材料科学基础第2章1

第二章金属及合金相的晶体结构§2.1金属中常见的晶体结构§2.2密堆积结构中密排原子面的堆积方式§2.3密堆积结构中的间隙§2.4体心立方结构的间隙§2.5同素异构性§2.6金属晶体中原子大小材料的结合键

各种工程材料是由各种不同的元素组成，由不同的原子、离子或分子结合而成。结合键原子、离子或分子之间的结合力。结合键分为：离子键共价健金属键分子键一、离子键正电性元素原子失去最外层价电子变成正离子，负电性元素原子后者获得电子变成负离子。正离子和负离子由静电引力相互吸引，形成稳定的离子键。NaCl、MgO、Al2O3等由离子键组成。离子键示意图氧化镁结构

离子键特点：结合力很大。离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系统小，但脆性大。离子键中很难产生可以自由运动的电子，离子晶体都是良好的绝缘体。离子外层电子被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸收可见光，典型的离子晶体是无色透明的。二、共价键处于周期表中间位置的三、四、五价元素原子之间或与邻近元素原子形成分子或晶体时，以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。由共用价电子对产生的结合键叫共价键。

共价键示意图金刚石为共价晶体。由碳原子组成，构成正四面体：一个碳原子在中心，另外4个碳原子在4个顶角上。硅、锗、锡等元素也可构成共价晶体。属于共价晶体的有SiC、Si3N4、BN等化合物。

共价键特点：结合力很大。共价晶体强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低。金刚石结构

三、金属键周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子丢失价电子成为正离子。被丢失的价电子为全体原子所公有，叫自由电子，在正离子之间自由运动，形成电子气。正离子在三维空间规则分布。正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力叫金属键。

金属键示意图

钼的结构

金属由金属键结合，金属具有下列特性：

1.良好的导电性和导热性。金属中存在大量自由电子，外加电场时电子可以定向地流动。金属的导热性很好。自由电子的活动性很强，金属离子振动作用导热。

2.正的电阻温度系数。随温度升高电阻增大。

3.不透明并呈现特有的金属光泽。

自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到表面的光能。

4.良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。

金属键没有方向性，受外力作用发生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏。四、分子键甲烷分子在固态能相互结合成为晶体。结合过程中没有电子的得失、共有或公有化。靠范特瓦尔斯力结合起来，这种结合键叫分子键。分子键示意图

甲烷结构在含氢的物质，特别是含氢的聚合物中，一个氢原子可同时和两个与电子亲合能力大的、半径较小的原子(F、O、N)相结合,形成氢键。氢健是一种较强的、有方向性的范德瓦尔斯键。尼龙66的结构

分子键特点：范德瓦尔斯力很弱，由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低。因无自由电子，材料有良好的绝缘性。一、晶体结构的密堆积原理1、密堆积原理金属晶体——金属键离子晶体——离子键分子晶体——范德华力原子晶体——共价键混合型晶体——共价键和范德华力晶体分类：结合力无方向性和饱和性~有方向性和饱和性密堆积原理：原子、离子、分子的排布总是趋向于配位数高，空间利用率大的紧密堆积结构方式，最紧密的堆积往往是最稳定的结构。金属晶体离子晶体空间利用率(堆积系数)：空间利用率n~晶胞内圆球的数目配位数:密堆积：有限的原子、离子或分子尽量占取较小的空间的堆积。一个球周围最邻近的圆球的数目。——等径圆球的堆积模型——不等径圆球的堆积模型单位体积空间中圆球所占体积百分数。2、等径球的密堆积面心立方最密堆积（A1）六方最密堆积（A3）体心立方密堆积（A2）金刚石型堆积（A4）堆积型式①A1和A3型堆积等径圆球沿一维方向排列的唯一一种排列方式。密置列：等径圆球沿二维方向伸展的唯一一种排列方式。可抽象成平面点阵。密置层：将第二层球坐落在第一层球一半的△空隙上，就得到密置双层的唯一一种排列方式。密置双层：第三层球放在第二层球的空隙上有两种方式密置堆：重复ABC的堆积叫A1堆积，重复单位⃒ABC⃒。ABCAABA重复AB的堆积叫A3堆积，重复单位⃒AB⃒。四个球围成的空隙叫四面体空隙。六个球围成的空隙叫八面体空隙。4个▲四面体空隙3个●八面体空隙A1堆积：抽出立方面心晶胞，又叫面心立方最密堆积(cubicclosestpacking)简写为ccp。晶胞内含有4个球。分数坐标：AABCxyz密置层为(111)配位数：一套等同点，点阵型式：结构基元：1个球12立方面心CBA设：晶胞中球半径为r，晶胞参数为aa与r的关系：空间利用率：4raaA1堆积中,球数:八面体空隙:四面体空隙=1:1:2▲▲▲▲8个四面体空隙，6个八面体空隙。紫球周围：紫球分摊到：四面体空隙中，每个球占1/4个空隙。八面体空隙中，每个球占1/6个空隙。四面体空隙八面体空隙ＣＡＢA1中,晶胞中有4个球,4个八面体空隙,8个四面体空隙八面体空隙的坐标：四面体空隙的坐标：空隙半径

