1.1 金属的晶体结构
摩擦磨损原理1固体的表面特性
化学反应
表面氧化膜
氧化膜对金属的保护作用取决于氧化膜的内应力以及生 长速度：
（1）氧化膜的密度和金属相近：氧化膜能牢固覆盖在 金属表面。
（2）氧化膜的密度大于金属密度：氧化膜中易出现拉 应力，膜易破裂或出现多孔疏松膜。
（3）氧化膜的密度小于金属密度：随着氧化膜的生长， 膜的体积不断膨胀，在膜内形成平行于表面的压应力和 垂直于表面使膜脱离表面的拉应力，膜愈厚，内应力愈 大，膜易剥落。
物理吸附的作用力，是范得瓦尔斯（Vander Waals）分子力。范得瓦尔斯分子力是由于表面 原子与吸附原子之间的极化作用而产生的。这类 吸附能量较低，它不能改变吸附层分子的分布， 而且对介质一般无选择性，这种吸附对温度非常 敏感，热量可以使之脱吸，其吸附与脱吸是可逆 的。吸附能量小于l04J/mol。
•化学吸附于固体表面的强弱与固体表面和被吸附的物质特 性有关，如氧可以很强烈地吸附于铁或钛，但吸附于铜、 银等贵金属却很弱。 •化学吸附基本上是一单层过程。例如，在固体铁的表面一 旦吸附一层氧，这层氧不会长期停留在它开始吸附的位置 上，而是在表面发生氧原子和铁原子的重新排列——铁与 氧交换位置，直到表面能量达到最低状态时，交换终止。 这称之为再组建的化学吸附。
在表面的位置 配位数 表面所处晶面 配位数
角上原子
3
原子在(111)上
9
边缘原子
5
原子在(100)上
8
晶体表面原子的配位数与晶体的位向有关，面心立方晶体 不同位向表面，原子的配位数见表。
晶体表面原子不仅能量较高，而且还存在着许多缺陷。 这些缺陷不是静止、稳定不变的，而是随着条件的改变而 不断变化和交互作用的。它们对晶体表面的机械性能、物 理性能和化学性能有很大的影响。
金属的晶体结构及其性质
金属的晶体结构及其性质金属是一类具有很高的导电性和热导性的物质，广泛应用于工业、建筑、交通等领域。
对于金属的结构和性质进行深入的探究不仅有助于我们更好地理解和应用它们，在材料科学和工程领域也具有重要的意义。
一、金属的晶体结构1.1 单质金属的结构单质金属的晶体结构主要取决于其原子的大小、形态、数量等因素。
最简单的是钨、银、金等元素，它们的晶体结构都是面心立方格子结构，其中每个原子位于晶体的一个顶点或一个面心上。
而对于一些较小的原子，如铁、铝、镁等，则容易出现体心立方格子或六方密堆积等结构。
1.2 合金的结构合金是由两种或更多金属元素混合而成的材料，具有比单质金属更多元化的结构。
由于合金中包含了不同的金属原子，因此其形成的晶体结构也较为复杂。
以黄铜为例，它是铜和锌的合金，具有面心立方格子结构，并且晶体结构中的铜原子和锌原子是交替排列的。
二、金属的性质2.1 导电性金属具有很高的电导率，这是由于其晶体结构中存在许多自由电子，这些电子在外部电场的作用下会漂移，从而使金属的导电性得以表现。
由于金属内部电阻很小，因此电子能够自由地在金属中传导，使得金属具有优良的导电性。
2.2 热传导性金属的热传导性也很好，这是由于其晶体结构是由许多密集排列的原子构成的，因此热量能够迅速地在这些原子之间传递。
在金属中，电子和离子发生碰撞时可以带走一部分热能，从而进一步促进了热传导的发生。
2.3 塑性和可锻性金属具有很好的塑性和可锻性，这是因为其晶体结构中的原子可以向多个方向移动。
金属在受到一定的压力或拉伸力时，其原子能够在晶体中重新排列，从而产生塑性或可锻性。
金属的塑性常被用于制造各种形状的产品，如铝汽车轮毂，而可锻性则用于制造各种形态的金属制品，如铁门等。
2.4 耐腐蚀性金属对于腐蚀的抵抗能力因其化学性质而有所不同。
像铜、铝等金属，由于存在氧化物和其他形式的化学反应产物，因此具有良好的耐腐蚀性。
然而，其他的金属，如铁、钢等，则易于腐蚀，需要经过某些方式的处理以防止腐蚀。
第一章金属的晶体结构
图2-6密排六方晶胞
第三节 晶体学概念
• • • • • • • 1.3.1 晶胞中的原子数 体心立方： 面心立方： 密排六方： 1.3.2 原子半径 1.3.3 配位数和致密度 配位数：指晶体结构中与任一个原子最近邻且等距离的原 子数目。 • 体心立方晶体8个，面心立方12个，密排六方12个，所以 面心立方和密排六方致密度高 • 致密度分别为0.68、0.74、0.74
图2-5
面心立方晶胞
