第1-2-金属的晶体结构

1、授课教师:杨秀英 金属学及热处理沈阳理工大学应用技术学院沈阳理工大学应用技术学院 本次课程内容设计 一、引言通过提出问题让学生回答，简单复习前两次内容引出正文 二、正文金属的晶体结构 三、结论(包括作业、思考题或习题)第二节 金属的晶体结构 一、引言1、金属的特点，为什么2、原子间的最大结合力出现在平衡位置吗？WHERE3、金属的熔点和热膨胀系数取决于？4、金属的特点如何？为什么会如此特点？5、 第2节 金属的晶体结构举例说明自然界中的晶体？举例说明自然界中的晶体？感官上知道什么是晶体，通过现象找规律感官上知道什么是晶体，通过现象找规律生活中的晶体：食盐、冰、雪花等生活中的晶体：食盐、冰、雪花

2、等具有规则的几何外形具有规则的几何外形生产中的晶体：金属生产中的晶体：金属一般不具有规则的外形一般不具有规则的外形一、晶体的特征1.2 金属的晶体结构晶 体基元在三维空间呈规律性排列长程有序单个的原子、离子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。 金属一般是晶体；金属一般是晶体；晶体中原子排列的规律不同，性能不同；晶体中原子排列的规律不同，性能不同；所以要研究金属的晶体结构！了解晶体所以要研究金属的晶体结构！了解晶体的特点！的特点！晶体的主要特点是：晶体的主要特点是：在一定条件下有规则的几何外形。在一定条件下有规则的几何外形。结构有序；结构有序；物理性质表现为各向异性？物理性质表现为各向异性？；有

3、固定的熔点；有固定的熔点；1.2 金属的晶体结构非晶态原子排列短程有序或无序1.2 金属的晶体结构非晶体的特点是：非晶体的特点是：结构无序；结构无序；物理性质表现为各向同性物理性质表现为各向同性；热导率（导热系数）和膨胀性小；热导率（导热系数）和膨胀性小； 没有固定的熔点没有固定的熔点过冷状态的液体过冷状态的液体晶体和非晶体之间存在很多差异！他们之间可以相互转化吗？他们之间可以相互转化吗？在一定条件下是可以的！在一定条件下是可以的！二、晶体结构与空间点阵基本概念：晶体结构、阵点、空间点阵、晶格、晶胞晶体结构：晶体中的原子在空间有规律的周期性的排列方式原子类型不同，排列方式不同原子类型不同，排列

4、方式不同-晶体结构可以有很多种晶体结构可以有很多种建立模型（刚球堆垛）来研究！建立模型（刚球堆垛）来研究！该模型特点？该模型特点？将原子去掉将原子去掉抽象为几何点抽象为几何点阵点阵点！由阵点在三维空间有规则的呈周期性由阵点在三维空间有规则的呈周期性重复重复排列排列-空间点阵空间点阵！将阵点人为地连接起来形成空间格子将阵点人为地连接起来形成空间格子- -晶格！晶格！晶格中原则呈周期性排列！晶格中原则呈周期性排列！晶格中选取能够完全反映晶格特征的最小几何单元晶格中选取能够完全反映晶格特征的最小几何单元-晶胞！晶胞！分析晶体中原子的排列规律！分析晶体中原子的排列规律！晶格常数或点阵常数三、3中典型金

5、属晶体结构布拉菲在1948年根据“每个阵点环境相同”的要求，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲点阵，分属7个晶系。晶系 轴(棱边)之间的夹角三斜晶系单斜晶系斜方晶系正方晶系菱方晶系六方晶系立方晶系三种典型晶体结构体心立方体心立方面心立方面心立方密排六方密排六方体心立方体心立方 bcc bcc Body-centered cubic面心立方面心立方 fcc fcc Face-centered cubic密堆六方密堆六方 cph cph Close-packed hexagonal晶体结构构成晶体的基元在三维空间的具体的排列方式= 空间点阵 + 基元 体心立方晶格参数Cr、V、M

