材料科學(xué)基礎(chǔ)第2章1

第二章金屬及合金相的晶體結(jié)構(gòu)§2.1金屬中常見的晶體結(jié)構(gòu)§2.2密堆積結(jié)構(gòu)中密排原子面的堆積方式§2.3密堆積結(jié)構(gòu)中的間隙§2.4體心立方結(jié)構(gòu)的間隙§2.5同素異構(gòu)性§2.6金屬晶體中原子大小材料的結(jié)合鍵

各種工程材料是由各種不同的元素組成，由不同的原子、離子或分子結(jié)合而成。結(jié)合鍵原子、離子或分子之間的結(jié)合力。結(jié)合鍵分為：離子鍵共價健金屬鍵分子鍵一、離子鍵正電性元素原子失去最外層價電子變成正離子，負電性元素原子后者獲得電子變成負離子。正離子和負離子由靜電引力相互吸引，形成穩(wěn)定的離子鍵。NaCl、MgO、Al2O3等由離子鍵組成。離子鍵示意圖氧化鎂結(jié)構(gòu)

離子鍵特點：結(jié)合力很大。離子晶體的硬度高，強度大，熱膨脹系統(tǒng)小，但脆性大。離子鍵中很難產(chǎn)生可以自由運動的電子，離子晶體都是良好的絕緣體。離子外層電子被束縛，可見光的能量一般不足以使其受激發(fā)，因而不吸收可見光，典型的離子晶體是無色透明的。二、共價鍵處于周期表中間位置的三、四、五價元素原子之間或與鄰近元素原子形成分子或晶體時，以共用價電子形成穩(wěn)定的電子滿殼層的方式實現(xiàn)結(jié)合。由共用價電子對產(chǎn)生的結(jié)合鍵叫共價鍵。

共價鍵示意圖金剛石為共價晶體。由碳原子組成，構(gòu)成正四面體：一個碳原子在中心，另外4個碳原子在4個頂角上。硅、鍺、錫等元素也可構(gòu)成共價晶體。屬于共價晶體的有SiC、Si3N4、BN等化合物。

共價鍵特點：結(jié)合力很大。共價晶體強度高、硬度高、脆性大、熔點高、沸點高和揮發(fā)性低。金剛石結(jié)構(gòu)

三、金屬鍵周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子丟失價電子成為正離子。被丟失的價電子為全體原子所公有，叫自由電子，在正離子之間自由運動，形成電子氣。正離子在三維空間規(guī)則分布。正離子和電子氣之間產(chǎn)生強烈的靜電吸引力，使全部離子結(jié)合起來。這種結(jié)合力叫金屬鍵。

金屬鍵示意圖

鉬的結(jié)構(gòu)

金屬由金屬鍵結(jié)合，金屬具有下列特性：

1.良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。金屬中存在大量自由電子，外加電場時電子可以定向地流動。金屬的導(dǎo)熱性很好。自由電子的活動性很強，金屬離子振動作用導(dǎo)熱。

2.正的電阻溫度系數(shù)。隨溫度升高電阻增大。

3.不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤。

自由電子能吸收并隨后輻射出大部分投射到表面的光能。

4.良好的塑性變形能力，金屬材料的強韌性好。

金屬鍵沒有方向性，受外力作用發(fā)生原子位置的相對移動時，結(jié)合鍵不會遭到破壞。四、分子鍵甲烷分子在固態(tài)能相互結(jié)合成為晶體。結(jié)合過程中沒有電子的得失、共有或公有化?？糠短赝郀査沽Y(jié)合起來，這種結(jié)合鍵叫分子鍵。分子鍵示意圖

甲烷結(jié)構(gòu)在含氫的物質(zhì)，特別是含氫的聚合物中，一個氫原子可同時和兩個與電子親合能力大的、半徑較小的原子(F、O、N)相結(jié)合,形成氫鍵。氫健是一種較強的、有方向性的范德瓦爾斯鍵。尼龍66的結(jié)構(gòu)

