【精选】金属的晶体结构 课件
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1.2金属的晶体结构与结晶PPT课件
（原子直径相近，结构相同）
2021
35
➢ 间隙固溶体：当溶质原子很 小时，只能处于溶剂原子的 间隙中，称为间隙固溶体。
如图a所示。如C、H、N、 B、O等原子易形成间隙固 溶体。
➢ 溶解度大小取决于：
a 溶剂晶体结构
间隙大小，间隙↗，溶解↗
b 溶质尺寸
溶质尺寸↘，溶解度↗
2021
36
➢ 置换固溶体：当溶质和溶剂 的原子直径较接近时，只能 替代一部分溶剂原子而占据 溶剂晶格中的某些结点位置， 称为置换固溶体。
例如：钢中加入钛、硼、铝等；铸铁中加入硅、钙 等；铝-硅合金中加入钠或钠盐等。
3) 动力学方法 生产中还可以采用机械振动、超声波振动、电磁
搅拌等方法。使熔融金属在铸型中产生运动。打断 正在生长的树枝晶轴，破碎的细小晶体成为新的晶 核，增加了晶核数目，从而使晶粒细化。
例如：钢的连续铸造采用电磁搅拌来细化晶粒。
20晶21 界
亚晶界
19
1.2.2 金属的结晶过程
１.纯金属的结晶
➢ 即液态金属凝固时原子占据晶格的规定位置形成 晶体的过程。
纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温 度与时间的关系曲线，即冷却曲线来表示，如图1-8 所示。
2021
20
温度 ΔT
T0 Tn
➢ T0 ——理论结晶温度,即熔点 ➢ Tn——实际结晶温度
１.２金属的晶体结构与结晶
按原子排列的特征，可将固体物质 分为晶体和非晶体两大类。
晶体： 物质内部的原子是按一定的 次序有规律排列的。如金刚石、石 墨等，固态金属一般属于晶体。
非晶体：非晶体内部的原子则是无规 则排列的，如玻璃、松香和沥青等。 也称为 “过冷液体” 。
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➢ 间隙固溶体：当溶质原子很 小时，只能处于溶剂原子的 间隙中，称为间隙固溶体。
如图a所示。如C、H、N、 B、O等原子易形成间隙固 溶体。
➢ 溶解度大小取决于：
a 溶剂晶体结构
间隙大小，间隙↗，溶解↗
b 溶质尺寸
溶质尺寸↘，溶解度↗
2021
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➢ 置换固溶体：当溶质和溶剂 的原子直径较接近时，只能 替代一部分溶剂原子而占据 溶剂晶格中的某些结点位置， 称为置换固溶体。
例如：钢中加入钛、硼、铝等；铸铁中加入硅、钙 等；铝-硅合金中加入钠或钠盐等。
3) 动力学方法 生产中还可以采用机械振动、超声波振动、电磁
搅拌等方法。使熔融金属在铸型中产生运动。打断 正在生长的树枝晶轴，破碎的细小晶体成为新的晶 核，增加了晶核数目，从而使晶粒细化。
例如：钢的连续铸造采用电磁搅拌来细化晶粒。
20晶21 界
亚晶界
19
1.2.2 金属的结晶过程
１.纯金属的结晶
➢ 即液态金属凝固时原子占据晶格的规定位置形成 晶体的过程。
纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温 度与时间的关系曲线，即冷却曲线来表示，如图1-8 所示。
2021
20
温度 ΔT
T0 Tn
➢ T0 ——理论结晶温度,即熔点 ➢ Tn——实际结晶温度
１.２金属的晶体结构与结晶
按原子排列的特征，可将固体物质 分为晶体和非晶体两大类。
晶体： 物质内部的原子是按一定的 次序有规律排列的。如金刚石、石 墨等，固态金属一般属于晶体。
非晶体：非晶体内部的原子则是无规 则排列的，如玻璃、松香和沥青等。 也称为 “过冷液体” 。
第一章-金属的晶体结构(共118张PPT)可修改全文
(3) 不需最小整数化； (4) 〔1 1 1〕
B面：
(1) 该面与z轴平行，因此x=1，y=2， z=∞； (2) 1/x=1，1/y=1/2，1/z=0； (3) 最小整数化1/x=2，1/y=1，1/z=0； (4) 〔2 1 0〕