在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。

●四面体空隙半径:r四=0.225r原子

●八面体空隙半径:r八=0.414r原子四面体空隙半径八面体空隙半径抽出六方晶胞，又叫六方最密堆积(hexagonalclosestpacking)简写为hcp。

A3堆积：晶胞内含有２个球。分数坐标：xyzABA1200密置层为(001)配位数：12结构基元：２个球点阵型式：２个球为二套等同点六方简单BAAABABA设：球半径：r，晶胞参数：aa与r的关系：空间利用率：2rbcaa2rA3堆积中,球数:八面体空隙:四面体空隙=1:1:2晶胞内有2个球，八面体空隙的坐标：2个八面体空隙，4个四面体空隙。四面体空隙的坐标：xyz

（4）致密度

0.74(74%)

（5）空隙半径

●四面体空隙半径为:

r四=0.225r原子●八面体空隙半径为:

r八=0.414r原子

（6）配位数

12②体心立方密堆积A2和金刚石型堆积A4晶胞中含两个球，分数坐标：一套等同点，立方体心晶胞，又叫体心立方密堆积（bodycubicpacking）简写为：bcpA2堆积：配位数：8点阵型式：立方体心结构基元：一个球a与r的关系：空间利用率：体心立方堆积中的空隙4r空隙半径

在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。体心立方晶胞中有两种空隙：

●四面体空隙半径:r四=0.29r原子

●八面体空隙半径:r八=0.15r原子

四面体空隙半径八面体空隙半径晶胞中含有8个球，两套等同点，结构基元：2个球。金刚石型堆积(Si,Ge,~Sn与此相同)配位数：4点阵型式:立方F分数坐标:A4堆积:(又叫金刚石型堆积)不是密堆积a与r的关系：空间利用率总结：二、金属晶体的堆积型式和金属的原子半径绝大多数金属单质都是A1，A2，A3型，少数金属单质具有A4型(如:Si,Ge,Sn)或其它特殊结构型式(Mn--x)。1、金属晶体的堆积型式（P524表5-3.2）2、金属原子半径定义：金属晶体中紧邻原子间距离的一半。如：立方F点阵立方I点阵同一种金属元素，在不同结构型式中金属的原子半径不同。配位数1286421原子半径相对值1.000.970.960.880.810.72P524表5—3.2中金属原子半径已折合成配位数为12A2型是A1或A3型的97%习题类型：计算（金属原子半径,金属密度等）和填空。例1：金属Pt为A1型结构，立方晶胞参数a=392.3pm,Pt的相对原子质量为195，试求Pt的密度和原子半径。解：A1型→立方面心晶胞例2：灰锡为金刚石型结构，晶胞参数a=648.9pm。①写出晶胞中8个Sn原子的分数坐标②计算Sn原子的的半径③求:Sn的相对原子质量④白Sn属四方晶系a=583.2pm,c=318.1pm,晶胞中含4个

Sn原子，计算说明由白Sn变为灰Sn体积是膨胀了，还是收缩了。⑤白Sn中Sn--Sn间最短距离为302.2pm，试对比灰Sn数据，估计哪种Sn的配位数高。解：①②A4型结构中③④白Sn中白Sn灰Sn密度由7.265.75∴体积增大了。⑤谁的间距大(半径大),谁的配位数高。白Sn中原子的配位数高灰Sn中白Sn灰Snt<13.20C金属晶体的结构a与r的关系配位数68.028222A3(AB,AB…)4A1(ABC,ABC…)811274.054434.01A4A2堆积方式点阵型式立方F立方I六方简单立方F球数及坐标一个晶胞中结构基元数空间利用率(%)41274.05ABOGEDxyEGABCDOF300yxz八面体空隙:●四面体空隙:●●球数:△空隙=1:2三个球围成的空隙叫△空隙。特点：▲▲▲▲▲▲①层中每个球都与六个球紧密接触，并形成六个△空隙。②垂直密置层的方向有,密置层中可画出六方格子，每个格子中包含一个圆球和二个△空隙。BAAAB例2：金属钽为A2型结构，立方晶胞参数a=330pm,钽的相对原子质量为181，试求Ta的密度和原子半径