第二章 金属的晶体结构缺陷
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最大结合力
2017/3/14
EAB
A
B 吸引能
原子间距d
双原子作用模型 金属原子为什么排列规则，并趋于紧密排列？
8
§2-2 纯金属的晶体结构
材料的成分不同其性能也不同。对同一成分的材料也可通 过改变内部结构和组织状态的方法，改变其性能，这促进
了人们对材料内部结构的研究。
组成材料的原子的结构决定了原子的结合方式，按结合方 式不同可将固体材料分为金属、陶瓷和塑料。 根据其原子排列情况，又可将材料分为晶体与非晶体两大 类。 本章首先介绍晶体材料的内部结构。
(c)是否有确定的熔点？
(d)是否各向异性
某些晶体与非晶体在一定条件下可以相互转化，即同素异构转变。 2017/3/14 12
三、晶体结构的基本概念
为了便于研究晶体中原于、分子或离子的排列情况，近似地 将晶体内部所有原子看成是无错排的理想状态，为规则排列 于空间的无数几何点。这些点代表原子(分子或离子)的中心， 也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，各点的周围环境 相同。这些点的空间排列结构称为空间点阵。 也就是我们常说的晶体结构
原子
核外电子：带负电
中子：电中性
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）
2017/3/14 4
（二）、 金属原子的结合方式——金属键
1、 金属键的概念 金属或合金的每一个原子都贡
献出它们的价电子，形成由整个
固体金属所共有的“电子云”， 这种结合类型就是金属键。 2、 金属键的特点 原子排列紧密，决定了金属 具有强度高，塑性好，良好的导 电性、导热性。
2017/3/14 1
例如金刚石和石墨成分 都是C原子，但是它们的 性能完全不同，原因是它 们的原子排列Fra Baidu bibliotek构不同。
2017/3/14
2
§2-1 金属及其特性（简单了解）
一、金属的定义 金属？具有正的电阻温度系数的物质。 二、金属的性能 具有良好的导热性、导电性、有光泽、不透 明、较高强度、硬度、可塑性等
2017/3/14 10
2017/3/14
11
二、晶体与非晶体的特征
晶体：原子（离子、分子）在三维空间作有规则的周期性排 列的物质。有单晶体（纯金属）与多晶体(合金）之分。 特点：有固定的熔点、长程有序、各向异性（只有单晶 体具备）。 非晶体：原子（离子、分子）在三维空间内不规则排列的物 质。特点：没有固定的熔点、无序、各向同性（多晶体 也具备）。 (a)是否具有周期性、对称性 (b)是否长程有序 区 别
2017/3/14
（金刚石）
6
（三）、 金属原子的结合力与结合能
问题：金属原子为什么排列规则， 并趋于紧密排列？
固态金属中两个原子之间的作用力：
1）正离子与电子的吸引力
2）正离子与正离子、电子与电子的排斥力 “结合力”：是吸引力和排斥力的代数和
结合能：
2017/3/14
吸引能和排斥能的代数和
7
d0 平衡间距或位置 d>d0时，相互吸引 d<d0时，相互排斥 d=d0时，结合力为零
排 斥 力 ＋F 结合力 o A 吸 引 力 －F 结合能 d0 B
排斥力
dc
理论抗拉强度
引力
原子间距d
任何对d0偏离，都使势能升高
形成原子团比单个原子能量低 原子周围最近邻的原子数越多 结合能越低 能量越低，状态越稳定
排 斥 能
o 吸 引 能
排斥能
EAB 结合能或键能 dc 理论抗拉强度
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一、 晶体与非晶体的概念
◇各种材料内部原子排列可分为三个等级，即无序排列、短 程（部分原子）有序排列、长程（全部原子）有序排列。 ◇材料内部的质点（分子、原子或离子）在三维空间作有规
律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体。
◇ 材料内部的质点是无序排列的叫非晶体。 ◇晶体与非晶体中原子排列方式不同，导致其性能上出现较 大差异。晶体具有一定的熔点，非晶体则没有。晶体的某些 物理性能和力学性能在不同的方向上具有不同的数值成为各 向异性。 ◇晶体分为天然晶体，如食盐、冰、雪花、石花；人造晶体， 如人造石英、人造金刚石；各种金属晶体。 非晶体如玻璃、橡胶、塑料、木材等。
2017/3/14
13
1、晶体结构的概念：
晶体中原子（离子、分子）在三维
空间有规律的具体排列方式。这种 排列结构或空间点阵结构就叫晶体 结构。（在理想状态下）
金属和合金在固态下通常为晶体。 晶体结构的钢球模型
