纯金属的晶体结构
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金属具有较好的导热性。
⑷当金属发生塑性变形后，正离子与自由离子间
所能保持金属键的结合，使金属显示出良好的
塑性。
⑸自由电子能吸收可见光的能量，故金属具有不
透明性。吸收能量后跳到较高能级的电子，当
它重新跳回到原来低能级时，就把所吸收的可
见光的能量以电磁波的形式辐射出来，在宏观 上就表示为金属的光泽。
什么是晶体
• （二）晶格、晶胞和晶格常数 • 1、晶格（图） 假设原子为刚性小球，利用假想的几何线条连接起来构成一个空间格架， 这种抽象的，用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架就叫晶格。 • 2、晶胞(图） 最小的能够完全反映晶格特征的几何单元称为晶胞。
• 3、
晶格常数
晶胞的三个互相垂直的棱边长度 a、b、c ，单位1A＝10-10m＝10-1nm；三 个棱边的夹角分别为：α、β、γ，这六个量叫做晶格常数，用以确定晶胞 形状及尺寸大小的数据。
3 3 4 2 （ ）（ a） 3 3 4 0.68 3 8 a
上一级
2、面心立方与密排六方的致密度 • 计算同体心立方，均为0.74。 • 致密度数值越大，则原子排列越紧密。
上一级
单晶体与多晶体
单晶体：晶格位向完全一致晶体。 晶粒：外形不规则，晶格位向一致的小晶体。 多晶体:许多位向不同，外形不规则的小晶粒组成
上一级
晶体
晶格
晶胞
上一级
• 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。
上一级
• 三、三种常见的金属晶格 • 由于六种晶格常数不同，各种物质的晶体共有14种晶格，其中金 属多为下述三种： 1、体心立方晶格(图)body—centered cubic lattice a=b=c α =β =γ =90° 具有体心立方晶格的金属有：α -Fe、Cr、W、Mo、V等。
上一级
• （二）配位数 • 配位数是指晶体结构中，与任一原于最近邻并且等距离 的原子数。 • 体心立方：8；面心立方：12；密排六方：12
• 配位数的多少也可以反映原子排列的紧密程度。
上一级
（三）致密度：是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。 • 1、 体心立方的致密度
4 ） 3 2 （ 2个原子体积 3 3 晶胞体积 a
体心立方晶胞模型；
晶胞；
晶胞原子数
上一级
2、 面心立方晶格(图)face—centered cubic lattice a=b=c α =β =γ =90°
具有面心立方晶格的金属有：γ -Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pb、Ni等。
面心立方晶胞 模型；
晶胞；
晶胞原子数
上一级
3、 密排六方晶格(图)hexagonal closepacked lattice
亚晶界：位向相差很小的所谓亚晶粒之间的边界。
（3）面缺陷：表面、界面 晶界是不同位向晶粒的过度部 位，宽度为5~10个原子间距。
晶界的过渡层结构示意图
面缺陷示意图
晶界特性
1、晶界原子排列紊乱，对位错运动有阻碍作用，是金属中的强化部位（在常温 下，强度、硬度较高）。
→金属的晶粒越细，晶界总面积就越（ ），金属的强度也越（ ） 2、晶界处的原子处于不稳定的状态，能量比晶内的高(高出叫晶界能）
• 金属特性的金属键理论解释
(1)自由电子在电场的作用下定向运动形成电流，从而显示
出良好的导电性。 (2)随着温度升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子 通过的阻碍作用也加大，因而，金属的电阻是随温度的 升高而增加的，即具有正的电阻温度系数。
(3)自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能，因而使
除此以外， 金属还有那 些特性？
第一节 纯金属的晶体结构
一、金属和金属键
在已发现的一百多种元素中，金属约占四分之三。常温下，除汞为液 体外，其余都是固体。 （一）金属原子结构的特点 固态下，金属与非金属不同的特性表现在：具有良好的导电性、导热 性、塑性，具有金属光泽，不透明，正的电阻温度系数（即物体的电 阻值随温度的升高而增加）；良好的导热性和可锻性。 原因：这主要是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关。
