材料科学基础第2章-2.ppt

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1、 2.2 2.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 2.2 2.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 金金属属在在固固态态下下一一般般都都是是晶晶体体。决决定定晶晶体体结结构构的的内内在在因因素素是是原原子子，离离子子，分分子子间间键键合合的的类类型型及及键键的的强强弱弱。金金属晶体是以金属键结合，其晶体结构比较简单属晶体是以金属键结合，其晶体结构比较简单,常见的有常见的有:。心立方结构心立方结构A1或或fcc(facecentered cubic)立方晶系立方晶系 (Al,Cu,Ni,-Fe,Au,Ag)体心立方结构体心立方结构A2或或bcc(body-centered cubic)立方晶系立方晶系

2、 (Cr,V,Mo,-Fe,Nb,W,-Ti)密密排排六六方方结结构构A3或或hcp(hexagonalclose-packed)六六方方晶晶系系 (Mg,Zn,Re,-Ti)面心立方结构面心立方结构 A1 或或 fcc体心立方结构体心立方结构A2或或 bcc 密排六方结构密排六方结构A3或或 hcp 2.2.1 2.2.1 三种典型金属晶体结构三种典型金属晶体结构对晶胞的描述包括一下几个方面：对晶胞的描述包括一下几个方面：对晶胞的描述包括一下几个方面：对晶胞的描述包括一下几个方面：晶胞中原子的排列方式晶胞中原子的排列方式(原子所处的位置原子所处的位置)点阵参数点阵参数(晶格常数和晶轴间夹角晶

3、格常数和晶轴间夹角)晶胞中原子数晶胞中原子数原子半径原子半径 R(R(原子的半径原子的半径)()(和点阵常数关系和点阵常数关系)配位数配位数配位数配位数(coordinative number)coordinative number)coordinative number)coordinative number)和致密度和致密度和致密度和致密度密排方向和密排面密排方向和密排面晶体结构中的间隙晶体结构中的间隙(大小和数量大小和数量)原子的堆垛方式原子的堆垛方式配位数配位数配位数配位数(CN):CN):CN):CN):是指晶体结构中任一原子周围最近邻且是指晶体结构中任一原子周围最近邻且是指晶体结构

4、中任一原子周围最近邻且是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数；等距离的原子数；等距离的原子数；等距离的原子数；面心立方结构（面心立方结构（面心立方结构（面心立方结构（12121212）体心立方结构（体心立方结构（体心立方结构（体心立方结构（8 8 8 8）（）（）（）（8+68+68+68+6）（见课本）（见课本）（见课本）（见课本P.38P.38P.38P.38表表表表2.72.72.72.7表注）表注）表注）表注）密排六方结构（密排六方结构（密排六方结构（密排六方结构（12121212）（）（）（）（6+66+66+66+6）（见课本）（见课本）（见课本）（见课本P.38P.38

5、P.38P.38表表表表2.72.72.72.7表注）表注）表注）表注）面心立方原子配位数面心立方原子配位数体心立方原子配位数体心立方原子配位数密排六方结构原子配位数密排六方结构原子配位数三种典型金属晶体结构晶胞原子数三种典型金属晶体结构晶胞原子数246原子半径与晶格常数原子半径与晶格常数见P.36表2.5致密度致密度致密度致密度(K)K)K)K)：是指晶体结构中原子体积占总体积的百分是指晶体结构中原子体积占总体积的百分是指晶体结构中原子体积占总体积的百分是指晶体结构中原子体积占总体积的百分比。比。比。比。如以一个晶胞来计算，则致密度就是晶胞中原子体积如以一个晶胞来计算，则致密度就是晶胞中原子

