晶体结构与结晶剖析
02第二章金属的晶体结构与结晶
02第二章金属的晶体结构与结晶金属晶体结构和结晶是金属学中非常重要的基础知识。
金属的晶体结构是指金属中原子或离子的排列方式，金属的结晶则是指金属从液态或气态转变为固态时，原子或离子按照一定的方式排列形成的晶体。
金属的晶体结构主要有两种：面心立方结构（FCC）和体心立方结构（BCC）。
在面心立方结构中，原子或离子处于正方形的面心位置和体心位置，形成紧密堆积的结构；在体心立方结构中，原子或离子处于正方形的面心位置和立方体中心位置，形成简单堆积的结构。
面心立方结构的特点是具有最高的密度，原子间的相互作用较强，因此具有较高的熔点和较好的导电性能。
典型的面心立方结构金属有铜、铝等。
体心立方结构的特点是具有较低的密度和较大的晶胞，原子间的相互作用较弱，因此具有较低的熔点和较差的导电性能。
典型的体心立方结构金属有铁、钨等。
金属的结晶过程分为凝固和晶体形核两个阶段。
凝固是指金属从液态或气态转变为固态的过程，形核则是指随着温度降低和原子间相互作用增强，形成新的晶胞。
金属的凝固过程受到多种因素的影响，如对流、缺陷和晶界等。
对流是指液态金属在凝固过程中的流动，容易形成非均匀结构；缺陷是指晶体中存在的原子空位或附加原子，对晶体性能有重要影响；晶界是指两个晶粒之间的边界，是金属中弹性较差区域。
金属的结晶方式主要有四种：脱溶结晶、化学结晶、物理结晶和相变结晶。
脱溶结晶是指金属从液态中直接凝固形成晶体，常见于无机盐的结晶；化学结晶是指金属通过化学反应形成固态产物，如金属氧化物的结晶；物理结晶是指金属通过物理方法产生晶体结构，如高温下的拉拔；相变结晶是指金属在相变点附近由液态转变为固态的结晶方式，如冶金过程中的凝固。
金属的晶体结构和结晶对金属的性能和应用有重要影响。
不同的晶体结构和结晶方式会影响金属的导电性、强度、延展性和热处理能力等性能。
因此，深入了解金属的晶体结构和结晶对于金属学的研究和应用具有重要意义。
分析纯铁的晶体结构与结晶过程
分析纯铁的晶体结构与结晶过程一、学习目标知识目标：·了解晶体、晶格、晶胞、晶粒的概念及常见的三种晶格类型；·明确金属实际晶体结构；·掌握纯铁的同素异晶转变；·熟悉合金的概念及合金的相结构；·了解金属与合金的结晶过程。
能力目标：·熟悉金属或合金的结晶过程及规律，能有效控制金属的结晶过程，改善金属材料的组织和性能。
二、任务引入纯铁是由铁矿石经冶炼而成的，先得到温度较高的铁水，铁水经冷却后形成高温固态铁，然后在逐渐冷却到室温。
液态铁水经过什么变化形成固态铁，高温固态铁冷却过程中铁的结构是否发生变化？三、相关知识材料的性能取决于材料的组织结构，而材料的组织结构由它的化学组成和加工工艺决定的。
也就是说不同的金属材料具有不同的性能，即使是同一种金属材料，在不同的加工条件下其性能也是不同的。
金属性能的这些差异，从本质上来说，是由其内部结构所决定的。
（一）常见的金属晶格类型1.晶体与非晶体自然界中的固态物质都是由原子组成的，根据原子排列的状况不同，可以将物质分为晶体和非晶体两大类。
（1）晶体物质的原子都是按一定几何形状有规则地排列的称为晶体，如金刚石、石墨及固态金属和合金。
（2）非晶体在物质内部，凡是原子呈无规则、杂乱地堆砌在一起的称为非晶体，如松香、普通玻璃、沥青、石蜡等。
晶体与非晶体因原子排列方式不同，它们的性能也有差异。
晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性，而非晶体没有固定的熔点，呈各向同性。
2.晶格与晶胞晶体内部的原子是按照一定规则排列的。
为了便于理解，将金属晶体中原子看成一个小球，图1-7（a）是金属晶体中原子在空间作有规则排列的简单模型。
为了说明排列的方式，人为地把原子看成一个点，用假想的线将各原子的中心连结起来，这样就得到一个抽象化了的空间格架，见图1-7（b）。
这种用于描述原子在晶体中排列规律的空间格架称为晶格。
（a）晶体的原子排列模型（b）晶格（c）晶胞图1-7 晶体、晶格和晶胞示意图由上图可见，晶格是由许多形状、大小相同的最小几何单元重复堆积而成的。
第二章 金的晶体结构与结晶
第二章 金属的晶体结构与结晶不同的金属材料具有不同的力学性能；同一种金属材料，在不同的条件下其力学性能也是不同的。
金属性能的这些差异，完全是由金属内部的组织结构所决定的。
因此，研究金属的晶体结构及其变化规律，是了解金属性能，正确选用金属材料，合理确定加工方法的基础。
第一节 金属的晶体结构一、晶体与非晶体固态物质按其原子(或分子)的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。
晶体：凡原子(或分子)按一定的几何规律作规则的周期性重复排列的物质，称为晶体；非晶体：原子(或分子)无规则聚集在一起的物质则称为非晶体。
自然界中，除少数物质(如松香、普通玻璃、石蜡等)属于非晶体外，大多数固态物质都是晶体。
由于晶体内部原子(或分子)的排列是有规则的，所以自然界中许多晶体都具有规则的外形，如结晶盐、水晶、天然金刚石等。