1）晶体缺陷：金属晶体中，原子排列或多或少地存在偏离 理想结构的区域，称为晶体缺陷。 （1）点缺陷
晶体中的点缺陷 －空位； －间隙原子； －置换原子
实际金属的晶体结构
晶格畸变：晶格中原子偏离平衡位置，使晶格发生扭曲
→破坏了原子的平衡状态。
点缺陷：晶格中存在空位、间隙原子、置换原子等点缺陷的存在， 从而引起晶格畸变。 →性能变化：使金属的电阻率增加，强度、硬度升高， 塑性、韧性下降。
从远古时期，人们就对各种美丽的石头感兴趣，钻石、红宝石、蓝宝 石、祖母绿、水晶等因其规则的外形，绚丽的色彩，让千千万万的人 为之着迷甚至倾其所有来收藏。各种名贵的宝石，比如举世瞩目的非 洲之星，成为帝王皇冠和权杖上的装饰物，成为权力与财富的象征。 与此同时，为什么这些石头会有如此规则的外形、丰富多彩的颜色、 闪闪发光的表面？各种奇妙的性质吸引人们对它们进行研究。
上一级
• 2、非晶体及其特性 • 内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体。与晶体 相反，没有固定的熔点；表现出各向同性。晶体与非晶体 在一定条件下可互相转化。
晶体与非晶体是否是绝对区分的？
• 金属液体在高速冷却下可得到非晶态金属，玻璃 经适当热处理可形成晶体玻璃。有些物体，内部 结构可看成是有序和无序的中间状态，如塑料。
立方体中心的原子为其独占，所以每个体心立方晶胞的原子数为：
1/8×8＋1＝2 2、面心立方结构
8 1 6 1 4 8 2
Leabharlann Baidu
3、密排立方结构
十二个角顶的原子各为六个相邻的晶胞所共有，上下底面中心的原子各 为两个相邻的晶胞共有，只有六方柱体内的三个原子为该晶胞独占，原
子数：1/6×12+1/2×2+3=6
线缺陷
线缺 陷 / 位错：晶格 中某处有一 列或若干列 原子发生有 规律的错排现象 。 常见的有刃型位错和螺型位错
金属的塑性变形主要是由位错运动引起滑移形成。 →阻碍位错运动是强化金属的主要途径。 →减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。
透射电镜观察钛合金中的位错线
面缺陷
面缺陷/晶界：多晶体金属内各晶粒间的交界面。
a=b≠ c α =β =90° γ =120 °
具有密排六方晶格的金属有：Mg、Zn、Be、Cd等。
密排六方晶胞 模型；
晶胞；
晶胞原子数
四、晶体学的几个重要概念
晶体结构特征除了用晶格常数描述外，还用晶胞的原子数、原子半径、 配位数、致密度来表示。
（一）晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数。
1、体心立方结构 八个角顶的原子为相邻八个晶胞共有，每个晶胞实际上只占有它的1/8，
上一级
（二）金属键
• 当大量金属原子结合在一起，构成金属晶体时，金属原 子失去外层电子变成正离子；失去的外层电子成为自由 电子，为整个金属所共有，构成电子云，金属正离子在 其平衡位置作高频率的热振动；金属离子和自由电子之 间的引力与离子间和电子间的斥力相平衡，从而构成稳
定的金属晶体。这种结合方式称之为金属键。
身边的晶体
认为只有它们才是晶体。实际上，晶体就在我们身边，随处可见。 下面是我们日常生活中经常看见的一些晶体
提到晶体，你也许会马上想到钻石、红宝石、蓝宝石以及水晶等贵重的宝石
二、 金属的晶体结构的基本知识
• （一）、晶体与非晶体 • 1、晶体 • 内部质点按一定的几何规律呈周期性规则 排列的物质称为晶体。所有固态金属都是 晶体。 • 有固定的熔点（如铁为1538℃，铜为 1083 ℃，铝为 660 ℃）；一般具有规则的 外形；在不同的方向上具有不同的性能， 即表现出晶体的各向异性。
1812年充满传奇色彩的拿破仑兵败俄罗斯。后来化学家在著 作中披露，变成粉末的军服纽扣很可能是导致拿破仑60万大 军覆没的罪魁祸首。
1912年，英国探险家斯科特率领一支探险队带了大量给养， 包括液体燃料去南极探险，一去杳无音信。后来发现他们都 冻死在南极，盛放煤油的铁桶有裂缝。
以上两件事故的都是由锡引起的，13.2℃以上，锡是一种坚 硬的银白色金属， 13.2℃以下是白锡体积骤然膨胀，变成 灰锡，零下33℃就变成粉末锡。但如果加入铋，就可以使锡 稳定。
→晶界熔点低、耐蚀性差、原子扩散快。
→晶界的缺陷比晶内多，因而外来原子易在晶界上偏聚，其浓度高于晶内，称为 内吸附。
