第一章金属的晶体结构1

1、1第一章第一章 金属的晶体结构金属的晶体结构组织结构不同，性能不同；组织结构不同，性能不同；性能（用途）性能（用途）组织结构组织结构成分成分工艺工艺四面体模型四面体模型化学成分不同，性能不同；化学成分不同，性能不同；加工制造工艺不同，性能不同；加工制造工艺不同，性能不同；成分相同、工艺不同，性能不同成分相同、工艺不同，性能不同金属和合金在固态下通常为金属和合金在固态下通常为。21-1 1-1 金属1-21-2 金属的晶体结构1-3 1-3 实际金属的晶体结构3一、 金属原子的结构特点1-1 1-1 金属金属？金属？最外层电子很少，一般为最外层电子很少，一般为1-2个，最多个，最多3个个具有正的

2、电阻温度系数的物质。具有正的电阻温度系数的物质。原子核：带正电原子核：带正电质子：正电荷质子：正电荷中子：电中性中子：电中性核外电子：带负电核外电子：带负电原子原子金属原子的结构特点金属原子的结构特点: 失去电子形成正离子（正电性元素）失去电子形成正离子（正电性元素）非金属？非金属？411个质子个质子12个中子个中子K 层 (n = 1)L 层 (n = 2)M 层 (n = 3)1s22s22p63s1Na钠（原子序数为钠（原子序数为11）原子结构中）原子结构中K、L和和M量子壳层的电子分布状况量子壳层的电子分布状况5非金属元素的原子结构特点非金属元素的原子结构特点 最外层最外层4-74-7

3、个元素个元素 得到电子形成负离子（负电性元素）得到电子形成负离子（负电性元素）过渡族金属元素的原子结构特点：过渡族金属元素的原子结构特点：最外层电子很少，一般为最外层电子很少，一般为1-21-2个，最多个，最多3 3个个金属原子的结构特点金属原子的结构特点: 失去电子形成正离子（正电性元素）失去电子形成正离子（正电性元素）最外层电子数很少一般为最外层电子数很少一般为1-21-2个，最多个，最多3 3个个（同于金属原子的结构特点）（同于金属原子的结构特点）；（Ti、V、Fe、Mn、Co等）等）次外层未填满、最外层先填充电子次外层未填满、最外层先填充电子6二、 金属键金属的特性金属的特性：金属中自

4、由电子与金属正离子之间构成的键合方式金属中自由电子与金属正离子之间构成的键合方式公有化的自由电子与正离子之间的结合方式公有化的自由电子与正离子之间的结合方式离子键：离子键：共价键：共价键：一失一得，静电作用一失一得，静电作用相邻原子共用它们的外部价电子，形成稳定的满壳层相邻原子共用它们的外部价电子，形成稳定的满壳层（金刚石）（金刚石）（氯化钠）（氯化钠）导电？自由电子沿电场方向导电？自由电子沿电场方向运动运动塑性？正离子始终被电子云包围塑性？正离子始终被电子云包围导热？自由电子运动、正离子振导热？自由电子运动、正离子振东东不透明、具有金属光泽？不透明、具有金属光泽？正的电阻温度系数？正的电阻温

5、度系数？71 1）正离子与电子的吸引力）正离子与电子的吸引力2 2）正离子与正离子、电子与电子的排斥力）正离子与正离子、电子与电子的排斥力“结合力结合力”是吸引力和排斥力的代数和是吸引力和排斥力的代数和三、三、 结合力与结合能结合力与结合能 问题：金属原子为什么排列规则，问题：金属原子为什么排列规则，并趋于紧密排列？并趋于紧密排列？结合能：？结合能：？固态金属中两个原子之间的作用力固态金属中两个原子之间的作用力：吸引能和排斥能的代数和吸引能和排斥能的代数和8排斥能吸引能结合能AB原子间距do吸引能排斥能 EABF排斥力引力结合力AB原子间距dodcF吸引力排斥力d0双原子作用模型双原子作用模型

6、理论抗拉强度理论抗拉强度d0平衡间距或位置平衡间距或位置dc理论抗拉强度理论抗拉强度最大结合力最大结合力? 任何对任何对d0偏离，都使势能升高偏离，都使势能升高? 形成原子团比单个原子能量低形成原子团比单个原子能量低? 原子周围最近邻的原子数越多原子周围最近邻的原子数越多结合能越低结合能越低? 能量越低，状态越稳定能量越低，状态越稳定EAB结合能或键能结合能或键能金属原子为什么排列规则，并趋于紧密排列？金属原子为什么排列规则，并趋于紧密排列？dd0时，相互吸引时，相互吸引dd0时，相互排斥时，相互排斥d=d0时，结合力为零时，结合力为零9一、晶体的特征晶体：原子晶体：原子（离子、分子）（离子、

7、分子）在三维空间作有规则的周在三维空间作有规则的周期性排列的物质。期性排列的物质。长程有序，各向异性长程有序，各向异性。 非晶体：原子非晶体：原子（离子、分子）（离子、分子）在三维空间内不规则排在三维空间内不规则排列的物质。列的物质。短程有序，各向同性短程有序，各向同性。 1-2 1-2 金属的晶体结构金属的晶体结构10二、晶体结构与空间点阵二、晶体结构与空间点阵 理想晶体理想晶体实际晶体的理想化实际晶体的理想化p三维空间无限延续，无边界三维空间无限延续，无边界p严格按周期性规则排列，是完整的、无缺陷。严格按周期性规则排列，是完整的、无缺陷。p原子在其平衡位置静止不动原子在其平衡位置静止不动晶

