1、金属的晶体结构

时，金属内原子层之间容易作相对位移，金属发生
形变而不易断裂，因此，金属具有良好的变形性。
但也有少数金属，如锑、铋、锰等，性质较脆，没
有延展性。
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离子键 正电性元素与负电性元素相遇
时，电子一失一得，各自成为正、 负离子，正、负离子间靠静电作 用结合而成。NaCL
共价键 相邻原子共用其外部价电子，形成
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bcc：有两类间隙，
扁八面体间隙:
角顶至间隙中心的距离较远为 a 2 / 2
上下原子至间隙中心 的距离较近为a/2，原
子半径为
a 3/4
间隙半径：
a 2
a3 4
0.155 r
0.067 a
5a
3a 4
2
a
3a 2
a
2
a
2
非正四面体间隙:
原子至间隙中心的
距离为
金属原子 四面体间隙
数量：12
a 5/4 间隙半径：
阐述金属材料的化学成分、微观组织结构与宏观力 学性能三者之间的关系和变化规律的科学。
通过本课程的学习，达到能够运用金属学、热处理原理和金 属材料的基本理论知识，认识与分析学习本专业课程中所遇到 的有关问题；
掌握和运用金属材料及热处理知识，能合理而经济地选用金 属材料和提出合理的热处理工艺方案等。
2
金属的最外层电子数很少（1～3），外层电子与原子核的结合力 弱，容易脱离原子核的束缚而变成自由电子；原子成为正离子，将 这些元素称为正电性元素。
过渡族金属元素的核外电子先填充次外层再填充最外层电子，很 容易失去，化合价可变。结合力特强，表现为熔点、强度高。
非金属外层电子数较多，最多7个，最少4个，易获得电子，原子 成为负离子，故非金属元素又称为负电性元素。
原子堆垛模型： 假定晶体中的物质质点都是固定
的刚球，晶体由刚球堆垛而成。 优点：直观、立体感强； 缺点：很难看清内部原子排列的规律
和特点。
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空间点阵： 为清楚地表明原子在空间的排列规律性，常将构成晶体的实际质点
忽略，而将它们抽象为纯粹的几何点，称为阵点或结点。
阵点有规则地周期性重复排 列所形成的空间几何图形。
四方（正方）Tetragonal a=b≠c, α=β=γ＝90º
立方 Cubic a=b=c， α=β=γ＝90º
简单菱方
简单四方 体心四方
简单立方 体心立方 面心立方
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3、三种典型晶体结构 根据晶格常数与夹角关系空间点阵分为14种布拉菲格子
简单三斜
ａ≠ｂ≠ｃ α≠β≠γ≠90°
ａ≠ｂ≠ｃ
α＝β＝γ＝90°
• 例如最细的白金丝直径不过1/5000mm,纯净的金属
铂有高度的可塑性,可以冷轧制成厚度为0.0025mm
的箔。 延展性最好金属的是金。有人将28克金延伸
至65公里长。最薄的金箔只有1/10000mm厚，一两
黄金，压成金箔可覆盖两个篮球场。 金属的延展性
可以由金属的结构得到解释。当金属受到外力作用
上、下底面中心各有1个原子，晶胞内还有3个原子。 有：Zn、Mg、α-Ti、α-Co、Cd等。
晶格常数有两个，上下底面间的距离c与正六边形 边长a，比值c/a称为轴比。
典型密排六方晶格的轴比为1.633，实际轴比往往偏 离这一数值，大约在1.57~1.64之间波动。
原 子 数：n=12×1／6＋2×1／2+3＝6
导热性— 自由电子的运动 和正离子振动；
正电阻温度系数 — 正离子 或原子的振幅随温度的升高增 大，阻碍自由电子的定向运动， 使电阻升高；
金属光泽 — 电子跃迁吸收 或放出可见光；
延展性 —无饱和性和方向 性。
8
延展性
• 物体在外力作用下能延伸成细丝而不断裂的性质叫 延性；在外力（锤击或滚轧）作用能碾成薄片而不 破裂的性质叫展性。
可见原子外层参与结合的电子数决定着结合键的本质，对化学 性能、强度等特性有重要影响。
7
2、 金属键
处于聚集状态的金属原子
将价电子贡献出来，为整个原
子集体所共有，形成电子云。
贡献出价电子的原子，变成
正离子，沉浸于电子云中，依
靠运动于其间的公有化自由电
子的静电作用而结合—形成金
属键—没有饱和性和方向性。
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fcc：两种间隙，正八面体 原子至间隙中心 的 距离为
a/2，原子半径为 a 2 / 4
间隙半径为：
a 2
a2 4
0.414 r
