金属晶体中原子堆积方式的周期性
金属的晶体结构讲解
2020年9月28日
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3、密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面 和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数表示。 一个是柱体的高度c，另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角 上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三 个原子。
密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、 下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞 独有。所以，密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝ 6（个）。具有密排六方晶格的金属有Mg 、Zn 。
3、晶格常数
在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿 其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，而 且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之
为反方向，并以棱边长度 a、 b、 c和棱面夹角
、 、 r 来表示晶胞的形状和大小 。
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（三）、金属中常见晶格
由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列 的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。
晶向指数：通过原点直线上某点的坐标，用方括 号顺序表示。 [x y z] 晶向族: <x y z>
密排面： 密排方向：
Fig 铁的单晶体（晶胞）及其各方
向上弹性模量（E）示意图
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二、实际金属的晶体结构
（一）、金属材料都是多晶体
我们把晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。
单晶体只有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用 的金属材料，由于受结晶条件和其它都不同
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（四）、晶体结构的致密度
晶体结构的致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之
金属晶体堆积方式
金属晶体堆积方式 的研究意义和展望
提高材料的力学性能，如强度、硬度、韧性等 优化材料的电学、热学和磁学性能 实现材料的功能化与智能化，如传感器、驱动器等 探索新型材料，推动科技进步和产业发展
金属晶体堆积方 式的研究有助于 深入理解物质结 构和性质
金属晶体堆积方 式的多样性是决 定金属材料性能 的重要因素
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金属晶体的堆积方式会影响其物理 性质，如导电性、热导率等。
了解金属晶体的堆积方式对于材料 性能的优化和新型材料的开发具有 重要的意义。
特点：金属晶体堆积方式具有高度 的对称性和规则性，不同金属晶体 堆积方式的差异较大。
影响因素：金属晶体堆积方式受金 属原子半径、金属键类型等因素影 响。
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应用：金属晶体堆积方式对金属的 物理性质和化学性质有重要影响， 如导电性、耐腐蚀性等。