C面：
(1) 该面过原点，必须沿y轴进行移动，因此x= ∞ ，y=-1，z=∞ (2) 1/x=0，1/y=-1，1/z=0； (3) 不需最小整数化；(4) 〔0 1 0〕
晶胞在三维空间的重复构成点阵
〔4〕晶格常数
在晶胞中建立三维坐标体系， 描述出晶胞的形状与大小
晶胞参数- 晶格常数:a、b、c 棱间夹角:α、β、γ
2 晶系与布拉菲点阵
依据点阵参数 的不同特点划分为七种晶系
(1) 三斜晶系
α≠β≠γ≠90° a≠ b≠ c
复杂单胞 底心单斜
(2) 单斜晶系
α=γ=90°≠β a≠ b≠ c
3 原子半径： r 2 a
4 配位数= 12
4
5 致密度= nv/V=(4×3πr3/4)/a3=0.74
γ－Fe(912~1394℃)、Cu、Ni、Al、Ag 等
——塑性较高
面心立方晶胞中原子半径与晶 格常数的关系
a
r 2a 4
(三)密排六方结构〔 h.c.p〕 〔 了解〕
金属：Zn、Mg、Be、α-Ti、α-Co等
具有光泽：吸收了能量从被激发态回到基态时所 产生的幅射；
良好的塑性：在固态金属中，电子云好似是 一种流动的万能胶，把所有的正离子都结合 在一起，所以金属键并不挑选结合对象，也 无方向性。当一块金属的两局部发生相对位 移时，金属正离子始终“浸泡〞在电子云中， 因而仍保持着金属键结合。这样金属便能经 受较大的变形而不断裂。
B面：
(1) 该面与z轴平行，因此x=1，y=2， z=∞； (2) 1/x=1，1/y=1/2，1/z=0； (3) 最小整数化1/x=2，1/y=1，1/z=0； (4) 〔2 1 0〕
C面：
(1) 该面过原点，必须沿y轴进行移动，因此x= ∞ ，y=-1，z=∞ (2) 1/x=0，1/y=-1，1/z=0； (3) 不需最小整数化；(4) 〔0 1 0〕
晶胞在三维空间的重复构成点阵
〔4〕晶格常数
在晶胞中建立三维坐标体系， 描述出晶胞的形状与大小
晶胞参数- 晶格常数:a、b、c 棱间夹角:α、β、γ
2 晶系与布拉菲点阵
依据点阵参数 的不同特点划分为七种晶系
(1) 三斜晶系
α≠β≠γ≠90° a≠ b≠ c
复杂单胞 底心单斜
(2) 单斜晶系
α=γ=90°≠β a≠ b≠ c
3 原子半径： r 2 a
4 配位数= 12
4
5 致密度= nv/V=(4×3πr3/4)/a3=0.74
γ－Fe(912~1394℃)、Cu、Ni、Al、Ag 等
——塑性较高
面心立方晶胞中原子半径与晶 格常数的关系
a
r 2a 4
(三)密排六方结构〔 h.c.p〕 〔 了解〕
金属：Zn、Mg、Be、α-Ti、α-Co等
具有光泽：吸收了能量从被激发态回到基态时所 产生的幅射；
良好的塑性：在固态金属中，电子云好似是 一种流动的万能胶，把所有的正离子都结合 在一起，所以金属键并不挑选结合对象，也 无方向性。当一块金属的两局部发生相对位 移时，金属正离子始终“浸泡〞在电子云中， 因而仍保持着金属键结合。这样金属便能经 受较大的变形而不断裂。
金属间化合物的晶体结构ppt课件.pptx
2、L12型结构
➢ 化学式：A3B； ➢ 结 构：L12型—面心正方晶系；
—A —B
[001]
c aa
[100]
[010]
3、L10型结构
➢ 化学式：AB； ➢ 结 构：L10型—面心正方晶系； ➢ 特点：[001]方向上是由仅含A原子组成的原子面与仅含B原子的原子面交替重叠
堆垛而成，所以[100]、[010]方向上的点阵常数与[001]方向的不一样，把[001]视 为c轴，其他两轴为a轴；
—A —B
[001]
c aa
[100]
[010]
4、DO22型结构
➢ 化学式：A3B； ➢ 结 构：DO22型—面心正方晶系；
—A —B
5、体心立方结 构
6、B2型结构
➢ 化学式：AB； ➢ 结 构：B2型—体心正方晶系；
—A —B
7、DO3型结构
➢ 化学式： A3B ； ➢ 结 构：DO3型—体心正方晶系；
—A —B
8、L21型结构
➢ 化学式： A2BC； ➢ 结 构：L21型—体心正方晶系；
—A —B —C
9、C11b型结构
