金属的晶体结构

1、推荐教材主编：郑明新出版社：清华大学出版社一、材料科学的重要地位1材料的发展与人类社会的发展紧密联系 。人类社会历史：石器时代、 铜器时代和铁器时代。2我国劳动人民在材料发展上曾取得辉煌成就。3材料在现代科技中占有重要地位。 材料材料、信息信息和能源能源是现代科技三大支柱。应用应用材料的组织、结构材料的组织、结构性能性能应用应用材料的化学成分材料的化学成分材料的加工工艺材料的加工工艺材料的组织材料的组织材料的结构材料的结构性能性能eg. 制造各种机械零部件制造各种机械零部件基础保证关键扩展课程总特点：课程总特点：内容多，涉及面广，前后关联内容多，涉及面广，前后关联性强，概念性、理解性、结论性、

2、记忆性内容性强，概念性、理解性、结论性、记忆性内容多，数学推理较少。多，数学推理较少。根据材料的本性或其结合键的性质，工程材料可以分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料等四大类。 陶瓷是金属元素(或亚金属如硅等)的化合物，可以认为是各种无机非金属材料无机非金属材料的统称。金属原子与异种原子化合时形成很强的离子键离子键，同时也存在有一定成分的共价键共价键，但仍以离子键为主。陶瓷的硬度很高，化学稳定性好，可以制造各种耐蚀、耐热用具，在一些特殊的情况下也可用作为结构材料。但是由于离子键、共价键对周围原子（或离子）有选择性或方向性,在受外力作用而发生相对移动时结合键就会破坏，所以一般陶瓷材料脆性

3、脆性都很大。 高分子化合物每个分子可含有几千、几万甚至几十万个高分子化合物每个分子可含有几千、几万甚至几十万个原子，分子量在原子，分子量在5000以上。以上。大分子内的原子之间由很强的大分子内的原子之间由很强的共价键共价键结合，而大分子与结合，而大分子与大分子之间的结合力为大分子之间的结合力为范德华力和氢键范德华力和氢键。由于大分子链很长，大分子之间的接触面比较大，特别由于大分子链很长，大分子之间的接触面比较大，特别当分子链缠结在一起时，大分子之间可以产生较大的结当分子链缠结在一起时，大分子之间可以产生较大的结合力，所以：合力，所以：高分子材料具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐高分子材料具

4、有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性，以及较低的密度等优良性能，蚀性能，很好的绝缘性，以及较低的密度等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。在工程上是发展最快的一类新型结构材料。胶粘剂复合材料通常分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料三大类。 如果选择适合的组分材料及复合工艺，可以得到在强度、刚度和耐蚀性等方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越的材料，复合材料具有广阔的发展前景 第一节第一节 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构第二节第二节 实际金属中的晶体缺陷实际金属中的晶体缺陷第三节扩散第三节扩散一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构 晶体：组成物质的

5、微粒具有规则排晶体：组成物质的微粒具有规则排列。如：金属材料、冰糖、列。如：金属材料、冰糖、NaCl。 单晶体：原子排列趋向于一致的晶体。如：单晶体：原子排列趋向于一致的晶体。如：SiSi、GeGe单晶。单晶。 多晶体：由位向不同的单晶体组成的合金。如：金属材料。多晶体：由位向不同的单晶体组成的合金。如：金属材料。 非晶体：组成物质的微粒无规则排列。如：玻璃、松香。非晶体：组成物质的微粒无规则排列。如：玻璃、松香。 （二）（二） 晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞与晶格参数晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞与晶格参数 图图1-1 单晶体单晶体（一）晶体与非晶体（一）晶体与非晶体 空间点阵空间点阵特点特

6、点（有规则、周期性、重复排列）有规则、周期性、重复排列） 1）空间规则排列点的阵列，无限；）空间规则排列点的阵列，无限；2）点阵中的每一点具有相同的周围环境。）点阵中的每一点具有相同的周围环境。3）原子、离子等物质质点抽象为一些几何点，这）原子、离子等物质质点抽象为一些几何点，这些点称为些点称为“结点结点”、 “格点格点”或或“阵点阵点”（实际为物（实际为物质质点的平衡中心的位置）。质质点的平衡中心的位置）。图图11 空间点阵模型空间点阵模型图图1-2晶格示意图晶格示意图 晶格晶格：假设通过原子的中心划出许多空间直线，假设通过原子的中心划出许多空间直线，这些直线连接起来就形成了这些直线连接起来

