机械工程材料第三讲金属的晶体结构和结晶(1)共45页

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• 第一节金属的特性
• 迄今为止，在已知的一百多种化学元素中，80％以上的元 素是金属元素。金属就是那些在发生化学反应时失去价电子 的元素。与非金属相比，固态金属具有以下主要特性：
• (1)优良的导电性和导热性。
• (2)正的电阻温度系数，即随着温度不断升高，电阻不断增 大使金属的导电性降低。绝大多数金属具有超导性，即在温 度接近绝对零度时电阻突然降低，乃至趋近于零。
No 晶示向晶面。（的为M符便i号于l称研le为究r晶，指面通数指常数用的符，求号表来示法表晶示向）不的同符的号晶称面为和晶晶向向指。数表。
下面简晶单体介是绍立由方一晶系系列的不晶同面指方数位和的晶原向子指面数的（确晶定面方）法所。组 成，晶如体是下由图一所系示列。不同方位的原子面（晶面）所组成，原子
• 4、晶胞原子数 一个晶胞内所包含的原于 数目称为晶胞原子数。
• 5、致密度 晶胞中原于本身所占有的体积百 分数称为致密度。
• 晶体中与任一原子距离最近且相等的原子 数目称为配位数。显然，不同结构晶体的晶 胞原子数、配位数和致密度也不相同，配位 数越大的晶体致密度越高。
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62、晶. 立立体方中方晶各晶系方的位体晶上中面的和原的晶子晶向面表称面示为与方晶法面晶，向各方向上的原子列称为
Image 例如，求截距为1，∞, ∞晶面的指数时，取三个
截距值的倒数为1，0，0，加圆括号成为(100)， 即为所求晶面的指数。 再如，要画出晶面(221)，则取三指数的倒数1
／2，1／2，1，即为该晶面在x，y,z三个坐标
轴上的截距。 (hkl)代表的中三种重 要晶面指数
排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族。如 下图所示。
Image
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（1）晶面指数 1）晶面指数的确定步骤为 ①建立坐标系:以任一原子为原点(注意原点不要放在待确定晶
面上)，以过原点的三条棱边为坐标轴，以晶格常数为测量单位
No 建立坐标系； ②求截距:求出待定晶面在三个坐标轴上的截距； ③取倒数：取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加 一圆括号，即为所求晶面的指数。其形式为(hkL)：如果是负指 数，则应将负号“—”放在相应指数的上方。
晶体
(a)
(b) 3
2、 晶胞 从微观上看，晶体是无
限大的、 为便于研究，常从晶格 中选取一个能代表晶体原子排列规 律的最小几何单元来进行分析，这 个最小的几何单元称为晶胞，如图 所示。晶胞在三维空间中重复排列 便可构成晶格和晶体。
• 3、晶格常数 晶胞各边的尺寸a、 b、C、称为晶格常数，又称晶格 尺寸。晶胞的大小和形状通过晶格 常数a、b、c和各棱边之间的夹角 α、β、γ来描述。根据这些参数， 可将晶体分为7种晶系14种晶格。 其中立方晶系和六方晶系比较重要。
No Image {100}包括(100)、(010)、(001)三个晶面-
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{III}包括(111)、(111—)、(1—11)、(11—1)
Z
No X— Y
Image {110}包括(110)、(101)、
(011)、(1 1—0)、(101—)、 (01—1)六个晶面
α –S,Ca,Fe3C
Zn,Cd,Mg,NiAs
棱方 a=b=C α=β=γ ≠90 0
As,Sb,Bi
四方 a=b ≠ C α=β=γ=90 0
β-Sn TiO2
立方 a=b=C
α=β=γ=90 0
Fe,Cr,Cu,Ag,Au 5
• 晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距 的一半尺寸称为原子半径;处于不同晶体结构 中的同种原子的半径是不相同的。
• (3)良好的塑性。
• (4)有金属光泽，但不透明。
• 某些非金属也可能具有上述某些特征，但不会具有全部特 性，也达不到金属所具有上述特性的程度。通常把这种非金 属称为类金属。
• 固态金属的特性是由金属内部原子的构造特点和金属原子 间的结合方式所决定的。
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一、金属原子的结构特点 • 金属原子构造的特点是其最外层的电子数很少，一般只有
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第二节金属的晶体构造 一、金属晶体的基本概念
• 1 、晶格 如果把组成晶体的原子(或离子、分子)看做是 刚性球体，那么晶体就是由这些刚性球体按一定规律周期 性地堆垛而成，如图(a)所示。不同晶体的堆垛规律不同； 为研究方便，假设将刚性球体缩为处于球心的点，称为结 点。由结点所形成的空间点的阵列称为空间点阵。假想的 用直线将这些结点连接起来所形成的三维空间格架称为晶 格，如图(b)所示。 晶格直观地表示了晶体中原子(或离子、分子)的排列规 律。
1～3个，而且这些电子与原子核的结合力微弱，因而易于丢失， 即脱离所属的原子核而成自由电子。而丢失最外层电子的金属 原子变成正离子。对于过渡族金属原子不仅丢失最外层电子， 还容易丢失次外层电子，以致过渡族金属具有多种化合价。 二、金属键 • 由于金属原子的结构特点，使得固态金属离子间的结合方式 是以金属键结合，而金属键也就决定了金属的特性。由于金属 中有大量的自由电子，在外加电场作用下金属内部的自由电子 产生定向运动，形成电流，使金属具有良好的导电性，借助金 属中正离子的振动和自由电子的运动可以传递热量，使金属具 有良好的导热性；加热时，金属温度升高，正离子热振动的振 幅加大，自由电子运动时与正离子的碰撞次数增多，阻碍自由 电子的定向运动，电阻增大；温度降低时，正离子振动减弱， 对自由电子运动的阻碍减小，电阻减小；由于金属键没有方向 性，原子间也没有选择性，所以在外力作用下原子位置发生相 对移动时，金属键不会遭到破坏，使金属表现出良好的塑性； 金属中的自由电子容易吸收可见光的能量，从而被激发到较高 的能级，当其返回到原能级时，释放出所吸收的可见光能，使 金属有光泽但不透明。
晶格
晶胞 z
βα γ
4
7种晶系晶包参数14种晶格
晶系 棱边长度与夹角关系
举例
三斜 a≠b ≠ C α ≠ β ≠ γ ≠90
0 K2Cr3O7
单斜 a≠b ≠ C α=γ= 90 ≠ β0
β –S,CaSO4.2H20
正交 a≠b ≠ C α=β=γ=90 0 六方 a1= a2= a3 ≠ C α=β=90 γ=0120 0