典型金屬晶體結構堆剁模型分析

1、典型金屬晶體結構的堆剁模型分析一、實驗目的1、熟悉面心立方、體心立方和密排六方晶體結構中常用的晶面、晶向的幾何位置、原子排列和密度。 2、熟悉三種晶體結構中四面體間隙和八面體間隙的位置和分布。3、熟悉面心立方和密排六方晶體結構中最密排面的堆垛順序。4、進一步練習晶面和晶向指數的確定方法。二、實驗內容說明1、晶體、晶向、晶面2、最密排面的堆垛：面心立方 ABCABCABC. 密排六方 ABABAB.3、晶體間隙的位置、大小、數量4、晶面的面密度計算 S/S01 晶體 材料中的原子（離子、分子）在三維空間 呈規(guī)則、周期性排列。非晶體 ： 蜂蠟、玻璃 等。晶體:金剛石、NaCl、冰 等。 非晶體 原

2、子無規(guī)則堆積，也稱為 “過冷液體” 。液體三、原理概述1、晶體與非晶體23452、純金屬的晶體結構晶體中原子(離子或分子)規(guī)則排列的方式稱為晶體結構。晶格：通過金屬原子(離子)的中心劃出許多空間直線，這些直線將形成空間格架。這種格架稱為晶格。晶格的結點為金屬原子(或離子)平衡中心的位置。晶胞：能反映該晶格特征的最小組成單元稱為晶胞。晶胞在三維空間的重復排列構成晶格。晶格常數：晶胞的各邊尺寸及三個鄰邊的夾角 6晶體 晶格 晶胞可見：晶胞的基本特性即反映該晶體結構(晶格)的特點。7晶胞的幾何特征：可以用晶胞的三條棱邊長a、b、c和三條棱邊之間的夾角、等六個參數來描述。其中a、b、c 為晶格常數。金

3、屬的晶格常數一般為110-10m710-10m。不同元素組成的金屬晶體因晶格形式及晶格常數的不同,表現出不同的物理、化學和機械性能。金屬的晶體結構可用x射線結構分析技術進行測定。致密度：晶體中原子本身所占體積與該晶胞體積之比8 最典型、最常見的晶體結構有三種類型:體心立方結構 bcc 面心立方結構 fcc 密排六方結構 hcp立方六方四方菱方正交單斜三斜 所有晶體的空間點陣只有14種類型，稱為布拉菲點陣。3、典型的金屬晶體結構自然界中約80種金屬元素，其中大多數屬于面心立方、體心立方和密排六方三種典型晶陣結構。9典型晶體的晶胞特征 由于不同晶型的晶體或同一晶格中，相應原子的排列的情況不同，晶胞

4、特征參數不同，故機械性能及相應的其它性能有很大的差異。1）晶胞原子數2）原子半徑3）配位數4）致密度晶胞特征參數101）晶胞原子數 一個晶胞內所包含的原子數目。 246bccfcchcp 2）原子半徑 晶胞中原子密度最大的方向上相鄰兩原子之間距離的一半。 bccfcchcp 3）配位數 晶格中任一原子最鄰近、等距離的原子數。bccfcchcpbcc: 8fcc:12hcp:1213 4）致密度（K） 是指晶胞中所含全部原子的體積總和與該晶胞體積之比：K = nv / V 式中，n 晶胞中的原子數； v 單個原子的體積； V 晶胞體積。 作用： 對晶體原子排列緊密程度進行定量比較。 bcc: K

5、=0.68 fcc: K=0.74 hcp: K=0.7414（1）體心立方晶格bcc如：-Fe、W、V、Mo 等15體心立方晶胞晶格常數：a=b=c； =90晶胞原子數：原子半徑r：致密度=Va /Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3致密度：0.68XYZabc2r2raa2致密度= =0.68或68% 16（2）面心立方晶格 fcc如： -Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等17面心立方晶胞晶格常數：a=b=c； =90晶胞原子數：原子半徑r：XYZabc密排方向4致密度：0.7418（3）密排六方晶格 hcp如：C（石墨）、Mg、Zn 等晶格常數：底面邊長a底面間距

