2.2--金属的晶体结构.ppt

1 2 2金属的晶体结构 CrystalStructureofMetals 为什么金属原子趋向于紧密排列 为什么金属具有高度对称性的晶体结构 面心立方 A1 FCC 体心立方 A2 BCC 密排六方 A3 HCP 2 2 1三种典型的金属晶体结构 2 晶胞内的原子数点阵常数与原子半径配位数 是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数 致密度 晶体结构中原子体积占总体积的百分比 K为致密度n为晶胞中原子数v是一个原子的体积原子间隙 3 体心立方 面心立方 密排六方 晶胞中原子数 4 体心立方面心立方密排六方 原子半径 5 配位数和致密度定量地表示原子排列的紧密程度 配位数 coordinationnumber CN 晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数 致密度 K 晶胞中原子所占的体积分数 式中 n为晶胞原子数 v原子体积 V晶胞体积 配位数与致密度 6 体心立方配位数为8 7 面心立方配位数为12 8 密排六方配位数为12 9 10 原子个数 2配位数 8致密度 0 68常见金属 Fe Cr W Mo V Nb等 晶格常数 a a b c 原子半径 体心立方 11 原子个数 4配位数 12致密度 0 74常见金属 Fe Ni Al Cu Pb Au等 晶格常数 a 面心立方 12 密排立方 13 原子个数 6配位数 12致密度 0 74常见金属 Mg Zn Be Cd等 晶格常数 底面边长a和高c c a 1 633 14 晶面及晶向的原子密度不同晶体结构中不同晶面 不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的 单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度 单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度 原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向 15 16 17 体心立方晶格的密排面和密排方向 18 面心立方晶格的密排面和密排方向 19 密排六方晶格的密排面和密排方向 20 体心立方 110 面 面心立方 111 面 密排六方底面 21 面心立方和密排六方结构的致密度均为0 74 是纯金属中最密集的结构 面心立方与密排六方虽然晶体结构不同 但配位数与致密度却相同 为搞清其原因 必须研究晶体中原子的堆垛方式 面心立方与密排六方的最密排面原子排列情况完全相同 但堆垛方式不一样 2 2 2晶体中原子的堆垛方式 22 23 ABABABABACACACACABCABCABCACBACBACB 24 25 ABA ABCA 26 面心立方晶格密排面的堆垛方式 27 密排六方晶格密排面的堆垛方式 28 面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB 面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABC 29 典型金属晶体中原子间的间隙 Interstice 由于球体之间是刚性点接触堆积 最紧密堆积中仍然有空隙存在 从形状上看 空隙有两种 一种是四面体空隙 tetrahedralinterstice 由4个球体所构成 球心连线构成一个正四面体 另一种是八面体空隙 octahedralinterstice 由6个球体构成 球心连线形成一个正八面体 显然 由同种球组成的四面体空隙小于八面体空隙 30 八面体间隙 BCC 八面体间隙的数目八面体间隙半径 31 八面体间隙 FCC 八面体间隙的数目八面体间隙半径 32 八面体间隙 HCP 33 四面体间隙 BCC 四面体间隙的数目四面体间隙半径 34 四面体间隙 FCC 四面体间隙的数目四面体间隙半径 35 四面体间隙 HCP 36 面心立方结构中间隙的刚球模型八面体间隙 37 面心立方结构中间隙的刚球模型四面体间隙 38 三种典型金属结构的晶体学特点 39 fcc和hcp都是密排结构 而bcc则是比较 开放 的结构 因为它的间隙较多 因此 碳 氮 氢 氧 硼等原子半径较小的元素 即间隙原子 在bcc金属中的扩散速率往往比在fcc及hcp金属中高得多 fcc和hcp金属中的八面体间隙大于四面体间隙 故这些金属中的间隙原子往往位于八面体间隙中 fcc和hcp中的八面体间隙远大于bcc中的八面体或四面体间隙 因而间隙原子在fcc和hcp中的固解度往往比在bcc中大得多 几点说明 40 在bcc晶体中 四面体间隙大于八面体间隙 因而间隙原子应占据四面体间隙位置 但另一方面 由于bcc的八面体间隙是不对称的 即使上述间隙原子占据八面体间隙位置 也只引起距间隙中心为的两个原子显著地偏离平衡位置 因此 在有些bcc金属中 间隙原子占据四面体间隙位置 如碳在钼中 在另一些bcc晶体中 间隙原子占据八面体间隙位置 如碳在 铁中 fcc和hcp晶体中的八面体间隙大小彼此相等 四面体间隙大小也相等 其原因在于这两种晶体的原子堆垛方式非常相像 41 2 2 3多晶型转变 当外部的温度和压强改变时 有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变 称之为多晶型转变 又称为同素异构转变 由同素异构转变所得的不同晶格类型的晶体称为同素异构体 纯铁的同素异构转变铁是典型的具有同素异构转变特性的金属 纯铁的结晶和同素异构转变的过程 1394 912 Fe Fe Fe 42 纯铁的同素异构转变 Fe