第二章 金属的晶体结构缺陷
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晶体结构缺陷的类型
二 按缺陷产生旳原因分类
晶体缺陷
辐照缺陷 杂质缺陷
电荷缺陷 热缺陷 非化学计量缺陷
1. 热缺陷
定义:热缺陷亦称为本征缺陷，是指由热起伏旳原因所产生 旳空位或间隙质点（原子或离子）。
类型:弗仑克尔缺陷（Frenkel defect）和肖特基缺陷 （Schottky defect）
T E 热起伏(涨落) 原子脱离其平衡位置
面缺陷旳取向及分布与材料旳断裂韧性有关。
面缺陷－晶界
晶界示意图
亚晶界示意图
晶界: 晶界是两相邻晶粒间旳过渡界面。因为相邻晶粒 间彼此位向各不相同，故晶界处旳原子排列与晶内不同， 它们因同步受到相邻两侧晶粒不同位向旳综合影响，而做 无规则排列或近似于两者取向旳折衷位置旳排列，这就形 成了晶体中旳主要旳面缺陷。
-"extra" atoms positioned between atomic sites.
distortion of planes
selfinterstitiallids
Two outcomes if impurity (B) added to host (A):
• Solid solution of B in A (i.e., random dist. of point defects)
OR
Substitutional alloy (e.g., Cu in Ni)
Interstitial alloy (e.g., C in Fe)
Impurities in Ceramics
本章主要内容：
§2.1 晶体构造缺陷旳类型 §2. 2 点缺陷 §2.3 线缺陷 §2.4 面缺陷 §2.5 固溶体 §2.6 非化学计量化合物
材料科学基础第二章晶体结构缺陷(三)
金属的强度与位错密度的关系
位错的观察
位错在晶体表面的露头 抛光后的 试样在侵蚀时，由于易侵蚀而出现 侵蚀坑，其特点是坑为规则的多边 型且排列有一定规律。只能在晶粒 较大，位错较少时才有明显效果。
薄膜透射电镜观察 将试 样减薄到几十到数百个原 子层(500nm以下)，利用透 射电镜进行观察，可见到 位错线。
按照完整晶体滑移模型，使晶体滑移所需的临界切应力， 即使整个滑移面的原子从一个平衡位置移动到另一个平衡位 置时，克服能垒所需要的切应力，晶面间的滑移是滑移面上 所有原子整体协同移动的结果，这样可以把晶体的相对滑移
简化为两排原子间的滑移，晶体的理论切变强度m为： Gx/a=msin（2x/）=m2x/
2. 位 错 密 度 ： 单 位 体 积 内 位 错 线 的 总 长 度
ρ=L/V
nl n
S l S
式中 L为晶体长度，n为位错线数目，S晶 体截面积。
一般退火金属晶体中为104~108cm-2数量级， 经剧烈冷加工的金属晶体中，为
1012~1014cm-2
（三）、位错线的连续性及位错密度
图 2-13
（三）、混合位错
在外力作用下，两部分之间发生相对
滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的 交线既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢 量b），这样的位错称为混合位错。如图 2-14所示。
位错线上任意一点，经矢量分解后， 可分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位 错线的形状可以是任意的，但位错线上各 点的伯氏矢量相同，只是各点的刃型、螺 型分量不同而已。
（一）完整晶体的塑性变形方式
1.晶体在外力作用下的滑移（图２－６） 滑移的定义 滑移的结果 滑移的可能性（滑移系统）：在最密排晶面（称为滑移 面）的最密排晶向（称为滑移方向）上进行 晶体滑移的临界分切应力（c） ：开动晶体滑移系统所需 的最小分切应力 2.晶体在外力作用下的孪生
位错的观察
位错在晶体表面的露头 抛光后的 试样在侵蚀时，由于易侵蚀而出现 侵蚀坑，其特点是坑为规则的多边 型且排列有一定规律。只能在晶粒 较大，位错较少时才有明显效果。
薄膜透射电镜观察 将试 样减薄到几十到数百个原 子层(500nm以下)，利用透 射电镜进行观察，可见到 位错线。
按照完整晶体滑移模型，使晶体滑移所需的临界切应力， 即使整个滑移面的原子从一个平衡位置移动到另一个平衡位 置时，克服能垒所需要的切应力，晶面间的滑移是滑移面上 所有原子整体协同移动的结果，这样可以把晶体的相对滑移
简化为两排原子间的滑移，晶体的理论切变强度m为： Gx/a=msin（2x/）=m2x/
2. 位 错 密 度 ： 单 位 体 积 内 位 错 线 的 总 长 度
ρ=L/V
nl n
S l S
式中 L为晶体长度，n为位错线数目，S晶 体截面积。
一般退火金属晶体中为104~108cm-2数量级， 经剧烈冷加工的金属晶体中，为
1012~1014cm-2
（三）、位错线的连续性及位错密度
图 2-13
（三）、混合位错
在外力作用下，两部分之间发生相对
滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的 交线既不垂直也不平行滑移方向（伯氏矢 量b），这样的位错称为混合位错。如图 2-14所示。
位错线上任意一点，经矢量分解后， 可分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位 错线的形状可以是任意的，但位错线上各 点的伯氏矢量相同，只是各点的刃型、螺 型分量不同而已。