但晶体的外形不一定都是有规则的，如金属和合金等，这与晶体的形成条件有关。
因此，晶体与非晶体的根本区别还在于其内部原子(或分子)的排列是否有规则。
晶体与非晶体的区别还表现在许多性能方面，如晶体具有固定的熔点(或凝固点)、具有各向异性的特征。
而非晶体则没有固定的熔点(或凝固点)，具有各向同性的特征。
显然，气体和液体都是非晶体。
特别是在液体中，虽然其原子(或分子)也是处于紧密聚集的状态，但不存在周期性排列，所以固态的非晶体可以看成是一种过冷状态的液体，只是其物理性质不同于通常的液体而已，玻璃就是一个典型的例子，故往往将非晶体称为玻璃体。
非晶体在一定条件下可以转化为晶体，如玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃。
而通常呈晶态的物质，如果将它从液态快速冷却下来，也可能成为非晶体，如金属液的冷却速度超过10℃／s时，可得到非晶态金属。
二、金属晶体的特性晶体又分为金属晶体和非金属晶体两类。
金属晶体除具有晶体所共有的特征外，还具有独特的性能，如金属具有金属光泽、良好的导电性和导热性、良好的塑性及正的电阻温度系数等。
这主要与金属的原子结构及原子问的结合方式有关。
高中化学知识点详解晶体结构
高中化学知识点详解晶体结构晶体结构是高中化学中重要的知识点之一，它涉及到晶体的组成、排列和结构等方面。
本文将详细解析晶体结构的相关概念和特征。
晶体是由一定数量的原子、离子或分子按照一定的规律结合在一起形成的具有规则外观的固体物质。
晶体的结构对其性质和应用具有重要影响。
晶体结构可以通过实验方法和理论模型来研究和解释。
1. 晶体的基本组成晶体的基本组成单位分为晶体胞和晶胞内的基本组织。
晶体胞是晶格的最小重复单位，可以通过平移操作来无限重复整个晶体结构。
晶胞内的基本组织是晶体内的原子、离子或分子的排列方式。
2. 晶体的晶格类型晶体的晶格类型可以分为立方晶系、四方晶系、单斜晶系、正交晶系、三斜晶系、五类三方晶系和六斜晶系。
不同的晶格类型对应着晶胞的不同形状，给晶体带来了不同的结构和性质。
3. 晶体的点阵晶体的点阵是晶格具有的一个特征，它描述了晶体内的原子、离子或分子的排列方式。
点阵可以分为简单点阵、面心立方点阵和密堆积点阵。
不同的点阵结构给晶体带来了不同的物理和化学性质。
4. 晶体的组成晶体的组成可以分为离子晶体、共价晶体、金属晶体和分子晶体四种类型。
离子晶体由阳离子和阴离子按照一定的配位比例组成，共价晶体由原子通过共用电子而形成，金属晶体则是由金属原子通过金属键连接在一起，而分子晶体则是由分子通过范德华力相互作用形成。
5. 晶体的结构特征晶体的结构特征包括晶胞参数、平均密度、元素比例和晶胞中原子、离子或分子的具体排列方式等。
通过实验和理论模型的分析，可以确定晶体的结构特征，并进一步研究其性质和应用。
总结起来，晶体结构是由晶体胞和胞内基本组织构成的，晶格类型和点阵类型直接影响晶体的结构和性质。
晶体的组成类型包括离子晶体、共价晶体、金属晶体和分子晶体。
通过对晶体的结构特征的研究和分析，可以进一步揭示其性质和应用。
通过本文的详解，我们对高中化学中的晶体结构有了更深入的了解，希望对学习和掌握该知识点有所帮助。
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
第三章金属的晶体结构与结晶
钢和铁是制造机器设备的主要材料，它们都是以铁和碳为 主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的 晶体结构。固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。
§３-1 金属的晶体结构 一、晶体的概念
金属在固态下一般都是晶体。 晶体：原子在空间呈规律性排列的固体物质； 注意：在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列 并不规律。如图3-1（a） 金属的结晶就是由液态金属转变为固态金属的过程。
图3-5 实际金属晶体
在晶界上原子的排列不像晶粒内部那样有规则，这种原子 排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点， 将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 1. 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小， 例如空位、置换原子、间隙原子。如图3-6
空位
间隙原子
置换原子
间隙原子
图3-3 面心立方晶格Fra bibliotek 3.密排六方晶格：由两个简单六方晶胞穿插而成,晶胞为六 方柱体，柱体的12个顶角和上、下面中心上各排列一个原子， 在上、下面之间还有三个原子。如图3-4
图3-4 密排六方晶格
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的 金属较差。
§３-2 实际金属的结构 一、多晶体结构
