材料科学基础 西安交大 石德珂 2-2纯金属的晶体结构

1、面心立方结构面心立方结构体心立方结构体心立方结构 密排六方结构密排六方结构 一典型金属的晶体结构一典型金属的晶体结构（1）原子堆垛方式）原子堆垛方式下页下页后退后退三种典型金属晶体结构的特征三种典型金属晶体结构的特征晶体类型原子密排面 原子密排方向 晶胞中的原子数配位数致密度A1（fcc）A2（bcc）A3（hcp）1111100001426128（8+6）120.740.680.74下页下页后退后退（2）、点阵常数）、点阵常数晶胞的棱边长度晶胞的棱边长度a、b、c称为称为点阵常数点阵常数。单位是。单位是nm1nm=10 m体心立方结构体心立方结构（a=b=c) a=4(3/3）r面心立方结构

2、面心立方结构（a=b=c) a=2(2）r密排六方结构密排六方结构（a=b=c) a=2r（3）、晶胞中的原子数）、晶胞中的原子数每个晶胞所含的原子数（每个晶胞所含的原子数（N）可用下式计算：）可用下式计算： N=Ni+Nf/2+Nr/mNi、Nf、Nr分别表示位于晶胞内部、面心和角顶处的原子数；分别表示位于晶胞内部、面心和角顶处的原子数；为晶胞类型参数，立方晶系的为晶胞类型参数，立方晶系的m=8，六方晶系的，六方晶系的 m=6。 -9（4）、配位数和致密度）、配位数和致密度（1）配位数配位数 晶体结构中任一原子周围最邻晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数（近且等距离的原子数（CN）。

3、）。（2）致密度致密度 晶体结构中原子体积占总体积晶体结构中原子体积占总体积的百分数（的百分数（K），如以一个晶胞来计算，则致），如以一个晶胞来计算，则致密度就是晶胞中原子体积与晶胞体积之比值即密度就是晶胞中原子体积与晶胞体积之比值即 K=n/V式中，式中，n是一个晶胞中的原子数；是一个晶胞中的原子数；是一个原子是一个原子的体积，的体积，=(4/3)r；V是晶胞的体积。三种典是晶胞的体积。三种典型晶体结构的配位数和致密度见型晶体结构的配位数和致密度见（表（表2-2）面心立方结构中的间隙：面心立方结构中的间隙：体心立方结构中的间隙：体心立方结构中的间隙：密排六方结构中的间隙密排六方结构中的间隙

4、：（5）晶体结构中的间隙）晶体结构中的间隙下页下页后退后退八面体八面体四面体四面体八面体八面体四面体四面体八面体八面体四面体四面体三种典型晶体结构中的间隙比较三种典型晶体结构中的间隙比较 晶体晶体 类型类型 间隙间隙类型类型 一个一个晶胞内晶胞内的间隙的间隙数数 原子原子半径半径 rA 间隙半径间隙半径rB A1(fcc) 正四正四面体面体 8 正八面正八面体体 4 A2(bcc) 四面体四面体 12 扁八面体扁八面体 6 A3(hcp) 四面体四面体 12正八面体正八面体 64/2a4/3a2/a4/23a4/22a4/35a4/32a4/26a2/12arB/ rA 0.225 0.414

5、 0.291 0.155 0.225 0.414vfcc和和hcp都是密排结构，而都是密排结构，而bcc则是比较则是比较“开放开放” 的结构；的结构； vfcc和和hcp金属中的八面体间隙大于四面体间隙，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元素的原子必位于八面体故这些金属中的间隙元素的原子必位于八面体 间隙间隙 ；vfcc和和hcp晶体中的八面体间隙远大于晶体中的八面体间隙远大于bcc中的八中的八v面体或四面体间隙面体或四面体间隙,因而间隙原子在因而间隙原子在fcc和和hcp中中 的溶解度往往比在的溶解度往往比在bcc中的大得多；中的大得多； 下页下页后退后退vfcc和和hc

6、p晶体中的八面体间隙大小彼此相等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四面体间隙大小也相等,其原因在于这两种晶其原因在于这两种晶 体的原子堆垛方式非常相象体的原子堆垛方式非常相象 。vBcc中四面体间隙大于八面体间隙，因而间隙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原子应占据四面体间隙位置,但另一方面但另一方面,由于由于 bcc的八面体间隙是不对称的的八面体间隙是不对称的,即使上述间隙原即使上述间隙原 子占据八面体间隙位置，也只引起距间隙中心子占据八面体间隙位置，也只引起距间隙中心 为为a/2的两个原子显著偏离平衡位置，其余四个的两个原子显著偏离平衡位置，

7、其余四个 原子则不会显著偏离其平衡位置，因而总的点原子则不会显著偏离其平衡位置，因而总的点 阵畸变不大，因此，有些间隙原子占据四面体阵畸变不大，因此，有些间隙原子占据四面体 间隙，有些则处于八面体间隙。间隙，有些则处于八面体间隙。下页下页后退后退二、多晶型性二、多晶型性在周期表中，大约有四十多种元素具有两在周期表中，大约有四十多种元素具有两种或两种以上的晶体结构。当外界条件改种或两种以上的晶体结构。当外界条件改变时，元素的晶体结构可以发生转变，把变时，元素的晶体结构可以发生转变，把金属的这种性质称为多晶型性。这种转变金属的这种性质称为多晶型性。这种转变称为多晶型转变或同素异构转变。称为多晶型转

8、变或同素异构转变。三、晶体结构中的原子半径三、晶体结构中的原子半径原子半径并非固定的，除与温度、压力等原子半径并非固定的，除与温度、压力等外界条件有关外，还受结合键、配位数以外界条件有关外，还受结合键、配位数以及外层电子结构等因素的影响及外层电子结构等因素的影响。（1）温度与压力的影响）温度与压力的影响当温度改变时，由于原子热振动及晶体当温度改变时，由于原子热振动及晶体内点阵缺陷平衡浓度的变化，都会使原内点阵缺陷平衡浓度的变化，都会使原子间距产生改变，因而影响到原子半径子间距产生改变，因而影响到原子半径的大小。的大小。（2）结合键的影响）结合键的影响晶体中原子的平衡间距与结合键的类型晶体中原子

9、的平衡间距与结合键的类型及其结合键的强弱有关。离子键与共价及其结合键的强弱有关。离子键与共价键是较强的结合键，故原子间距相应较键是较强的结合键，故原子间距相应较小；而范德瓦尔斯键键能最小，因此原小；而范德瓦尔斯键键能最小，因此原子间距最大。子间距最大。（3）配位数的影响）配位数的影响晶体中原子排列的密集程度与原子半径密晶体中原子排列的密集程度与原子半径密切相关。当金属自高配位数结构向低配位切相关。当金属自高配位数结构向低配位数结构发生同素异构转变时，随着致密度数结构发生同素异构转变时，随着致密度的减小和晶体体积的膨胀，原子半径将同的减小和晶体体积的膨胀，原子半径将同时产生收缩，以求减少转变时的体积变化。时产生收缩，以求减少转变时的体积变化。（4）原子核外层电子结构的影响）原子核外层电子结构的影响各元素的原子半径随原子序数的递增而呈各元素的原子半径随原子序数的递增而呈现周期性变化的特点。现周期性变化的特点。返回返回面心立方八面体间隙面心立方八面体间隙面心立方四面体间隙面心立方四面体间隙返回返回体心立方八面体间隙体心立方八面体间隙返回返回体心立方四面体