（一）完整晶体的塑性变形方式
1.晶体在外力作用下的滑移（图２－６） 滑移的定义 滑移的结果 滑移的可能性（滑移系统）：在最密排晶面（称为滑移 面）的最密排晶向（称为滑移方向）上进行 晶体滑移的临界分切应力（c） ：开动晶体滑移系统所需 的最小分切应力 2.晶体在外力作用下的孪生
第二章 缺陷与位错
螺型位错的形成及其几何特征 如图2-8 (螺位错形 .spl演示） 。 演示） 如图 螺位错形 演示
图2-8 螺位错形成示意图
EF就是线缺陷 螺型位错。割开面 就是线缺陷--螺型位错 割开面ABCD就是滑移面， 就是滑移面， 就是线缺陷 螺型位错。 就是滑移面 滑移矢量为d，其方向为-z轴 平行。 周围的原 滑移矢量为 ，其方向为 轴，与EF平行。EF周围的原 平行 子面形成以EF为轴线的螺卷面 为轴线的螺卷面。 子面形成以 为轴线的螺卷面。
图2-4 电子显微镜下观察到的位错线
二、位错的基本类型 从位错的几何结构来看，可将它们分为两种基本类型， 从位错的几何结构来看，可将它们分为两种基本类型， 即刃型位错和螺型位错。 即刃型位错和螺型位错。 从滑移角度看， 从滑移角度看，位错是滑移面上已滑移和未滑移部分 的交界。 的交界。
刃型位错的形成及其几何特征 示意了晶体中形成刃型位错的过程。 ） 图2-5示意了晶体中形成刃型位错的过程。 (a.spl） 示意了晶体中形成刃型位错的过程
图2-6 刃型位错包含半原子面
刃型位错的几何特征： 刃型位错的几何特征： (1) 有多余半原子面。 有多余半原子面。 习惯上， 习惯上，把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正 刃型位错，用符号“ 表示，反之为负刃型位错， 刃型位错，用符号“┻”表示，反之为负刃型位错，用 表示。 “┳”表示。 刃型位错周围的点阵畸变关于半原子面左右对称。 刃型位错周围的点阵畸变关于半原子面左右对称。
所谓局部滑移就是原子面间的滑移不是整体进行， 所谓局部滑移就是原子面间的滑移不是整体进行 ， 而是发生在滑移面的局部区域， 而是发生在滑移面的局部区域， 其他区域的原子仍然保 持滑移面上下相对位置的不变。 持滑移面上下相对位置的不变。
第二章晶体结构缺陷(线缺陷课件-9)
(2) 混合位错特征:混合位错可分解为刃型分量 混合位错特征: 和螺型分量,它们分别具有刃位错和螺位错的特征。 和螺型分量,它们分别具有刃位错和螺位错的特征。 位错环( 位错环(dislocation loop)是一种典型的混合位错。 是一种典型的混合位错。
（a）混合位错的形成 ） （b）混合位错分解为刃位错 ） 和螺位错示意图
螺位错形成示意图
晶体局部滑移造成的螺型位错
螺型位错具有以下特征：
♦ 1).螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。 ♦ 2).根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不
同，螺型位错可分为右旋和左旋螺型位错。 ♦ 3).螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而 且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。 ♦ 4).纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位 错线的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移 通常是在那些原子密排面上进行。 ♦ 5). 螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加 而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。
1. 刃型位错
♦ （1）刃型位错（edge dislocation）的产生 刃型位错（
完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对 完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对 的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移 应强度，从而促进了位错理论的产生和发展。 应强度，从而促进了位错理论的产生和发展。 刃型位错： （2） 刃型位错： 作用下， ABCD面为滑移面发生 晶体在大于屈服值的切应力τ作用下，以ABCD面为滑移面发生 滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线 是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线， 滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体 的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。 的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。 刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。 刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。 (3)几何特征 (3)几何特征 位错线与原子滑移方向相垂直； 位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受 压应力作用，原子间距小于正常晶格间距； 压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周 围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。 围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。 (4)分类 正刃位错， 分类： 负刃位错， (4)分类：正刃位错， “⊥” ；负刃位错， “┬ ” 。符号中 水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。 水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。
（a）混合位错的形成 ） （b）混合位错分解为刃位错 ） 和螺位错示意图
螺位错形成示意图
晶体局部滑移造成的螺型位错
螺型位错具有以下特征：
♦ 1).螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。 ♦ 2).根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不
同，螺型位错可分为右旋和左旋螺型位错。 ♦ 3).螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而 且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。 ♦ 4).纯螺型位错的滑移面不是唯一的。凡是包含螺型位 错线的平面都可以作为它的滑移面。但实际上，滑移 通常是在那些原子密排面上进行。 ♦ 5). 螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加 而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。
1. 刃型位错
♦ （1）刃型位错（edge dislocation）的产生 刃型位错（
完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对 完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对 的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移 应强度，从而促进了位错理论的产生和发展。 应强度，从而促进了位错理论的产生和发展。 刃型位错： （2） 刃型位错： 作用下， ABCD面为滑移面发生 晶体在大于屈服值的切应力τ作用下，以ABCD面为滑移面发生 滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线 是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线， 滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体 的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。 的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。 刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。 刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。 (3)几何特征 (3)几何特征 位错线与原子滑移方向相垂直； 位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受 压应力作用，原子间距小于正常晶格间距； 压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周 围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。 围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。 (4)分类 正刃位错， 分类： 负刃位错， (4)分类：正刃位错， “⊥” ；负刃位错， “┬ ” 。符号中 水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。 水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。
第二章晶体结构缺陷
2FeFe 2h
Oo 2h
3OO
VF''e
VF''e
从中可见，铁离子空位本身带负电，为了保持电中性；
两个电子空穴被吸引到这空位的周围，形成一种V一色心。
根据质量作用定律
K
[OO ][h ]2[VFe ''] P 1/ 2
O2
[OO●]≈1 [h●]=2[VFe’’] 由此可得： [h●]∝PO21/6
1
[e]
P6 O2
如果Zn离子化程度不足，可以有 -2.1 Zn(g) Zni. e
-2.3
[Zni.
