第一章晶体结构1.3(课件3).ppt

1、金属在固态下一般都是晶体。决定晶体结构（crystal structure ）的内在因素是原子，离子，分子间键合的类型及键的强弱。金属晶体是以金属键结合，其晶体结构比较简单,常见的有: 面心立方结构 A1 或 fcc （facecentered cubic ）立方晶系 体心立方结构 A2 或 bcc （bodycentered cubic ）立方晶系 密排六方结构 A3 或 hcp hexagonal closepacked ）六方晶系,1.2 金属的晶体结构,（c）密排六方 A3型,（a）面心立方 A1型,（b）体心立方 A2型,三种典型金属晶体结构刚球模型,描述晶胞从以下几个方面： 晶胞中

2、原子的排列方式 (原子所处的位置) 点阵参数 (晶格常数和晶轴间夹角) 晶胞中原子数 位于顶角处的原子为几个晶胞所共用，而位于晶胞面上的原子为两个相邻晶胞所共用，只有晶胞体内的原子才为一个晶胞所独有。每个晶胞所含的原子数（N）： N=Ni+Nf/2+Nr/m 式中，Ni，Nf，Nr分别为晶胞内部，面心和角顶上的原子数；m为晶胞类型参数，立方晶系的m=8，六方晶系的m=6， 原子半径 R(原子的半径)(和点阵常数关系),1.2.1 三种典型金属晶体结构,三种典型金属晶体结构晶胞原子数,原子半径与晶格常数,配位数 (coordinative number) 晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原

3、子数。 致密度： 晶体结构中原子体积占总体积的百分数（K）。如以一个晶胞计算，则致密度就是晶胞中原子体积与晶胞体积之比值，即： 密排方向和密排面 面密度：单位晶面面积中原子所占的面积。 线密度：单位晶向长度中原子所占的长度。,原子的堆垛方式,最紧密堆积原理： 晶体中各离子间的相互结合，可以看作是球体的堆积。球体堆积的密度越大，系统的势能越低，晶体越稳定。此即球体最紧密堆积原理。 适用范围：典型的离子晶体和金属晶体。 质点堆积方式：根据质点的大小不同，球体最紧密堆积方式分为等径球和不等径球两种情况。,球体在平面上的最紧密堆积,B,B,面心立方晶体的 ABCABC 顺序密堆结构,体心立方晶格的 A

4、BAB 密堆结构,三种典型金属晶格密排面的堆垛方式,晶体结构中的间隙 (大小和数量),从形状上看，空隙有两种：一种是四面体空隙，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，由6个球体构成，球心连线形成一个正八面体。 由同种球组成的四面体空隙小于八面体空隙。 n个等径球最紧密堆积时，整个系统四面体空隙数为2n个，八面体空隙数为n个。 根据刚性球模型的几何关系，可以求出三种典型晶体结构中四面体间隙和八面体间隙的rB/rA值，,关于间隙的几点结论： （1）FCC和HCP金属中八面体间隙大于四面体间隙，故金属中的间隙式元素的原子位于八面体间隙。 （2）在BCC晶体中，四面体间隙大于

5、八面体间隙，间隙式元素的原子位于四面体间隙。由于间隙的不对称性，间隙式元素的原子也可位于八面体间隙。 （3）FCC和HCP金属中八面体间隙远大于BCC中的八面体或四面体间隙，因而间隙式元素在FCC和HCP中的溶解度比在BCC中大得多。（课本例题p51） （4） FCC和HCP晶体中八面体和四面体间隙大小相等，原因在于两者的堆垛方式非常相象。,晶胞中原子排列 在立方体的八个顶角和六个面的面心各有一个原子。 点阵参数: a=b=c；=90 晶胞中原子数: n=81/861/2=4 个 原子半径 R:原子半径-两个相互接触的原子中心距离一半 配位数与致密度 配位数 CN=12 致密度 k=0.74,

6、1. 面心立方结构(特征）,面心立方晶格原子位置,面心立方晶格晶胞原子数,面心立方原子配位数,面心立方密排面,原子密排面111；原子密排方向,间隙有两种:四面体间隙和八面体间隙，如图 八面体间隙（有八面的空隙）位于晶胞体中心和每个棱边的中点，由 6 个面心原子所围成,大小rB=0.414R，rB为间隙半径，R为原子半径，间隙数量为4个(12+1)。 四面体间隙（有四面的 interstice）由一个顶点原子和三个面心原子围成，位于体对角线与顶点的1/4处，其大小：rB=0.225R，间隙数量为8个。 堆垛方式：ABCABC或ACBACB的顺序堆垛 具有面心结构金属:Fe、Al、Cu、Ni、Au

