金属与合金的晶体结构
金属与合金的晶体结构
三斜晶系
特征 a≠b≠c α ≠β≠γ≠90
简单三斜点阵
单斜晶系
特征 a≠b≠c α =γ=90≠β
简单单斜点阵 底心单斜点阵
正交晶系 简单正交点阵
底心正交点阵
特征 a≠ b≠ c α =β=γ =90
体心正交点阵
面心正交点阵
六方晶系
特征 a1=a2=a3≠c α =β=90，γ =120
简单六方点阵
能量低的，通常在离核近的区域(壳层)运动；能量高的， 通常在离核远的区域运动
二、金属键
共价键 有些同类原子，例如周期表 IVA，VA，VIA族中大多数 元素或电负性相差不大的原 子互相接近时，原子之间不 产生电子的转移，此时借共 用电子对所产生的力结合。
SiO2结构示意图
离子键 当两种电负性相差大的原 子(如碱金属元素与卤族元 素的原子)相互靠近时，其 中电负性小的原子失去电 子，成为正离子，电负性 大的原子获得电子成为负 离子，两种离子靠静电引 力结合在一起形成离子键。
三、三种典型的金属晶体结构
晶胞的大小显然取决于三条棱的长度a，b和c，而晶胞的形 状则取决于这些棱之间的夹角α、β和γ 按照晶胞的大小和形状的特点，共有7种晶系
由7种晶系可以形成多少种空间点阵呢？ 似乎每种晶系包括4种点阵，即简单点阵、底心点阵、面 心点阵和体心点阵。7种晶系总共似乎可以形成4×7=28种 点阵。 按照“每个阵点的周围环境相同”的要求，最先是布拉菲 （A. Bravais）用数学方法证明了只能有14种空间点阵。通 常人们所说的点阵就是指布拉菲点阵。
KnV1V2a 3 43r323 4a(343a)30.68
2.面心立方
图 面心立方晶胞示意图 （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图
第2章 金属及合金相的晶体结构
1. 面心立方结构
面心立方结构金属：γ-Fe, Al, Cu, Ni, Au, Ag和Pt等。
结构符号A1，Pearson符号cF4。 每个晶胞含4个原子。
面心原子shared by 2 cells: 6 x 1/2 = 3 顶角原子shared by 8 cells: 8 x 1/8 = 1
略受压缩的八面体间隙； 八面体间隙中心位于棱边中心和面心 八面体间隙半径: r=1/2(a-2R)
r≈0.155 R 晶胞含6 (6×1/2+12×1/4 )个八面体间隙。 平均1个原子3有个八面体间隙。
非正四面体间隙。 四面体间隙半径: r= (a√5/4-R)
r≈0.291 R 晶胞含12 (4 ×6 ×1/2)个四面体间隙。 平均1个原子含6个四面体间隙。
ZA, ZB 为A、B组元价电子数， VB为B组元摩尔分数。
1933年，Bernal 建议称之为电子化合物。 Massalski认为称其为电子相更恰当。
§2.12正常价化合物
正离子价电子数正好能使负离子具有稳定的电子层结构，即 AmBn化合物中，meC=n(8-eA), 结合一般是离子键。 eA和eC分别是正和负离子在非电离状态下的价电子数。
§2.13 拓扑密堆积相(TCP相)
在很多化合物结构中，原子尺寸起主要作用，并倾向于紧密堆 垛，称为拓朴密堆相，包括间隙化合物、Laves、σ相等。
间隙化合物
由原子半径r比较大的过渡金属（M）与r比较小的H, B, C, N, O, 等非金属组成的化合物，非金属原子占据金属原子结构间隙。 具有金属光泽和导电性的高熔点、高硬度较脆的化合物。
§2.9间隙固溶体
面心立方结构
r=0.414R
r=0.225R
工程材料02(金属与合金的晶体结构)
金属材料的性能特点一般地，金属材料与非金属材料相比，金属材料具有良好的力学性能，而且工艺性能也较好。
即使都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能也会有很大的差异。
造成这些性能差异的主要原因是材料内部结构不同，因此掌握金属与合金的内部结构特点，对于合理选材具有重要意义。
金属材料是靠原子间金属键结合起来的。
金属键——金属材料内部，呈一定规律排列的正离子与公有化的自由电子靠库仑力结合起来，这种结合力即为金属键。
（正离子+公有电子云、无方向性、非饱和性）金属材料的性能特点：1、良好的导电、导热性。
2、正的电阻温度系数3、良好的塑性4、不透明、有金属光泽第一节晶体的基本知识金属材料一般都是晶体，具有晶体的特性。
一、晶体——内部原子呈规则排列的物质。
晶体材料（单晶体）的特性：①具有固定的熔点。
②具有规则的几何外形。
③具有“各向异性”。