➢ 化学式： AB2； ➢ 结 构：C11b型—体心正方晶系；
—A —B
10、hcp型结构
10、hcp型结构
11、DO19型结 构
➢ 化学式： A3B ；
—A —B
11、DO19型结 构
—A —B
12、Cu3Ti型结构
➢ 化学式： A3B ；
—A —B
12、 Cu3Ti型结构
—A —B
➢ 化学式：A3B； ➢ 结 构：L12型—面心正方晶系；
—A —B
[001]
c aa
[100]
[010]
3、L10型结构
➢ 化学式：AB； ➢ 结 构：L10型—面心正方晶系； ➢ 特点：[001]方向上是由仅含A原子组成的原子面与仅含B原子的原子面交替重叠
堆垛而成，所以[100]、[010]方向上的点阵常数与[001]方向的不一样，把[001]视 为c轴，其他两轴为a轴；
—A —B
[001]
c aa
[100]
[010]
4、DO22型结构
➢ 化学式：A3B； ➢ 结 构：DO22型—面心正方晶系；
—A —B
5、体心立方结 构
6、B2型结构
➢ 化学式：AB； ➢ 结 构：B2型—体心正方晶系；
—A —B
7、DO3型结构
➢ 化学式： A3B ； ➢ 结 构：DO3型—体心正方晶系；
—A —B
8、L21型结构
➢ 化学式： A2BC； ➢ 结 构：L21型—体心正方晶系；
—A —B —C
9、C11b型结构
➢ 化学式： AB2； ➢ 结 构：C11b型—体心正方晶系；
—A —B
10、hcp型结构
10、hcp型结构
11、DO19型结 构
➢ 化学式： A3B ；
—A —B
11、DO19型结 构
—A —B
12、Cu3Ti型结构
➢ 化学式： A3B ；
—A —B
12、 Cu3Ti型结构
—A —B
第三节金属晶体结构ppt课件
=4
则：
16
V球 =
πr3 3
C B
B
C CC C A
A BBB B C
立方F
8个顶角
n1
=
8×
1 8
=1
6个面心
n2
=
6×
1 2
=3
⑵立方面心晶胞的体积
V晶 = a3
c
C B
B
C CC C A
b a A BBB B C
立方F
每层采取最紧 密堆积
a
A
B
a
D
C
(100)晶面
∵⊿ABC是直角三角形。根据勾股定律得有：
……
第4层 A 第2层 C 第2层 B 第1层 A
A1型最紧密堆积
2.A1型堆积的晶胞类型
根据晶胞划分的规则，我们可从金属的 A1 型最紧密堆积中抽取出立方 面心晶胞。
第4层 A 第2层 C 第2层 B 第1层 A
抽取出
A1型最紧密堆积
BCCC A
B
CC
A BB B堆积 C C堆积
B 堆积和 C 堆积——（111）晶面 c
b a
3.立方面心晶胞的正八面体空隙
立方面心晶胞
立方面心晶胞内 的正八面体空隙
3个晶胞共有的正八面 体空隙
即，立方面心晶胞有两种八
面体空隙。
3个晶胞共用 顶点
⑴6各面心“点”构成的晶
晶胞1、3的 面心
胞内八面体空隙。 ⑵3个晶胞共同拥有的八面
体空隙（共用1条棱边） 。
二、A3型最紧密堆积及其晶胞
The A3 type is most close to pile up and its crystal lattice
金属的晶体结构PPT课件
2.2 金属的晶体结构
主要内容
金属晶体结构类型 合金相结构
固溶体 金属间化合物
一、金属的晶体结构
金属中常见的晶体结构类型
体心立方(BCC)
a=b=c, ===90°
铁(-Fe)、钨(W) 、铬(Cr)、 钼(Mo)、钒(V)等
面心立方(FCC)
a=b=c, ===90°
铝(Al)、铜(Cu)、 银(Ag)、 金(Au)、镍(Ni)、铅(Pb)、 铁(－Fe)等
间隙固溶体
如陶瓷材料中的 MgO-CoO、MgO-CaO、
PbTiO3-PbZrO3、Al2O3-Cr2O3 Cu-Zn系 和 固溶体
在合金中较为常见，的是金属和 H、B、C、N等元素形成的固溶 体
按固溶浓度不同
无限固溶体
溶质和溶剂可以按任意比例 相互固溶所生成的固溶体
A sse sse d A l-M g p h a se d ia g r a m .