实验研究：通过X射线衍射、中子 衍射等实验手段研究金属晶体堆积 方式。
金属晶体堆积方式在材料科学中的应用 金属晶体堆积方式在电子器件制造中的应用 金属晶体堆积方式在航空航天领域的应用 金属晶体堆积方式在生物医学领域的应用
金属晶体堆积方式的形成原因 是为了实现空间利用率的最大 化。
通过合理的堆积方式，金属晶 体可以获得更高的密度和更强
的机械性能。
金属晶体堆积方式的形成还受 到金属原子间相互作用力的影
响。
金属晶体堆积方式 的特点和应用
金属晶体堆积方式的特点包括周期 性、对称性和密堆积等。
金属晶体的堆积方式在材料科学和 工程领域具有广泛的应用，如金属 材料、催化剂等。
热性能。
金属晶体的堆 积方式决定了 其物理和化学
高中化学 《金属晶体的原子堆积模型》课件
通过金属键形成的 晶体
共价键
范德华力
金属键
原子 很高 很大
分子 很低 很小
金属阳离子和自由 电子
差别较大
差别较大
无（硅为半导体）
无
导体
实例
金刚石、二氧化硅、 晶体硅、碳化硅
Ar、S等
Au、Fe、Cu、钢 铁等
第一层小球形成的空穴
（1）简单立方堆积
Po
简 单 立 方 晶 胞
①简单立方晶胞平均占有的原子数目：
1率：
③配位数： 6
同层4，上下层各1
2
1
3
4
6
2
1
3
4
5
（2）体心立方堆积（钾型） 碱金属
体 心 立 方 晶 胞
①体心立方晶胞平均占有的原子数目：
1 8
×8
+
1=
2
②空间利用率：
③配位数： 8
上下层各4
56
87 12 43
第二层 对第一层来讲最紧密的堆积方式 是将球对准1，3，5 位。 ( 或对准 2，4 ，6 位，其情形是一样的 )
12
6
3
54
12
6
3
54
关键是第三层，对第一、二层来说，第三层 可以有两种最紧密的堆积方式。
配位数 空间利用率
12 74%
晶胞的体积
晶体的空间被微粒所占的体积百分 数，用它来表示紧密堆积的程度。
﹪
1、二维空间金属原子的排列方式
非密置层
2
1
3
4
密置层
23
1
4
65
行列对齐 四球一空
配位数： 4
行列相错 三球一空
金属晶体中原子堆积方式周期性规律的探讨
金属晶体中原子堆积方式周期性规律的探
讨
金属晶体是由金属原子堆积而成的固体，通常它们按一定的规律
排列，即原子堆积方式。
这些原子堆积方式对于研究金属材料的性能
有着重要的影响。
研究发现，金属晶体原子堆积方式具有周期性。
金属晶体原子堆积方式有五种基本形式，即，线排列（单晶体）、平面排列（复晶体）、立方排列（四晶体）、六面排列（六晶体）和
八面排列（八晶体）。
每种原子堆积方式都具有不同的特点，从而影
响着组成晶体微观和宏观结构，进而影响材料的性能。
目前，金属晶体的原子堆积方式的研究主要集中在其周期性的规
律上。
研究发现，平面堆积方式具有更适宜的周期性。
因此，根据其
原子堆积的周期性，可以分为三类：定向的等面晶体（对对称十二类
晶体），特定排列的等面晶体（如正交晶体）和随机排列的等面晶体（如单斜晶体）。
此外，周期性也影响着原子堆积的形式，如节点排
列图等。
在节点排列规律中，根据晶体的不同，原子堆积类型也不同，
有分散的（稀有的）、紧密的（密集的）、发散的（混乱的）和其他
类型。
金属晶体原子堆积方式的研究帮助人们更好地理解金属材料的性质。
它不仅有助于研究材料的结构特性，而且也有助于理解材料的电、热、力学和化学特性。
此外，金属晶体原子堆积方式的研究也为未来
开发更加有效的金属材料奠定了基础，从而发挥他们在科技发展中的
重要作用。
金属晶体的三种密堆积方式
金属晶体的三种密堆积方式金属晶体的三种密堆积方式中，原子排列的密堆积方式是指原子在三维空间中紧密排列，以使得晶体的空间利用率达到最大。
密堆积方式可以有效影响金属的密度、强度、硬度等物理性质，因此在材料科学和固体物理中具有重要意义。
通常，金属晶体的密堆积方式主要分为以下三种：面心立方堆积（FCC）、六方最密堆积（HCP）和体心立方堆积（BCC）。
一、面心立方堆积（FCC）面心立方堆积（Face-Centered Cubic, FCC）是一种常见的密堆积方式，其中每个立方体的面上都有一个原子，且每个顶点上也有一个原子。