二、晶格、晶胞和晶格常数1、晶格——描述晶体中原子排列规律的空间点阵。
将原子的振动中心抽象为一几何点，再用直线的连接表示原子之间的相互作用。
2、晶胞——由于晶格排列具有周期性，研究晶格时，取出能代表晶格特征的最小基本单元即称为晶胞。
3、晶格常数——用来描述晶胞大小与形状的几何参数。
三条棱长：a、b、c三条棱的夹角：α、β、γ对于简单立方晶胞：棱长a=b=c 夹角α= β= γ= 90°第二节纯金属的晶体结构一、典型的晶格类型各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，往往呈现出不同的物理、化学及力学性能。
除少数金属具有复杂晶格外，大多数晶体结构比较简单，典型的晶格结构主要有以下三种：1、体心立方晶格（bcc）2、面心立方晶格（fcc）3、密排六方晶格（hcp）1、体心立方晶格（bcc ）晶格常数： a = b = c ；α=β=γ= 90°密排方向（原子排列最紧密的方向）：立方体的对角线方向原子半径：属于bcc 晶格的金属主要有：α-Fe 、Cr 、W 、Mo 、V 等ar 432、面心立方晶格（fcc ）晶格常数： a = b = c ；α=β=γ= 90°密排方向：立方体表面的对角线方向原子半径：属于fcc 晶格的金属主要有：γ-Fe 、Cu 、Al 、Au 、Ag 等。
纯金属与合金的晶体结构
图2—4 立方晶格中的几个晶向
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图2—5 体心立方晶胞返回来自图2—6 面心立方晶胞
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图2—7密排六方晶胞
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2.1.1晶体结构
1.晶体与非晶体
在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体。如 普通玻璃、松香、树脂等。凡原子呈有序、有规则排列的物 体称为晶体，如金刚石、石墨等。金属在固态下一般均属于 晶体。
晶体与非晶体，由于原子排列方式不同，它们的性能差异 很大。晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性；非晶体没 有固定熔点，表现为各向同性。
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2.1.1晶体结构
2.晶格与晶胞
晶体内部原子在空间是按一定的几何规律排列的。为了便 于理解与研究，我们把原子看成是一个小球，金属晶体就 是由这些小球有规律地堆积而成的，如图2—1所示。 为了清楚地表示晶体中原子排列的规律，可以将原子简化 成一个点，用假想的线将这些点连接起来，构成有明显规 律性的空间格架。这种表示原子在晶体中排列规律的空间 格架叫做晶格，如图2—2a所示。晶格是由许多形状、大小 相同的最小几何单元重复堆积而成的。这种能够完整地反 映晶格特征的最小几何单元称为晶胞，如图2—2b所示。
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2.2合金的晶体结构
2.2.2合金的结构
根据合金中各组元之间结合方式的不同，合金的组织可分为固 溶体、金属化合物和混合物三类。
1.固溶体 （1）间隙固溶体 （2）置换固溶体
2.金属化合物 3.混合物
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2.1.1晶体结构
3.晶面和晶向
在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。图2—3所 示为一些简单立方晶格的晶面。通过两个或两个以上原子中 心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向，如 图2—4所示。由于在晶体的各个晶面和晶向上原子排列的疏 密程度不同，原子密度及原子间结合力大小也就不同，从而 在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有 各向异性的原因。
第一章 金属与合金的晶体结构
晶格－描述晶体中原子排列规律的空间格架。
晶胞－空间点阵中最小的几何单元。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际 排列。 特征：a 可能存在局部缺陷； b 可有无限多种。