7、就形成了“空间（空间（几何）几何）格架格架”，这种假想格架称为这种假想格架称为“晶格晶格”。 图图13 描述晶胞六要素描述晶胞六要素晶胞晶胞：为组成晶格最小的几何单元。：为组成晶格最小的几何单元。晶格参数晶格参数包括：晶格常数包括：晶格常数 a、b、c（棱边）（棱边） 棱间夹角棱间夹角a a、b b、g g晶胞在三维空间周期性重复排列晶胞在三维空间周期性重复排列晶格晶格空间点阵直线空间点阵直线晶体结构晶体结构总结总结规律的共性规律的共性1.面心立方晶格（face-centered cubic)简称（FCC或A1） 图图14 FCC晶格模型晶格模型1）结构特点 立方体的8个顶点个各有一个原子，

8、6个面的面心各有一个原子。 gFe、Au、Ag、Cu、Ni、Pb等42面面心心立立方方晶晶格格2）晶格参数）晶格参数 a =b =c =1a 903）原子半径）原子半径 ：通常指晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之间：通常指晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之间平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距离的一半。平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距离的一半。4） 晶胞原子数：一个晶胞中所含的原子数目。晶胞原子数：一个晶胞中所含的原子数目。 n81861/2=4fcc晶胞中原子相距最近的方向是晶胞中原子相距最近的方向是面对角线面对角线，因此，因此 R a 致密度：单胞中原子体积与单

9、致密度：单胞中原子体积与单胞体积之比胞体积之比3342344aa图图15 FCC晶格配位数晶格配位数致密度和配位数是描述金属原子排列紧密程度的物致密度和配位数是描述金属原子排列紧密程度的物理量，致密度和配位数子越大，原子排列的越紧密。理量，致密度和配位数子越大，原子排列的越紧密。配位数：配位数：单胞中与任一原子相距最近邻单胞中与任一原子相距最近邻且等距离的原子个数。所以，且等距离的原子个数。所以，CN 12K=741）结构特点：八个顶点各有一个原子，立方体的体心有一个原子。 Fe、Cr、W、Mo等30种。2）晶格常数：a =b =c =1a 90o 图图1-6体心立方的晶体结构体心立方的晶体结

10、构a433343342aa68 CN84）单胞中的原子个数）单胞中的原子个数 n8 1/8 1 22 体心立方晶格（体心立方晶格（BCC或或A2）3）原子半径：）原子半径： (体对角线方向）体对角线方向）R5）K74. 043634638,213acarcaarK633. 138由以上数据可知由以上数据可知：FCC，hcp为最紧密排列，为最紧密排列，BCC为次紧密排列。为次紧密排列。 a42a43（1）在晶向中任选一阵点为原点，三个基矢为坐标轴OX 、OY、OZ。（2）选取距原点O最近的一点P，以一个a为度量单位，求出P点坐标值（x,y,z）（3）将坐标值乘以最小公倍数，将其化简成最小的整数放

11、入uvw内(不加逗号） 例如：OA晶向指数为110，OX晶向指数为100，OY晶向指数为 010 , OZ指数为001；XO指数为 00，ZA指数为终点坐标减始 点坐标, 故晶向指数为11 。1A XYZO图图17 晶向指数的标志晶向指数的标志三、三、立立方方晶晶系系晶晶向向指指数数与与晶晶面面指指数数（一）（一） 晶向指数：表示某晶向的空间几晶向指数：表示某晶向的空间几何方位。用何方位。用uvw表示。表示。晶面：通过晶体中原子中心的平面。晶面：通过晶体中原子中心的平面。晶向：通过原子中心的直线为原子列，原子列代表的方向为晶向。晶向：通过原子中心的直线为原子列，原子列代表的方向为晶向。 1.

