材料科学基础1金属的晶体结构

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1、第一节金属与非金属(2)一、定义：核外电子、分类二、结合键（化和键）共价键、离子键、金属键、范德瓦尔键三、金属特性1.导电性2.导热性3.延展性4.正的电阻温度系数5.金属光泽第一章金属的晶体结构第二节晶体与非晶体一、概念：原子排列、金属晶体晶体是指其原子呈规则排列的固态物体。在自然界中，包括金属在内的大多数固体物质都属于晶体。天然晶体往往会具有规则的几何外形，如钻石、宝石、水晶等，冰花、雪花、食盐等也容易看到规则的几何外形。但金属晶体及其制品，一般则看不到规则的几何外形。少数物质，如玻璃、松香、木材、棉花等属于非晶

2、体，其内部的原子则是散乱分布，至多有些局部存在短程规则排列。由于晶体中的原子呈一定规则周期性的重复排列，造成晶体在性能上区别于非晶体的一些重要特性：（1）晶体可具有规则的几何外形；（2）晶体具有固定的熔点；（3）晶体具有各向异性。二、相互转化晶体向非晶体的转化及应用非晶体向晶体的转化及应用第三节金属晶体结构(2)一、晶体结构模型1.球体几何模型2.点阵几何模型3.晶胞几何模型晶格中选取一个最基本的几何单元来表达晶体规则排列的形式特点,如图1-1c.组成晶格的这种最基本的几何单元称为晶胞.晶胞的大小和形状常以晶胞的棱便

3、边长度a、b、c(称作晶格常数)和棱边间互相夹角α、β、γ来表示.晶格常数以Å为计量单位二、布拉菲点阵7个晶系14种布拉菲点阵模型三、常见金属晶体结构1.体心立方晶格<动画演示〉体心立方晶格的晶胞模型如图1-2所示。其晶胞是一个立方体，晶胞得三个棱边长度a=b=c，通常只用一个晶格常数a表示即可。三个晶轴之间夹角均为90°。在体心立方晶胞的每个角上和晶胞中心都排列有一个原子。体心立方晶胞中属于单个晶胞的原子数为（1/8）×8＋1＝2个（如图1-2）。在体心立方晶胞中，原子沿立方体对角线紧密地接触排列，长度为a，等于4

4、个原子半径，所以体心立方晶格的原子半径r＝a/4。具有体心立方晶格的金属有α-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W、β-Ti等。2.面心立方晶格<动画演示〉面心立方晶格的晶胞模型如图1-3所示。其晶胞也是一个立方体，晶格常数用a表示。在面心立方晶格的每个角上和晶胞的六个表面的中心都排列有一个原子。面心立方晶胞中属于单个晶胞的原子数为（1/8）×8＋（1/2）×6=4个（如图1-3）。在面心立方晶胞中，原子沿晶胞六个表面的对角线紧密地接触排列，长度为a，等于4个原子半径，所以面心立方晶格的原子半径r＝a/4。具有面心立方晶格

5、的金属有γ-Fe、Cu、Ni、Al、Ag、Au、Pb、Pt、β-Co等。<面心立方结构>3.密排六方晶格<动画演示〉密排六方晶格的晶胞模型如图1-4所示。在晶胞的12个角上各有一个原子，构成六方体，上、下底面的中心各有一个原子，晶胞内还有三个原子。晶格常数用柱体高度c和六边形的边长a两个晶格常数来表示，c与a之比c/a称为轴比，典型的密排六方晶格中c/a＝/3≈1.633。密排六方晶胞中属于单个晶胞的原子数为(1/6)×12＋(1/2)×2＋3=6个（如图1-4）。对于典型的密排六方晶格金属，相互相邻的两个原子紧密的

6、接触排列，长度为a，等于两个原子半径，所以密排六方晶格的原子半径r=a/2。具有密排六方晶格的金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti、α-Co等。四、典型晶格的致密度和配位数金属晶体的一个特点是趋于最紧密的排列，所以晶格中原子排列的紧密程度是反映晶体结构特征的一个重要因素。通常用两个参数来表征，一个是配位数，一个是致密度。(一)配位数配位数是指晶体中任意一个原子周围最近邻且等距离的原子的数目。配位数越大，晶体中的原子排列便越紧密。(二)致密度球体几何模型中，把原子看作刚性圆球，原子与原子结合时之间必然存有空隙。晶体中

7、原子排列的紧密程度可用原子所占体积与晶体体积的比值来表示，称为晶体的致密度。即：致密度=晶体中原子所占体积/晶体体积=单个晶胞中原子所占体积/晶胞体积晶体的致密度越大，晶体原子排列密度越高，原子结合越紧密。表1-1是三种典型金属晶格的计算数据。由表列数据可见，不论从配位数还是致密度来看，面心立方晶格和密排六方晶格的原子排列都是最紧密的，在所有晶体结构中属最密排排列方式。体心立方晶格次之，属次密排排列方式。表1-1三种典型晶格的数据五、晶体结构中的间隙三种典型晶体结构的间隙分四面体间隙和八面体间隙两种，体心立方间隙位如

8、图（图1-25）间隙半径为0.291和0.145；面心立方间隙位如图（图1-26）间隙半径为0.225和0.414；密排六方间隙位如图（图1-27）间隙半径同面心立方也为0.225和0.414。第四节典型晶体晶面、晶向分析(2)一、定义在晶体中，过各原子中心所构成的不同方位上的原子面称为晶面，过各原子中心所构成不同方向上的原子列称为晶向。二、晶