分子鍵特點：范德瓦爾斯力很弱，由分子鍵結(jié)合的固體材料熔點低、硬度也很低。因無自由電子，材料有良好的絕緣性。一、晶體結(jié)構(gòu)的密堆積原理1、密堆積原理金屬晶體——金屬鍵離子晶體——離子鍵分子晶體——范德華力原子晶體——共價鍵混合型晶體——共價鍵和范德華力晶體分類：結(jié)合力無方向性和飽和性~有方向性和飽和性密堆積原理：原子、離子、分子的排布總是趨向于配位數(shù)高，空間利用率大的緊密堆積結(jié)構(gòu)方式，最緊密的堆積往往是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。金屬晶體離子晶體空間利用率(堆積系數(shù))：空間利用率n~晶胞內(nèi)圓球的數(shù)目配位數(shù):密堆積：有限的原子、離子或分子盡量占取較小的空間的堆積。一個球周圍最鄰近的圓球的數(shù)目?！葟綀A球的堆積模型——不等徑圓球的堆積模型單位體積空間中圓球所占體積百分數(shù)。2、等徑球的密堆積面心立方最密堆積（A1）六方最密堆積（A3）體心立方密堆積（A2）金剛石型堆積（A4）堆積型式①A1和A3型堆積等徑圓球沿一維方向排列的唯一一種排列方式。密置列：等徑圓球沿二維方向伸展的唯一一種排列方式?？沙橄蟪善矫纥c陣。密置層：將第二層球坐落在第一層球一半的△空隙上，就得到密置雙層的唯一一種排列方式。密置雙層：第三層球放在第二層球的空隙上有兩種方式密置堆：重復(fù)ABC的堆積叫A1堆積，重復(fù)單位?ABC?。ABCAABA重復(fù)AB的堆積叫A3堆積，重復(fù)單位?AB?。四個球圍成的空隙叫四面體空隙。六個球圍成的空隙叫八面體空隙。4個▲四面體空隙3個●八面體空隙A1堆積：抽出立方面心晶胞，又叫面心立方最密堆積(cubicclosestpacking)簡寫為ccp。晶胞內(nèi)含有4個球。分數(shù)坐標(biāo)：AABCxyz密置層為(111)配位數(shù)：一套等同點，點陣型式：結(jié)構(gòu)基元：1個球12立方面心CBA設(shè)：晶胞中球半徑為r，晶胞參數(shù)為aa與r的關(guān)系：空間利用率：4raaA1堆積中,球數(shù):八面體空隙:四面體空隙=1:1:2▲▲▲▲8個四面體空隙，6個八面體空隙。紫球周圍：紫球分攤到：四面體空隙中，每個球占1/4個空隙。八面體空隙中，每個球占1/6個空隙。四面體空隙八面體空隙ＣＡＢA1中,晶胞中有4個球,4個八面體空隙,8個四面體空隙八面體空隙的坐標(biāo)：四面體空隙的坐標(biāo)：空隙半徑

在晶胞空隙中放入球的最大半徑稱為空隙半徑。

●四面體空隙半徑:r四=0.225r原子

●八面體空隙半徑:r八=0.414r原子四面體空隙半徑八面體空隙半徑抽出六方晶胞，又叫六方最密堆積(hexagonalclosestpacking)簡寫為hcp。

A3堆積：晶胞內(nèi)含有２個球。分數(shù)坐標(biāo)：xyzABA1200密置層為(001)配位數(shù)：12結(jié)構(gòu)基元：２個球點陣型式：２個球為二套等同點六方簡單BAAABABA設(shè)：球半徑：r，晶胞參數(shù)：aa與r的關(guān)系：空間利用率：2rbcaa2rA3堆積中,球數(shù):八面體空隙:四面體空隙=1:1:2晶胞內(nèi)有2個球，八面體空隙的坐標(biāo)：2個八面體空隙，4個四面體空隙。四面體空隙的坐標(biāo)：xyz

（4）致密度

0.74(74%)

（5）空隙半徑

●四面體空隙半徑為:

r四=0.225r原子●八面體空隙半徑為:

r八=0.414r原子

（6）配位數(shù)

