金属的晶体结构解析

第一节：金属的基本概念
什么是金属
？
金属是具有正的电阻温度系数的物质
什么是金属键
金属原子的外层电子少，容易失去，其外层的价电 子脱离原子成为自由电子，为整个金属所共有，形 成电子气。这种由金属正离子和自由电子之间的互 相作用称为金属键。金属键无方向性和饱和性。
根据金属键解释固态金属的一些特性
导热性 导热性 延展性 金属光泽 正的电阻温度系数
晶向：各方向上的原子列称晶向。
➢在分析和研究有关晶体的生长、
塑性变形、相变以及性能方面的
问题时，常涉及到晶向和晶面。
为了方便表示各种晶面和晶向，
Z
国际上采用了统一的符号表示，
表示晶面的为晶面指数，表示晶
向的为晶向指数。
Y
X
晶面指数
晶面 晶面指数
空间中不在一直线任三个阵点的 构成的平面，代表了晶体中原子 列的方向。
陶瓷材料：无机非金属材料，以离子键和共价键为主，
熔点高、硬度大、导电性差，多为脆性材料。如Al2O3、 SiO2、金刚石等。
材料的结合键
高分子材料的键型及性能特点
通信电缆
UPVC高分子
绝缘材料
聚四氟乙烯薄膜
增强复合瓦
高分子材料：链间以分子键结合，链内组成分子的是
共价键和氢键；熔点低，强度和硬度低。如塑料、橡
表示晶面方位的符号(Miller指 数），用(hkl)表示。
晶面指数的确定方法
（1）选原点定坐标：以晶胞中某一阵点为原点，对晶胞作 晶轴X、Y、Z，以晶胞的边长为晶轴上的单位长度1。
（2）求截距：求晶面在三个晶轴上的截距， 如：1、1、∞； 1/2、1/2、1。
（3）取倒数: 取这些截距的倒数， 如：1、1、0； 2、2、1。
胶、合成纤维等。
第二节：金属的晶体结构
• 固态物质可分为晶体和非晶体， 金属在固态下通常都是晶体，故 研究金属应首先了解其晶体结构。
2.1 晶体和非晶体
晶体
原子、离子或分子在三维空间按一定规律呈 周期性重复排列，长程有序 ，规则排列。 不同方向原子的排列方式不相同，因而其表 现的性能也有差异，各向异性。 具有固定的熔点。
体心立方结 构.AVI
体心立方晶格中的原子排列 在体心立方晶格中密排面为{110}，密排方向为<111>
体心立方结构中的间隙
四面体间隙
八面体间隙
二、面心立方晶格
立方体的八个顶角和每个侧面中心都 有原子
面心立方晶体结构的特征
——Face Centered Cube （FCC）
典型金属：γ-Fe、Al、Cu、 Ni、Au、Ag、Pb
描述晶格结构的几个参数
❖ 晶体学参数： a、b、c、α、β、γ
❖ 晶格常数： a、b、c
❖ 晶胞原子数：晶胞内所包含
的原 子 数。
❖ 致 密 度：晶胞中所包含的
原子所占有的体积与该晶胞 体积之比。
简单立方晶胞
致密度越大，原子排列越紧密
2.2 晶体结构和空间点阵（续）
按点阵常数的特征对晶体的分类。
（4）化为整数，加圆括号：将所得数值化为最简整数，并 加圆括号，即表示该晶面的指数，记为（h k l）。 如：（110）、（221）。
bcc
fcc
hcp
三种典型的晶格结构类型
体心立方晶格
面心立方晶格
密排六方晶格
晶体结构的原子模型
一、体心立方晶格
原子位置：立方体的八个顶角和 体心 典型金属：α-Fe、Mo、W、 V、 Cr、 Ti、Nb 晶格常数： a＝b＝c
体心立方晶体结构的特征
——Body Centered Cube （BCC）
成的周期性规则排列的三维空间格架。
➢晶体结构：指在晶体内部原子、离子或分子规则排列的方式。
原子
原子的 结合
晶体
晶体结构 空间点阵
2.32 晶体胞结与构点和阵空常间数点阵（续）
晶胞:构成晶格的最基本单元。在 三维空间重复堆砌可构成整个空间 点阵。
晶格常数:平行六面体的三个棱长a、 b、c和其夹角α、β、γ，可决定 平行六面体尺寸和形状，这六个量 亦称为点阵常数。
材料的结合键
金属材料的键型及性能特点
拆叠自行车
民用客机（波音747）
江阴长江大桥
金属材料：主要以金属键结合，个别的有共价（如四价灰
锡）和离子键（如金属化合物Mg3Sb2）的特点。具有良好 的导电性、导热性和塑性（延展性），并具有金属光泽。
陶瓷材料的键型及性能特点
莫来石复相陶瓷
SiO2晶体
金刚石晶体
面心立方晶格中的原子排列 面心立方晶格中密排面为{111}，密排方向为<110>
面心立方晶格中的间隙
四面体间隙
八面体间隙
三、密排六方晶格
典型金属：Mg、Zn、Co
在密堆六方晶格中密排面为{0001}，密排方向为<1120>
密堆六方中的间隙
2.4 晶向与晶面指数
晶面：晶体中各方位上的原子面称为晶面。
微观组织 Microstructure
机械工程材料——用于机械制造的各种材料的总称
高分子材料（塑料、橡胶） （以高分子化合物为主要成分）
机械工程材料
非金属材料
陶瓷材料 普通：天然硅酸盐矿物为原料
复合材料（如钢筋、混凝土、玻璃钢）
金属材料
黑色金属（铁、铸铁、钢） 有色金属
1. 1 金属的基本概念 1. 2 金属的晶体结构 1. 3 材料的晶体缺陷 1. 4 本章小结
金属学与热处理
1.学习目的 2.课程内容 3.学习方法 4.教材及参考书 5.考核方式
晶体结构对材料性百度文库的影响
石墨
金刚石
Comparison of crystal structures for (a) aluminum and (b) magnesium.
材料的结构 (Structure)
晶体结构 Crystal Structure
简单、体心、面心 简单、体心 简单 简单、底心、体心、面心 简单 简单、底心 简单
2.3 三种典型的金属晶体结构
金属常见结构： 体心立方结构 bcc （Body-centered cubic） 面心立方结构 fcc （Face-centered cubic） 密排六方结构 hcp （Hexagonal close-packed）
2.1 晶体和非晶体（续）
非晶体
原子、离子或分子长程无规则的堆积，长程 无序，短程有序。 各向同性； 无固定熔点，有一定软化温度范围。随温度 的升高粘度减小，在液体和固体之间没有明 显的温度界限。
晶体与非晶体
玻璃结构（非晶态）
晶体结构
晶体与非晶体熔化曲线
2.2 晶体结构和空间点阵
➢晶格：用假想的直线将原子（离子或分子）中心连接起来所形