• (3)密排六方晶胞(close packed lattice hexagonal)：密排六方晶体的晶胞如图1.6所示。 • 它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的 底面所组成的一个六方柱体。因此，需要用两个 晶格常数表示，一个是正六边形的边长a，另—个 是柱体的高c。在密排六方晶胞的每个角上和上、 下底面的小心都有一个原子，另外在中间还有三 个原子。因此，密排六方晶格的晶胞中所含的原 子数为：6×1／6×2+2×1／2+3=6个。 • 具有密排六方晶体结构的金属有Mg、Zn、Be、 Cd、α-Ti、α-Co等。
A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B), 其中A为溶剂, B为 溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表 示, 亦可表示为Cu(Zn)。
• 固溶体特性：1固溶体成分可以在一定范围内变化， 在相图上表现为一个区域。2固溶体必须保持溶剂 组元的点阵类型。3纯金属结构有哪些类型，固溶 体也应有哪些类型，即固溶体本身没有独立的点 阵类型。4组元的原子尺寸不同会引起的点阵畸变， 原子尺寸相差越大，引起的畸变也越大。
• 1.3.4晶体中原子的排列方式（略） • 1.3.5 晶体结构中的间隙 • 三种典型晶体结构的四面体间隙、八面体间 隙（图1-13,1-14,1-15） • 间隙半径与原子半径之比rB/rA=?（见表1-2） • 可见面心立方结构八面体间隙比体心立方结 构四面体间隙还大，因此溶碳量大的分类 • 1.按溶剂分类 • (1)一次固溶体：以纯金属组元作为溶剂的 固溶体称为一次固溶体，也叫边际固溶体。 • (2)二次固溶体：以化合物为溶剂的固溶体 称二次固溶体，或叫中间固溶体。如电子 化合物、间隙相。 • 有的化合物和化合物之间，也可以相互溶 解而组成固溶体，如Fe3C和Mn3C，TiC和 TiN等。
金属晶体中金属原子的相对最密堆积程度较低
金属晶体中金属原子的相对最密堆积程度较低1. 引言1.1 金属晶体结构概述金属晶体是由大量金属原子通过一定的规则排列而成的固体结构，在金属晶体中，金属原子之间通过离子键或金属键相互结合，形成密集堆积的结构。
金属晶体结构的稳定性和性能直接受到金属原子的排列方式和结构特点的影响。
金属晶体结构概述主要包括面心立方结构、体心立方结构和六方密排结构等。
在面心立方结构中，每个原子与其周围最近的12个原子形成一个正六面体堆积。
在体心立方结构中，每个原子与六个最近邻原子形成一个八面体堆积，同时与另外六个原子形成一个六面体堆积。
六方密排结构是一种较为特殊的结构，其中每个原子与其周围最近的12个原子形成一个正八面体堆积。
通过对金属晶体结构的理解，我们可以更好地认识金属的性质和性能，为金属材料的制备和应用提供基础数据和理论支持。
金属晶体结构概述是我们研究金属结构和性能的起点，只有深入了解金属晶体的结构特点，才能更好地指导金属材料的设计和应用。
1.2 最密堆积原理最密堆积原理是指在金属晶体中，金属原子通过紧密堆积的方式排列，以实现最紧密的结构。
在晶体结构中，金属原子需要以一种经过精心设计的方式进行排列，以确保空间的最大利用率和结构的稳定性。
最密堆积原理是由克鲁格尔教授在19世纪提出的，他认为金属晶体中的金属原子会以紧密的方式进行堆积，以最大限度地减少间隙和空隙。
最密堆积原理的本质在于金属原子之间的相互作用和排列方式。
金属原子会通过形成密堆积的方式，使得每个原子都被邻近的原子包围，从而最大限度地降低了晶体的能量和稳定性。
在最密堆积的结构中，金属原子之间的空隙和间隙会被最小化，使得晶体的密度和硬度都得到提高。
通过最密堆积原理，金属晶体可以实现更加紧密和有序的排列结构，从而提高了材料的强度、硬度和稳定性。
最密堆积原理的应用不仅可以帮助我们更好地理解金属晶体的结构，还可以为我们设计和改进材料提供重要的指导和参考。
【2000字】2. 正文2.1 金属晶体中金属原子的最密堆积金属晶体中金属原子的最密堆积是金属材料中最常见的结构之一。
清华大学工程材料第五版第一章
老师提示 不同元素组成的金属晶体因晶格形 式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、 化学和力学性能。金属的晶体结构可用X射线 结构分析技术进行测定。
精品课件
一、三种常见的金属晶体结构
☆ 老师提示：重点内容
1. 体心立方晶格(胞) ( BCC 晶格)
8个原子处于立方体的角上，1个原子处于 立方体的中心, 角上8个原子与中心原子紧靠。
精品课件
若两个晶向的全部指数数值相同而符