6、体积如以一个晶胞来计算，则致密度就是晶胞中原子体积如以一个晶胞来计算，则致密度就是晶胞中原子体积与晶胞体积之比值，即与晶胞体积之比值，即与晶胞体积之比值，即与晶胞体积之比值，即 0.68 0.74 0.74三种典型金属晶格密排面的堆垛方式三种典型金属晶格密排面的堆垛方式三种典型金属晶格密排面的堆垛方式三种典型金属晶格密排面的堆垛方式三种典型金属晶格密排面的堆垛方式三种典型金属晶格密排面的堆垛方式三种典型金属晶格密排面的堆垛方式三种典型金属晶格密排面的堆垛方式面心立方原子堆垛顺序面心立方原子堆垛顺序面心立方晶体的面心立方晶体的 ABCABC ABCABC 顺序密堆结构顺序密堆结构体心立方晶格原子

7、堆垛顺序体心立方晶格原子堆垛顺序体心立方晶格的体心立方晶格的 ABAB ABAB 密堆结构密堆结构密排六方晶格原子堆垛顺序密排六方晶格原子堆垛顺序密排六方的密排六方的ABAB ABAB 堆垛结构堆垛结构1.1.面心立方结构面心立方结构(特征）特征）晶晶胞胞中中原原子子排排列列:在在立立方方体体的的八八个个顶顶角角和和六六个个面面的的面面心心各各有有一个原子。一个原子。点阵参数点阵参数:a=b=a=b=c c；=90=90 晶胞中原子数晶胞中原子数:n=8n=81/81/86 61/2=4 1/2=4 个个原子半径原子半径 R:R:原子半径原子半径-两个相互接触的原子中心距离一半两个相互接触的原

8、子中心距离一半 配位数与致密度配位数与致密度:配位数配位数 CN=12CN=12 致密度致密度 k=0.74k=0.741.1.面心立方结构（间隙及堆垛方式）面心立方结构（间隙及堆垛方式）间隙有两种间隙有两种:四面体间隙和八面体间隙，如图四面体间隙和八面体间隙，如图2.322.32 八八面面体体间间隙隙（有有八八面面的的空空隙隙）位位于于晶晶胞胞体体中中心心和和每每个个棱棱边边的的中中点点，由由 6 6 个个面面心心原原子子所所围围成成,大大小小r rB B=0.414R=0.414R，r rB B为为间间隙半径，隙半径，R R为原子半径，间隙数量为为原子半径，间隙数量为4 4个。个。四四面面

9、体体间间隙隙（有有四四面面的的 intersticeinterstice）由由一一个个顶顶点点原原子子和和三个面心原子围成，其大小：三个面心原子围成，其大小：r rB B=0.225R=0.225R，间隙数量为间隙数量为8 8个。个。堆垛方式堆垛方式：ABCABCABCABC或或ACBACBACBACB的顺序堆垛的顺序堆垛具有面心结构金属具有面心结构金属:FeFe、AlAl、CuCu、NiNi、AuAu、AgAg等。等。2.2.体心立方晶格体心立方晶格(特征）特征）原子排列原子排列:晶胞八个顶角和晶胞体心各有一个原子晶胞八个顶角和晶胞体心各有一个原子点阵参数点阵参数:a=b=a=b=c c，=

10、90=90 晶胞中原子数晶胞中原子数:n=8n=81/81/81=21=2个个原子半径原子半径:配位数和致密度配位数和致密度:配位数：配位数：CN=8CN=8 致密度：致密度：k=0.68k=0.682.2.体心立方晶格（间隙及堆垛方式）体心立方晶格（间隙及堆垛方式）间隙间隙:也是两种，为八面体和四面体间隙，如图也是两种，为八面体和四面体间隙，如图2.33 八八面面体体间间隙隙位位于于晶晶胞胞六六面面体体每每个个面面的的中中心心和和每每个个棱棱的的中中心心由由一一个个面面上上四四个个角角和和相相邻邻两两个个晶晶胞胞体体心心共共6个个原原围围成成，即即数数量量为为6。大大小小为为rB=0.154

