chap2-2 Solid Structure (Metal Crystal Structure).ppt

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1、新疆大学新疆大学材料物理（材料科学基础）物理科学与技术学院物理科学与技术学院 李强李强2007.1st TermMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li第二章第二章 固体结构固体结构2-22-2 金属的晶体结构金属的晶体结构由于金属键由于金属键不具有饱和性和方向性不具有饱和性和方向性，使金属的晶体结，使金属的晶体结构倾向于构倾向于紧密堆垛紧密堆垛排列排列。所以金属的晶体结构通常为所以金属的晶体结构通常为以下三种：以下三种：l面心立方结构面心立方结构(facecentered cubic,fcc)l体心立方结构体心立方结构(bodycentered cu

2、bic,bcc)l密排六方结构密排六方结构(hexagonal close-packed,hcp)2023/4/1Xinjiang UniversityMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构l 描述晶胞从以下几个方面：描述晶胞从以下几个方面：n点阵参数点阵参数：晶格常数和晶轴间夹角晶格常数和晶轴间夹角n晶胞中原子数晶胞中原子数n原子半径原子半径 R(R(和点阵常数的关系和点阵常数的关系)：采用刚球模型采用刚球模型 (见后见后)n配位数配位数 (coordinative number)(coord

3、inative number)：最近邻原子数最近邻原子数n致密度致密度：钢球模型中钢球模型中,晶胞中原子所占体积与晶胞总体晶胞中原子所占体积与晶胞总体积之比积之比n密排方向和密排面密排方向和密排面n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)n原子的堆垛方式原子的堆垛方式2023/4/1Xinjiang UniversityMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构l 原子半径：原子半径：不同晶体中原子的半径是不同的，它与不同晶体中原子的半径是不同的，它与晶体的结构晶体的结构以及以及原

4、子间原子间价键的类型价键的类型有关。有关。n对于对于金属金属和和共价键共价键晶体，一般采用刚球模型，原子半径晶体，一般采用刚球模型，原子半径R R定定义为义为最近邻原子距离的一半最近邻原子距离的一半：(1)(1)共价键晶体共价键晶体：R R取决于原子间是单键，双键或是三键。取决于原子间是单键，双键或是三键。键键数越多，数越多，R R越小越小。一般书中列的都是。一般书中列的都是单键半径单键半径。(2)(2)金属键晶体金属键晶体：R R与原子的配位数与原子的配位数CNCN有关。有关。CNCN，R R 。一般来说，一般来说，CNCN从从1212变到变到8,6,4,R8,6,4,R分别收缩分别收缩3%

5、,4%,12%3%,4%,12%。一般书中列的金属原子的半径都是对于一般书中列的金属原子的半径都是对于CN=12CN=12下的。下的。n对于对于离子晶体离子晶体，情况较简单，实验发现，在不同的化合物中，情况较简单，实验发现，在不同的化合物中，离子半径基本保持不变离子半径基本保持不变。Case：纯纯Fe在在915会发生同素异构转变，从会发生同素异构转变，从fcc转变为转变为bcc。如果认为发生转变时，。如果认为发生转变时，Fe原子的半径不变，则体原子的半径不变，则体积应该膨胀积应该膨胀(0.74-0.68)/0.74=8%。但实际上，转变时体。但实际上，转变时体积只膨胀了约积只膨胀了约0.87%

6、。这是因为金属原子半径与这是因为金属原子半径与CN有关有关，CNCN，R R。所以所以从从fccfccbcc(CN:12CN:128)8)时时,原子半径收缩。实际测量结原子半径收缩。实际测量结果果:R Rbccbcc=0.1251nm,=0.1251nm,R Rfccfcc=0.1284nm,=0.1284nm,R/R Rfccfcc=2.6%=2.6%。2023/4/1Xinjiang UniversityMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构l 面心立方面心立方fccfcc晶体：晶体：202

7、3/4/1Xinjiang UniversityMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构l 面心立方面心立方fccfcc晶体：晶体：密排面：密排面：111密排方向：密排方向：配位数配位数(最近邻数最近邻数):122023/4/1Xinjiang UniversityMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构l 面心立方的堆垛顺序：面心立方的堆垛顺序：密排面密排面111上的原子排布上的原子排布 B位置位置

8、()C位置位置()A面面 fcc的堆垛顺序为的堆垛顺序为ABCABC A原子面原子面 B原子面原子面 C原子面原子面 2023/4/1Xinjiang UniversityMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构l 体心立方体心立方bccbcc晶体：晶体：2023/4/1Xinjiang UniversityMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构l 体心立方体心立方bccbcc晶体：晶体：密排面：密

9、排面：110密排方向：密排方向：配位数配位数(最近邻数最近邻数):82023/4/1Xinjiang UniversityMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构l 体心立方的堆垛顺序：体心立方的堆垛顺序：密排面密排面110上的原子排布上的原子排布 bcc的堆垛顺序为的堆垛顺序为ABAB 2023/4/1Xinjiang UniversityMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构l 密排六方密排六方

10、hcphcp晶体：晶体：密排六方属于六方晶系，红色部分为它的晶胞，画出六棱柱只是密排六方属于六方晶系，红色部分为它的晶胞，画出六棱柱只是为了表示出其对称性。其晶胞为初基晶胞，基元含两个原子。为了表示出其对称性。其晶胞为初基晶胞，基元含两个原子。2023/4/1Xinjiang UniversityMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构l 密排六方密排六方hcphcp晶体：晶体：密排六方理想的轴比（此比密排六方理想的轴比（此比例下实现最紧密排列）为：例下实现最紧密排列）为：配位数为配位数为12 2

11、023/4/1Xinjiang UniversityMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构l 密排六方的堆垛顺序：密排六方的堆垛顺序：密排面密排面0001上的原子排布上的原子排布 B位置位置()C位置位置()A面面 hcp的堆垛顺序为的堆垛顺序为ABABA原子面原子面 B原子面原子面 2023/4/1Xinjiang UniversityMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构l 面心立方的间隙位置

12、：面心立方的间隙位置：八面体间隙八面体间隙(100)面面八面体间隙数目：八面体间隙数目：中心中心1个棱个棱 12/4=4个个2023/4/1Xinjiang UniversityMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构l 面心立方的间隙位置：面心立方的间隙位置：四面体间隙四面体间隙四面体间隙数目：四面体间隙数目：8 个个见左图，四面体间隙在体对见左图，四面体间隙在体对角线上，根据对称性可知：角线上，根据对称性可知：2023/4/1Xinjiang UniversityMaterials Scien

13、ce and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构l 体心立方的间隙位置：体心立方的间隙位置：八面体间隙八面体间隙(不对称不对称)八面体间隙数目：八面体间隙数目：面心面心 6/2棱棱 12/4=6 个个(110)面面0011102023/4/1Xinjiang UniversityMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构l 体心立方的间隙位置：体心立方的间隙位置：四面体间隙四面体间隙四面体间隙数目：四面体间隙数目：24/2=12 个个四面体

14、间隙的半径：四面体间隙的半径：2023/4/1Xinjiang UniversityMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构l 密排六方的间隙位置：密排六方的间隙位置：由于间隙位置处于两层原子之间的位置，由于间隙位置处于两层原子之间的位置，这样这样hcp与与fcc的情况完全一样，所以它们的的情况完全一样，所以它们的间隙位置的大小和数目完全一样。间隙位置的大小和数目完全一样。2023/4/1Xinjiang UniversityMaterials Science and Engineering,Dr.Q.Li2.2.1 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构2023/4/1Xinjiang University