a, c (c/a=1.633)
a 1 a2 c2
(
)
22 3 4
6
12
0.74 12 0.225R 6
0.414R
其它类型结构
A4结构
结构特点：由于共价键的饱和性和方向性的特点，使得共价键晶
体中原子的配位数要比离子型晶体和金属型晶体的小。
常见结构：典型的共价晶体有金刚石(单质型)、石墨、Ge、Si、
二、合金中的相结构
金属元素 非金属元素
添加
主体金属
添加
制
备
新型合金
新型合金 中的合金相
固溶体 金属间化合物
Hale Waihona Puke 相的分类结构固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。溶剂-溶质。 中间相(金属化合物)：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相
主要内容
金属晶体结构类型 合金相结构
固溶体 金属间化合物
一、金属的晶体结构
金属中常见的晶体结构类型
体心立方(BCC)
a=b=c, ===90°
铁(-Fe)、钨(W) 、铬(Cr)、 钼(Mo)、钒(V)等
面心立方(FCC)
a=b=c, ===90°
铝(Al)、铜(Cu)、 银(Ag)、 金(Au)、镍(Ni)、铅(Pb)、 铁(－Fe)等
间隙固溶体
如陶瓷材料中的 MgO-CoO、MgO-CaO、
PbTiO3-PbZrO3、Al2O3-Cr2O3 Cu-Zn系 和 固溶体
在合金中较为常见，的是金属和 H、B、C、N等元素形成的固溶 体
按固溶浓度不同
无限固溶体
溶质和溶剂可以按任意比例 相互固溶所生成的固溶体
A sse sse d A l-M g p h a se d ia g r a m .
a, c (c/a=1.633)
a 1 a2 c2
(
)
22 3 4
6
12
0.74 12 0.225R 6
0.414R
其它类型结构
A4结构
结构特点：由于共价键的饱和性和方向性的特点，使得共价键晶
体中原子的配位数要比离子型晶体和金属型晶体的小。
常见结构：典型的共价晶体有金刚石(单质型)、石墨、Ge、Si、
二、合金中的相结构
金属元素 非金属元素
添加
主体金属
添加
制
备
新型合金
新型合金 中的合金相
固溶体 金属间化合物
Hale Waihona Puke 相的分类结构固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。溶剂-溶质。 中间相(金属化合物)：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相
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c
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7 8
体心立方晶胞原子排列
Eg. 钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、α-铁(α-Fe, <912 ℃)
BCC –Page2/5
体心立方晶胞特征：
（1）晶格常数 lattice constants a=b=c, α=β=γ=90°
（2）晶胞原子数 The number of the atoms belonging to one unit cell ---2个 (每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞,因而每个 角上的原子属于一个晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全 属于这个晶胞。)
面心立方晶胞原子排列
FCC –Page2/4
面心立方晶胞特征：
(1)晶格常数 a=b=c, α=β=γ=90° (2)晶胞原子数 (个)
FCC –Page3/4
（3）原子半径
r原子
2a 4
or
a 2r原子 2
（4）致密度 0.74 (74%) （5）配位数 12
FCC –Page4/4
密排六方晶胞原子排列
HCP –Page2/2
密排六方晶胞特征：
（1）晶格常数 用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c 来表达, 两相邻侧面之间的夹角为120°, 侧面与底面之间的夹 角为90°。
晶胞的几何特征：六个参数来描述
三条棱边长a、b、c（晶格常数） 三条棱边之间的夹角α、β、γ。
金属的晶格常数一般为:
1×10-10 m～7×10-10 m。
不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数不同， 其物理、化学和力学性能也不同。
金属的晶体结构可用X射线（X－ray）结构分析技术进行测定。
体心立方晶胞中有两种间隙：
