[化学]金属与合金的晶体结构

2019/1/15,金属学与热处理原理,1,第一章：金属与合金的 晶 体 结 构,2019/1/15,金属学与热处理原理,2,第一章：金属的晶体结构,§11 金属原子间的结合 §12 金属的晶体结构 §13 实际金属的晶体结构,2019/1/15,金属学与热处理原理,3,§11 金属原子间的结合,一、金属的一般特性和金属键 1、 特性 结构特点：原子结构，核外电子数，最外层电子数，次外层电子数 性能特点：良好的导电性、导热性、塑性（延展性），具有金属光泽，不透明，正的电阻温度系数。 2、 原因 这主要是与金属原子内部的自身结构和原子间的结合方式有关。,2019/1/15,金属学与热处理原理,4,二、金属键电子云 当大量金属原子结合在一起，构成金属晶体时，金属原子失去外层电子变成正离子；失去的外层电子成为自由电子，为整个金属所共有，构成电子云，金属正离子在其平衡位置作高频率的热振动；金属离子和自由电子之间的引力与离子间和电子间的斥力相平衡，从而构成稳定的金属晶体。这种结合方式称之为金属键。,2019/1/15,金属学与热处理原理,5,金属离子与自由电子之间存在着较强的作用力金属键,2019/1/15,金属学与热处理原理,6,金属特性的金属键理论解释 (1)自由电子在电场的作用下定向运动形成电流，从而显示出良好的导电性。 (2)随着温度升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍作用也加大，因而，金属的电阻是随温度的升高而增加的，即具有正的电阻温度系数。 (3)自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能，因而使金属具有较好的导热性。,2019/1/15,金属学与热处理原理,7,当金属发生塑性变形后，正离子与自由离子间所能保持金属键的结合，使金属显示出良好的塑性。 自由电子能吸收可见光的能量，故金属具有不透明性。吸收能量后跳到较高能级的电子，当它重新跳回到原来低能级时，就把所吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，在宏观上就表示为金属的光泽。,2019/1/15,金属学与热处理原理,8,三、结合力与结合能,上一级,排斥力,吸引力,结合力,结合能,排斥能,吸引能,A,B,EAB,B,A,0,0,dc,d0,原子间距d,原子间距d,2019/1/15,金属学与热处理原理,9,一、晶体与非晶体 区别：规则排列与非规则排列 内部质点按一定的几何规律呈周期性规则排列的物质称为晶体。 晶体有固定的熔点（如铁为1538，铜为1083，铝为660）；一般具有规则的外形；在不同的方向上具有不同的性能，即表现出晶体的各向异性。 晶体分类和材料的结晶倾向性： 金属键金属晶体 共价键原子晶体 离子键离子晶体 范德华力分子晶体,§12 金属的晶体结构,上一级,晶体与非晶体在一定条件下可互相转化。,2019/1/15,金属学与热处理原理,10,二、晶体结构与空间点阵 原子堆垛模型：真实、立体感强 空间点阵：原子用节点表示，用空间网格表示原子间的关系，形成周期性排列的空间几何图形晶格 晶胞：从晶格中取出一个可以代表原子空间排列情况的最小几何结构单元。 晶格常数： a，b，c；、,2019/1/15,金属学与热处理原理,11,晶胞选取应满足下列条件 ： (1)晶胞几何形状充分反映点阵对称性； (2)平行六面体内相等的棱和角数目最多； (3)当棱间呈直角时，直角数目应最多； (4)满足上述条件，晶胞体积应最小。,2019/1/15,金属学与热处理原理,12,14种点阵分属7个晶系。,2019/1/15,金属学与热处理原理,13,1、体心立方晶格(图) （BCC Body-Centered Cube） a=b=c =90° 晶胞中实际原子数为: 具有体心立方晶格的金属有： -Fe、Cr、W、Mo、V等。,三、三种典型的金属晶体结构,体心立方BCC （A2型）,2019/1/15,金属学与热处理原理,14,2、 面心立方晶格(图) （FCC Face-Centered Cube） a=b=c =90° 晶胞中原子数为： 具有面心立方晶格的金属有： -Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pb、Ni等。,面心立方FCC （A1型）,2019/1/15,金属学与热处理原理,15,3、 密排六方晶格(图) a=b c =90° =120 ° 密排六方晶格中原子数为： 具有密排六方晶格的金属有： Mg、Zn、Be、Cd、Zr等。,（c）密排六方HCP（A3型）,（HCP Hexagonal Close-Packed）,2019/1/15,金属学与热处理原理,16,a、晶体结构的致密度 致密度：是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。 体心立方的致密度,2019/1/15,金属学与热处理原理,17,面心立方与密排六方的致密度 计算同体心立方，但数值均为0.74。 致密度数值越大，则原子排列越紧密。 为何面心立方和密排六方的致密度一样？ 均为密排特征！,2019/1/15,金属学与热处理原理,18,b、配位数的概念 配位数是指晶体结构中，与任一原于最近邻并且等距离的原子数。 体心立方：8；面心立方：12；密排六方：12 配位数的多少也可以反映原子排列的紧密程度。,2019/1/15,金属学与热处理原理,19,3、晶体中原子的堆垛方式和间隙 （1）原子堆垛方式,C,A,2019/1/15,金属学与热处理原理,20,（2）面向立方与密排六方比较,2019/1/15,金属学与热处理原理,21,（3）体心立方,A,B,2019/1/15,金属学与热处理原理,22,(4) 间隙： 间隙半径（rB）：间隙中所能容纳的最大圆球半径。,2019/1/15,金属学与热处理原理,23,2019/1/15,金属学与热处理原理,24,三种晶体基本参数归纳,2019/1/15,金属学与热处理原理,25,四、晶面与晶向 晶面：通过空间点阵，由一系列原子所构成的平面称为晶面。