金属的晶体结构(教育精品)

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,金属的晶体结构,纯金属的晶体结构,实际金属的晶体结构,纯金属的晶体结构,金属的定义,严格定义,具有,正,的电阻温度系数的物质,具有金属光泽,延展性大,导热和导电性好,传统定义,一、金属原子的结构特点,价电子：最外层电子,金属原子的结构特点：价电子数少,非金属原子的结构特点：价电子数多,金属元素,正电性元素,非金属元素,负电性元素,二、金属键,键的定义,在所有物质结构中，质点（原子、离子或分子）都按照一定的规则进行排列，质点之间都具有一定的结合力，也就是说物质是依靠质点之间的键合结合在一起的，这种质点之间所存在的结合力称为键,键的分类,离子键,：静电吸引作用,NaCl,共价键,：共用外部的价电子 金刚石,金属键,：金属键理论,铜,金属键理论,价电子数目较少（,13,个），电子层数较多，原子核对价电子的引力较弱，价电子极易脱离原子核形成自由电子，金属原子成为正离子。自由电子在正离子之间做高速运动，形成带负电的电子气。,由金属键的本质，可解释固态金属的一些特性。,金属原子间这种正离子与自由电子的电性引力结合，称为,金属键。,它没有,饱和性,和,方向性,。,纯金属的晶体结构,传统定义：,外形具有规则几何多面体形状的固体。,晶体,非晶体,原子无规则堆积，也称为“过冷液体”。,晶体,金刚石、,NaCl,、冰,等。,非晶体,：蜂蜡、玻璃 等。,严格的晶体定义：,晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的，或说是具有格子构造的物质,。,对晶体本质的揭示始于,1912,年应用,X,射线对晶体构造进行研究。,（1）有确定的熔点,熔点,晶体,非晶体,时间,温度,晶体和非晶体的熔化曲线,一、晶体的特征,（2）各向异性,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,当温度升高到某一特定值，排列方式解体，原子有规则排列变成无规则堆积，晶体变为液体。,（,3,）规则外形,原子（分子）在三维空间作有规则的周期性的重复排列，晶体一般具有规则外形。,原子（离子）的刚球模型,原子中心位置,二、晶格与晶胞,为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子,(,原子或分子,),在空间的平衡位置作为,节点,，人为地将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为,晶格,。,晶格,晶胞,点阵（晶格）模型,晶胞,构成晶格的最基本单元。,晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵，通常为小的平行六面体。,晶胞要顺序满足,能充分反映整个空间点阵的对称性，,具有尽可能多的直角，,体积要最小。,X,Y,Z,a,b,c,晶格常数,a，b，c,三,、,3,种典型的金属晶体结构,体心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格,14,种空间点阵,7,个晶系,按晶格常数的特征对晶体的分类。,（一）体心立方晶格,bcc,（,Body-centered cubic,lattice,）,-,Fe、W、V、Mo,等,晶格常数：,a=b=c；,=90,晶胞原子数：,原子半径：,X,Y,Z,a,b,c,2,r,2,r,a,a,2,致密度,：是指其晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。用,“,K,”,表示。,致密度：,K=0.68,配位数,：晶体结构中与任一个原子,最近邻,且,等距离,的原子数目,配位数,：,8,（2）面心立方晶格,fcc,（,Face-centered cubic,lattice,）,-,Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag,等,晶格常数：,a=b=c；,=90,晶胞原子数：,原子半径：,致密度：,X,Y,Z,a,b,c,4,配位数：,K=,0.74,12,（3）密排六方晶格,hcp,（,Close-packed hexagonal,lattice,）,C（,石墨）、,Mg、Zn,等,晶格常数,底面边长,a,底面间距,c,侧面间角120,侧面与底面夹角90,晶胞原子数：6,原子半径：,a/2,致密度：,配位数：,K=,0.74,12,Structure,a,0,vs.,r,Atoms per cell,Coordination Number,Packing factor,Examples,BCC,2,8,0.68,-,Fe、W、V、Mo,FCC,4,12,0.74,-,Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag,HCP,6,12,0.74,Ti,、,Mg,、,Zn,、,Be,、,Co,、,Zr,、,Cd,面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序,密排六方晶格,的堆垛顺序,为,ABABAB,面心立方晶格,的堆垛顺序,为,ABCABCABC,晶向及晶面指数,晶向：,空间点阵中节点列的方向。空间中任两节点的连线的方向，代表了晶体中原子列的方向。,晶向指数,：表示晶向方位符号。,通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；,求出该直线上任意一点的三个坐标值；,将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶面指数，其一般形式,uvw,。,晶向指数的确定,O,A,B,G,C,E,D,F,晶向指数特征：,与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶向。,晶向族：,原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶向,的集合,。,表示方法：,用尖括号,表示,可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。,晶向及晶面指数,设晶格中，某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作,OX,、,OY,、,OZ,三坐标轴，以晶格常数,a,、,b,、,c,分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距；,将所得三截距之值变为倒数；,再将这三个倒数按比例化为最小整数并加上一圆括号即为晶面指数。,一般表示形式：（,hkl,),。,晶面：,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。,晶面指数：,表示晶面方位的符号。,晶向及晶面指数,晶面指数的确定,晶面族：,原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶,面的集合,。