四面体间隙半径为: r四=0.29r原子；八面体间隙半径为: r八=0.15r原子
（2） 面心立方结构 (FCC晶格) –Page1/4
原子排列：金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的 中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。
铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ- 铁( γ-Fe, 912 ℃～1394 ℃)等具有这种晶格。
规则排列； 各向异性； 一定条件下晶态与非晶态可以互换。
1.2 金属的晶体结构 –2 晶体结构与空间点阵（1）
材料性能取决于材料的化学成分和其内部的组织结构
Processing
Structure
Properties
Performance
晶体结构：晶体中原子(离子或分子)规则排列的 方式。
（3）原子半径 atomic radius （4）致密度 atomic packing factor (APF)---0.68 （5）空隙半径 gap radius （6）配位数 coordination number—最近邻等距离原子数，体心
立方晶格的配位数为8。配位数越大, 原子排列紧密程度就越大。
BCC –Page3/5
（3）原子半径 晶胞中相距最近的两个原子之间距离的 一半, 或晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间 距离的一半称为原子半径(r原子)。 体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线, 所以 原子半径与晶格常数a之间的关系为：
或 r原子＝
3 4
a
a 4r原子 3
BCC –Page4/5
1.2 金属的晶体结构 –3 三种典型的晶体结构
体心立方晶格(胞) Body-Centered Cubic (B.C.C.晶格) 面心立方晶格(胞) Face-Cente胞) Hexagonal Close-Packed (H.C.P.晶格)
（4）致密度(APF) 晶胞中所包含的原子所占有的体 积与该晶胞体积之比 (也称密排系数)。 致密度越大, 原子排列紧密程度越大。
体心立方晶胞的致密度为：
即晶胞(或晶格)中有68%的体积被原子所占据, 其余 为空隙。式中：
或 r原子＝
3a 4
a 4r原子 3
BCC –Page5/5
（5）间隙半径 若在晶胞空隙中放入刚性球, 则能放入球 的最大半径为空隙半径。
晶格：通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线，由这些
直线形成的空间格架。（假想的格架）
晶格的结点：金属原子(或离子)平衡中心的位置。
晶体
晶格
1.2 金属的晶体结构 –2 晶体结构与空间点阵（2）
晶胞unit cell ：反映晶格特征的最小组成单元。
晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。 晶胞的基本特性反映晶体结构(晶格)的特点。
金属学及热处理 (第二版) 哈工大 崔忠圻 覃耀春 主编
金属学及热处理--第一章
第一章 金属的晶体结构
内容提要： 本章介绍金属材料的结构与组织，包括
金属原子间的结合 (原子的结构特点、金属键的本质、结合力与结 合能）
金属的晶体结构 (点阵、晶格、晶胞、晶系、晶面、晶向等）
晶体缺陷 (点、线、面、体缺陷） 合金的相结构 （固溶体、化合物）
学习目标：
重点掌握金属材料的晶体结构、晶体缺陷和合金的相结构结 构。
1.1 金属原子间的结合
学习目标： 根据金属键的本质，解释固态金属的一些特性—导
电性、正的电阻温度系数、传热性及延展性等） 利用双原子作用模型，分析两个原子间的相互作用
（P3的图1-2）
1.2 金属的晶体结构 –1 晶体的特性
提示：
由于原子排列紧密程度不一样,当金属从面心立方晶格向体心 立方晶格转变时, 体积会发生变化。 钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因。 不同晶体结构中原子排列的方式不同, 将会使它们的形变能 力不同。
（1） 体心立方结构 (BCC晶格) –Page1/5
原子排列： 八个原子分别处于立方体的八个角上,一个原子 处于立方体的中心, 角上八个原子与中心原子紧靠一起。
（6）空隙半径
四面体空隙半径为: r四=0.225r原子 八面体空隙半径为: r八=0.414r原子
（3）密排六方结构(HCP晶格)—Page1/2
原子排列：十二个金属原子分布在六方体的十二个角上, 在上下 底面的中心各分布一个原子, 上下底面之间均匀分布三个原子。
镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等具有这种晶格。