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
图3-9 纯金属冷却曲线
纯金属的晶体结构与结晶
1.2 纯金属的结晶
如图所示，纯 金属的冷却曲线上 有一个平台出现， 这个平台所对应的 温度就是纯金属进 行结晶的温度。
1.2 纯金属的结晶
➢ 纯金属的结晶都是 在恒定的温度下进行 的 ➢ 纯金属在无限缓慢 的冷却条件下结晶， 所测得的结晶温度称 为理论结晶温度。
α铬、钨、钼、钒、 α铁、β 钛、铌等
1.1 纯金属的晶体结构
面心立方晶格也属于立方晶系。 晶格中 长＝宽＝高 α＝β＝γ＝９０° 在晶胞的八个角上各有一个原子 立方体的六个面的面心各有一个原子 每个面心立方晶胞中有四个原子
1.1 纯金属的晶体结构 典型的面心立方晶格晶体
γ 铁、铝、铜、镍、金、 银、铂、铑、γ 锰、铅等
工 程 材 料 及 热 处 理
1.1 纯金属的晶体结构
晶体中原子（离子或分子）在空间的排 列方式称为晶体结构。
为了便于描述晶体结构，通常：
将每一个原子抽象为一个点 再把这些点用假想的直线连起来，构成空间格 架，称为晶格。 晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。 通过两个以上原子间的直线，表示某一原子列 在空间的位向，称为晶向。
1.3 金属的同素异构转变
纯铁 的同素异构 转变特性对 铁碳合金的 组织性能将 有着很大的 影响！
工 程 材 料 及 热 处 理
1.2 纯金属的结晶
晶粒的大小对金属的力学性 能、物理性能和化学性能均有很 大影响。细晶粒组织的金属不仅 强度高，而且塑性和韧性也好。
1.2 纯金属的结晶
实际生产中，细化晶粒的常用手段有：
提高冷却速度 变质处理 附加振动
1.3 金属的同素异构转变
有些金属在固态下，存在着两种或 两种以上的晶格，如铁、钴、钛等金属， 在不同的温度阶段往往表现出不同的晶格 形式。
02第二章 金属的晶体结构与结晶
放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。 在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织或电镜组
织。
显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的
形态、数量、大小和分布的组合。
二、合金的相结构
1、固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之
理工艺的重要依据。
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
1. 二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用
的是热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1、配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线 上的相变点（停歇点或转折点）。 2、在温度-成分坐标中做成分垂线，将相变点标在成分垂线上 3、将这些相变点连接起来，即得到Cu-Ni相图。
因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而
高温下晶粒过大、过小都不好。
2.细化晶粒的方法
晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。
单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。
单位时间内晶核生长的长度
叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小。 因此，凡是促进形核、抑制长 大的因素，都能细化晶粒。
第二章 金属的晶体结构 与结晶
不同的金属具有不同的
力学性能，主要是由于材 料内部具有不同的成分、
组织和结构。
第一节 金属的晶体结构
一、晶体与非晶体
晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属
主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条 件下晶体和非晶体可互相转化。
T= T0 –T1
第二章金属的晶体结构与结晶详解
晶胞：能够完全反映 晶格特征的、最小的 几何单元称为晶胞
在晶体学中，通常取晶胞角 上某一结点作为原点，沿其 三条棱边作三个坐标轴X、 Y、Z，并称之为晶轴，而 且规定坐标原点的前、右、 上方为轴的正方向，反之为 反方向，并以（晶格常数） 棱边长度和棱面夹角来表示 晶胞的形状和大小 。
整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的 晶胞在空间重复堆积而成的。
3、晶面、晶向
