金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)12課件

第一章：金屬的晶體結(jié)構(gòu)§1—1金屬原子間的結(jié)合§1—2金屬的晶體結(jié)構(gòu)

§1—3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)2023/12/61金屬學(xué)與熱處理原理§1—1金屬原子間的結(jié)合一、金屬的一般特性和金屬鍵1、

特性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：原子結(jié)構(gòu)，核外電子數(shù)，最外層電子數(shù)，次外層電子數(shù)性能特點(diǎn)：良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)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(nèi)部的自身結(jié)構(gòu)和原子間的結(jié)合方式有關(guān)。2023/12/62金屬學(xué)與熱處理原理二、金屬鍵——電子云當(dāng)大量金屬原子結(jié)合在一起，構(gòu)成金屬晶體時(shí)，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(gè)金屬所共有，構(gòu)成電子云，金屬正離子在其平衡位置作高頻率的熱振動(dòng)；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(gòu)成穩(wěn)定的金屬晶體。這種結(jié)合方式稱之為金屬鍵。2023/12/63金屬學(xué)與熱處理原理金屬離子與自由電子之間存在著較強(qiáng)的作用力——金屬鍵e-+++++++++++++e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-2023/12/64金屬學(xué)與熱處理原理金屬特性的金屬鍵理論解釋(1)自由電子在電場(chǎng)的作用下定向運(yùn)動(dòng)形成電流，從而顯示出良好的導(dǎo)電性。(2)隨著溫度升高，正離子振動(dòng)的振幅要加大，對(duì)自由電子通過(guò)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(yùn)動(dòng)和正離子的振動(dòng)可以傳遞熱能，因而使金屬具有較好的導(dǎo)熱性。2023/12/65金屬學(xué)與熱處理原理⑷當(dāng)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(jié)合，使金屬顯示出良好的塑性。⑸自由電子能吸收可見(jiàn)光的能量，故金屬具有不透明性。吸收能量后跳到較高能級(jí)的電子，當(dāng)它重新跳回到原來(lái)低能級(jí)時(shí)，就把所吸收的可見(jiàn)光的能量以電磁波的形式輻射出來(lái)，在宏觀上就表示為金屬的光澤。2023/12/66金屬學(xué)與熱處理原理三、結(jié)合力與結(jié)合能上一級(jí)排斥力吸引力結(jié)合力結(jié)合能排斥能吸引能ABEABBA00dcd0原子間距d原子間距d2023/12/67金屬學(xué)與熱處理原理一、晶體與非晶體區(qū)別：規(guī)則排列與非規(guī)則排列內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)按一定的幾何規(guī)律呈周期性規(guī)則排列的物質(zhì)稱為晶體。晶體有固定的熔點(diǎn)（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(jié)晶傾向性：金屬鍵——金屬晶體共價(jià)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(jié)構(gòu)上一級(jí)晶體與非晶體在一定條件下可互相轉(zhuǎn)化。2023/12/68金屬學(xué)與熱處理原理二、晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣原子堆垛模型：真實(shí)、立體感強(qiáng)空間點(diǎn)陣：原子用節(jié)點(diǎn)表示，用空間網(wǎng)格表示原子間的關(guān)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(gè)可以代表原子空間排列情況的最小幾何結(jié)構(gòu)單元。晶格常數(shù)：a，b，c；α、β、γ2023/12/69金屬學(xué)與熱處理原理晶胞選取應(yīng)滿足下列條件：(1)晶胞幾何形狀充分反映點(diǎn)陣對(duì)稱性；(2)平行六面體內(nèi)相等的棱和角數(shù)目最多；(3)當(dāng)棱間呈直角時(shí)，直角數(shù)目應(yīng)最多；(4)滿足上述條件，晶胞體積應(yīng)最小。2023/12/610金屬學(xué)與熱處理原理14種點(diǎn)陣分屬7個(gè)晶系。

典型晶體結(jié)構(gòu)2023/12/611金屬學(xué)與熱處理原理上一級(jí)1、體心立方晶格(圖)

（BCC—Body-CenteredCube）

a=b=cα=β=γ=90°晶胞中實(shí)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(jié)構(gòu)體心立方BCC（A2型）2023/12/612金屬學(xué)與熱處理原理2、

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(jí)面心立方FCC（A1型）2023/12/613金屬學(xué)與熱處理原理3、

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(jí)（c）密排六方HCP（A3型）（HCP—HexagonalClose-Packed）2023/12/614金屬學(xué)與熱處理原理a、晶體結(jié)構(gòu)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(jí)2023/12/615金屬學(xué)與熱處理原理面心立方與密排六方的致密度

計(jì)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(jí)2023/12/616金屬學(xué)與熱處理原理b、配位數(shù)的概念配位數(shù)是指晶體結(jié)構(gòu)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(jí)2023/12/617金屬學(xué)與熱處理原理3、晶體中原子的堆垛方式和間隙