]
P1/ 2 Zn
（此为另一1 种模型）
[e]
P4 O2
logσ
上述-2.反5实应测进Zn行O的电同导时率，与进氧行分氧压化的反关应系：支持了
单电荷间隙的模型1 ，即后一种是正确的。
把这种经过辐照而变色的晶体加热，能使缺陷扩散掉， 使辐照破坏得到修复，晶体失去颜色。
举例
现象：白色的 Y2O3 在真空中煅烧，变成黑色，再退火，又变成白
色。
原因：晶体中存在缺陷，阴离子空位能捕获自由电子，阳离子空位能 捕
获电子空穴，被捕获的电子或空穴处在某一激发态能级上，易受激而发出 一定频率的光，从而宏观上显示特定的颜色。
缺陷反应方程式应如下：
2TiO2
-
1 2
O2
2Ti' Ti
VO
2OO
2TiTi
4OO
2Ti' Ti
VO
3Oo
第二章-晶体结构与晶体中的缺陷
• 层间结合力强，水分子不易进入层间，与水拌和体积不膨 胀，泥料可塑性差（黏土-水系统解释）。
• 层内力远远大于层间力，容易形成片状解理。
• ⑷ 蒙脱石结构
• 单元层间：范德华力，弱。 • [SiO4]4-中的Si4+被Al3+取代（
同晶取代）为平衡电价，吸 附低价正离子，易解吸，使 颗粒荷电，因此使陶瓷制品 因带某些离子具有放射性。 • 性质： • 加水体积膨胀，泥料可塑性 好。
因子看，A位离子越大， B位离子才能较大。
理想立方钙钛矿结构中离子的位置
§2.2 硅酸盐晶体结构
一、硅酸盐结构特点与分类 硅酸盐是数量极大的一类无机物。硅酸盐晶体可以 按硅（铝）氧骨干的形式分成岛状结构、组群状结 构、链状结构、层状结构和架状结构。它们都具有 下列结构特点： 1）结构中Si4+之间没有直接的键，而是通过O2-连接 起来的 2）结构是以硅氧四面体为结构的基础 3）每一个O2-只能连接2个硅氧四面体 4）硅氧四面体间只能共顶连接，而不能共棱和共面 连接
陶瓷材料如MgO,CaO, NiO,
CoO,MnO和PbO等都形成
该结构。岩盐型结构还是若干
复杂层状化合物结构的一部分。
根据鲍林静电价规则，
S=Z/n NaCl: 每一个Na+静电键强度是 1/6。正负离子的配位数相等， 都是6。因此键强度总和达到氯 离子的价电荷数(6x(1/6)=1) MgO: 阳离子Mg2+的静电键强 度是2/6 ,键强度总和等于氧离子 O2-的电价6x(2/6)=2
缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期 性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完 整性。
晶体结构缺陷的类型
• 层内力远远大于层间力，容易形成片状解理。
• ⑷ 蒙脱石结构
• 单元层间：范德华力，弱。 • [SiO4]4-中的Si4+被Al3+取代（
同晶取代）为平衡电价，吸 附低价正离子，易解吸，使 颗粒荷电，因此使陶瓷制品 因带某些离子具有放射性。 • 性质： • 加水体积膨胀，泥料可塑性 好。
因子看，A位离子越大， B位离子才能较大。
理想立方钙钛矿结构中离子的位置
§2.2 硅酸盐晶体结构
一、硅酸盐结构特点与分类 硅酸盐是数量极大的一类无机物。硅酸盐晶体可以 按硅（铝）氧骨干的形式分成岛状结构、组群状结 构、链状结构、层状结构和架状结构。它们都具有 下列结构特点： 1）结构中Si4+之间没有直接的键，而是通过O2-连接 起来的 2）结构是以硅氧四面体为结构的基础 3）每一个O2-只能连接2个硅氧四面体 4）硅氧四面体间只能共顶连接，而不能共棱和共面 连接
陶瓷材料如MgO,CaO, NiO,
CoO,MnO和PbO等都形成
该结构。岩盐型结构还是若干
复杂层状化合物结构的一部分。
根据鲍林静电价规则，
S=Z/n NaCl: 每一个Na+静电键强度是 1/6。正负离子的配位数相等， 都是6。因此键强度总和达到氯 离子的价电荷数(6x(1/6)=1) MgO: 阳离子Mg2+的静电键强 度是2/6 ,键强度总和等于氧离子 O2-的电价6x(2/6)=2
缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期 性势场的畸变称为晶体的结构缺陷。 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完 整性。
