第三节实际金属的晶体结构

第三节实际金属的晶体结构第一页，共九十一页，编辑于2023年，星期一一课程性质、任务及目的1课程性质专业基础课共56学时

2考试形式闭卷考试70%＋平时成绩30%3本课程的主要任务研究金属与合金的化学成分、组织结构、加工工艺和性能四要素及四要素之间的关系与变化规律。┗此亦为金属学的研究内容——实际中我们最关心的是性能第二页，共九十一页，编辑于2023年，星期一

举例：σb(MPa)铝合金400～600铜合金600～70040钢(退火态)50040钢(调质态)800性能取决于哪些因素呢？①化学成分不同，性能不同纯铝40

纯铜60

纯铁200第三页，共九十一页，编辑于2023年，星期一②化学成分相同，处理方式不同，性能不同如：

0.8℅C的钢锯条→800℃，冷却方式不同.

一根出炉后水冷，性硬而脆，一弯就断；另一根随炉缓慢冷却，性软，弯曲90°不断。又如：石墨和金刚石均由碳原子构成，但性能迥异。原因：碳原子的空间排列方式不同即内部组织结构不同第四页，共九十一页，编辑于2023年，星期一提高材料性能的主要途径：一方面改变材料的化学成分，另一方面改进材料的生产工艺，进而改变材料内部的组织结构与性能。***材料科学研究的四要素及相互关系线：性能Performance加工工艺Process化学成分Composition组织结构Construction内因外因

第五页，共九十一页，编辑于2023年，星期一4目的利用上述四要素关系和规律：（1）进行科学研究；（2）指导生产实践；（3）研制新合金材料。第六页，共九十一页，编辑于2023年，星期一1金属材料科学研究内容：成分、组织结构、工艺、性能┗其课程体系：

金属学、金属热处理、金属材料学、金属性能、材料分析技术与方法等。

2本课程主要内容:

金属学：第一章~第八章

金属热处理：第九章~第十章

金属材料学：第十二章~第十三章二本课程内容第七页，共九十一页，编辑于2023年，星期一(1)掌握金属材料的基本概念、基本理论与基本实验方法；(2)掌握金属材料的成分、组织结构、工艺、性能间关系的一般规律；(3)了解金属材料常用的分析方法，主要是金相分析方法。三要求第八页，共九十一页，编辑于2023年，星期一四参考文献(1)材料科学基础,西安交通大学,石德珂(2)金属学,宋维锡，冶金工业出版社,2000(3)材料科学基础,潘金生,清华大学出版社,1998(4)金属热处理,李松瑞,中南大学出版社,2003第九页，共九十一页，编辑于2023年，星期一金属金属的晶体结构实际金属的晶体结构第一章金属的晶体结构主要内容重点：金属的晶体结构学时数：6学时第十页，共九十一页，编辑于2023年，星期一金属：是具有正的电阻温度系数的物质，通常具有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽。§1.1金属㊣第十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期一原子(10-8cm)原子核(10-12cm)质子原子核=质子＋中子中子电子(10-13cm)(9.1х10-28g)

1、孤立自由原子的结构特点核外电子按能量等级由高到低分层排列着，内层电子的能量最低，最稳定，最外层电子能量高，与核结合弱，称为价电子。金属原子的结构特点第十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期一价电子=2价电子=3特点:

其最外层的电子数很少，一般为1～2个，不超过3个。易失去电子变为正离子，常称为正电性元素。Mg：1s22s22p23s2Al：1s22s22p63s23p12、金属原子的结构特点第十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期一3其他类原子的结构特点

过渡族金属原子:

