金属的晶体结构PPT课件

密排六方(HCP)
a=bc,
==90 ° =120°
钛 (Ti) 、 锆 (Zr) 、 镁 (Mg)、锌(Zn)等
晶体结构与材料性能：(一般规律)面心立方的金属塑性最好，体 心立方次之，密排六方的金属较差。
常见的晶体学参数
点阵常数
用来衡量晶胞的大小，是表征物质晶体结构的一个很重要的物理量，可用X射线 衍射法测定。
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
结构特征 点阵常数
面心立方(A1) a
原子半径R
晶胞内原子数
配位数
致密度
四面体间隙 数量
间 隙
八面体间隙
大小 数量
2a 4
4
12
0.74 8
0.225R 4
大小 0.414R
晶体结构类型 体心立方(A2)
a
3a 4
2
8
0.68 12 0.291R 6 0.154R<100> 0.633R<110>
密排六方(A3)
体心立方
面心立方
密排六方
r 1 3a 22
r 1 2a 22
r a或 2
r a2 c2 34
常见的晶体学参数
结构原子体积
是指晶体中每个原子占有的体积，用晶胞体积V除以晶胞中的原子数m，得到结 构原子体积Va。
Va
V 4r3Vv
m3
NA
其中Vv是摩尔晶体中总间隙体积 NA是阿佛加德罗常数
三种典型金属结构的晶体学特征参数
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、
有限固溶体
溶质只能以一定的溶解限度(固溶度)溶 入溶剂中，低于固溶度条件下生成的固 溶体是单相的，一旦溶质超出这一限度 即出现第 2 相。
按溶质原子分布不同
有序固溶体
各组元质点分别按照 各自的布拉维点阵进 行排列，整个固溶体 就是由各组元的分点 阵组成的复杂点阵， 称超点阵或超结构。
有序固溶体
无序固溶体
立方晶系：a=b=c，点阵常数用晶胞的一个棱边长a表示即可。
六方晶系：a1=a2=a3≠c，常用a和c两个点阵常数。当密排六方用等径原子作紧 密排列时，c/a=1.633。具有六方结构的金属，其c/a值在1.568到1.886之间变动。
配位数
在晶体中，与某一原子最临近且等距离的原子数称为配位数(CN)。
(一)、固溶体
基本特征：
（1）在原子尺度上是相互混合的。 （2）不破坏主晶相原有的晶体结构，但晶 胞参数可能有少许改变，基本保持了主晶相 的特性。
产生固溶体的过程
晶体生长过程中 溶液或熔体析晶 金属冶炼 烧结
如:Al2O3晶体中溶入一定量Cr2O3生成红宝石，可 以用作饰品及激光器 少量锌溶解于铜中生成黄铜
ZnS(AB型)和SiO2。
金刚石为复杂的面心立方点阵， 看见每个阵点上有两个原子，原 子间最近距离为 3a / 4 每个原子 被4个邻近原子所包围，临近原子 组成一个四面体。该原子位于四 面体中心，配位数为4。满足8－N 规律。
中心原子
金刚石结构
其它类型结构
三角(菱方系结构)A7结构 正方系结构 三斜系结构A8
主要影响因素
(1) 质点尺寸因素 —— 决定性因素。 从晶体结构的稳定观点来看，相互替
代的质点尺寸愈接近，则固溶体愈稳定， 其固溶量将愈大。
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 .
常见的晶体学参数
晶体中的间隙
[ 1 12 ] [ 1 11 ]
晶体中是存在空隙的，从钢球的模型中
(右侧)可以看出这些空隙就是钢球之间的
间隙。
6a
3
晶体间隙有两种：四面体和八面体
[1 1 1]
3a
体心立方晶体中(110面上原子的排列)
常见的晶体学参数
原子半径
最近邻的两个原子中心之间的距离一半，用r表示。
各组元质点分布是随机 的、无规则的
无序固溶体
无序固溶体 有序固溶体
问题的提出
2、置换式固溶体
• Ni置换Cu生成无限固溶体：Cu1-xNix， 其中x = 0~1 • 很多二元体系是生成有限置换型固溶体， 其中有些体系的固溶量非常低。
主要影响因素
在理论的指导下，通过对实践经验的积 累总结，提出了一些重要的影响因素： (1) 质点尺寸因素 (2) 电负性因素 (3) 电子浓度因素 (4) 晶体结构因素
体心立方的配位数是8 面心立方的配位数是12 密排六方当c/a=1.633时，CN=12
致密度
以面心立方为例：
晶体中原子堆垛的紧密程度称为致密度(K)。就是原 子晶胞内原子球所占体积与晶胞体积的比值。 K=nVa/V，n为晶胞中的原子数Va为原子体积，V为晶
44( 2a)3
k
34 a3
20.7
6
4
胞体积。
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
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
同பைடு நூலகம்相。
共析钢片状珠光体
共析钢球化退火
Mg中添加Nd形成的 Al11Nd3金属间化合物相
固溶体特点
固溶体中由于杂质质点占据正常格点位 置或者占据间隙位置，破坏了基本晶体质点 排列的有序性，引起了晶体内周期性势场的 畸变，故也属于点缺陷的范畴
固溶体的意义 采用固溶体原理来制备或开发各种新的 材料，满足科技的发展对材料性能提出的特 殊性要求。
1、固溶体的分类
按溶质原子位置不同
置换固溶体