•在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶 面。 •任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指 方向称为晶向。
二、常见金属的晶格类型
原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两 原子之间距离的一半。 晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的 原子数目。 致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数， 即K = n v′/ V 。 式中，n为晶胞所含原子数 v′为单个原子体积
三、金属的结晶过程
结晶时晶体在液体中从无到有（晶核形成），由小变 大（晶核长大）的过程，同时存在同时进行。
金 属 结 晶 过 程 示 意 图
晶核的长大方式—树枝状
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
四、晶粒大小对金属力学性能的影响 晶粒的大小对金属的力学性能、物理性能和 化学性能均有很大影响。 细晶粒组织的金属强度高、塑性和韧性好、 耐腐蚀性好。作为软磁材料的纯铁，晶粒越 粗大，则磁导率越大，磁滞损耗减少。 金属结晶后晶粒大小取决于形核率N[晶核形 成数目（mm3.s）]和长大率G（mm/s）
（３）面缺陷（晶界和亚晶界） 面缺陷使金属强度、硬度增高，塑性变形困难 ——“细晶强化”。
第二节 纯金属的结晶与铸锭 （二、三节合并）
• • • • • 凝固与结晶的基本概念 冷却曲线和过冷现象 金属的结晶过程 晶粒大小对金属力学性能的影响 金属的铸态组织
第一章_晶体结构与结晶
多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。
晶粒（单晶体）
晶界
1、实际金属中的晶体缺陷
——实际金属晶体结构与理想结构的偏离。
金属晶体结构中存在的不完整区域称为晶体缺陷。 实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三 类，即点、线、面缺陷。
（1）点缺陷：空位、间隙原子、置换原子
（2）线缺陷：位错
2. 1) 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（ No ） 2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ No ）
3. 1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将： a. 越高 b. 越低 c. 越接近理论结晶温度
2) 为细化晶粒，可采用： a. 快速浇注 b. 加变质剂
√ √
位 错 壁 亚晶粒 大角度和小角度晶界
说明：
1、点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲
（晶格畸变），从而使强度、硬度提高，塑性、
韧性下降。 2、位错能够在金属的结晶、相变和塑性变形等过程 中形成，晶体中的位错密度对金属的性能有着极 其重要的影响，减少或是增加位错密度都可以提 高金属的强度。
晶粒（单晶 体） 面缺陷引起晶格畸变， 晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。
四、金属的同素异构性
1.同素异构转变 物质在固态下晶体结构随温度变化的现象。
铁在固态冷却过 程中有两次晶体 结构变化，其变
化为：
-Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe
1394℃
912℃
-Fe、 -Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方
结构(FCC)。都是铁的同素异构体。
-Fe
-Fe
1）自发形核：又称均质形核，是熔融金属内仅因 过冷而产生晶核的过程。在一定过冷度下，金属 液中的一些原子自发聚集在一 起，按晶体的固 有规律排列起来形成晶核。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
金属材料的性能与其内部的原子排列密切相关，金属 在冷、热加工过程中的许多变化也与晶体结构有关。
金属的特性与金属键 1. 金属的特性 固态金属的主要特性有： 1）良好的导电、导热性。 2）不透明，有金属光泽。 3）具有较高的强度和良好的塑性。 4）具有正的电阻温度系数，即金属的电阻随温度的升 高而增大。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
晶体结构的基本概念 晶体与非晶体
自然界中的一切固态物质，按其内部粒子的排列情况可分为晶体 和非晶体。凡内部粒子呈规则排列的固态物质称为晶体，如食盐 、雪花、固态金属等都是晶体。凡内部粒子呈无规则堆积的固态 物质，成为非晶体，如普通玻璃、松香等都是非晶体。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