FCC结构可以看作是由许多面心立方单元重复堆积而成，其代表性金属包括铜（Cu）、铝（Al）、银（Ag）和金（Au）等。
1. 结构特点：在FCC结构中，每个原子都有12个最近邻原子，即配位数为12。
该结构单胞中包含4个原子（8个顶点上的原子分别与相邻单元共享，6个面的原子与邻近单元共享），堆积因子达到0.74，即约74%的空间被原子占据，属于最密堆积结构。
2. 性质：FCC结构由于其紧密的堆积方式，具有较高的塑性和延展性。
因此，FCC金属在室温下一般较易发生滑移，从而产生延展变形。
例如，铜和铝具有良好的延展性，易于加工成型。
3. 堆积方式：在面心立方堆积中，原子在平面上形成紧密的六边形排列，层间顺序为ABCABC 的排列模式。
这意味着每三层后结构重复，形成周期性排列。
4. 应用：FCC结构的金属由于其良好的延展性和抗冲击性，常用于制造电线、金属薄膜和结构材料等。
二、六方最密堆积（HCP）六方最密堆积（Hexagonal Close-Packed, HCP）是一种与面心立方相似的密堆积方式，但其晶体结构为六方柱体，且具有不同的堆积顺序。
HCP结构的代表性金属包括镁（Mg）、钛（Ti）、锌（Zn）和钴（Co）等。
1. 结构特点：在HCP结构中，原子的配位数同样为12，说明其紧密度与FCC相似。
金属结晶的名词解释
金属结晶的名词解释金属结晶是指金属在固态下由于原子的排列方式而形成的晶体结构。
金属的晶体结构与其物理和化学性质密切相关，并影响着金属的力学性能、导电性、导热性以及其他一系列特性。
在金属结晶中，原子的排列方式是有序的，并呈现出一定的规律性和周期性。
1. 金属的晶体结构类型金属的晶体结构类型主要包括面心立方结构、体心立方结构和六方最密堆积结构。
面心立方结构中，原子依次位于面心、体心和空隙的位置，原子间相互贴近，结构紧密。
体心立方结构中，除了位于面心的原子外，还有一个原子位于晶胞的中心位置。
六方最密堆积结构是六个原子紧密堆积在一起，相比面心立方和体心立方结构，它的晶胞可看作是一个六角形。
这三种晶体结构类型是金属结晶中最常见的几种。
2. 金属的晶体缺陷金属的晶体中常常存在一些缺陷，例如点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷是指晶体中某些原子位置上的缺陷，如空位、间隙原子或杂质原子。
线缺陷是由于晶格中某些原子的排列方式而造成的缺陷，如位错和薄穿排列。
面缺陷是晶体晶界或晶格中的界面或表面上的缺陷，如晶界滑移带和晶界位错。
这些缺陷的存在会影响金属的强度、塑性以及其他力学性能。
3. 金属的再结晶再结晶是指金属在一定条件下经历结晶过程，形成新的晶粒结构。
再结晶过程包括晶界消除、分相和晶粒长大等步骤。
再结晶可以使金属的力学性能得到改善，如提高材料的塑性、韧性以及耐腐蚀性。
再结晶也常用于金属材料的制备过程中，以获得所需的晶粒尺寸和结构。
4. 金属的相变金属在不同条件下会发生相变，形成不同的结晶态。
常见的金属相变包括固溶体相变、析出相变和熔化相变。
固溶体相变是金属中溶质原子从固溶体中溶解或析出的过程。
析出相变是在金属中由于固溶体中溶质浓度的变化而发生的晶体结构变化。
熔化相变是金属在加热过程中由固态转变为液态的过程。
金属相变的发生与温度、压力以及化学成分有关，并会对金属的性能和应用造成影响。
5. 金属的晶体与性能关系金属的晶体结构直接影响着其力学性能、导电性和导热性等特性。
金属晶体的四种堆积模型
金属晶体的四种堆积模型
金属晶体是由金属原子按照一定的排列构成的固体，它们具有规则的晶体结构，其中最常见的是四种堆积模型：面心立方模型、面心六方模型、空心六方模型和空心八方模型。
面心立方模型是最常见的金属晶体堆积模型，它由八个原子组成，每个原子都位于晶体的八个顶点上，形成一个立方体。
这种模型的特点是，每个原子都与其他七个原子有相同的距离，因此它具有良好的稳定性。
面心六方模型是一种比面心立方模型更复杂的晶体堆积模型，它由十二个原子组成，每个原子都位于晶体的六个面上，形成一个六面体。
这种模型的特点是，每个原子都与其他五个原子有不同的距离，因此它具有较高的热稳定性。
空心六方模型是一种比面心六方模型更复杂的晶体堆积模型，它由十八个原子组成，每个原子都位于晶体的六个面上，形成一个空心六面体。