6、c側面間角120側面與底面夾角90晶胞原子數：原子半徑r：a/2致密度：0.74619 1、晶面 在晶體中，由一系列原子所組成的平面。該平面通過晶體中原子的中心。 2、晶向： 原子在空間排列的方向稱為晶向。該直線通過原子中心。4、晶面與晶向20立方晶系的晶面表示方法：設定一空間坐標系。 求待標晶面在X、Y、Z軸上的截距pa、qb、rc，得截距系數p、q、r ； 取截距系數的倒數比1/p：1/q：1/r = h：k：l（為最小整數比）； 去掉比號、以小括號括起來，寫為(h k l)。XZY21 主要晶面 在立方晶系中, 由于原子的排列具有高度的對稱性, 往往存在有許多原子排列完全相同但在空間位向

7、不同(即不平行)的晶面, 這些晶面的總稱為晶面族, 用大括號表示, 即hkl。 在立方晶胞中(111)、( )、( )、( ) 同屬111晶面族?？捎孟率奖硎荆?22立方晶系的晶向表示方法： 選定晶軸X、Y、Z和a、b、c為軸單位； 平移晶向直線過原點； 在該直線上任取一結點M，將其投影至X、Y、Z軸得截距 OX0、OY0、OZ0； 作OX0/a：OY0/b：OZ0/c = u：v：w（最小整數比）； 去掉比號，加中括號，u v w即為晶向符號。XYZ23原子排列情況相同而在空間位向不同(即不平行)的晶向統(tǒng)稱為晶向族, 用尖括號表示, 即。如: = 100 + 010 + 001在立方晶系中,

8、 一個晶面指數與一個晶向指數數值和符號相同時, 則該晶面與該晶向互相垂直, 如(111) 111。24晶向族 晶面與晶向互相垂直25六方晶系的晶面指數和晶向指數六方晶系采用四指數方法表示晶面和晶向。水平坐標軸選取互相成120夾角的三坐標軸a1、a2和a3, 垂直軸為c軸(圖1-9)。晶面表示為(hkil), 晶面族為hkil, 晶向表示為uvtw, 晶向族為。六方晶系的幾個主要晶面和晶向的表示如圖所示。26 5、密排面和密排方向 是指晶格中原子最密集的的面或線。 bcc: 110 fcc: 111 hcp: 0001 27體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度28(100)(110)2

9、9(112)(111)30(100)(110)31(111)(112)32體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度33C (密排六方)AABBC (面心立方)最密排面的堆垛：面心立方 ABCABCABC. 密排六方 ABABAB.346、晶體間隙兩種間隙：四面體間隙 八面體間隙空隙半徑：若在晶胞空隙中放入剛性球, 則能放入球的最大半徑為空隙半徑。35 體心立方晶胞中有兩種空隙。有3個八面體空隙和6個四面體空隙。 四面體空隙(右圖),其半徑為: r四=0.29r原子 八面體空隙(左圖), 其半徑為: r八=0.15r原子 金屬原子 。 八面體空隙 金屬原子 。 四面體空隙36面心立方晶胞中

10、有兩種空隙。 有4個八面體空隙和8個四面體空隙。四面體空隙(左圖),其半徑為: r四=0.225r原子八面體空隙(右圖), 其半徑為: r八=0.414r原子 金屬原子 。 四面體空隙 金屬原子 。 八面體空隙37密排六方晶胞中有兩種空隙。有2個八面體空隙與4個四面體空隙四面體空隙(右圖),其半徑為: r四=0.225r原子八面體空隙(左圖), 其半徑為: r八=0.414r原子38材料及設構模型。四、實驗材料及設備 晶體結構模型。五、實驗步驟：1）利用模型道具，堆出面心立方、體心立方和密排六方晶體。2）逐個分析上述所堆晶面上原子的分布特 征，如實畫出原子分布和面心立方和體心立方晶體的（l00）、（110）、 （111）和（112）晶面；3）在上述平面圖上，至少標出三個不同方位的晶向指數；4）用球堆垛出密排六方和面心立方晶