最外层的电子和次外层电子均可失去→导致化合价可变；原子结合力特强（因为次外层电子也参与结合）→宏观表现为熔点高，强度高。

非金属原子:其最外层的电子数很多，一般为4～7个。易获得电子变为负离子，常称为负电性元素。外层电子作用形式稳定的八电子排布结构接受或释放额外电子共有电子第十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期一材料结构原子结构原子的空间排列显微组织原子结构→原子排列结构→微观结构→宏观结构4材料的结构层次原子核外电子的排布方式显著影响材料的电、磁、光和热性能，还影响到原子彼此结合的方式，从而决定材料的类型。第十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期一晶态和非晶态。晶体结构显著影响材料的力学性能。材料结构原子结构原子的空间排列显微组织第十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期一晶粒的大小、合金相的种类、数量和分布等参数。材料结构原子结构原子的空间排列显微组织第十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期一晶粒合金相形貌第十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期一金属键离子键共价键由两种以上电负性相差很大的原子组成。易得失价电子→正负离子→①高价氧化物熔点高、硬度高、低塑性、是良好的电绝缘体。如Al2O3②低温导电性差、高温离子导电；③对可见光透明、吸收红外波长。

金属键物质原子间的结合键主要包括金属键、离子键和共价键三种。第十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期一不易失去也不易得到价电子，而是共有价电子成为8电子稳定结构→键有饱和性和方向性→①高熔点、高硬度、导电性差、低膨胀系数(强化合键)、性脆、延展性很差(方向性)。如陶瓷金属键离子键共价键第二十页，共九十一页，编辑于2023年，星期一处于集聚状态的金属原子，全部或大部分将它们的价电子贡献出来，为整个原子集体所共有，称为电子云。金属键：贡献出价电子的正离子沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来。这种结合方式称之为金属键。共有价电子→电子云→键无方向性和饱和性，不易被破坏金属键金属键模型金属键模型认为：固态金属中并非所有原子变为正离子，而是绝大部分处于正离子状态，仍有少部分处于中性原子状态。金属及其合金主要以金属键方式结合，但也会出现金属键与共价键或离子键混合的情况。第二十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期一如何用金属键来解释金属所具有的特性呢？导电性：在外电场的作用下，自由电子沿电场方向作定向运动。正的电阻温度系数：随着温度升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍作用也加大，即金属的电阻是随温度的升高而增加的。导热性：自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能。延展性：金属键没有饱和性和方向性，经变形不断裂。金属光泽：自由电子易吸收可见光能量，被激发到较高能量级，当跳回到原位时辐射所吸收能量，从而使金属具有金属光泽。金属键的性能特点：

1)良好的导电性及导热性；2)正的电阻温度系数；

3)良好的强度及塑性；4)特有的金属光泽。第二十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期一原子电子结构、电负性差异决定材料的结合机制：Sp价电子金属原子间：结合键只能是金属键；过渡金属：原子间结合有金属键和共价键；电负性差异很大的原子间：结合键只能是离子键；电负性差异不大的原子间：结合键既存在离子键又存在共价键。如：CaSO4对金属键、共价键和离子键的小结：Ca2+和SO42-之间为离子键结合，而SO4主要为共价键结合。第二十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期一ClCH聚氯乙烯（PVC塑料）范德瓦尔键（分子键）特性：分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也低。但其绝缘性良好。是分子或原子团间的一种弱静电结合，存在于高分子材料的分子间及一些陶瓷材料的分子层间，这类分子必然有显正电的部分和显负电的部分。一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相互吸引而结合在一起称为分子键。注意：分子间是范德瓦尔键，但分子内是原子间强有力的共价键。第二十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期一金属(Mg镁)分子(异戊烷)离子(NaCl)第二十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期一吸引力：正离子与负离子（电子云）间静电引力—长程力排斥力：正离子间，电子间的作用力—短程力结合力＝吸引力＋排斥力;结合能＝吸引能＋排斥能结合力：当原子靠近到一定程度时，原子间所产生的较强的作用力。为什么原子趋于规则紧密排列？注意：当两原子距离很远时，不发生相互作用结合力与结合能金属键模型以双原子作用模型为例第二十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期一原子间必须保持一定的平衡距离do，这是固态金属中的原子趋于规则排列的重要原因。距离大于do：F＜0（吸引力）距离小于do：F＞0（排斥力）两原子距离为do：F=0两原子势能E：两原子距离为do：E=EAB（最小）最大结合力=理论抗拉强度只有离开平衡位置都会使势能↑BC斜率越大，原子离开平衡位置所需力也越大→原子最稳定EAB——原子结合能或键能推广到多原子，说明原子趋于规则紧密排列的原因㊣Cd0dcAB0＋F－F结合力排斥力排斥力吸引力吸引力原子间距d原子间距d排斥能排斥能＋吸引能－吸引能EAB0A双原子作用模型结合能第二十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期一小结金属原子的结构特点:

其最外层的电子数很少，一般为1～2个，不超过3个。易失去电子变为正离子，常称为正电性元素。金属键：贡献出价电子的正离子沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来。这种结合方式称之为金属键。金属原子的结合力和结合能（说明了金属原子为什么具有规则紧密的排列方式）

因为：只有当原子间保持一定平衡的距离，原子结合能（键能）才最低，原子才处于最稳定状态。任何的偏离都将使原子结合能增加，使原子处于不稳定状态。第二十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期一作业1、试用金属键的结合方式，解释金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽等基本特性.2、填空：1)金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽主要是因为金属原子具有

的结合方式。

2)物质的原子间结合键主要包括

、

和

三种。3)大部分陶瓷材料的结合键为

。4)高分子材料的结合键是

。3、判断1)正的电阻温度系数就是指电阻随温度的升高而增大。（）2)金属具有美丽的金属光泽，而非金属则无此光泽，这是金属与非金属的根本区别。（

）第二十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期一4、选择题1)金属原子的结合方式是（）

A．离子键B共价键C金属键D分子键2)晶态金属的结构特征是（）

A近程有序排列B远程有序排列

C完全无序排列D部分有序排列3)正的电阻温度系数是指（）

A随温度增高导电性增大的现象B随温度降低电阻下降的现象

C随温度升高电阻减少的现象D随温度降低电阻升高的现象4)金属键的一个基本特征是（）

A．没有方向性B．具有饱和性

C.具有择优取向性D.没有传导性。第三十页，共九十一页，编辑于2023年，星期一第三十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期一§1.2金属晶体典型结构四硼酸铝铱钕晶体磷酸钛氧钾晶体四硼酸铝钕晶体第三十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期一第三十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期一非晶体——原子排列短程有序或无序非晶体的特点是：①结构无序；②物理性质表现为各向同性；③没有固定的熔点；④热导率（导热系数）和膨胀性小。

材料的原子排列注意晶体与非晶体的区别与联系第三十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期一晶体——基元在三维空间呈规律性排列单个的原子、离子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。

晶体的主要特点是：①结构上长程有序；②物理性质表现为各向异性；③有固定的熔点；④在一定条件下有规则的几何外形(天然晶体才有)。⑤对称性（周期性）。⑥最小内能和最大稳定性。注意：晶体和非晶体在一定条件下可互相转化第三十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期一非晶体：蜂蜡、玻璃等。晶体：金刚石、NaCl、冰等。液体第三十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期一原子（离子）的刚球模型原子中心位置

晶体结构与空间点阵钢球模型—用钢球代表空间排列的原子但难看清原子排列的规律和特点。可直观地看出原子在各个方向的排列都是很规则的。怎么办？第三十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期一晶胞点阵（晶格）模型晶格(lattice)：将阵点用线连接起来形成的空间格子。阵点：将构成晶体的原子或原子群抽象为纯粹的几何点。空间点阵：是一个几何概念。是阵点在三维空间中形成的有规律的某种对称排列。第三十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期一XYZabc晶格常数a，b，c晶胞(unitcell)：是从晶格中选取出来的一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元，可用来分析晶体中原子排列的规律性。晶胞大小常用棱边长度和夹角来表示。第三十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期一空间点阵是一种数学上的抽象!金刚石晶格模型(空间点阵)第四十页，共九十一页，编辑于2023年，星期一晶体结构=空间点阵+基元构成晶体的基元在三维空间有规律的周期性的具体排列方式甲：空间点阵乙：基元，含有两个不同的原子丙：晶体结构第四十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期一