这种模型的特点是，每个原子都与其他十一个原子有不同的距离，因此它具有较高的热稳定性和机械稳定性。
空心八方模型是一种比空心六方模型更复杂的晶体堆积模型，它由二十四个原子组成，每个原子都位于晶体的八个面上，形成一个空心八面体。
这种模型的特点是，每个原子都与其他十七个原子有不同的距离，同样具有较高的热稳定性和机械稳定性。
总之，金属晶体的四种堆积模型是面心立方模型、面心六方模型、空心六方模型和空心八方模型，它们各自具有不同的特点，可以满足不同的应用需求。
金属的晶体结构
引言金属学是研究金属及合金的成分、组织、结构与力学性能之间关系的科学。
所谓力学性能主要指材料的强度、硬度和塑性。
通常用来承受载荷的零件要求材料具有一定的力学性能，我们称这类材料为结构材料。
与结构材料对应的另一类材料是功能材料，它一般不要求承受载荷，主要使用它的物理性能，如光、电、磁性能等。
功能材料利用它对光、电、磁的敏感特性制作各类传感器。
金属学只讨论金属材料的力学性能，不涉及物理性能。
固态金属通常是晶体，金属学研究的最小结构单元是原子。
原子通过不同的排列可构成各种不同的晶体结构，产生不同的性能。
原子结构不是金属学研究的范畴。
第1章金属的晶体结构1-1金属及金属键金属的定义根据学科的不同有多种划分方法。
本人倾向按结合键的性质来划分，即金属是具有金属键的一类物质。
这种分类的好处是有利于解释与金属力学性能相关的现象。
例如，为什么金属具有较好的塑性？什么是金属键、离子键、共价键我们早就熟知，金属键的最大特点是无饱和性、无方向性。
以后我们将会看到，正是这些特点使金属具有较好的塑性。
研究表明，固态金属通常是晶体，且其结构趋于密堆积结构。
这是为什么？下面我们用双原子模型来说明。
当两个原子相距很远时，它们之间不发生作用。
当它们逐渐靠近时，一个原子的原子核与另一个原子的核外电子之间将产生引力；而两原子的原子核及电子之间产生斥力。
研究表明，引力是长程力，斥力是短程力，即距离较远时，引力大于斥力，表现为相互吸引。
随着原子距离的减小，斥力增加的速度逐渐大于引力增加的速度。
显然这样作用的结果必然存在一个平衡距离d0，此时，引力等于斥力，偏离这一距离时，都将受到一个恢复力，如P3图2。
d c对应最大恢复引力，即最大结合力，它对应着金属的理论抗拉强度。
下面，我们从能量的角度来考虑系统的稳定性。
在引力作用下原子移近所做的功使原子的势能降低，所以吸引能是负值。
相反，排斥能是正值。
吸引能和排斥能的代数和是结合能。
由P3图2可以看出，当原子移至平衡距离d0时，其结合能达到最低值，此时系统的势能最低，状态最稳定。
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金属晶体中原子堆积方式的周期性
金属晶体是由金属原子堆积构成的大规模晶体。
通常，金属晶体
的原子堆积方式有周期性，因此称为“周期结构”。
这种周期性是由
金属原子构成一个立方体状晶胞所决定的，即金属原子周期性堆积排列，两个晶胞之间可以通过任意空间中的相同位置上的原子之间建立
形成周期性的次结构。
从宏观上看，由金属原子的结构及其堆积方式而构成的金属晶体，它的空间结构是由金属原子组成的特殊立方体状原子网所确定的，每
个原子网由8个立方体构成，每个立方体是8个原子组成的，它们是
由原子之间的化学距离而决定的。
大致包括两种主要类型的金属晶体，即胞心立方体（BCC）和聚
集立方体（FCC）。
BCC晶体包括每个晶胞8个原子，每个原子分别处
于晶胞的8个顶点上，其周期性反映出每个原子仅与晶胞的八个角相邻，每个晶胞的六个边就形成一个长方体。
另外，FCC晶体由四个晶胞共同构成，每个晶胞有12个原子，每个原子分别处于晶胞的六个面上，它们周期性地处于晶胞的剩余6个面上，形成一个立方锥构造。
金属晶体中原子堆积方式的周期性决定了材料的性能，也决定了
材料的强度、硬度和抗拉强度等性能，因此能综合描述材料的实际性能。
在金属材料工程中，周期性结构也是用来分析晶体结构及其性质
的重要指标，比如金属的热学参数和物理性能等。
对金属晶体中原子
堆积方式的周期性研究及其它晶体结构的研究，都有助于更加全面、
准确地描述金属晶体的性质，甚至改善其特性，从而更好地应用到工
程实践中去。