（1）原子堆垛方式上一級(jí)ABCBCCBBCACAACCA2023/12/618金屬學(xué)與熱處理原理AA（2）面向立方與密排六方比較上一級(jí)BBAC2023/12/619金屬學(xué)與熱處理原理（3）體心立方上一級(jí)AB2023/12/620金屬學(xué)與熱處理原理(4)間隙：間隙半徑（rB）：間隙中所能容納的最大圓球半徑。2023/12/621金屬學(xué)與熱處理原理2023/12/622金屬學(xué)與熱處理原理三種晶體基本參數(shù)歸納2023/12/623金屬學(xué)與熱處理原理四、晶面與晶向晶面：通過(guò)空間點(diǎn)陣，由一系列原子所構(gòu)成的平面稱為晶面。通過(guò)晶體中原子中心的平面稱晶面。晶向：通過(guò)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(gè)原子之間連線所指的方向稱為晶向。上一級(jí)2023/12/624金屬學(xué)與熱處理原理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(xué)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(guó)際上通用米勒指數(shù)標(biāo)定晶向和晶面。

上一級(jí)2023/12/625金屬學(xué)與熱處理原理1、

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

列括號(hào)[uvw]<uvw>上一級(jí)立方晶系的晶向和晶面指數(shù)2023/12/626金屬學(xué)與熱處理原理2、晶面指數(shù)求法①

設(shè)坐標(biāo)x，y，z,避圓點(diǎn)；②

求截距(x，y，z)；③

取倒數(shù)；④

化整數(shù)；⑤列括號(hào)(hkl)。{hkl}上一級(jí)2023/12/627金屬學(xué)與熱處理原理XYZ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]2023/12/628金屬學(xué)與熱處理原理晶面指數(shù)說(shuō)明：

a指數(shù)意義：代表一組平行的晶面；

b0的意義：面與對(duì)應(yīng)的軸平行；

c平行晶面：指數(shù)相同，或數(shù)字相同但正負(fù)號(hào)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。2023/12/629金屬學(xué)與熱處理原理3、六方系晶向指數(shù)和晶面指數(shù)a、六方系指數(shù)標(biāo)定的特殊性：

四軸坐標(biāo)系（三個(gè)參數(shù)時(shí)，等價(jià)指數(shù)不具有等價(jià)晶面）。b、晶面指數(shù)的標(biāo)定：標(biāo)法與立方系相同(四個(gè)截距)；用四個(gè)數(shù)字(hkil)表示；i=-(h+k)。

c、晶向指數(shù)的標(biāo)定標(biāo)法與立方系相同(四個(gè)坐標(biāo))；用四個(gè)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(diǎn)）。坐標(biāo)換算法：[UVW]~[uvtw]u=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(U+V)/3,w=W。2023/12/630金屬學(xué)與熱處理原理晶向指數(shù)標(biāo)定：從圓點(diǎn)出發(fā)，選擇可涉及a3的路徑，逐次沿著各坐標(biāo)移動(dòng)，最終到達(dá)標(biāo)定方向上的節(jié)點(diǎn)上。注意移動(dòng)時(shí)，滿足t=-(u+v)。2023/12/631金屬學(xué)與熱處理原理五、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(zhì)：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。2023/12/632金屬學(xué)與熱處理原理六、晶體的各向異性α-Fe的性能2023/12/633金屬學(xué)與熱處理原理七、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變——多晶型性有些金屬在不同溫度、壓力等外界條件下，會(huì)發(fā)生晶格類型的轉(zhuǎn)變，這種現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。鐵、鈦、錫、鈷、錳等都有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變體，如圖所示為鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。分析：

①液態(tài)鐵結(jié)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。2023/12/634金屬學(xué)與熱處理原理離子晶體氯化鈉晶體的形成：Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+2023/12/635金屬學(xué)與熱處理原理氯化鈉晶胞每個(gè)NaCl晶胞中有

個(gè)Cl，有

個(gè)Na+。442023/12/636金屬學(xué)與熱處理原理氯化銫晶體Cl-Cs+Cl-Cl-Cl-2023/12/637金屬學(xué)與熱處理原理氯化銫晶胞每個(gè)CsCl晶胞中有

個(gè)Cs+，有

個(gè)Cl-。112023/12/638金屬學(xué)與熱處理原理每個(gè)CO2

分子周圍與之緊鄰等距離的CO2有

個(gè),每個(gè)CO2

晶胞中含有

個(gè)CO2分子。1245

687431243125

687分子晶體2023/12/639金屬學(xué)與熱處理原理每個(gè)碳原子與

個(gè)六員碳環(huán)共用。原子晶體金剛石晶體結(jié)構(gòu)分析2023/12/6