0.146a
a
a
2
2
金属原子 八面体间隙
数量：4
3a 4
a 2
金属原子 四面体间隙
数量：8 正四面体，原子至间隙中 心
的距离为 a 3 / 4
间隙半径为： a 3 a 2 0.225 r 44 0.08a
有1个原子。
面心立方结构的金属有：γ-Fe、Cu、Ni、Al、Ag等。
原 子 数：n=8×1／8＋6×1／2＝4
原子半径：
r
2 4
a
致
密 k
度： nV1 V
4
4 r
3 a3
3
4
4(
3 a3
2 4
a)3
0.74
配 位 数：4×3＝12
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密排六方晶格(hcp) 晶胞的12 个角顶各有1个原子，构成六方柱体，
电子云
中性原子 正离子
…………
……Leabharlann Baidu…
…………
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………
用金属键的特点解释金属特性
导电性 — 自由电子在电场 作用下定向移动形成电流 ；
金属原子
八面体间隙 数量：6
一定条件晶体←→非晶体 ，玻璃高温长时间保温，非晶体→晶态玻璃； 液态金属急快冷却(冷速107℃／s) ，可形成非晶态金属。
性能发生显著变化。
12
2、晶体结构与空间点阵 晶体结构： 指晶体中原子（或离子、分子、原子集团）的具体排列情况，也 就是晶体中的质点（也叫基元，可以是原子、离子、分子或者原子集 团）在三维空间中有规律的周期性重复排列方式。
简单三斜
六方 Hexagonal
a1=a2＝a3≠c，α=β＝90º ， γ=120º
简单六方
单斜 Monoclinic a≠b≠c， α=γ=90º≠β
简单单斜 底心单斜
正交perpendicular a≠b≠c，α=β=γ＝90º
简单正交 底心正交 体心正交 面心正交
菱方 Rhombohedral a=b=c, α=β=γ≠90º
A层
B层
C层
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晶体中的间隙 在密堆结构中，四个原子的中
心构成了正四面体的顶角，四个 原子之间就形成一个四面体间隙。
r 0.225R 0.08a
六个原子的中心构成了正八 面体的顶角，六个原子之间就形 成一个八面体间隙。
r 0.414R 0.146a
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面心立方八面体间隙
面心立方四面体间隙
原 子 数：n=8×1／8＋1＝2
原子半径：
r
3 4
a
配 位 数：指晶体结构中，与任
一个原子最近邻、等距离的原子
数目。 bcc配位数：8
致密度：原子排列的紧密程度。
晶胞中原子所占体积与晶胞体积
之比，用下式表示： k nV1
V
k
nV1
2
4 r 3 3
2
4( 3
3 4
a)3
0.68
V
a3
a3
23
面心立方晶格(fcc) 晶胞的8个角顶各有1个原子，构成立方体，立方体6个面的中心各
数目应最多。
(4)满足上述条件，晶胞体 积应最小。
晶格
大小、形状 棱边长度: a、b、c 棱边夹角: α、β、γ表示。
Z
βα
γ
Y
X
晶胞
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晶系与布拉菲点阵（Crystal System and Bravais Lattice） 七个晶系，14个布拉菲点阵
晶系
布拉菲点阵
晶系
布拉菲点阵
三斜Triclinic a≠b≠c ，α≠β≠γ
会出现fcc和hcp不同的晶体结构？为了搞清这个问题，我们需要了解原 子的堆垛方式。
面心立方结构的原子堆垛方式
A层
B层
密排六方的原子堆垛方式
C层
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如密排面 的堆垛次序 为ABAB，得 到hcp结构。
如密排 面的堆垛 次序为 ABCABC， 得到fcc结 构。
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面心立方晶胞原子堆垛方式
密排六方晶胞原子堆垛方式
但锑延展性不好；铈和镨导电性还不如非金属（如石墨）。 由性能确定，不具有共性，没揭示金属与非金属的本质区别。
严格定义： 具有正的电阻温度系数的物质，非金属的电阻都随温度升高而下
降。 由原子结构和原子间的结合方式确定。
6
1、 金属原子的结构特点