晶体结构缺陷的类型
第二章晶体结构缺陷(五)
（二）、注意事项
以上几个影响因素，并不是同时起作用， 在某些条件下，有的因素会起主要因素，有 的会不起主要作用。例如，rSi4+=0.26埃， rAl3+=0.39埃，相差达45%以上，电价又不同， 但Si—O、Al—O键性接近，键长亦接近， 仍能形成固溶体，在铝硅酸盐中，常见Al3+ 置换Si4+形成置换固溶体的现象。
2、 固溶体化学式的写法
以CaO加入到 掺入xmolCaO。
ZrO2
中
为
例
，
以
1mol为
基
准
，
形成置换式固溶体：
C aZ O 2 r O C Z '' a rO o V O • •
x
x
x
空位模型
则化学式为：CaxZrl~xO2-x 形成间隙式固溶体：
2 C aZ O 2 r O C i• • a 2 O O C Z '' r a 间隙模型
四、形成固溶体后对晶体性质的影 响
1、 稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生 2、活化晶格 3、固溶强化 4、形成固溶体后对材料物理性质的影响
1、稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生
(1) PbTiO3是一种铁电体，纯PbTiO3烧结性 能极差，居里点为490℃，发生相变时，晶格 常数剧烈变化，在常温下发生开裂。PbZrO3 是一种反铁电体，居里点为230℃。两者结构 相同，Zr4+、Ti4+离子尺寸相差不多，能在常 温生成连续固溶体Pb(ZrxTi1-x)O3，x=0.1~0.3。 在斜方铁电体和四方铁电体的边界组成 Pb(Zr0.54Ti0.46)O3处，压电性能、介电常数都 达到最大值，烧结性能也很好，被命名为PZT 陶瓷。
第二章 晶体缺陷
2G ⎛ 2πW ⎞ τp = ⋅ exp⎜ − ⎟ (1 − v) b ⎠ ⎝
⎡ 2G 2π a ⎤ exp ⎢ − = (1 − v ) (1 − v ) b ⎥ ⎣ ⎦ 晶体滑移为什么多是沿着晶体中晶面间距最大的最密排面和原子密 排方向进行？
31
式中b：滑移方向上原子间距 G：切变模量 v：泊松比 W为位错宽度，W=a/1-v，a为晶面间距
11
2.2.1 位错的基本概念 1.位错学说的产生
1926年弗兰克尔利用理想晶体的模型估算了理论切变强度 与实验结果相比相差3‾4个数量级 1934年泰勒，波朗依和奥罗万三人几乎同时提出晶体中 位错的概念 泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在切应 力作用下发生运动，依靠位错的逐步传递完成了滑移
2.位错的攀移
攀移为“非守恒运动”
空位引起的正攀移
负攀移
32
2.2.3 位错的弹性性质
1.位错的应力场 位错的存在，在其周围的点阵发生不同程度的畸变 中心部分畸变程度最为严重，为位错中心区，这部分 超出了弹性应变范围，不讨论 仅讨论中心区以外的弹性畸变区 借助各向同性的弹性连续介质模型讨论位错的弹性性质
由于混合位错可以分解为刃型和螺型两部分，因此，不难理 解，混合位错在切应力作用下，也是沿其各线段的法线方向 滑移，并同样可使晶体产生与其柏氏矢量相等的滑移量。
30
位错由1→2经过不对称状态，位错必越过一势垒才能前进。 位错移动受到一阻力——点阵阻力，又叫派—纳力（PeirlsNabarro），此阻力来源于周期排列的晶体点阵。
49
刃型肖克莱不全位错在（110）面上的投影 只能滑移，不能攀移
50
弗兰克（Frank）不全位错
（a）面心立方结构 （b）密排六方结构 密排面的堆垛顺序
⎡ 2G 2π a ⎤ exp ⎢ − = (1 − v ) (1 − v ) b ⎥ ⎣ ⎦ 晶体滑移为什么多是沿着晶体中晶面间距最大的最密排面和原子密 排方向进行？
31
式中b：滑移方向上原子间距 G：切变模量 v：泊松比 W为位错宽度，W=a/1-v，a为晶面间距
11
2.2.1 位错的基本概念 1.位错学说的产生
