶面。用{hkl}表示。

e若晶面與晶向同面，則hu+kv+lw=0;

f若晶面與晶向垂直，則u=h,k=v,w=l。第30頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理313、六方系晶向指數(shù)和晶面指數(shù)a、六方系指數(shù)標定的特殊性：

四軸坐標系（三個參數(shù)時，等價指數(shù)不具有等價晶面）。b、晶面指數(shù)的標定：標法與立方系相同(四個截距)；用四個數(shù)字(hkil)表示；i=-(h+k)。

c、晶向指數(shù)的標定標法與立方系相同(四個坐標)；用四個數(shù)字(uvtw)表示；t=-(u+v)。

依次平移法：適合于已知指數(shù)畫晶向（末點）。坐標換算法：[UVW]~[uvtw]u=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(U+V)/3,w=W。第31頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理32晶向指數(shù)標定：從圓點出發(fā)，選擇可涉及a3的路徑，逐次沿著各坐標移動，最終到達標定方向上的節(jié)點上。注意移動時，滿足t=-(u+v)。第32頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理33五、晶帶a定義：平行于某一晶向直線所有晶面的組合。晶帶軸晶帶面共帶面b性質：晶帶用晶帶軸的晶向指數(shù)表示；晶帶面//晶帶軸；

hu+kv+lw=0c晶帶定律

凡滿足上式的晶面都屬于以[uvw]為晶帶軸的晶帶。推論：同一晶帶軸中各共帶面的法線與晶帶軸垂直。（a）

由兩晶面(h1k1l1)(h2k2l2)，求其晶帶軸[uvw]：

u=k1l2-k2l1;v=l1h2-l2h1;w=h1k2-h2k1。

（b）由兩晶向[u1v1w1][u2v2w2]，求其決定的晶面(hkl)。

h=v1w2-v2w1;k=w1u2-w2u1;l=u1v2-u2v1。第33頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理34六、晶體的各向異性α-Fe的性能晶向原子密度彈性模量E

/Gpa單晶體<100>1/a135<111>1.16/a290<110>0.7/a多晶體210第34頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理35七、金屬的同素異構轉變——多晶型性有些金屬在不同溫度、壓力等外界條件下，會發(fā)生晶格類型的轉變，這種現(xiàn)象稱為同素異構轉變。鐵、鈦、錫、鈷、錳等都有同素異構轉變體，如圖所示為鐵的同素異構轉變。分析：

①液態(tài)鐵結晶后是體心立

方晶格，稱為δ-Fe；

②在1394℃以下是面心立

方晶格，稱γ-Fe；

③在912℃以下是體心立

方晶格，稱α-Fe。第35頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理36離子晶體氯化鈉晶體的形成：Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+第36頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理37氯化鈉晶胞每個NaCl晶胞中有

個Cl，有

個Na+。44第37頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理38氯化銫晶體Cl-Cs+Cl-Cl-Cl-第38頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理39氯化銫晶胞每個CsCl晶胞中有

個Cs+，有

個Cl-。11第39頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理40每個CO2

分子周圍與之緊鄰等距離的CO2有

個,每個CO2

晶胞中含有

個CO2分子。1245

687431243125

687分子晶體第40頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理41每個碳原子與

個六員碳環(huán)共用。原子晶體金剛石晶體結構分析第41頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理42晶體硅結構碳化硅晶體結構第42頁，共50頁，2022年，5月20日，21點54分，星期三2022/9/13金屬學與熱處理原理43二