原子(10-10m、Å = 10-1nm)= 带正电的原子核(质子+中子) （10-14m）+ 带负电的按能级排布核外电子(最外层与次外层为 价电子) 。
3
第一章 金属的晶体结构
体心立方结构 body-centered cubic (bcc)
面心立方结构 face-centered cubic (fcc)
4
金属材料的化学成分不同，其性能也不同。
对于同一种成分的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变 材料内部的组织结构，也可以使性能发生极大的变化。
金属之最
• 1.熔点最高的金属——钨 W • 2.熔点最低的金属——汞 Hg • 3.硬度最大的金属——铬 Cr • 4.密度最大的金属——锇 Os • 5.密度最小的金属——锂 Li • 6.地壳中含量最多的金属——铝Al • 7.人类冶炼最多的金属——铁Fe • 8.导热、导电性最好的金属——银Ag • 9.人体内最多的金属元素——钙Ca
简单单斜
底心单斜
ａ≠ｂ≠ｃ α ＝γ＝90°≠β
简单正交
底心正交
体心正交
面心正交
17
ａ=ｂ=ｃ 简单α四=β方=γ≠90° 体心四方
ａ＝ｂ≠ｃ α＝β＝γ＝90°
ａ=ｂ=ｃ
六方
α=β=γ=90°
a１＝a2＝a3≠ｃ α=β=90 °γ=120°
简单菱方
简单立方
体心立方
面心立方
18
简单三斜
简单单斜
11
1.2 金属的晶体结构
用双原子模型解释形成晶体的原因： ★ 原子之间保持一定的平衡距离； ★ 原子周围要保持尽可能多的近邻原子。
1、晶体的特性: 天然晶体(宝石) → 规则外型 金属一般无规则外型 晶体 → 原子在三维空间按照一定的规律周期性的重复排列。 具有固定的熔点、各向异性。 不同方向上的性能，表现出差异，称为各向异性。 非晶体→ 内部原子杂乱无章，至多有局部或短程规则排列。 无固定熔点、各向同性。
原子半径： r 1 a 配 位 数：12 、 6+6
2
致 密 度： k nV1
6 4 r 3
3
6 4(a)3
3 2 0.74
V 3 3 a2 8a
3 2a3
23
25
密排六方晶格原子配位数
26
原子半径与晶格常数
体心立方 r 3a
4
面心立方 密排六方
r 2a 4
r 1a 2
27
晶体中的原子堆垛方式和间隙 对各类晶体分析表明；配位数最大为12，致密度最高为0.74 。为何
稳定的电子壳层。金刚石中的碳原子 间即为共价键。
10
3、 结合力与结合能（双原子作用模型图解）
原子间结合力是由自由电子与金属正离 子间的结引合力能（是长吸程引力能）和，排以斥及能正的离代子数间、 电子和间。的当排原斥子力处（于短平程衡力距）离合d成0时的，。其当两 原子结间合距能较达大到，最引低力值＞，斥此力时，原两子原的子势自动 靠近能；最当低两、原最子稳自定动。靠任近何，对使d电0的子偏层离发，生 重叠都时会，使斥原力子↑势↑能；增直加到，两使原原子子间处距于为d0 时，不引稳力定＝状斥态力，。原任子何就对有平力衡图位回置到d低0的偏 离，能都状将态受，到即一恢个复力到的平作衡用距，离促的使倾其向回。到 平衡位置。原子间最大结合力不是出现在 平衡位置d0而是在dc位置，最大结合力与 金属的理论抗拉强度相对应。
可见，除化学成分外，金属的内部结构和组织状态也是决定金 属材料性能的重要因素。
金属和合金在固态下通常都是晶体，要了解金属及合金的 内部结构，首先应了解晶体的结构，其中包括：
• 晶体中原子是如何相互作用并结合起来的； • 原子的排列方式和分布规律； • 各种晶体结构的特点及差异等。
5
1.1 金属
金属的传统定义： 良好导电性、导热性、延展性（塑性）和金属光泽的物质。
底心单斜
19
简单正交
体心正交
底心正交
面心正交
20
简单六方
简单菱方
简单四方
体心四方
21
简单立方
体心立方
面心立方
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体心立方晶格(bcc) a=b=c、α=β=γ=90°，构成立方体； 晶胞的8个角顶各有1个原子，立方体的中心有1个原子。 体心立方结构的金属有：α-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W等。
人为地将阵点用直线连接起来 形成空间格子，称空间点阵，简 称点阵或晶格。
晶格
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晶胞 能够完全反映阵点排列规律的最小几何单元。
同一点阵，可因阵胞选择方式不同， 得到不同的阵胞。
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