→晶界还是固态相变的优先形核部位。
⑷当金属发生塑性变形后，正离子与自由离子间
所能保持金属键的结合，使金属显示出良好的
塑性。
⑸自由电子能吸收可见光的能量，故金属具有不
透明性。吸收能量后跳到较高能级的电子，当
它重新跳回到原来低能级时，就把所吸收的可
见光的能量以电磁波的形式辐射出来，在宏观 上就表示为金属的光泽。
什么是晶体
• （二）晶格、晶胞和晶格常数 • 1、晶格（图） 假设原子为刚性小球，利用假想的几何线条连接起来构成一个空间格架， 这种抽象的，用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架就叫晶格。 • 2、晶胞(图） 最小的能够完全反映晶格特征的几何单元称为晶胞。
• 3、
晶格常数
晶胞的三个互相垂直的棱边长度 a、b、c ，单位1A＝10-10m＝10-1nm；三 个棱边的夹角分别为：α、β、γ，这六个量叫做晶格常数，用以确定晶胞 形状及尺寸大小的数据。
3 3 4 2 （ ）（ a） 3 3 4 0.68 3 8 a
上一级
2、面心立方与密排六方的致密度 • 计算同体心立方，均为0.74。 • 致密度数值越大，则原子排列越紧密。
上一级
单晶体与多晶体
单晶体：晶格位向完全一致晶体。 晶粒：外形不规则，晶格位向一致的小晶体。 多晶体:许多位向不同，外形不规则的小晶粒组成
上一级
晶体
晶格
晶胞
上一级
• 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。
上一级
• 三、三种常见的金属晶格 • 由于六种晶格常数不同，各种物质的晶体共有14种晶格，其中金 属多为下述三种： 1、体心立方晶格(图)body—centered cubic lattice a=b=c α =β =γ =90° 具有体心立方晶格的金属有：α -Fe、Cr、W、Mo、V等。
上一级
• （二）配位数 • 配位数是指晶体结构中，与任一原于最近邻并且等距离 的原子数。 • 体心立方：8；面心立方：12；密排六方：12
• 配位数的多少也可以反映原子排列的紧密程度。
上一级
（三）致密度：是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。 • 1、 体心立方的致密度
4 ） 3 2 （ 2个原子体积 3 3 晶胞体积 a
体心立方晶胞模型；
晶胞；
晶胞原子数
上一级
2、 面心立方晶格(图)face—centered cubic lattice a=b=c α =β =γ =90°
具有面心立方晶格的金属有：γ -Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pb、Ni等。
面心立方晶胞 模型；
晶胞；
晶胞原子数
上一级
3、 密排六方晶格(图)hexagonal closepacked lattice
亚晶界：位向相差很小的所谓亚晶粒之间的边界。
（3）面缺陷：表面、界面 晶界是不同位向晶粒的过度部 位，宽度为5~10个原子间距。
晶界的过渡层结构示意图
面缺陷示意图
晶界特性
1、晶界原子排列紊乱，对位错运动有阻碍作用，是金属中的强化部位（在常温 下，强度、硬度较高）。
→金属的晶粒越细，晶界总面积就越（ ），金属的强度也越（ ） 2、晶界处的原子处于不稳定的状态，能量比晶内的高(高出叫晶界能）
• 金属特性的金属键理论解释
(1)自由电子在电场的作用下定向运动形成电流，从而显示
出良好的导电性。 (2)随着温度升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子 通过的阻碍作用也加大，因而，金属的电阻是随温度的 升高而增加的，即具有正的电阻温度系数。
(3)自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能，因而使
除此以外， 金属还有那 些特性？
第一节 纯金属的晶体结构
一、金属和金属键
在已发现的一百多种元素中，金属约占四分之三。常温下，除汞为液 体外，其余都是固体。 （一）金属原子结构的特点 固态下，金属与非金属不同的特性表现在：具有良好的导电性、导热 性、塑性，具有金属光泽，不透明，正的电阻温度系数（即物体的电 阻值随温度的升高而增加）；良好的导热性和可锻性。 原因：这主要是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关。