号相反, 则它们相互平行或为同一原子列,
但方向相反。
如[110]与
。
若只研究原子排列情况, 则晶向[110]
与
可用同一个指数[110]表示。
精品课件
晶向族 原子排列情况相同而在空间位向不 同的晶向组成晶向族。
晶向族用尖括号表示, 即<uvw>。
如: <100> = [100] + [010] + [001]
晶面族用大括号表示, 即{hkl}。
在立方晶胞中
组成{111}晶面族：
精品课件
{111} 晶面族
2. 立方晶系的晶向表示方法
以晶向DA为例：
精品课件
晶向OA ： [100] 晶向OB ： [110] 晶向OB’ ：[111]
立方晶胞中的主要晶向
晶向指数一般标记为[uvw]，
表示一组原子排列相同的平行晶向。
精品课件
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]。
晶面与晶向互相垂直
精品课件
3. 六方晶系的晶面指数和 晶向指数
四指数方法表示晶面和晶向。
水平坐标轴选取互相成120°
1.1.1金属的晶体结构试题
1.1.1 金属的晶体结构(一)填空题1．同非金属相比，金属的主要特性是导电性、导热性、塑性优良，正的电阻-温度系数2．晶体与非晶体的最根本区别是晶体中原子排列是周期性规则有序的，而非晶体中原子排列是混乱无序的3．金属晶体中常见的点缺陷是空位和间隙原子，最主要的面缺陷是晶界。
4．位错密度是指单位体积中位错线的总长度，其数学表达式为L / V 。
5．表示晶体中原子排列形式的空间格子叫做晶格，而晶胞是指能表示晶体结构的最小的晶格。
6．在常见金属晶格中，原子排列最密的晶向，体心立方晶格是【111】，而面心立方晶格是【110】。
7 晶体在不同晶向上的性能是不同的，这就是单晶体的各向异性现象。
一般结构用金属为多晶体晶体，在各个方向上性能是相同的，这就是实际金属的伪各向同性现象。
8 实际金属存在有点缺陷、线缺陷和面缺陷三种缺陷。
位错是线缺陷。
实际晶体的强度比理想晶体的强度低得多。
9．常温下使用的金属材料以细小晶粒为好。
而高温下使用的金属材料在一定范围内以粗大晶粒为好。
10．金属常见的晶格类型是FCC 、BCC 、HCP 。
11．在立方晶格中，各点坐标为：A (1，0，1)，B (0，1，1)，C (1，1，1/2)，D(1/2，1，1/2)，那么AB晶向指数为<1-10> 或<-110> ，OC晶向指数为<112> ，OD晶向指数为<212> 。
12．铜是FCC 结构的金属，它的最密排面是(111) ，若铜的晶格常数a=0.36nm,那么最密排面上原子间距为。
13 α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn中属于体心立方晶格的有，属于面心立方晶格的有，属于密排六方晶格的有。
14．已知Cu的原子直径为0．256nm，那么铜的晶格常数为。
1mm3Cu中的原子数为。
15．晶面通过(0，0，0)、(1/2、1/4、0)和(1/2，0，1/2)三点，这个晶面的晶面指数为{001} . 16．在立方晶系中，某晶面在x轴上的截距为2，在y轴上的截距为1/2；与z轴平行，则该晶面指数为{120} .17．金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽主要是因为金属原子具有金属键的结合方式。
第1章_金属的晶体结构
立方晶格的配位数为8。配位数越大, 原子排列紧密程度就越大。
面心立方晶胞原子排列
FCC –Page2/4
❖ 面心立方晶胞特征：
(1)晶格常数 a=b=c, α=β=γ=90° (2)晶胞原子数 (个)
➢
FCC –Page3/4
（3）原子半径
r原子
2a 4
or
a 2r原子 2
（4）致密度 0.74 (74%) （5）配位数 12
FCC –Page4/4
❖ 金属的晶格常数一般为:
1×10-10 m～7×10-10 m。
❖ 不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数不同， 其物理、化学和力学性能也不同。
❖ 金属的晶体结构可用X射线（X－ray）结构分析技术进行测定。
1.2 金属的晶体结构 –3 三种典型的晶体结构
❖ 体心立方晶格(胞) Body-Centered Cubic (B.C.C.晶格) ❖ 面心立方晶格(胞) Face-Centered Cubic (F.C.C.晶格) ❖ 密排六方晶格(胞) Hexagonal Close-Packed (H.C.P.晶格)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.1 金属简介
