《金属的晶体结构》PPT课件.ppt

1 金属的晶体结构与结晶 这是什么 为什么要学 2 引例 碳的单质 石墨 金刚石 足球烯 石墨 自然界最软的物质之一结构 性质 金属光泽 软及导电性 导热性用途 电极 铅笔芯 润滑剂 3 金刚石 钻石 自然界最硬的物质性质 无色透明正八面体晶体 硬及不导电性用途 在金属切削加工方面 它无坚不摧 它还具有耐强酸强碱腐蚀功能 钻探机钻头 刻刀 装饰品 佛教中常说的 金刚不坏之身 就源于钻石的这一特性 4 足球烯 富勒烯 性质 超导性应用前景 气体的贮存 有感觉功能的传感器 增强金属 新型催化剂 光学应用 癌细胞的杀伤效应 其他医疗功能 1985年 英国化学家哈罗德 沃特尔 克罗托博士和美国科学家理查德 埃里特 史沫莱用大功率激光束轰击石墨使其气化 用氦气产生超声波 使被激光束气化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀 并迅速冷却形成新的碳原子 从而得到了C60 为此 克罗托博士获得1996年度诺贝尔化学奖 克罗托受建筑学家理查德 巴克明斯特 富勒 RichardBuckminsterFuller 设计的美国万国博览馆球形圆顶薄壳建筑的启发 认为C60可能具有类似球体的结构 因此将其命名为buckminsterfullerene 巴克明斯特 富勒烯 简称富勒烯 5 本章要求 了解金属的晶体结构以及结晶的基本概念和规律 掌握三种典型的金属晶体结构 fcc bcc hcp 的基本特点 学会运用miller指数 了解金属的结晶组织及控制晶粒大小的途径 6 1 1金属的晶体结构 1 离子键2 共价键3 分子键4 金属键5 氢键 next 一 材料的结合键 7 离子键示意图 氯化钠结构 8 金刚石结构 共价键示意图 9 分子键示意图 甲烷结构 10 金属键示意图 钼的结构 11 饱和性量子力学指出 两个自旋方向相反的电子结合可使它们的自旋能量之和为零 达到稳定状态 于是已成对的电子不能再与其他原子中的电子结合成对 即共价键结合的原子所能形成键的数目有一最大值 方向性共价键是由共享电子结合的 按量子力学观点 共价键的形成是靠相邻原子外层未满壳层电子云的重叠 电子云在两核中间重叠的密度最大 重叠越多 所形成的共价键就越稳定 12 金属的特性 固态下 良好的导电性和导热性 正的电阻温度系数 不透明并呈现特有的金属光泽 良好的塑性变形能力 金属材料的强韧性好 13 二 晶体结构的基本概念 晶体与非晶体单晶体与多晶体晶格与晶胞 next 14 金属晶体具有确定的熔点 晶体和非晶体的熔化曲线 1 晶体 物质的基本质点 原子 分子或离子 在三维空间作有规则的周期性重复排列的固体 2 非晶体 物质的基本质点 原子 分子或离子 在三维空间无规则排列的固体 2 1 晶体与非晶体 15 晶体的各向异性 在晶体中 不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同 它们之间的结合力的大小也不相同 因而金属晶体不同方向上的性能不同 这种性质叫做晶体的各向异性 16 单晶体 晶体内部原子按同一规律 同一位向排列 即晶格位向完全一致时 称为单晶体 多晶体 由许多位向不同的单晶体组成的 多晶体中每一个小晶体为一个晶粒 晶粒之间的界面称为晶界 每个晶粒内部不同区域晶格位向存在小的差别 亚晶粒 亚晶粒之间的界面为亚晶界 17 把原子抽象为质点 然后用直线将它们连成空间格架 这种用来表示原子排列方式的空间格架称为晶格或空间点阵 1 晶格 2 2 晶格 晶胞 18 晶胞选取应满足的条件 1 晶胞的几何形状充分反映点阵的对称性 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 晶胞体积应最小 在晶格中能够反映原子排列方式的最小几何单元称为晶胞 晶胞 2 晶胞 19 1948年 布拉菲 A Bravais 根据 每个阵点环境相同 用数学方法证明晶体的空间点阵只有14种 分属7个晶系 3 晶系 20 三 常见纯金属的晶格类型 1 体心立方晶格 2 面心立方晶格 3 密排六方晶格 21 三种常见的晶体结构 老师提示 重点内容 体心立方晶格 b c c 面心立方晶格 f c c 密排六方晶格 h c p 总结 22 体心立方晶格 b c c 23 24 模型 晶格常数 a b c 90 原子半径 原子数 n 8 1 8 1 2个 具有该晶格的金属 钼 Mo 钨 W 钒 V 铁 Fe 912 Na K Cr等 25 配位数和致密度 配位数 z 晶体中与任一个原子最邻近 且等距的原子数 致密度 k 晶胞中所包含的原子所占的体积与晶胞体积之比 对bcc z 8 取体心原子为基准 26 面心立方晶格 f c c 27 28 晶格模型 a b