,表示方法：,用花括号,hkl,表示,。,举例：,可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。,晶面指数特征：,与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面。,晶向及晶面指数,a,c,b,x,y,z,xyz,面：截距,1/2,，,1/2,，,1/2,；倒数,2,，,2,，,2,，晶面指数（,111,）,abc,面：,截距,1,，,1,，,1,；,倒数,1,，,1,，,1,，,晶面指数（,111,）,O,A,B,G,C,E,D,F,ABC,面：晶面指数（,111,）,OF,：晶向指数,111,GF,：晶向指数,110,DE,：晶向指数,101,ADFG,面：晶面指数（,100,）,OA,：晶向指数,100,OB,：晶向指数,010,OC,：晶向指数,001,在立方晶系中有：,其他晶体学概念,晶带和晶带轴：,相许多不同的晶面组都平行于某一直线时，这些晶面的组合称为晶带，与之平行的直线叫做它们的晶带轴。晶带用晶带轴的晶向指数表示。,在立方晶系中,有：,晶面,(,hkl,),和其晶带轴,uvw,的指数之间满足关系,：,晶面原子密度：,单位面积上的原子数,晶向原子密度：,单位长度上的原子数,晶体的各向异性,?,由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而便造成了它在不同方向上的性能差异，晶体的这种,“,各向异性,”,的特点是它区别于非晶体的重要标志之一。,例如，体心立方的,Fe,晶体，由于它在不同晶向上的原子密度不同，原子结合力不同，因而其弹性模量,E,便不同。在,111,方向,E,=290000MN/m2,，在,100,方向,E,=135000MN/m2,。许多晶体物质如石膏、云母、方解石等常沿一定的晶面易于破裂，具有一定的解理面，也都是这个道理。,晶体的各向异性不论在物理、化学或机械性能方面，即不论在弹性模量、破断抗力、屈服强度，或电阻、导磁率、线胀系数，以及在酸中的溶解速度等许多方面都会表现出来，并在工业上得到了应用，指导生产，获得优异性能的产品,如制作变压品的硅钢片，因它在不同的晶向的磁化能力不同，我们可通过特殊的轧制工艺，使其易磁化的,100,晶向平行于轧制方向从而得到优异的导磁率等。,（一）单晶体与多晶体,单晶体：,一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，称这块晶体为单晶体。,晶粒,：,实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为,晶粒,。,实际金属的晶体结构,变形金属晶粒尺寸约,1100,m,，,铸造金属可达几,mm,。,晶粒与晶粒之间的界面称为“,晶界,”。在晶界处，原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过度，总是不规则的。,多晶体：,实际上由多个晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。,沿晶断口,铅锭宏观组织,对于单晶体，由于各个方向上原子排列不同，导致各个方向上的性能不同，即“各向异性”的特点；,多晶体对每个小晶粒具有“各向异性”的特点，而就多晶体的整体，由于各小晶粒的位向不同，表现的是各小晶粒的平均性能，不具备“各向异性”的特点。,单晶体,多晶体,晶格缺陷按其几何形式的特点，分为如下三类：,点缺陷,(,point defect):,原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小。,空位、间隙原子、置换原子,线缺陷,(linear defect):,原子排列的不规则区在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。,位错,面缺陷,(plane defect,):,原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。,晶界、亚晶界、,相界,、,层错,晶体缺陷,把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为,晶体缺陷,。,点缺陷,空位,(vacancy),在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为,“,空位,”,。,脱位原子的去处,（,1,）,跑到晶体表面去,肖脱基空位,（,2,）,跑到点阵间隙中,弗兰克,尔,空位,（,3,）,跑到其他空位中,空位,迁移,空位：热平衡缺陷,T,一定，空位平衡浓度一定,T,升高，空位平衡浓度升高,点缺陷,间隙原子,在晶格的间隙，出现的多余原子。,如果间隙原子是其它元素就称为,异类原子（杂质原子）,间隙原子,置换原子,占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子。,置换,原子,点缺陷对材料性能的影响,点缺陷,原因：,无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。,效果,提高材料的电阻,加快原子的扩散迁移,形成其他晶体缺陷,改变材料的力学性能,(,使强度提高，塑性下降,),线缺陷,位错,(dislocation),有一列或多列原子发生了有规律的错排现象,位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。,滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。,由于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，,刃型位错,(blade dislocation),多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。,线缺陷,施加一切应力，使得左右两端有一个原子间距的相对切变。沿,BC,附近，出现了一个约相当于几个原子宽的切变和未切变之间的过渡区。在这个过渡区域内，原子正常位置都发生了错动，它表示切变面左右两边相邻的两层晶面中原子的相对位置。,螺型位错,(spiral dislocation),由,B,按顺时针方向沿各原子逐一走去，最后将达到,C,，这就犹如沿一个右螺旋螺纹旋转前进一样，所以这样的一个宽仅几个原子间距，长则穿透晶体上下表面的线性缺陷，叫,右螺型位错。,面缺陷,1),晶体表面,晶体表面,是指其与真空或各种外部介质，如空气、氢气、氮气等相接触的界面。,表面能,：,表面原子偏离正常的平衡位置，并牵连到邻近的几层原子，这就造成表层的畸变，它们的能量比内部原子高，将它们高出的能量合起来，平均在单位表面积上的超额能量称为比表面能,它与表面张力同数值、同量纲。,表面能既随接触介质的不同而变，也随裸露出的晶面不同而异。此外，表面能还和表面曲率有关，曲率越大表面能也越大。,面缺陷,纯金属或单相合金的组织是由