2017/3/14 14
2、晶格的概念：
为了便于研究，用假想直线将金属中原子的中心位置连接起 来表示原子分布的几何图形。（在理想状态下）
质点模型
2017/3/14
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晶体结构示意图
2017/3/14
晶格示意图
16
3、晶胞的概念：代表晶格结构特征的最基本单元。
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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。
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（二）、 金属原子的结合方式——金属键
3、金属的特性： 导电：自由电子沿电场方向运动 导热：自由电子运动、正离子振动 正的电阻温度系数 不透明、具有金属光泽 塑性：正离子始终被电子云包围 离子键： 一失一得，静电作用 （氯化钠） 金属键：金属中自由电子与金属正离子之间依靠金属键结合。 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
化学成分（一种或多种元素） 原子排列方式（晶体结构）
组织（晶粒个数、晶粒度、晶界等）
原子结合方式（金属键、离子键、共价键） 内因
三、金属性能决定因素
外因
金属材料形状 加工制造工艺
内因起主要作用,外因起次要作用，关键是原子的种类和结构
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简单了解 （一）、 金属原子的结构特点
质子：正电荷 原子核：带正电
第二章 纯金属（单晶体）的晶体结构与 合金（多晶体）的晶体结构
我们为什么要学习金属的晶体结构？ 什么是晶体结构？ 金属材料为什么具有各种不同的性能？
组织结构不同，性能不同； 化学成分不同，性能不同； 加工制造工艺不同，性能不同； 成分相同、加工工艺不同，性能不同
金属材料的性能是由什么来决定的？——晶体结构决定的
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EAB
A
B 吸引能
原子间距d
双原子作用模型 金属原子为什么排列规则，并趋于紧密排列？
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§2-2 纯金属的晶体结构
材料的成分不同其性能也不同。对同一成分的材料也可通 过改变内部结构和组织状态的方法，改变其性能，这促进
了人们对材料内部结构的研究。
组成材料的原子的结构决定了原子的结合方式，按结合方 式不同可将固体材料分为金属、陶瓷和塑料。 根据其原子排列情况，又可将材料分为晶体与非晶体两大 类。 本章首先介绍晶体材料的内部结构。
(c)是否有确定的熔点？
(d)是否各向异性
某些晶体与非晶体在一定条件下可以相互转化，即同素异构转变。 2017/3/14 12
三、晶体结构的基本概念
为了便于研究晶体中原于、分子或离子的排列情况，近似地 将晶体内部所有原子看成是无错排的理想状态，为规则排列 于空间的无数几何点。这些点代表原子(分子或离子)的中心， 也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，各点的周围环境 相同。这些点的空间排列结构称为空间点阵。 也就是我们常说的晶体结构
原子
核外电子：带负电
中子：电中性
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）
2017/3/14 4
（二）、 金属原子的结合方式——金属键
1、 金属键的概念 金属或合金的每一个原子都贡
献出它们的价电子，形成由整个
固体金属所共有的“电子云”， 这种结合类型就是金属键。 2、 金属键的特点 原子排列紧密，决定了金属 具有强度高，塑性好，良好的导 电性、导热性。
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例如金刚石和石墨成分 都是C原子，但是它们的 性能完全不同，原因是它 们的原子排列Fra Baidu bibliotek构不同。
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§2-1 金属及其特性（简单了解）
一、金属的定义 金属？具有正的电阻温度系数的物质。 二、金属的性能 具有良好的导热性、导电性、有光泽、不透 明、较高强度、硬度、可塑性等
2017/3/14 10