c 90 原子半径 原子数 具有该晶格的金属 铝 Al 铜 Cu 镍 Ni 金 Au 银 Ag 铁 Fe 912 1394 等 z 12个 k 0 74 29 密排六方晶格 h c p 30 模型 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 轴比 c a 1 633 当z 12时 原子半径 原子数 具有该晶格的金属 镁 Mg 镉 Cd 锌 Zn 铍 Be 等 z 12个 k 0 74 back 31 老师提示 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 这就是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 32 33 四 Miller指数 晶向 晶体中原子排列的方向 晶面 由原子构成的空间平面 晶面或晶向可用晶面指数或晶向指数来表达 晶向指数与晶面指数 为了区分不同的晶向和晶面 采用一个统一的标号来标志它们 这种符号称为 晶向指数与晶面指数 国际上通用的晶向指数与晶面指数为密勒 miller 指数 以立方晶系的晶面和晶向表示方法为例 34 4 1 晶面指数的确定步骤 设定一空间坐标系 以晶胞的三个棱边为参考坐标轴x y z 坐标原点o在所确定晶面之外 以免出现 0 截距 并使晶面在三条坐标轴上有截距或无穷大 以晶格常数a为单位 求出待定晶面在各轴的截距 取其截距的倒数 化为最小整数 放在圆括号 中 晶面指数的一般标记为 hkl hkl 实际表示一组原子排列相同的平行晶面 晶面的截距可以为负数 在指数上加负号 如 若某个晶面 hkl 的指数都乘以 1 则得到晶面 则晶面 hkl 与属于一组平行晶面 35 与坐标轴平行的截距为无穷大 其倒数为0 与晶向指数相似 某一晶面指数不只是一个 而是一组相互平行的晶面 所有相互平行的晶面具有相同的晶面指数 若两个晶面数字顺序一样 符号相反 则这两个晶面平行 在立方晶系中 由于原子的排列具有高度的对称性 往往存在许多原子排列完全相同但在空间位向不同 即不平行 的晶面 这些晶面总称为晶面族 用大括号表示 即 hkl 空间位向不同 但其原子排列情况完全相同的 属同一晶面族 如在立方晶胞中 36 111 晶面族 37 在立方结构的晶体中 当一个晶向 uvw 位于或平行于某一晶面 hkl 时 有hu kv lw 0 在立方晶系中 一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时 则该晶面与该晶向互相垂直 如 111 111 即当某一晶向与某一晶面相互垂直时 其晶向指数和晶面指数完全相同 如 100 100 38 立方晶胞中的主要晶面 39 举例 晶面指数标定 40 4 2 晶向指数的确定步骤 设定一空间坐标系 原点在欲定晶向的一结点上 以晶胞的三个棱边为坐标轴x y z 以棱边长度 即晶格常数 a为确定单位 从轴原点引一有向直线 该直线平行于待定的晶向 在所引出的直线上取最近的原子点 求出最近原子点在x y z轴上的坐标值 将三个坐标值按比例化为最小的整数 依次列入方括号 中 晶向指数的一般标记为 uvw uvw 实际表示一组原子排列相同的平行晶向 41 晶向指数也可能出现负数 若两组晶向的全部指数数值相同而符号相反 如 110 与 则它们相互平行或为同一原子列 但方向相反 若只研究该原子列的原子排列情况 则晶向 110 与可用一指数 110 表示 所有相互平行的晶向具有相同的晶向指数 同一直线上有相反的两个晶向实际上是把一个晶向乘以一个 1 原子排列情况相同而在空间位向不同 即不平行 的晶向统称为晶向族 用尖括号表示 即 如 42 立方晶胞中的主要晶向 43 4 3 密排面和密排方向 原子密度 表示原子排列的紧密程度不同晶体结构中不同晶面 不同晶向上原子排列方式和排列密度不一样 1 在体心立方晶格中 原子密度最大的晶面为 110 称为密排面 原子密度最大的晶向为 称为密排方向 2 在面心立方晶格中 密排面为 111 密排方向为 44 三种常见晶格的密排面和密排方向 单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度 单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度 原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向 45 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 46 小节 1 材料的结合键种类 特点 2 晶格 晶胞 晶系的概念 3 常见的晶体结构类型 4 米勒指数中的一些基本概念