金属键
金属原子外层电子与原子核的结合力 较弱，很容易摆脱原子核的吸引力， 这种电子成为自由电子。失去外层电 子的金属原子成为正离子。自由电子 在正离子间自由运动，形成所谓的“电 子气”。正离子与电子气之间依靠静电 引力结合起来，这种结合方式称为“金 属键”。
金属键模型
金属结晶的现象分为： 1. 结晶过程的宏观现象 2. 结晶潜热的释放 3. 结晶过程的微观过程
金属结晶的结晶条件： 结晶的热力学条件 结晶的结构条件
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
晶核的形成 在过冷液体中形成固态晶核时，可能有两种形核方式。一 种是均匀形核，又叫均质形核或自发形核；另一种是非均 匀形核，又叫异质形核或非自发形核。如果液相中各个区 域出现新相晶核的几率都相同，则为均匀形核；如果新相 优先出现在液相中的某些区域，则为非均匀形核。
金属的晶体结构与结晶
第01章 晶体结构
1、体心立方晶格
① 体心立方晶格的晶胞（见右图）是由 八个原子构成的立方体，并在其立方 体的中心还有一个原子 ② 因其晶格常数 a=b=c ，通常只用常数 a 表示。由图可见，这种晶胞在其立方 体对角线方向上的原子是彼此紧密相 接触排列着的，则立方体对角线的长 度为31/2a，由该对角线长度31/2a上所分 布的原子数目（共2个），可计算出其 原子半径的尺寸r= 31/2a /4。 ③ 在体心立方晶胞中，因每个顶点上的 原子是同时属于周围八个晶胞所共有， 实际上每个体心立方晶胞中仅包含有： 1/8×8+1=2个原子。 ④ 属于这种晶格的金属有铁（＜912℃， α-Fe) 、 铬 （ Cr ） 、 钼 （ Mo ） 、 钨 （w）、钒（V）等。
4 3 2 a 3 4 体心立方致密度= ＝68％ 3 a
3
1.晶格的致密度及配位数
配位数：指晶格中任一原子周围所紧邻的最近且等距离的原子 数。配位数越大，原子排列也就越紧密。在体心立方晶格中， 以立方体中心的原子来看，与其最近邻等距离的原子数有8个， 所以体心立方晶格的配位数为8。面心立方晶格的配位数为12。 密排六方的配位数为12。
确定晶向指数的方法2
1. 建立坐标系 结点为原点，三棱 为方向，点阵常数为单位 ； 2. 在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1) (x2,y2,z2)。(若平移晶向或坐标， 让在第一点在原点则下一步更简 单)； 3. 计算x2-x1 ： y2-y1 ： z2-z1 ； 4. 化成最小、整数比u：v：w ； 5. 放在方括号[uvw]中，不加逗号， 负号记 晶格模型
(C) 体心立方晶胞原子数
2、面心立方晶格
① 面心立方晶格的晶胞见右图也是由八个原 子构成的立方体，但在立方体的每一面的 中心还各有一个原子。 ② 在面心立方晶胞中，在每个面的对角线上 各原子彼此相互接触，其原子半径的尺寸 为r=21/2a/4。 ③ 因每一面心位置上的原于是同时属于两个 晶胞所共有，故每个面心立方晶胞中包含 有：1/8×8＋1/2×6=4个原子。 ④ 属于这种晶格的金属有铝（Al）、铜（Cu ）、镍（Ni）、铅（Pb）等。
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离子键： 一失一得，静电作用
（氯化钠）
共价键：
相邻原子共用它们的外部价电子，形成稳定的满
壳层
（金刚石）
§1.2 材料的结构(crystallography)
理想晶体 1．晶体与非晶体
晶体--材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则， 周期性排列(金属在固态下是晶体)。
非晶体－材料的原子（离子、分子）无规则、杂乱的 堆积在一起。
区别
(a)、是否具有周期性、对称性 (b)、是否长程有序 (c)、是否有确定的熔点 (d)、是否各向异性
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2．理想晶体结构 空间规则排列的原子→刚球模型→晶格(crystal lattice)（空间点阵）→晶胞( unit
次外层未填满、最外层先填充电子
易失去最外层电子和次外层电子
过渡族金属的原子间结合力强，
熔点高、强度高
次外层电子也参与结合
二、 金属键
金属中自由电子与金属正离子之间构成的键合方式 公有化的自由电子与正离子之间的结合方式
金属的性能： 良好的导电、导热性 正的电阻温度系数、 不透明、具有金属光泽 良好的延展性
cell )（具有周期性最小组成单元，或能完全反映晶格特征的最小几何单元)。
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3．晶胞的描述
晶体学参数：a , b , c ； α, β, γ
晶格常数( lattice constant ) ：a , b , c