1）晶体缺陷：金属晶体中，原子排列或多或少地存在偏离 理想结构的区域，称为晶体缺陷。 （1）点缺陷
晶体中的点缺陷 －空位； －间隙原子； －置换原子
实际金属的晶体结构
晶格畸变：晶格中原子偏离平衡位置，使晶格发生扭曲
→破坏了原子的平衡状态。
点缺陷：晶格中存在空位、间隙原子、置换原子等点缺陷的存在， 从而引起晶格畸变。 →性能变化：使金属的电阻率增加，强度、硬度升高， 塑性、韧性下降。
从远古时期，人们就对各种美丽的石头感兴趣，钻石、红宝石、蓝宝 石、祖母绿、水晶等因其规则的外形，绚丽的色彩，让千千万万的人 为之着迷甚至倾其所有来收藏。各种名贵的宝石，比如举世瞩目的非 洲之星，成为帝王皇冠和权杖上的装饰物，成为权力与财富的象征。 与此同时，为什么这些石头会有如此规则的外形、丰富多彩的颜色、 闪闪发光的表面？各种奇妙的性质吸引人们对它们进行研究。
上一级
• 2、非晶体及其特性 • 内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体。与晶体 相反，没有固定的熔点；表现出各向同性。晶体与非晶体 在一定条件下可互相转化。
晶体与非晶体是否是绝对区分的？
• 金属液体在高速冷却下可得到非晶态金属，玻璃 经适当热处理可形成晶体玻璃。有些物体，内部 结构可看成是有序和无序的中间状态，如塑料。
立方体中心的原子为其独占，所以每个体心立方晶胞的原子数为：
1/8×8＋1＝2 2、面心立方结构
8 1 6 1 4 8 2
Leabharlann Baidu
3、密排立方结构
十二个角顶的原子各为六个相邻的晶胞所共有，上下底面中心的原子各 为两个相邻的晶胞共有，只有六方柱体内的三个原子为该晶胞独占，原
子数：1/6×12+1/2×2+3=6
线缺陷
线缺 陷 / 位错：晶格 中某处有一 列或若干列 原子发生有 规律的错排现象 。 常见的有刃型位错和螺型位错
金属的塑性变形主要是由位错运动引起滑移形成。 →阻碍位错运动是强化金属的主要途径。 →减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。
透射电镜观察钛合金中的位错线
面缺陷
面缺陷/晶界：多晶体金属内各晶粒间的交界面。
a=b≠ c α =β =90° γ =120 °
具有密排六方晶格的金属有：Mg、Zn、Be、Cd等。
密排六方晶胞 模型；
晶胞；
晶胞原子数
四、晶体学的几个重要概念
晶体结构特征除了用晶格常数描述外，还用晶胞的原子数、原子半径、 配位数、致密度来表示。
（一）晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数。
1、体心立方结构 八个角顶的原子为相邻八个晶胞共有，每个晶胞实际上只占有它的1/8，
上一级
（二）金属键
• 当大量金属原子结合在一起，构成金属晶体时，金属原 子失去外层电子变成正离子；失去的外层电子成为自由 电子，为整个金属所共有，构成电子云，金属正离子在 其平衡位置作高频率的热振动；金属离子和自由电子之 间的引力与离子间和电子间的斥力相平衡，从而构成稳
定的金属晶体。这种结合方式称之为金属键。
身边的晶体
认为只有它们才是晶体。实际上，晶体就在我们身边，随处可见。 下面是我们日常生活中经常看见的一些晶体
提到晶体，你也许会马上想到钻石、红宝石、蓝宝石以及水晶等贵重的宝石
二、 金属的晶体结构的基本知识
• （一）、晶体与非晶体 • 1、晶体 • 内部质点按一定的几何规律呈周期性规则 排列的物质称为晶体。所有固态金属都是 晶体。 • 有固定的熔点（如铁为1538℃，铜为 1083 ℃，铝为 660 ℃）；一般具有规则的 外形；在不同的方向上具有不同的性能， 即表现出晶体的各向异性。
1812年充满传奇色彩的拿破仑兵败俄罗斯。后来化学家在著 作中披露，变成粉末的军服纽扣很可能是导致拿破仑60万大 军覆没的罪魁祸首。
1912年，英国探险家斯科特率领一支探险队带了大量给养， 包括液体燃料去南极探险，一去杳无音信。后来发现他们都 冻死在南极，盛放煤油的铁桶有裂缝。
以上两件事故的都是由锡引起的，13.2℃以上，锡是一种坚 硬的银白色金属， 13.2℃以下是白锡体积骤然膨胀，变成 灰锡，零下33℃就变成粉末锡。但如果加入铋，就可以使锡 稳定。
→晶界熔点低、耐蚀性差、原子扩散快。
→晶界的缺陷比晶内多，因而外来原子易在晶界上偏聚，其浓度高于晶内，称为 内吸附。
→晶界还是固态相变的优先形核部位。