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二、晶体与非晶体的特征
晶体：原子（离子、分子）在三维空间作有规则的周期性排 列的物质。有单晶体（纯金属）与多晶体(合金）之分。 特点：有固定的熔点、长程有序、各向异性（只有单晶 体具备）。 非晶体：原子（离子、分子）在三维空间内不规则排列的物 质。特点：没有固定的熔点、无序、各向同性（多晶体 也具备）。 (a)是否具有周期性、对称性 (b)是否长程有序 区 别
2017/3/14
（金刚石）
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（三）、 金属原子的结合力与结合能
问题：金属原子为什么排列规则， 并趋于紧密排列？
固态金属中两个原子之间的作用力：
1）正离子与电子的吸引力
2）正离子与正离子、电子与电子的排斥力 “结合力”：是吸引力和排斥力的代数和
结合能：
2017/3/14
吸引能和排斥能的代数和
7
d0 平衡间距或位置 d>d0时，相互吸引 d<d0时，相互排斥 d=d0时，结合力为零
排 斥 力 ＋F 结合力 o A 吸 引 力 －F 结合能 d0 B
排斥力
dc
理论抗拉强度
引力
原子间距d
任何对d0偏离，都使势能升高
形成原子团比单个原子能量低 原子周围最近邻的原子数越多 结合能越低 能量越低，状态越稳定
排 斥 能
o 吸 引 能
排斥能
EAB 结合能或键能 dc 理论抗拉强度
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一、 晶体与非晶体的概念
◇各种材料内部原子排列可分为三个等级，即无序排列、短 程（部分原子）有序排列、长程（全部原子）有序排列。 ◇材料内部的质点（分子、原子或离子）在三维空间作有规
律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体。
◇ 材料内部的质点是无序排列的叫非晶体。 ◇晶体与非晶体中原子排列方式不同，导致其性能上出现较 大差异。晶体具有一定的熔点，非晶体则没有。晶体的某些 物理性能和力学性能在不同的方向上具有不同的数值成为各 向异性。 ◇晶体分为天然晶体，如食盐、冰、雪花、石花；人造晶体， 如人造石英、人造金刚石；各种金属晶体。 非晶体如玻璃、橡胶、塑料、木材等。
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1、晶体结构的概念：
晶体中原子（离子、分子）在三维
空间有规律的具体排列方式。这种 排列结构或空间点阵结构就叫晶体 结构。（在理想状态下）
金属和合金在固态下通常为晶体。 晶体结构的钢球模型
2017/3/14 14
2、晶格的概念：
为了便于研究，用假想直线将金属中原子的中心位置连接起 来表示原子分布的几何图形。（在理想状态下）
质点模型
2017/3/14
15
晶体结构示意图
2017/3/14
晶格示意图
16
3、晶胞的概念：代表晶格结构特征的最基本单元。
2017/3/14
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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。
2017/3/14 5
（二）、 金属原子的结合方式——金属键
3、金属的特性： 导电：自由电子沿电场方向运动 导热：自由电子运动、正离子振动 正的电阻温度系数 不透明、具有金属光泽 塑性：正离子始终被电子云包围 离子键： 一失一得，静电作用 （氯化钠） 金属键：金属中自由电子与金属正离子之间依靠金属键结合。 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
化学成分（一种或多种元素） 原子排列方式（晶体结构）
组织（晶粒个数、晶粒度、晶界等）
原子结合方式（金属键、离子键、共价键） 内因
三、金属性能决定因素
外因
金属材料形状 加工制造工艺
内因起主要作用,外因起次要作用，关键是原子的种类和结构
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简单了解 （一）、 金属原子的结构特点
质子：正电荷 原子核：带正电
第二章 纯金属（单晶体）的晶体结构与 合金（多晶体）的晶体结构
我们为什么要学习金属的晶体结构？ 什么是晶体结构？ 金属材料为什么具有各种不同的性能？
组织结构不同，性能不同； 化学成分不同，性能不同； 加工制造工艺不同，性能不同； 成分相同、加工工艺不同，性能不同
金属材料的性能是由什么来决定的？——晶体结构决定的