❖ 学习目标： ➢ 根据金属键的本质，解释固态金属的一些特性—导
电性、正的电阻温度系数、传热性及延展性等） ➢ 利用双原子作用模型，分析两个原子间的相互作用
（P3的图1-2）
1.2 金属的晶体结构 –1 晶体的特性
金属的晶体结构试题
1.1.1 金属的晶体结构(一)填空题1．同非金属相比，金属的主要特性是导电性、导热性、塑性优良，正的电阻-温度系数2．晶体与非晶体的最根本区别是晶体中原子排列是周期性规则有序的，而非晶体中原子排列是混乱无序的3．金属晶体中常见的点缺陷是空位和间隙原子，最主要的面缺陷是晶界。
4．位错密度是指单位体积中位错线的总长度，其数学表达式为L / V 。
5．表示晶体中原子排列形式的空间格子叫做晶格，而晶胞是指能表示晶体结构的最小的晶格。
6．在常见金属晶格中，原子排列最密的晶向，体心立方晶格是【111】，而面心立方晶格是【110】。
7 晶体在不同晶向上的性能是不同的，这就是单晶体的各向异性现象。
一般结构用金属为多晶体晶体，在各个方向上性能是相同的，这就是实际金属的伪各向同性现象。
8 实际金属存在有点缺陷、线缺陷和面缺陷三种缺陷。
位错是线缺陷。
实际晶体的强度比理想晶体的强度低得多。
9．常温下使用的金属材料以细小晶粒为好。
而高温下使用的金属材料在一定范围内以粗大晶粒为好。
10．金属常见的晶格类型是FCC 、BCC 、HCP 。
11．在立方晶格中，各点坐标为：A (1，0，1)，B (0，1，1)，C (1，1，1/2)，D(1/2，1，1/2)，那么AB晶向指数为<1-10> 或<-110> ，OC晶向指数为<112> ，OD晶向指数为<212> 。
12．铜是FCC 结构的金属，它的最密排面是(111) ，若铜的晶格常数a=,那么最密排面上原子间距为。
13 α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn中属于体心立方晶格的有，属于面心立方晶格的有，属于密排六方晶格的有。
14．已知Cu的原子直径为0．256nm，那么铜的晶格常数为。
1mm3Cu中的原子数为。
15．晶面通过(0，0，0)、(1/2、1/4、0)和(1/2，0，1/2)三点，这个晶面的晶面指数为{001} . 16．在立方晶系中，某晶面在x轴上的截距为2，在y轴上的截距为1/2；与z轴平行，则该晶面指数为{120} .17．金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽主要是因为金属原子具有金属键的结合方式。
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《金属材料与热处理》导学案主备人：栾义审核人：栾义编号：002
§1-1金属的晶体结构
【使用说明】
1、依据学习目标，全体同学积极主动的根据教材内容认真预习并完
成导学案，小组长做好监督与检查，确保每位同学都能认真及时的预习相关知识。
2、结合导学案中的问题提示，认真研读教材，回答相关问题。
3、要求每位同学认真预习、研读课本，找出不明白的问题，用红笔
做好标记。
【学习目标】
1、知识与技能：了解金属晶体的分类，熟悉常见的金属晶格类型和
晶体缺陷，掌握金属的内部结构对金属性能的影响。
2、学习与方法：通过研读课本，积极讨论，踊跃展示，提升对“组织
结构决定性能”的理解。
3、情感态度价值观：激情投入，大胆质疑，快乐学习。
【重点难点】
常见金属的晶格类型和常见的晶体缺陷
金属的晶体结构和晶体缺陷对其性能的影响
【自主学习】
班级：姓名：使用时间：年月日晶体定义重要级别：★★★★★
晶格类型重要级别：★★★★★
单晶体与多晶体重要级别：★★★★
晶体缺陷重要级别：★★★★
【合作探究】
1、对比晶体与非晶体，填写下表
2、名词解释：
（1）金属的晶格类型
（2）晶格和晶胞
（3）单晶体和多晶体
《金属材料与热处理》导学案主备人：栾义审核人：栾义编号：002 （4）晶体缺陷
3、金属的晶格类型有哪几种？绘制其晶胞示意图。
各自有什么性能特点？
α-Fe和γ-Fe分别是哪种晶格类型？
4、晶体缺陷的分类以及晶体缺陷对金属材料的性能影响。
【课后作业】(自己默写，组长监督)
1、理解掌握本导学案内容，并完成习题册第一章第一节相关题目。
【学后反思】。