第一章金屬的晶體結(jié)構(gòu)1

1、1第一章第一章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)不同，性能不同；組織結(jié)構(gòu)不同，性能不同；性能（用途）性能（用途）組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)成分成分工藝工藝四面體模型四面體模型化學(xué)成分不同，性能不同；化學(xué)成分不同，性能不同；加工制造工藝不同，性能不同；加工制造工藝不同，性能不同；成分相同、工藝不同，性能不同成分相同、工藝不同，性能不同金屬和合金在固態(tài)下通常為金屬和合金在固態(tài)下通常為。21-1 1-1 金屬1-21-2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)1-3 1-3 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)3一、 金屬原子的結(jié)構(gòu)特點1-1 1-1 金屬金屬？金屬？最外層電子很少，一般為最外層電子很少，一般為1-2個，最多個，最多3個個具有正的

2、電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。原子核：帶正電原子核：帶正電質(zhì)子：正電荷質(zhì)子：正電荷中子：電中性中子：電中性核外電子：帶負(fù)電核外電子：帶負(fù)電原子原子金屬原子的結(jié)構(gòu)特點金屬原子的結(jié)構(gòu)特點: 失去電子形成正離子（正電性元素）失去電子形成正離子（正電性元素）非金屬？非金屬？411個質(zhì)子個質(zhì)子12個中子個中子K 層 (n = 1)L 層 (n = 2)M 層 (n = 3)1s22s22p63s1Na鈉（原子序數(shù)為鈉（原子序數(shù)為11）原子結(jié)構(gòu)中）原子結(jié)構(gòu)中K、L和和M量子殼層的電子分布狀況量子殼層的電子分布狀況5非金屬元素的原子結(jié)構(gòu)特點非金屬元素的原子結(jié)構(gòu)特點 最外層最外層4-74-7

3、個元素個元素 得到電子形成負(fù)離子（負(fù)電性元素）得到電子形成負(fù)離子（負(fù)電性元素）過渡族金屬元素的原子結(jié)構(gòu)特點：過渡族金屬元素的原子結(jié)構(gòu)特點：最外層電子很少，一般為最外層電子很少，一般為1-21-2個，最多個，最多3 3個個金屬原子的結(jié)構(gòu)特點金屬原子的結(jié)構(gòu)特點: 失去電子形成正離子（正電性元素）失去電子形成正離子（正電性元素）最外層電子數(shù)很少一般為最外層電子數(shù)很少一般為1-21-2個，最多個，最多3 3個個（同于金屬原子的結(jié)構(gòu)特點）（同于金屬原子的結(jié)構(gòu)特點）；（Ti、V、Fe、Mn、Co等）等）次外層未填滿、最外層先填充電子次外層未填滿、最外層先填充電子6二、 金屬鍵金屬的特性金屬的特性：金屬中自

4、由電子與金屬正離子之間構(gòu)成的鍵合方式金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成的鍵合方式公有化的自由電子與正離子之間的結(jié)合方式公有化的自由電子與正離子之間的結(jié)合方式離子鍵：離子鍵：共價鍵：共價鍵：一失一得，靜電作用一失一得，靜電作用相鄰原子共用它們的外部價電子，形成穩(wěn)定的滿殼層相鄰原子共用它們的外部價電子，形成穩(wěn)定的滿殼層（金剛石）（金剛石）（氯化鈉）（氯化鈉）導(dǎo)電？自由電子沿電場方向?qū)щ?？自由電子沿電場方向運動運動塑性？正離子始終被電子云包圍塑性？正離子始終被電子云包圍導(dǎo)熱？自由電子運動、正離子振導(dǎo)熱？自由電子運動、正離子振東東不透明、具有金屬光澤？不透明、具有金屬光澤？正的電阻溫度系數(shù)？正的電阻溫