6、o、W和-Fe等30多种 晶胞中所含原子数晶胞中所含原子数 晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。目。 配位数配位数是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。原子数。致密度致密度是指晶胞中原子所占体积分数，即是指晶胞中原子所占体积分数，即K = n v/ V K = n v/ V 。式中，式中，n n为晶胞所含原子数、为晶胞所含原子数、vv为单个原子体积、为单个原子体积、V V为晶胞为晶胞体积。体积。 原子半径原子半径 原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之原子半径是指晶胞中

7、原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。间距离的一半。 体心立方晶格参数1.2 金属晶体结构晶胞中所含原子数晶胞中所含原子数 配位数配位数致密度致密度原子半径原子半径 1.2 金属晶体典型结构K K面心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构abcg-Fe,密排六方晶格参数Mg、Zn、Cd、Be等20多种 1.2 金属晶体典型结构密排六方晶格参数1.2 金属晶体典型结构a120oca密排六方晶格参数1.2 金属晶体典型结构密排六方晶格参数1.2 金属晶体典型结构1.2 金属典型结构晶体结构不同（HCP，FCC）相同的配位数，相同的致密度？ 原子堆垛方式！原子堆垛方式！ 晶体中的原子堆垛方式及间隙

8、晶体中的原子堆垛方式晶体中的原子间隙晶面及晶面指数1.2 金属晶体结构n阵点坐标：阵点的位置阵点坐标：阵点的位置n晶向：晶体中阵点列晶向：晶体中阵点列 的方向的方向n晶面：阵点构成的平面晶面：阵点构成的平面nMiller（密勒）指数统一标定晶向指数和晶面指数密勒）指数统一标定晶向指数和晶面指数晶向及晶向指数1.2材料的原子排列1.2 金属晶体结构晶向指数晶向指数的确定方法建立以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系。定出该晶向上任两点的坐标。用末点坐标减去始点坐标。将相减后所得结果约成互质整数，加一方括号。1.2 金属晶体结构晶向指数的确定步骤晶向指数的确定步骤n1)以晶胞的某一阵点以晶胞的某一阵

9、点O为原点，过原点为原点，过原点O的晶轴为坐标的晶轴为坐标轴轴x,y, z, 以晶胞点阵矢量的长度作为坐标轴的长度单以晶胞点阵矢量的长度作为坐标轴的长度单位。位。n2)过原点过原点O作一直线作一直线OP，使其平行于待定晶向。使其平行于待定晶向。n3)在直线在直线OP上选取距原点上选取距原点O最近的一个阵点最近的一个阵点P，确定确定P点的点的3个坐标值。个坐标值。n4)将这将这3个坐标值化为最小整数个坐标值化为最小整数u，v，w，加以方括号加以方括号，u v w即为待定晶向的晶向指数。即为待定晶向的晶向指数。晶向指数的例子晶向指数的例子n正交晶系一些重要晶向的晶向指数正交晶系一些重要晶向的晶向指

10、数晶向指数的意义晶向指数的意义晶向指数表示着所有相互平行、方向一致的晶晶向指数表示着所有相互平行、方向一致的晶向；向；所指方向相反，则晶向指数的数字相同，但符号所指方向相反，则晶向指数的数字相同，但符号相反；相反；晶体中因对称关系而等同的各组晶向可归并为晶体中因对称关系而等同的各组晶向可归并为一个晶向族，用一个晶向族，用 u v w表示表示晶面指数标定步骤：晶面指数标定步骤：n1)1)在点阵中设定参考坐标系，设置方法与确定晶向指在点阵中设定参考坐标系，设置方法与确定晶向指数时相同；数时相同；n2)2)求得待定晶面在三个晶轴上的截距，若该晶面与某求得待定晶面在三个晶轴上的截距，若该晶面与某轴平行