7、、Ag等。,1.面心立方结构（间隙及堆垛方式）,面心立方八面体间隙,间隙大小（半径） = a /2 R = 0.414R,面心立方四面体间隙,间隙大小（半径） =3 a / 4 R = 0.225R,面心立方原子堆垛顺序,原子排列:晶胞八个顶角和晶胞体心各有一个原子 点阵参数:a=b=c，=90 晶胞中原子数:n=81/81=2个 原子半径: 配位数和致密度: 配位数： CN=8 致密度： k=0.68,2.体心立方晶格(特征）,体心立方晶格原子位置,体心立方晶格晶胞中原子数,体心立方晶格密排面,原子密排面110；原子密排方向,间隙: 也是两种，为八面体和四面体间隙. 八面体间隙 位于晶胞六面

8、体每个面的中心和每个棱的中心，由一个面上四个角和相邻两个晶胞体心共6个原围成，即数量为6。大小为rB=0.154R 四面体间隙 由两个体心原子和两个顶角原子所围成，大小rB=0.291R,有 12 个。 堆垛方式: ABABAB的顺序堆垛 bcc结构金属: Fe、Fe、Cr、Mo、W、V等,2.体心立方晶格（间隙及堆垛方式）,体心立方晶格中的八面体间隙,a / 2 R = 0.154R,体心立方晶格中的四面体间隙,间隙大小（半径）,= 5 a / 4 R = 0.291R,体心立方晶格原子堆垛顺序,原子排列: 正六棱柱体 12 个顶角和上下底中心各有一个原子，正六棱柱体中心有三个原子 点阵参数

9、: a1=a2=a3c，=90 ， =120 晶胞中原子数：n=121/621/23=6个 原子半径:2R=a R=a/2 配位数和致密度 配位数： CN=12 致密度: K=0.74,3.密排六方晶格（特征）,密排六方晶格原子位置,密排六方晶格晶胞原子数,密排六方晶格密排面,原子密排面0001；原子密排方向,密排六方晶格原子配位数,间隙: 较为复杂，如图2.34 八面体间隙rB=0.414R 有 6 个 四面体间隙rB=0.225R 有 12 个 堆垛方式: ABABAB顺序堆垛 hcp结构金属有:Mg、Zn、Be、Cd等,3.密排六方晶格(间隙及堆垛方式）,密排六方晶格八面体间隙,密排六方

10、晶格四面体间隙,密排六方晶格原子堆垛顺序,多晶型性指某些金属在不同温度和压力下具有不同的晶体结构。 多晶型性转变指金属在外部条件 (如 T 和 P) 改变时，其内部从一种晶体结构向另一种晶体结构的转变,又称同素异构（同素异性）转变 例如纯铁:,1.2.2 多晶型性,1.2.3 晶体结构中的原子半径,1.温度与压力的影响 原子热振动及晶体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的大小。 2.结合健的影响 晶体是原子的平衡间距与结合键的类型及其键合的强弱有关，离子键与共价键是较强的结合键，故原子间距相应较小；而范德瓦尔斯键能最小，因此原子间距最大。,3.配位数的影响 原

11、子半径随晶体中原子配位数的降低而减小。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。 4.原子核外电子结构的影响,例题 -Fe转变为体心立方结构的-Fe时的体积变化。 解：（1）假定转变前后铁的原子半径不变，计算时按每个原子在晶胞中占据的体积为比较标准，已知的-Fe晶胞中有4个原子，-Fe晶胞中有2个原子。 R1=R2=R ，转变时的体积变化为：,考虑铁原子半径在转变时要发生改变 对具有多晶型转变的金属来说，原子半径随配位数的降低而减小，当-Fe转变为-Fe时，配位数由12变为8，这时原子半径R2=0.97R1,因此，转变时的体积变化为：,各向异性：由于在不同方向上的原子排列的紧密程度不同使晶体在不同方向上的物理、化学和力学性能不同。而一般整个晶体不显示各向异性，称为伪等向性。