第二章晶体结构

1、2.2 金属的晶体结构金属的晶体结构晶体结构晶体结构 构成晶体的基元在三维空构成晶体的基元在三维空间的具体的排列方式。间的具体的排列方式。空间点阵空间点阵 + 基元基元（基元（基元原子、离子或分子）原子、离子或分子） 固态金属一般都是固态金属一般都是晶体晶体。 决定晶体结构的内在因素决定晶体结构的内在因素原子、离子或分子之间的原子、离子或分子之间的键键合类型和键合强度合类型和键合强度。 金属晶体金属晶体的结合键的结合键金属键金属键。 金属键无方向性，大多数金属为金属键无方向性，大多数金属为紧密并具有高对称性的简紧密并具有高对称性的简单排列单排列。所以在工业上使用的金属除少数具有复杂的晶体结构。

2、所以在工业上使用的金属除少数具有复杂的晶体结构外，绝大多数金属具有外，绝大多数金属具有面心立方（面心立方（face-centered cubic, f. c. c.）、）、体心立方（体心立方（body -centered cubic, b. c. c.）和密排立方）和密排立方(hexagonal closed packed, h. c. p.)等三种典型的晶体结构。等三种典型的晶体结构。 共价键共价键与与离子键离子键材料为适应键、离子尺寸差别和价引起的材料为适应键、离子尺寸差别和价引起的种种限制，往往具有较种种限制，往往具有较复杂的结构复杂的结构。2.2.1 三种典型晶体结构三种典型晶体结构三

3、种典型晶体结构面心立方（面心立方（fcc）体心立方（体心立方（bcc）密排六方密排六方(hcp）点阵类型点阵类型A1型型A2型型A3型型晶体学特点的描述包括晶体学特点的描述包括n原子排列方式原子排列方式n晶胞内原子数目晶胞内原子数目n点阵常数点阵常数n原子半径原子半径n配位数配位数n致密度（体、面和线）致密度（体、面和线）n原子间隙大小原子间隙大小常见金属晶体结构特性常见金属晶体结构特性面心立方晶格参数Al、Cu、Ni和-Fe等约20种 原子数原子数412配位数配位数 最近邻且等距离的原最近邻且等距离的原子数目。子数目。 通常原子半径随配位通常原子半径随配位数的减小而减少。数的减小而减少。原子

4、半径原子半径（体）致密度（体）致密度74%a42 由原子排列的刚球模型可由原子排列的刚球模型可看出球与球之间存在许多间隙，看出球与球之间存在许多间隙，分析间隙的数量、大小及位置分析间隙的数量、大小及位置对了解材料的对了解材料的相结构相结构、扩散扩散、相变相变等问题都是很重要的。等问题都是很重要的。 面心立方八面体间隙比体面心立方八面体间隙比体心立方中间隙半径较大的四方心立方中间隙半径较大的四方体间隙半径还大，因此面心立体间隙半径还大，因此面心立方结构的方结构的-Fe-Fe的溶碳量大大超过的溶碳量大大超过体心立方结构的体心立方结构的-Fe-Fe 。面心立方面心立方晶格中的晶格中的4个个8面体间隙

5、面体间隙（1+12/4=1+3=4 ）面心立方面心立方晶格中的晶格中的8面体间隙原子半径面体间隙原子半径=0.414Ra146. 0aa422=0.225R面心立方晶格中的面心立方晶格中的8个个4面体间隙面体间隙体心立方晶格参数Cr、V、Mo、W和-Fe等30多种 原子数原子数2配位数配位数8+6原子半径原子半径（体）致密度（体）致密度68%43a43a体心立方晶格的6个八面体和12个四面体间隙体心立方晶格的12个四面体间隙密排六方晶格参数Mg、Zn、Cd、Be等20多种 原子数原子数661/62+21/2+3=6配位数配位数6+6原子半径原子半径（体）致密度（体）致密度74%2a与与FCC结

6、构相同，为纯金属中最密集的结构结构相同，为纯金属中最密集的结构12个个4面体面体 6个个8面体面体2.2.2 晶体的原子堆垛方式和间隙晶体的原子堆垛方式和间隙密排面和密排方向密排面和密排方向FCCFCC结构结构密排面密排面 111 111 FCCFCC结构结构密排面密排面 111 111 密排方向密排方向 密排面密排面 111111密排方向密排方向 密排面堆垛方式密排面堆垛方式ABCABCABCABCBCC结构结构密排面密排面 110 110 密排方向密排方向 密排面密排面0001 0001 密排方向密排方向HCP结构结构HCP结构堆垛方式结构堆垛方式ABABAB.常见金属晶体结构特性常见金属

7、晶体结构特性2.2.3 多晶型与同素异构体多晶型与同素异构体纯铁的同素异构转变与同素异构体纯铁的同素异构转变与同素异构体 许多金属在固态下只有一许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等种晶体结构，如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。钨、钼、均为面心立方晶格。钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格。钒等金属则为体心立方晶格。 有些金属在固态下，存在有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格形式，两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等。这类金属在如铁、钴、钛等。这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。金属在固态

8、下式会发生变化。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变同素异构转变。纯铁的同素异构转变与同素异构体纯铁的同素异构转变与同素异构体 液态纯铁在液态纯铁在15381538进行结进行结晶，得到具有晶，得到具有体心立方体心立方晶格的晶格的-FeFe 继续冷却到继续冷却到13941394时发生时发生同素异构转变同素异构转变, , 成为成为面心立方面心立方晶格的晶格的 - -FeFe。 再冷却到再冷却到912912时又发生时又发生一次一次同素异构转变同素异构转变, , 成为成为体心体心立方立方晶格的晶格的 - - FeFe。 复习思考题复习思考题n3种典型金属晶体结构的晶体学特征（原子数、点种典型金属晶体结构的晶体学特征（原子数、点阵常数、配位数、致密度、间隙类型及间隙数、密阵常数、配位数、致密度、间隙类型及间隙数、密排面和密排方向）排面和密排方向）n合金、组元、