金属的晶体结构-课件

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-Centered Cubic (F.C.C.晶格) ❖ 密排六方晶格(胞) Hexagonal Close-Packed (H.C.P.晶格)
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）
提示：
ü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。 ü钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因。 ü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。
❖ 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。
❖ 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。
v 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。
v 金属的晶体结构可用X射线（X－ray）结构分析技术进行测定。
（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 43a
a4r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。
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°。
2
1
3
4
c6 7
5
8
2 1
3 4
c
6 5
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。)
（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。
❖ 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。
（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。
v 学习目标：
Ø 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
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。
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 43a
a4r原子 3
BCC –Page4/5
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=ຫໍສະໝຸດ Baidu0° (2)晶胞原子数 (个)
Ø
FCC –Page3/4
（3）原子半径 r原子
2 a or 4
a2r原子 2
（4）致密度 0.74 (74%) （5）配位数 12
FCC –Page4/4