布拉菲在1948年根据“每个阵点环境相同”的要求，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲点阵，分属7个晶系。晶系边长夹角晶体实例立方a=b=cα=β=γ=90°Cu,NaCl四方a=b≠cα=β=γ=90°Sn,SnO2正交a≠b≠cα=β=γ=90°I2,HgCl2三方a=b=cα=β=γ≠90°Bi,Al2O3六方a1=a2=a3cα=β=90°γ=120°Mg,AgI单斜a≠b≠cα=γ=90°β=120°S,KClO3三斜a≠b≠cα≠β≠γ≠90°CuSO4·5H2O七个晶系及有关特征空间点阵的种类第四十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期一七个晶系(triclinic)(monoclinic)(orthorhombic)(tetragonal)(cubic)(rhombohedral)(hexagonal)第四十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期一14种布拉菲空间点阵三斜P单斜C单斜P正交P立方P立方I立方F六方H三方R四方P四方I正交C正交F正交I第四十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期一三种典型晶体结构体心立方(body-centeredcubic)面心立方(face-centeredcubic)密排六方(hexagonalclose-packed)

三种典型晶体结构第四十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期一晶胞中所含原子数:

是指一个晶胞内真正包含的原子数目。配位数:

是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。原子半径:原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。晶格参数

致密度:

是指晶胞中原子所占体积分数，即K=nv′/V。式中，n为晶胞所含原子数、v′为单个原子体积、V为晶胞体积。间隙半径：顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径。第四十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期一1体心立方(bcc)晶格参数Cr、V、Mo、W和α-Fe等30多种密排方向第四十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期一①原子数(Atomicnumber):每个角上原子为相邻的8个晶胞所共有。第四十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期一②原子半径密排方向第四十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期一③配位数(coordinationnumber)

:8

配位数越大，原子排列越密集㊣第五十页，共九十一页，编辑于2023年，星期一a/2④致密度:致密度数值越大，则原子排列越紧密N个球密堆积，则有N个八面体间隙，2N个四面体间隙注意:⑤间隙半径：第五十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期一2面心立方(fcc)晶格参数-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等约20种。第五十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期一XYZabc密排方向第五十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期一①原子数:②配位数:12222233331111第五十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期一③原子半径:第五十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期一④致密度:⑤间隙半径：第五十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期一3密排六方(hcp)晶格参数Mg、Zn、Cd、Be等20多种第五十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期一①原子数:②原子半径:r=a/2第五十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期一③配位数:12第五十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期一④轴比：c/a=

1.633aACAaaaaaaDO第六十页，共九十一页，编辑于2023年，星期一⑤致密度:第六十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期一晶格参数一览表结构类型原子半径r原子数配位数致密度K=nυ/VfccA14120.74bccA2280.68hcpA3a/26120.74要求会计算并记忆第六十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期一为什么面心立方和密排六方结构不同而其紧密程度相同？即配位数均为12，致密度均为0.74第六十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期一最紧密堆积原理：晶体中各原子间的相互结合，可以看作是球体的堆积。球体堆积的密度越大，系统的势能越低，晶体越稳定，此即球体最紧密堆积原理。适用于：典型的离子晶体和金属晶体。㊣晶体中的原子堆垛方式第六十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期一球体最紧密排列的平面就是密排面密排立方密排面为底面面心立方密排面为垂直于立方体空间对角线的对角面第六十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期一a)b)bbbcccc)密排面上原子排列示意图第六十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期一第三层bbbABC第六十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期一两种三层堆叠方式ABA:第三层位于第一层正上方ABC:第三层位于一二层间隙第六十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期一见P11图1-13第六十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期一体心立方结构原子的堆垛方式AB

体心立方原子排列较为紧密的面为晶胞立方体的两个斜对角线所组成的面，若将该面向四周扩展，则如下图所示。由图可看出，这层原子面的空隙是由四个原子所构成的，紧密程度较差（密排六方和面心立方密排面的空隙是由三个原子所构成的），称为次密排面。为获得较紧密的排列，第二层次密排面(B层)的每个原子应坐落在第一层(A层)空隙中心上，第三层原子位于第二层空隙处并与第一层的原子中心重复，以此类推。第七十页，共九十一页，编辑于2023年，星期一晶面：在晶体中，由一系列原子所构成的平面。晶向：在晶体中，任意两个原子之间连线所指的方向。表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的位向称为晶面指数和晶向指数。