1926年弗兰克尔利用理想晶体的模型估算了理论切变强度 与实验结果相比相差3‾4个数量级 1934年泰勒，波朗依和奥罗万三人几乎同时提出晶体中 位错的概念 泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在切应 力作用下发生运动，依靠位错的逐步传递完成了滑移
2.位错的攀移
攀移为“非守恒运动”
空位引起的正攀移
负攀移
32
2.2.3 位错的弹性性质
1.位错的应力场 位错的存在，在其周围的点阵发生不同程度的畸变 中心部分畸变程度最为严重，为位错中心区，这部分 超出了弹性应变范围，不讨论 仅讨论中心区以外的弹性畸变区 借助各向同性的弹性连续介质模型讨论位错的弹性性质
由于混合位错可以分解为刃型和螺型两部分，因此，不难理 解，混合位错在切应力作用下，也是沿其各线段的法线方向 滑移，并同样可使晶体产生与其柏氏矢量相等的滑移量。
30
位错由1→2经过不对称状态，位错必越过一势垒才能前进。 位错移动受到一阻力——点阵阻力，又叫派—纳力（PeirlsNabarro），此阻力来源于周期排列的晶体点阵。
49
刃型肖克莱不全位错在（110）面上的投影 只能滑移，不能攀移
50
弗兰克（Frank）不全位错
（a）面心立方结构 （b）密排六方结构 密排面的堆垛顺序
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排 斥 力 ＋F 结合力 o A 吸 引 力 －F 结合能 d0 B
排斥力
dc
理论抗拉强度
引力
原子间距d
任何对d0偏离，都使势能升高
形成原子团比单个原子能量低 原子周围最近邻的原子数越多 结合能越低 能量越低，状态越稳定
排 斥 能
o 吸 引 能
排斥能
EAB 结合能或键能 dc 理论抗拉强度
化学成分（一种或多种元素） 原子排列方式（晶体结构）
组织（晶粒个数、晶粒度、晶界等）
原子结合方式（金属键、离子键、共价键） 内因
三、金属性能决定因素
外因
金属材料形状 加工制造工艺
内因起主要作用,外因起次要作用，关键是原子的种类和结构
2017/3/14 3
简单了解 （一）、 金属原子的结构特点
质子：正电荷 原子核：带正电
2017/3/14 1
例如金刚石和石墨成分 都是C原子，但是它们的 性能完全不同，原因是它 们的原子排列结构不同。
2017/3/14
2
§2-1 金属及其特性（简单了解）
一、金属的定义 金属？具有正的电阻温度系数的物质。 二、金属的性能 具有良好的导热性、导电性、有光泽、不透 明、较高强度、硬度、可塑性等
2017/3/14
（金刚石）
6
（三）、 金属原子的结合力与结合能
问题：金属原子为什么排列规则， 并趋于紧密排列？
固态金属中两个原子之间的作用力：
1）正离子与电子的吸引力
2）正离子与正离子、电子与电子的排斥力 “结合力”：是吸引力和排斥力的代数和
结合能：
2017/3/14
吸引能和排斥能的代数和
7
d0 平衡间距或位置 d>d0时，相互吸引 d<d0时，相互排斥 d=d0时，结合力为零
2017/3/14 10
2017/3/14
11
二、晶体与非晶体的特征
晶体：原子（离子、分子）在三维空间作有规则的周期性排 列的物质。有单晶体（纯金属）与多晶体(合金）之分。 特点：有固定的熔点、长程有序、各向异性（只有单晶 体具备）。 非晶体：原子（离子、分子）在三维空间内不规则排列的物 质。特点：没有固定的熔点、无序、各向同性（多晶体 也具备）。 (a)是否具有周期性、对称性 (b)是否长程有序 区 别
2017/3/14 5
（二）、 金属原子的结合方式——金属键
3、金属的特性： 导电：自由电子沿电场方向运动 导热：自由电子运动、正离子振动 正的电阻温度系数 不透明、具有金属光泽 塑性：正离子始终被电子云包围 离子键： 一失一得，静电作用 （氯化钠） 金属键：金属中自由电子与金属正离子之间依靠金属键结合。 共价键：相邻原子共用它们的外部价电子，形成稳定的满壳层
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1、晶体结构的概念：
晶体中原子（离子、分子）在三维
空间有规律的具体排列方式。这种 排列结构或空间点阵结构就叫晶体 结构。（在理想状态下）
金属和合金在固态下通常为晶体。 晶体结构的钢球模型