通过晶体中原子中心的平面称晶面。 晶向：通过晶体中原子中心的直线为原子列，其所代表的方向叫晶向。任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。,2019/1/15,金属学与热处理原理,26,不同的晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，原子间相互作用也就不同，因而不同晶面和晶向就显示不同的力学性能和理化性能。 面密度，线密度 表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的位向称为晶面指数和晶向指数。 国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。,2019/1/15,金属学与热处理原理,27,1、 晶向指数求法 设坐标 x，y，z 引圆点（OA） 求坐标（x，y，z） 化整数 列括号u v w ,立方晶系的晶向和晶面指数,2019/1/15,金属学与热处理原理,28,2、晶面指数求法 设坐标x，y，z, 避圆点； 求截距(x，y，z)； 取倒数； 化整数； 列括号(h k l) 。 h k l,2019/1/15,金属学与热处理原理,29,X,Y,Z,举例：, 立方晶系的晶面表示方法,(111), (001), (010), (100), (110), 等,晶面族：原子排列完全相同但在空间位向不同。,如：111、100、110等, 立方晶系的晶向表示方法,101、 011 、 111、110 、 100等。,晶向族：原子排列完全相同但在空间位向不同。,如：. . ,(010),X,Y,Z,111,100,110,011,101,2019/1/15,金属学与热处理原理,30,晶面指数说明： a 指数意义：代表一组平行的晶面； b 0的意义：面与对应的轴平行； c 平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反； d 晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相同），空间位向不同的各组晶面。用hkl表示。 e 若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0; f 若晶面与晶向垂直，则u=h, k=v, w=l。,2019/1/15,金属学与热处理原理,31,3、六方系晶向指数和晶面指数,a、六方系指数标定的特殊性： 四轴坐标系（三个参数时，等价指数不具有等价晶面）。 b、晶面指数的标定： 标法与立方系相同(四个截距)； 用四个数字(hkil)表示； i=-(h+k)。 c、晶向指数的标定 标法与立方系相同(四个坐标)； 用四个数字(uvtw)表示； t=-(u+v)。 依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。 坐标换算法：UVWuvtw u=(2U-V)/3, v=(2V-U)/3, t=-(U+V)/3, w=W。,2019/1/15,金属学与热处理原理,32,晶向指数标定：从圆点出发，选择可涉及a3的路径，逐次沿着各坐标移动，最终到达标定方向上的节点上。注意移动时，满足t=-(u+v)。,2019/1/15,金属学与热处理原理,33,五、晶带 a 定义：平行于某一晶向直线所有晶面的组合。 晶带轴 晶带面 共带面 b 性质：晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面/晶带轴； hu+kv+lw=0 c 晶带定律 凡满足上式的晶面都属于以uvw为晶带轴的晶带。 推论：同一晶带轴中各共带面的法线与晶带轴垂直。 （a） 由两晶面(h1k1l1) (h2k2l2)，求其晶带轴uvw： u=k1l2-k2l1; v=l1h2-l2h1; w=h1k2-h2k1。 （b） 由两晶向u1v1w1u2v2w2，求其决定的晶面(hkl)。 h=v1w2-v2w1; k=w1u2-w2u1; l=u1v2-u2v1。,2019/1/15,金属学与热处理原理,34,六、晶体的各向异性,-Fe的性能,2019/1/15,金属学与热处理原理,35,七、金属的同素异构转变多晶型性,有些金属在不同温度、压力等外界条件下，会发生晶格类型的转变，这种现象称为同素异构转变。 铁、钛、锡、钴、锰等都有同素异构转变体，如图所示为铁的同素异构转变。,分析： 液态铁结晶后是体心立 方晶格，称为-Fe； 在1394以下是面心立 方晶格，称-Fe； 在912以下是体心立 方晶格，称-Fe 。,2019/1/15,金属学与热处理原理,36,离子晶体 氯化钠晶体的形成：,2019/1/15,金属学与热处理原理,37,氯化钠晶胞,每个NaCl晶胞中有 个Cl，有 个Na+。,4,4,2019/1/15,金属学与热处理原理,38,氯化铯晶体,Cl-,Cs+,Cl-,Cl-,Cl-,2019/1/15,金属学与热处理原理,39,氯化铯晶胞,每个CsCl晶胞中有 个Cs+，有 个Cl -。,1,1,2019/1/15,金属学与热处理原理,40,每个CO2 分子周围与之紧邻等距离的 CO2有 个,每个CO2 晶胞中含有 个CO2分子。,12,4,分子晶体,2019/1/15,金属学与热处理原理,41,每个碳原子与 个 六员碳环共用。,原子晶体 金刚石晶体结构分析,2019/1/15,金属学与热处理原理,42,晶体硅结构,碳化硅晶体结构,2019/1/15,金属学与热处理原理,43,二氧化硅晶体,石墨结构,2019/1/15,金属学与热处理原理,44,金属钠晶体,返回,2019/1/15,金属学与热处理原理,45,第一章，12节思考题,晶体的基本常识。 金属键的结合特点与力学、理化性能。 双原子作用模型。 三种典型晶体结构：晶格点阵、晶胞、堆垛方式、间隙位置和大小、配位数和致密度、原