∵不同的晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，原子间相互作用就不同㊣晶面及晶向力学性能和理化性能也不同。第七十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期一ABB’O晶向指数的确定方法：①建立以晶胞的边长作为单位长度的坐标系。设坐标②从坐标原点引一有向直线平行于待定晶向。③在直线上任取一点求出该点的坐标值。求坐标值④将所得坐标值约成互质整数（化整数），再加方括号[]。⑤若晶向指向坐标负方向，则在晶向指数的这一数字之上冠以负号。[112][210][120]1晶向指数[uvw]第七十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期一晶向指数相同，符号相反的为同一条直线原子排列相同但空间位向不同的所有晶向

——晶向族<uvw><100>包括[100][010][001][123][0ī0][0ī0]与[010]第七十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期一2晶面指数（hkl）晶面指数的确定方法：①在以晶胞的边长作为单位长度的坐标系中取该晶面在各坐标轴上的截距。（设坐标、求截距）②取截距的倒数。取倒数③将倒数约成互质整数（化整数），再加圆括号（）第七十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期一另外还有｛100｝｛111｝等晶面族晶面的空间位向不同但原子排列相同的所有晶面——晶面族{hkl}立方晶系的｛110｝晶面族XXXXXXYYYYYYZZZZZZ(110)(101)(011)(ī10)(ī01)(0ī1)000000第七十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期一晶面指数的数字和顺序相同，符号相反则两平面互相平行同一晶面族各平行晶面的面间距相等。如：(111)与(īīī)第七十六页，共九十一页，编辑于2023年，星期一[100][111]当一个晶向[uvw]与一个晶面（hkl）平行时hu+kv+lw=0当一个晶向[uvw]与一个晶面(hkl)垂直时h=uK=vl=w如：[100]晶向与（010）晶面平行如：[111]晶向与（111）晶面垂直3晶面与晶向的关系第七十七页，共九十一页，编辑于2023年，星期一体心立方晶格中最密原子面是｛110｝，原子排列最密的方向是<111>。面心立方晶格中最密的原子面是｛111}，原子排列最密的方向是<110>。[100][111][110]ABCDEOF（110）第七十八页，共九十一页，编辑于2023年，星期一4六方晶系的晶向指数和晶面指数三坐标轴[UVW]四坐标轴[uvtω]u=2U/3-V/3v=2V/3-U/3t=-(u+v）ω=W晶向指数的确定：+x1=[100]=[īī0]=[010]=[111]+x2+x3=[001][ī2ī0][2īī0][īī20][0001][1123]第七十九页，共九十一页，编辑于2023年，星期一晶面指数的确定：X1、X2、X3、Z（hkil）i=-(h+k)(01ī0)(1ī00)(0001)(10ī0)(ī100)(ī010)(0ī10)+x2+x1+x3第八十页，共九十一页，编辑于2023年，星期一XYZXYZ晶体的各向异性原因:不同晶面或晶向上原子密度不同引起各种性能不同的现象。是晶体的一个重要特性，是区别于非晶体的一个重要标志第八十一页，共九十一页，编辑于2023年，星期一在实际生产中，一般见不到金属材料的各向异性特征。这是为什么呢？第八十二页，共九十一页，编辑于2023年，星期一多晶体:

实际应用的工程材料中，哪怕是一块尺寸很小材料，都包含着许许多多的小晶粒，每个小晶粒都是由大量位向相同的晶胞组成的，而各个小晶粒之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶粒组成的晶体为“多晶体”。由于多晶体晶粒与晶粒之间位向是任意的，晶粒的各向异性互相抵消，整个晶体不显示各向异性，称之为伪等向性。第八十三页，共九十一页，编辑于2023年，星期一晶粒：多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫做“晶粒”。

晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶界”。为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。

第八十四页，共九十一页，编辑于2023年，星期一单晶体:一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体”。在实用材料中，如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的晶须和其他一些供研究用的材料。实际生产中可通过特殊工艺制备单晶体。第八十五页，共九十一页，编辑于2023年，星期一例子：纯铁912℃