12、立方晶系晶向指数的标志方法立方晶系晶向指数的标志方法 11 111111111111（1）选择不在要表示的晶面上的晶格中的任一结点为空间坐标系的坐标原点O，以过该点的三条基矢为坐标轴OX、OY、OZ。（关键：晶面与坐标原点不能有 交点）（2）以单位基矢为度量单位求出该晶面与坐标轴的截距（m n p）（3）取截距的倒数（1/m ，1/n，1/p），化为最小整数放入（h k l）内图图18 晶面指数的标志晶面指数的标志（1）一个晶面指数实际代表一组原子排列相同的相互平行的）一个晶面指数实际代表一组原子排列相同的相互平行的晶面。晶面。将晶面指数各乘以将晶面指数各乘以-1 ，表示同一晶面如（，表示同一

13、晶面如（111）与（）与（ ）（2）晶面空间方位不同但）晶面空间方位不同但原子排列规律相同原子排列规律相同属于同一晶面属于同一晶面 族，用族，用hkl表示。如：表示。如： 1 0 0 晶 面 族 包 括 （晶 面 族 包 括 （ 1 0 0 ） + （ 0 1 0 ） + （ 0 0 1 ） 。） 。 110晶面族包括（晶面族包括（110）+(101)+(011)+( 10)+( 01)+(01 )111晶面族包括（晶面族包括（111）+（ 11 ）+ （1 1）+ （11 ）4组组11 1111111（三）、立方晶系晶向与晶面的关系（三）、立方晶系晶向与晶面的关系1指数相同的晶向与晶面相互垂

14、直，如：（指数相同的晶向与晶面相互垂直，如：（111)111。2晶向与晶面相互平行时满足晶向与晶面相互平行时满足hu+kv+lw0，如，如 (111） 10 1图图111 单晶体的各向异性单晶体的各向异性1、单晶体的、单晶体的各向异性各向异性：单晶体各个方向的单晶体各个方向的机性、物性、化学性能等不同。机性、物性、化学性能等不同。 如：如：BCC结构的结构的111方向的弹性模量方向的弹性模量 E111290000MPa，E100135000MPa， 而多晶体的而多晶体的E210000MPa。3、多晶体的、多晶体的伪各向同性伪各向同性：多晶体沿各个方向的性能相近多晶体沿各个方向的性能相近。 原因

15、是：原因是：单晶体的各个方向原子排列规律不同。多晶体是由大单晶体的各个方向原子排列规律不同。多晶体是由大量位向不同的晶粒和亚晶粒组成。量位向不同的晶粒和亚晶粒组成。2、非晶体的、非晶体的各向同性各向同性：非：非晶体沿各个方晶体沿各个方向的性能完全相同向的性能完全相同。1. FCC结构的最密排晶面与最密排晶向为结构的最密排晶面与最密排晶向为111与与2. BCC结构的最密排晶面与最密排晶向为结构的最密排晶面与最密排晶向为110与与体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度 aa1212aa7 . 02212aa15. 131212aa1212aa

16、221212aa58. 03212由于结晶或变形使金属原子脱离开由于结晶或变形使金属原子脱离开平衡位置跑到间隙位置或晶体的外平衡位置跑到间隙位置或晶体的外表面，在晶体内部便形成空表面，在晶体内部便形成空位和间位和间隙原子。隙原子。图图112 晶体中的两种空位晶体中的两种空位a)肖脱基空位肖脱基空位 b)弗兰克尔空位弗兰克尔空位离开平衡位置的原子，有两种去处：离开平衡位置的原子，有两种去处：一种可能是跑到表面，此时产生的一种可能是跑到表面，此时产生的空位叫空位叫肖脱基空位肖脱基空位，另一种可能跑，另一种可能跑到点阵间隙中，形成到点阵间隙中，形成弗兰克尔空位弗兰克尔空位。在形成在形成弗兰克尔空位弗

17、兰克尔空位时，伴随产生一个间隙原子。时，伴随产生一个间隙原子。实际金属中常见的是实际金属中常见的是肖脱基空位肖脱基空位位错：由于变形或结晶，晶体的一部分相对晶体的另一部分相对滑移便位错：由于变形或结晶，晶体的一部分相对晶体的另一部分相对滑移便产生位错。位错是变形部分与末变形部分的分界线。产生位错。位错是变形部分与末变形部分的分界线。 GH实际螺旋位错在空间是一个螺旋状的实际螺旋位错在空间是一个螺旋状的晶格畸变管道，宽仅为几个原子间距，晶格畸变管道，宽仅为几个原子间距，长则可穿透晶体。长则可穿透晶体。1、晶界 ：位向不同的相邻晶粒之间的接触界面，属于面缺陷。随相邻晶粒位向的不同，晶界宽度为510个原子间距。晶界分小角度晶界和大角度晶界 。