5、度系數(shù)？71 1）正離子與電子的吸引力）正離子與電子的吸引力2 2）正離子與正離子、電子與電子的排斥力）正離子與正離子、電子與電子的排斥力“結(jié)合力結(jié)合力”是吸引力和排斥力的代數(shù)和是吸引力和排斥力的代數(shù)和三、三、 結(jié)合力與結(jié)合能結(jié)合力與結(jié)合能 問題：金屬原子為什么排列規(guī)則，問題：金屬原子為什么排列規(guī)則，并趨于緊密排列？并趨于緊密排列？結(jié)合能：？結(jié)合能：？固態(tài)金屬中兩個原子之間的作用力固態(tài)金屬中兩個原子之間的作用力：吸引能和排斥能的代數(shù)和吸引能和排斥能的代數(shù)和8排斥能吸引能結(jié)合能AB原子間距do吸引能排斥能 EABF排斥力引力結(jié)合力AB原子間距dodcF吸引力排斥力d0雙原子作用模型雙原子作用模型

6、理論抗拉強度理論抗拉強度d0平衡間距或位置平衡間距或位置dc理論抗拉強度理論抗拉強度最大結(jié)合力最大結(jié)合力? 任何對任何對d0偏離，都使勢能升高偏離，都使勢能升高? 形成原子團比單個原子能量低形成原子團比單個原子能量低? 原子周圍最近鄰的原子數(shù)越多原子周圍最近鄰的原子數(shù)越多結(jié)合能越低結(jié)合能越低? 能量越低，狀態(tài)越穩(wěn)定能量越低，狀態(tài)越穩(wěn)定EAB結(jié)合能或鍵能結(jié)合能或鍵能金屬原子為什么排列規(guī)則，并趨于緊密排列？金屬原子為什么排列規(guī)則，并趨于緊密排列？dd0時，相互吸引時，相互吸引dd0時，相互排斥時，相互排斥d=d0時，結(jié)合力為零時，結(jié)合力為零9一、晶體的特征晶體：原子晶體：原子（離子、分子）（離子、

7、分子）在三維空間作有規(guī)則的周在三維空間作有規(guī)則的周期性排列的物質(zhì)。期性排列的物質(zhì)。長程有序，各向異性長程有序，各向異性。 非晶體：原子非晶體：原子（離子、分子）（離子、分子）在三維空間內(nèi)不規(guī)則排在三維空間內(nèi)不規(guī)則排列的物質(zhì)。列的物質(zhì)。短程有序，各向同性短程有序，各向同性。 1-2 1-2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)10二、晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣二、晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣 理想晶體理想晶體實際晶體的理想化實際晶體的理想化p三維空間無限延續(xù)，無邊界三維空間無限延續(xù)，無邊界p嚴(yán)格按周期性規(guī)則排列，是完整的、無缺陷。嚴(yán)格按周期性規(guī)則排列，是完整的、無缺陷。p原子在其平衡位置靜止不動原子在其平衡位置靜止不動晶

8、體中原子（離子、分子）在三維空間有規(guī)律的具體排列方式。晶體中原子（離子、分子）在三維空間有規(guī)律的具體排列方式。晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)：11 理想晶體的晶體學(xué)抽象理想晶體的晶體學(xué)抽象?晶格：描述晶體中原子排列規(guī)律的空間格子（空間點陣晶格：描述晶體中原子排列規(guī)律的空間格子（空間點陣）?晶胞：完全反映晶體特征的最小幾何單元晶胞：完全反映晶體特征的最小幾何單元?陣點：代表構(gòu)成晶體的原子的幾何點陣點：代表構(gòu)成晶體的原子的幾何點1213&晶胞的表示法xyzabc?晶格常數(shù)或點陣常數(shù) lattice constant ?三個棱邊的長度a,b,c?軸間夾角,表示。14晶系與布拉菲點陣三個晶格常數(shù)三個晶格常數(shù)

9、a、b、c和三個軸間夾角和三個軸間夾角 、 、 七大晶系七大晶系14種點陣類型種點陣類型布拉菲點陣布拉菲點陣?14種布拉菲點陣(7個晶系crystal system) 15七個七個晶系晶系晶格常數(shù)；軸晶格常數(shù)；軸( (棱邊棱邊) )之間的夾角之間的夾角三斜晶系三斜晶系a b c，90 單斜晶系單斜晶系a b c，=90 正交晶系正交晶系a b c，=90 六方晶系六方晶系a = b c，=90，= 120 菱方晶系菱方晶系a = b =c， = 90 四方晶系四方晶系a = b c，=90 立方晶系立方晶系a = b =c， =90 7個晶系與14種布拉菲點陣16abca b c， 90 1、