12②體心立方密堆積A2和金剛石型堆積A4晶胞中含兩個球，分數(shù)坐標(biāo)：一套等同點，立方體心晶胞，又叫體心立方密堆積（bodycubicpacking）簡寫為：bcpA2堆積：配位數(shù)：8點陣型式：立方體心結(jié)構(gòu)基元：一個球a與r的關(guān)系：空間利用率：體心立方堆積中的空隙4r空隙半徑

在晶胞空隙中放入球的最大半徑稱為空隙半徑。體心立方晶胞中有兩種空隙：

●四面體空隙半徑:r四=0.29r原子

●八面體空隙半徑:r八=0.15r原子

四面體空隙半徑八面體空隙半徑晶胞中含有8個球，兩套等同點，結(jié)構(gòu)基元：2個球。金剛石型堆積(Si,Ge,~Sn與此相同)配位數(shù)：4點陣型式:立方F分數(shù)坐標(biāo):A4堆積:(又叫金剛石型堆積)不是密堆積a與r的關(guān)系：空間利用率總結(jié)：二、金屬晶體的堆積型式和金屬的原子半徑絕大多數(shù)金屬單質(zhì)都是A1，A2，A3型，少數(shù)金屬單質(zhì)具有A4型(如:Si,Ge,Sn)或其它特殊結(jié)構(gòu)型式(Mn--x)。1、金屬晶體的堆積型式（P524表5-3.2）2、金屬原子半徑定義：金屬晶體中緊鄰原子間距離的一半。如：立方F點陣立方I點陣同一種金屬元素，在不同結(jié)構(gòu)型式中金屬的原子半徑不同。配位數(shù)1286421原子半徑相對值1.000.970.960.880.810.72P524表5—3.2中金屬原子半徑已折合成配位數(shù)為12A2型是A1或A3型的97%習(xí)題類型：計算（金屬原子半徑,金屬密度等）和填空。例1：金屬Pt為A1型結(jié)構(gòu)，立方晶胞參數(shù)a=392.3pm,Pt的相對原子質(zhì)量為195，試求Pt的密度和原子半徑。解：A1型→立方面心晶胞例2：灰錫為金剛石型結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)a=648.9pm。①寫出晶胞中8個Sn原子的分數(shù)坐標(biāo)②計算Sn原子的的半徑③求:Sn的相對原子質(zhì)量④白Sn屬四方晶系a=583.2pm,c=318.1pm,晶胞中含4個

Sn原子，計算說明由白Sn變?yōu)榛襍n體積是膨脹了，還是收縮了。⑤白Sn中Sn--Sn間最短距離為302.2pm，試對比灰Sn數(shù)據(jù)，估計哪種Sn的配位數(shù)高。解：①②A4型結(jié)構(gòu)中③④白Sn中白Sn灰Sn密度由7.265.75∴體積增大了。⑤誰的間距大(半徑大),誰的配位數(shù)高。白Sn中原子的配位數(shù)高灰Sn中白Sn灰Snt<13.20C金屬晶體的結(jié)構(gòu)a與r的關(guān)系配位數(shù)68.028222A3(AB,AB…)4A1(ABC,ABC…)811274.054434.01A4A2堆積方式點陣型式立方F立方I六方簡單立方F球數(shù)及坐標(biāo)一個晶胞中結(jié)構(gòu)基元數(shù)空間利用率(%)41274.05ABOGEDxyEGABCDOF300yxz八面體空隙:●四面體空隙:●●球數(shù):△空隙=1:2三個球圍成的空隙叫△空隙。特點：▲▲▲▲▲▲①層中每個球都與六個球緊密接觸，并形成六個△空隙。②垂直密置層的方向有,密置層中可畫出六方格子，每個格子中包含一個圓球和二個△空隙。BAAAB例2：金屬鉭為A2型結(jié)構(gòu)，立方晶胞參數(shù)a=330pm,鉭的相對原子質(zhì)量為181，試求Ta的密度和原子半徑