11、R(在在)或或rB=0.633R(在在)。四四面面体体间间隙隙由由两两个个体体心心原原子子和和两两个个顶顶角角原原子子所所围围成成大小大小rB=0.291R,有有 12 个。个。堆垛方式堆垛方式:ABABAB的顺序堆垛的顺序堆垛bcc结构金属结构金属:Fe、Fe、Cr、Mo、W、V等等3.3.密排六方晶格（特征）密排六方晶格（特征）原原子子排排列列:正正六六棱棱柱柱体体 12 个个顶顶角角和和上上下下底底中中心心各各有有一一个个原原子子，正六棱柱体中心有三个原子正六棱柱体中心有三个原子点阵参数点阵参数:a1=a2=a3c，=90，=120晶胞中原子数：晶胞中原子数：n=121/621/23=6

12、个个原子半径原子半径:2R=a R=a/2配位数和致密度配位数和致密度 配位数：配位数：CN=12 致密度致密度:K=0.743.3.密排六方晶格密排六方晶格(间隙及堆垛方式）间隙及堆垛方式）间隙间隙:较为复杂，如图较为复杂，如图2.342.34 八面体间隙八面体间隙r rB B=0.414R =0.414R 有有 6 6 个个 四面体间隙四面体间隙r rB B=0.225R =0.225R 有有 12 12 个个堆垛方式堆垛方式:ABABABABABAB顺序堆垛顺序堆垛hcphcp结构金属有结构金属有:MgMg、ZnZn、BeBe、CdCd等等面心立方八面体间隙面心立方八面体间隙面心立方四面

13、体间隙面心立方四面体间隙面心立方四面体间隙面心立方四面体间隙体心立方的间隙体心立方的间隙体心立方八面体间隙体心立方八面体间隙体心立方四面体间隙体心立方四面体间隙密排六方晶格八面体间隙密排六方晶格八面体间隙密排六方晶格四面体间隙密排六方晶格四面体间隙2.2.2 2.2.2 多晶型性多晶型性 多多晶晶型型性性指指某某些些金金属属在在不不同同温温度度和和压压力力下下具具有有不不同同的的晶晶体结构。体结构。多多晶晶型型性性转转变变指指金金属属在在外外部部条条件件 (如如 T T 和和 P)P)改改变变时时，其其内内部部从从一一种种晶晶体体结结构构向向另另一一种种晶晶体体结结构构的的转转变变,又又称称同

14、同素素异构（同素异性）转变异构（同素异性）转变例如纯铁例如纯铁:2.2.3 2.2.3 晶体的各向异性晶体的各向异性 各向异性：各向异性：由于在不同方向上的原子排列的紧密程由于在不同方向上的原子排列的紧密程度不同使晶体在不同方向上的物理、化学和力学性度不同使晶体在不同方向上的物理、化学和力学性能不同。而一般整个晶体不显示各向异性，称为伪能不同。而一般整个晶体不显示各向异性，称为伪等向性。等向性。晶粒：晶粒：组成晶体的结晶颗粒。组成晶体的结晶颗粒。多晶体：多晶体：凡由两颗以上晶粒组成的晶体一般金属都凡由两颗以上晶粒组成的晶体一般金属都是多晶体。是多晶体。晶晶 粒粒多相合金多相合金本节的基本要求本节的基本要求 需掌握如下的概念和术语：需掌握如下的概念和术语：各向同性与各向异性；同素异构转变（重结各向同性与各向异性；同素异构转变（重结晶）晶）三种典型晶体结构的特征三种典型晶体结构的特征（包括：晶胞形状、（包括：晶胞形状、晶格常数、晶胞原子数、原子半径、配位数、晶格常数、晶胞原子数、原子半径、配位数、致密度、各类间隙尺寸与个数，最密排面致密度、各类间隙尺寸与个数，最密排面（滑移面）和最密排方向的指数与个数，滑（滑移面）和最密排方向的指数与个数，滑移系数目等）。移系数目等）。多晶体与单晶体、晶粒、晶界；多晶体与单晶体、晶粒、晶界；