8、体中原子（离子、分子）在三维空间有规律的具体排列方式。晶体中原子（离子、分子）在三维空间有规律的具体排列方式。晶体结构晶体结构：11 理想晶体的晶体学抽象理想晶体的晶体学抽象?晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格子（空间点阵晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格子（空间点阵）?晶胞：完全反映晶体特征的最小几何单元晶胞：完全反映晶体特征的最小几何单元?阵点：代表构成晶体的原子的几何点阵点：代表构成晶体的原子的几何点1213&晶胞的表示法xyzabc?晶格常数或点阵常数 lattice constant ?三个棱边的长度a,b,c?轴间夹角,表示。14晶系与布拉菲点阵三个晶格常数三个晶格常数

9、a、b、c和三个轴间夹角和三个轴间夹角 、 、 七大晶系七大晶系14种点阵类型种点阵类型布拉菲点阵布拉菲点阵?14种布拉菲点阵(7个晶系crystal system) 15七个七个晶系晶系晶格常数；轴晶格常数；轴( (棱边棱边) )之间的夹角之间的夹角三斜晶系三斜晶系a b c，90 单斜晶系单斜晶系a b c，=90 正交晶系正交晶系a b c，=90 六方晶系六方晶系a = b c，=90，= 120 菱方晶系菱方晶系a = b =c， = 90 四方晶系四方晶系a = b c，=90 立方晶系立方晶系a = b =c， =90 7个晶系与14种布拉菲点阵16abca b c， 90 1、

10、三斜晶系、三斜晶系17bcbca b c， = = 90 aa2.单斜晶系单斜晶系18abccaba b c, = = = 903.正交晶系正交晶系19a = b c, = = 90 , = 120 = 120 ac4.六方晶系六方晶系205.菱方晶系菱方晶系aaaa = b = c， = = 90 21acaacaa = b c, = = = 90四四四四6.四方晶系四方晶系22aaaaaaaaaa = b = c， = = = 90 7.立方晶系立方晶系23最常见的金属晶体结构最常见的金属晶体结构（2）面心面心立方结构立方结构 Face-centered cubic（1）体心体心立方结构立

11、方结构 Body-centered cubic（3）密排密排六方结构六方结构 Hexagonal close-packed体心立方点阵体心立方点阵bccbcc面心立方点阵面心立方点阵fccfcc密排六方点阵密排六方点阵hcphcp241 1）晶胞中的原子数）晶胞中的原子数4 4）配位数配位数5 5）致密度）致密度 343nRnvKVV=晶体中原子排列的晶体中原子排列的紧密程度紧密程度是反映晶体结构特征的一个重要因素是反映晶体结构特征的一个重要因素2 2）点阵常数）点阵常数a a，c c3 3）原子半径）原子半径 r r28fcNNiN=N立方晶系立方晶系六方晶系六方晶系2fcNN iN=N+6

12、晶体结构特征的晶体结构特征的5个参数个参数配位数：指晶体结构中，与任一原子配位数：指晶体结构中，与任一原子最近邻并且等距离最近邻并且等距离的原子数的原子数致密度：晶胞中原子所占的致密度：晶胞中原子所占的体积分数体积分数25晶胞中含有晶胞中含有2 2个原子个原子刚球模型刚球模型质点模型质点模型晶胞原子数模型晶胞原子数模型-Fe、 Cr、 Mo、 W、 V 、Nb等约等约30多种多种28fcNNiN=N晶格常数晶格常数a=b=c;=9026原子密排列面是原子密排列面是110110，密排方向是密排方向是111111，在，在密排方向上原子相切：密排方向上原子相切： 致密度：致密度：每个原子有每个原子有

13、8 8个最近邻原个最近邻原子，配位数为子，配位数为8 8。k k原子半径原子半径27(2) (2) 面心立方（面心立方（fcc fcc ）晶胞中含有晶胞中含有4 4个原子。个原子。刚球模型刚球模型质点模型质点模型晶胞原子数模型晶胞原子数模型-Fe、 Cu、 Ni 、Al 、Ag等约等约20种种28fcNNiN=N晶格常数晶格常数a=b=c;=9028原子密排列面是原子密排列面是111111，密排方向是密排方向是110110，在，在密排方向上原子相切：密排方向上原子相切： 致密度：致密度：每个原子有每个原子有1212个最近邻个最近邻原子，配位数为原子，配位数为1212。k k原子半径原子半径29

14、(3) (3) 密排六方（密排六方（hcp hcp ）晶胞中含有晶胞中含有6 6个原子。个原子。刚球模型刚球模型质点模型质点模型晶胞原子数模型晶胞原子数模型2fcNN iN=N+6Zn 、Mg 、Cd 等等a=bc;=90；=120晶格常数晶格常数30轴比（轴比（axial ratio）313种典型的金属晶体结构参数小结种典型的金属晶体结构参数小结结构结构原子半径原子半径原子原子数数配位数配位数致密度致密度常见金属常见金属BCC-Fe, W, Mo,Nb, V, CrFCC-Fe, Cu, Al,Ag, Pb, NiHCPMg, Zn, Be, - Ti- Co, Cd02ar =034ra=024ra=001.633ca密排结构密排结构（