11、，则在此轴上截距为无穷大；若该晶面与某轴轴平行，则在此轴上截距为无穷大；若该晶面与某轴负方向相截，则在此轴上截距为一负值；负方向相截，则在此轴上截距为一负值；n3)3)取各截距的倒数；取各截距的倒数；n4)4)将三倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表将三倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，记为示该晶面的指数，记为( ( h k l )h k l )。晶面指数晶面指数晶面指数的例子晶面指数的例子XZYXZYXZYXZYXZYXZY正交点阵中一些晶面的面指数正交点阵中一些晶面的面指数（010）（100）（120）（102）（111）（321）晶面指数的意义晶面指数的意义在晶

12、体内凡在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以以 h k lh k l表示，它代表由对称性相联系的若干组等表示，它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。效晶面的总和。晶面指数所代表的晶面指数所代表的不仅是某一晶面不仅是某一晶面，而是代表着，而是代表着 一组相互平行的晶面一组相互平行的晶面。 立方晶系中，相同指数的晶向和晶面垂直；立方晶系中，相同指数的晶向和晶面垂直； 立方晶系中，晶面族立方晶系中，晶面族111111表示正八面体的面；表示正八面体的面；体心立方中原

13、子排列体心立方中原子排列在体心立方晶格中密排面为在体心立方晶格中密排面为110，密排方向为，密排方向为1.2 金属晶体结构晶体中的各向异性各向异性是晶体的重要特征各向异性是晶体的重要特征原因:不同晶向上原子紧密程度不同为什么工程应用的金属材料见不到各向异性的特征为什么工程应用的金属材料见不到各向异性的特征? ?伪等向性!多晶体结构多晶体结构单晶体单晶体: : 一块晶体材料，其内部一块晶体材料，其内部的的晶体位向完全一致时晶体位向完全一致时，即，即整个材料是一个晶体，这块整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为晶体就称之为“单晶体单晶体”，实用材料中如实用材料中如半导体集成电半导体集成电路用的单晶硅

14、路用的单晶硅、单晶铜、单晶铜、专专门制造的晶须和其他一些供门制造的晶须和其他一些供研究用的材料。研究用的材料。 多晶体结构多晶体结构多晶体多晶体: : 实际应用的工程材料实际应用的工程材料中，那怕是一块尺寸很小中，那怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许材料，绝大多数包含着许许多多的许多多的小晶体小晶体，每个小，每个小晶体的内部，晶体的内部，晶格位向是晶格位向是均匀一致的均匀一致的，而各个小晶，而各个小晶体之间，彼此的体之间，彼此的位向却不位向却不相同相同。称这种由多个小晶。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为体组成的晶体结构称之为“多晶体多晶体”。 多晶体结构多晶体结构晶粒：晶粒：多晶体材

15、料中每个多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫的颗粒状，通常把它们叫做做“晶粒晶粒”。 晶界：晶界：晶粒与晶粒之间的晶粒与晶粒之间的分界面叫分界面叫“晶粒间界晶粒间界”，或简称或简称“晶界晶界”。为了适。为了适应两晶粒间不同晶格位向应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。排列总是不规则的。 伪各向同性：伪各向同性：多晶体材料中，尽管每个晶粒内多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性，部象单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空每个晶粒在空间取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，整间取向是随机分布，大

16、量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性，个材料宏观上不出现各向异性，这个现象称为这个现象称为多晶体的伪各向同性。多晶体的伪各向同性。 多晶型转变同素异构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同素异晶转变同素异晶转变 大部分金属只有一种晶体结构，但大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如也有少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。当外部条件晶体结构，即具有多晶型。当外部条件( (如温度和压如温度和压力力) )改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异晶转变。结构的转变称为多晶型转变或同素异晶转变。铁的同素异晶转变在热处理中有非常重大的意义铁的同素异晶转变在热处理中有非常重大的意义 bccfccbccFeFeFe g9121394-Fe-Fe时的体积变化?还会有其他变化吗?课程小节1. 立方晶向和晶面指数表示2. 晶体的各向异性3.多晶型性-同素异构转变 。名词概念名词概念 内容要求内容要求 晶体与非晶体晶体与非晶体 晶格与晶胞晶格与晶胞