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晶向(crystal direction): 在晶格中,任意两原子之间 的连线所指的方向。
晶面(crystal face): 在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。
4．三种典型的金属晶体晶胞(图)
晶体结构与结晶剖析
§1-1 金属
金属？
具有正的电阻温度系数的物质。
一、 金属原子的结构特点
原子
原子核：带正电
质子：正电荷 中子：电中性
核外电子：带负电
金属原子的结构特点:
最外层电子很少，一般为1-2个，最多3个 失去电子形成正离子（正电性元素）
11 质子 12 中子
K 层 (n = 1) L 层 (n = 2)
体心立方晶胞bcc
属于此类结构的金属有： 碱金属、难溶金属（V、Nb、 Ta、Cr、Mo、W）、 a-Fe等
面心立方晶胞fcc
密排六方晶胞hcp
属于此类结构的金属有：Al、 贵重金属、γ-Fe、Ni、Pb、Pd、 Pt以及奥氏体不锈钢等。
属于此类结构的金属有： Mg、Zn、 a-Be、a-Ti、a-Zr、 a-Hf、a-Co等。
原子半径
晶 0.74
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③、密排六方晶胞HCP Hexagonal Close-Packed
晶胞
晶体学参数
原子半径
晶胞原子数
配位数 致密度
HCP
a=b≠c,
c/a=1.633,
成——具有各向同性 。
2．晶体缺陷( crystal defect ) ： 实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分 。
a、 点缺陷 b、 线缺陷（位错） c、 面缺陷 Engineering Materials MAT,SWJTU 教程首页 本章首页 上一页 下一页 结束放映
a、 点缺陷( point defect ) ——晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化
Z
α βO
γ
Y
c
b X
14种布拉菲点阵
根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归 属于7种类型，即7个晶系。按照“每个阵点的周围环境 相同“的要求，布拉菲（Bravais A．）用数学方法推导出能够反映空间点阵全部特征的单位平面六面
体只有14种，这14种空间点阵也称布拉菲点阵
布 拉 菲 空 间 点 阵 晶 胞 （ 14 种 ）
a=b=90o,g =120o
a/2
6
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12
0.74
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体BCC、面FCC、密HCP晶胞的重要参数
晶胞 BCC FCC HCP
晶体学参数 a=b=c,a=b=g=90o
a=b=c,a=b=g=90o
1s22s22p63s1
M 层 (n = 3) Na
金属原子的结构特点:
最外层电子很少，一般为1-2个，最多3个 失去电子形成正离子（正电性元素）
非金属元素的原子结构特点： 最外层4-7个元素 得到电子形成负离子（负电性元素）
过渡族金属元素的原子结构特点：
（Ti、V、Fe、Mn、Co等）
最外层电子数很少一般为1-2个，最多3个 （同于金属原子的结构特点）；
a=b≠c, c/a=1.633, a=b=90o,g =120o
原子半 径
晶胞原子数 2
配位数 致密度
8
0.68
4
12
0.74
a/2
6
12
0.74
④同素异构性： Engineering Materials MAT,SWJTU 教程首页 本章首页 上一页 下一页 结束放映
§1.3实际晶体
实际晶体——多晶体并存在着晶体缺陷. 单晶体：内部晶格位向完全一致——各向异性 1、多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组
晶胞 BCC
晶体学参数 a=b=c,a=b=g=90o
原子半径
晶胞原子数 2
配位数 8
致密度 0.68
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②、面心立方晶胞FCC Face-Centered Cube
晶胞 FCC
晶体学参数 a=b=c,a=b=g=90o
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晶胞原子数：是指在一个晶胞中所含的原子数目。（体心：2）
配位数：是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目。体：8 致密度：致密度=晶胞中原子所占有的体积/晶胞的体积。体：0.68
①、体心立方晶胞BCC ——Body-Centered Cube