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2、晶格的概念：
为了便于研究，用假想直线将金属中原子的中心位置连接起 来表示原子分布的几何图形。（在理想状态下）
原子
核外电子：带负电
中子：电中性
金属原子的结构特点: 最外层电子很少，一般为1-2个，最多3个 失去电子形成正离子（正电性元素）
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（二）、 金属原子的结合方式——金属键
1、 金属键的概念 金属或合金的每一个原子都贡
献出它们的价电子，形成由整个
固体金属所共有的“电子云”， 这种结合类型就是金属键。 2、 金属键的特点 原子排列紧密，决定了金属 具有强度高，塑性好，良好的导 电性4
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晶体结构示意图
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晶格示意图
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3、晶胞的概念：代表晶格结构特征的最基本单元。
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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。
第二章 纯金属（单晶体）的晶体结构与 合金（多晶体）的晶体结构
我们为什么要学习金属的晶体结构？ 什么是晶体结构？ 金属材料为什么具有各种不同的性能？
组织结构不同，性能不同； 化学成分不同，性能不同； 加工制造工艺不同，性能不同； 成分相同、加工工艺不同，性能不同
金属材料的性能是由什么来决定的？——晶体结构决定的
最大结合力
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EAB
A
B 吸引能
原子间距d
双原子作用模型 金属原子为什么排列规则，并趋于紧密排列？
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§2-2 纯金属的晶体结构
材料的成分不同其性能也不同。对同一成分的材料也可通 过改变内部结构和组织状态的方法，改变其性能，这促进
了人们对材料内部结构的研究。
组成材料的原子的结构决定了原子的结合方式，按结合方 式不同可将固体材料分为金属、陶瓷和塑料。 根据其原子排列情况，又可将材料分为晶体与非晶体两大 类。 本章首先介绍晶体材料的内部结构。
(c)是否有确定的熔点？
(d)是否各向异性
某些晶体与非晶体在一定条件下可以相互转化，即同素异构转变。 2017/3/14 12
三、晶体结构的基本概念
为了便于研究晶体中原于、分子或离子的排列情况，近似地 将晶体内部所有原子看成是无错排的理想状态，为规则排列 于空间的无数几何点。这些点代表原子(分子或离子)的中心， 也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，各点的周围环境 相同。这些点的空间排列结构称为空间点阵。 也就是我们常说的晶体结构
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一、 晶体与非晶体的概念
◇各种材料内部原子排列可分为三个等级，即无序排列、短 程（部分原子）有序排列、长程（全部原子）有序排列。 ◇材料内部的质点（分子、原子或离子）在三维空间作有规
律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体。
◇ 材料内部的质点是无序排列的叫非晶体。 ◇晶体与非晶体中原子排列方式不同，导致其性能上出现较 大差异。晶体具有一定的熔点，非晶体则没有。晶体的某些 物理性能和力学性能在不同的方向上具有不同的数值成为各 向异性。 ◇晶体分为天然晶体，如食盐、冰、雪花、石花；人造晶体， 如人造石英、人造金刚石；各种金属晶体。 非晶体如玻璃、橡胶、塑料、木材等。