10、三斜晶系、三斜晶系17bcbca b c， = = 90 aa2.單斜晶系單斜晶系18abccaba b c, = = = 903.正交晶系正交晶系19a = b c, = = 90 , = 120 = 120 ac4.六方晶系六方晶系205.菱方晶系菱方晶系aaaa = b = c， = = 90 21acaacaa = b c, = = = 90四四四四6.四方晶系四方晶系22aaaaaaaaaa = b = c， = = = 90 7.立方晶系立方晶系23最常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)最常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)（2）面心面心立方結(jié)構(gòu)立方結(jié)構(gòu) Face-centered cubic（1）體心體心立方結(jié)構(gòu)立

11、方結(jié)構(gòu) Body-centered cubic（3）密排密排六方結(jié)構(gòu)六方結(jié)構(gòu) Hexagonal close-packed體心立方點陣體心立方點陣bccbcc面心立方點陣面心立方點陣fccfcc密排六方點陣密排六方點陣hcphcp241 1）晶胞中的原子數(shù)）晶胞中的原子數(shù)4 4）配位數(shù)配位數(shù)5 5）致密度）致密度 343nRnvKVV=晶體中原子排列的晶體中原子排列的緊密程度緊密程度是反映晶體結(jié)構(gòu)特征的一個重要因素是反映晶體結(jié)構(gòu)特征的一個重要因素2 2）點陣常數(shù)）點陣常數(shù)a a，c c3 3）原子半徑）原子半徑 r r28fcNNiN=N立方晶系立方晶系六方晶系六方晶系2fcNN iN=N+6

12、晶體結(jié)構(gòu)特征的晶體結(jié)構(gòu)特征的5個參數(shù)個參數(shù)配位數(shù)：指晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原子配位數(shù)：指晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原子最近鄰并且等距離最近鄰并且等距離的原子數(shù)的原子數(shù)致密度：晶胞中原子所占的致密度：晶胞中原子所占的體積分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù)25晶胞中含有晶胞中含有2 2個原子個原子剛球模型剛球模型質(zhì)點模型質(zhì)點模型晶胞原子數(shù)模型晶胞原子數(shù)模型-Fe、 Cr、 Mo、 W、 V 、Nb等約等約30多種多種28fcNNiN=N晶格常數(shù)晶格常數(shù)a=b=c;=9026原子密排列面是原子密排列面是110110，密排方向是密排方向是111111，在，在密排方向上原子相切：密排方向上原子相切： 致密度：致密度：每個原子有每個原子有

13、8 8個最近鄰原個最近鄰原子，配位數(shù)為子，配位數(shù)為8 8。k k原子半徑原子半徑27(2) (2) 面心立方（面心立方（fcc fcc ）晶胞中含有晶胞中含有4 4個原子。個原子。剛球模型剛球模型質(zhì)點模型質(zhì)點模型晶胞原子數(shù)模型晶胞原子數(shù)模型-Fe、 Cu、 Ni 、Al 、Ag等約等約20種種28fcNNiN=N晶格常數(shù)晶格常數(shù)a=b=c;=9028原子密排列面是原子密排列面是111111，密排方向是密排方向是110110，在，在密排方向上原子相切：密排方向上原子相切： 致密度：致密度：每個原子有每個原子有1212個最近鄰個最近鄰原子，配位數(shù)為原子，配位數(shù)為1212。k k原子半徑原子半徑29

14、(3) (3) 密排六方（密排六方（hcp hcp ）晶胞中含有晶胞中含有6 6個原子。個原子。剛球模型剛球模型質(zhì)點模型質(zhì)點模型晶胞原子數(shù)模型晶胞原子數(shù)模型2fcNN iN=N+6Zn 、Mg 、Cd 等等a=bc;=90；=120晶格常數(shù)晶格常數(shù)30軸比（軸比（axial ratio）313種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)小結(jié)種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)小結(jié)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)原子半徑原子半徑原子原子數(shù)數(shù)配位數(shù)配位數(shù)致密度致密度常見金屬常見金屬BCC-Fe, W, Mo,Nb, V, CrFCC-Fe, Cu, Al,Ag, Pb, NiHCPMg, Zn, Be, - Ti- Co, Cd02ar =034ra=024ra=001.633ca密排結(jié)構(gòu)密排結(jié)構(gòu)（