空间点阵相同，是否晶体结构相同？
2 晶胞
（1）晶胞：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则： a 能够充分反映空间点阵的对称性； b 相等的棱和角的数目最多； c 具有尽可能多的直角；
（c）
配位数＝12；致密度＝0.74
3、密排六方晶格：记为HCP 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，由六个呈长 方体的侧面和两个呈六边形的底面所组成，如图所示。 属于这种晶格类型的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。
两个晶格常数：正六边形边长a；上下两底面之间的距离c。 轴比：c/a 配位数：12；致密度：0.74（与面心立方相同）
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
说明： a 指数意义：代表一组平行的晶面； b 0的意义：面与对应的轴平行； c 平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反； d 晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距 完全相同），空间位向不同的各组晶面。用{hkl}表示。 e 若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0; f 若晶面与晶向垂直，则u=h, k=v, w=l。
金属特性：导电性、导热性好；正电阻温度系数；好的延 展 性；有金属光泽等。
（4）分子键与分子晶体
原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
金属与合金的晶体结构
金属与合金的晶体结构一、引言金属与合金是一类重要的材料，它们具有优异的物理和化学性质，广泛应用于工业和科学领域。
金属与合金的晶体结构是影响其性能的重要因素之一。
本文将介绍金属与合金的晶体结构，包括晶体的组成、晶体的类型以及晶体的排列方式等。
二、金属晶体结构金属晶体结构由金属原子组成。
金属原子通常具有较大的离子半径和较小的电负性，因此它们倾向于形成金属键。
金属晶体结构可以分为以下几种类型：1. 面心立方结构（FCC）面心立方结构是最常见的金属晶体结构之一。
在面心立方结构中，金属原子分别位于晶格的每个面的中心以及每个顶点。
这种结构具有高度的对称性和密堆积性，因此具有较高的韧性和塑性。
2. 体心立方结构（BCC）体心立方结构是另一种常见的金属晶体结构。
在体心立方结构中，金属原子分别位于晶格的每个面的中心以及晶格的中心。
这种结构相对于面心立方结构来说，具有更高的密度和较低的韧性。
3. 密堆积六方结构（HCP）密堆积六方结构是一种较少见的金属晶体结构。
在密堆积六方结构中，金属原子分别位于晶格的每个面的中心以及每个顶点，形成六边形的密堆积结构。
这种结构具有较高的密度和较低的韧性。
三、合金晶体结构合金是由两种或更多种金属元素组成的混合物。
合金晶体结构可以由金属元素的晶体结构类型以及原子比例决定。
1. 固溶体固溶体是最常见的合金晶体结构之一。
在固溶体中，主要金属元素和溶质金属元素形成固溶体溶解体，原子之间的排列方式与纯金属相似。
固溶体可以分为完全固溶体和部分固溶体两种类型。
完全固溶体中，溶质原子完全溶解在主要金属晶体中；而在部分固溶体中，溶质原子只能部分溶解在主要金属晶体中。
2. 亚稳相亚稳相是指在合金中形成的相对于平衡相来说具有较低稳定性的晶体结构。
在亚稳相中，原子之间的排列方式发生改变，导致晶体结构和性能发生变化。
亚稳相的形成主要受到合金元素的浓度和固溶度限制的影响。
3. 间隙化合物间隙化合物是指合金中形成的一种特殊结构，其中金属原子和非金属原子之间的排列方式具有较高的有序性。
金属与合金的微观结构与性质
金属与合金的微观结构与性质引言：金属与合金是我们日常生活中常见的材料。
它们具有独特的微观结构和特殊的性质，对于工业生产和科学研究都具有重要意义。
本文将从微观结构的角度来探讨金属与合金的性质。
一、晶体结构金属与合金的微观结构是由大量的晶体组成的。
晶体是由原子、离子或分子按照规则的排列方式形成的，具有周期性的结构。
金属晶体中的原子由于强大的金属键相互连接，形成了具有高度有序性和密堆性的结构。
这种结构的稳定性和金属的硬度、延展性密切相关。
二、晶格缺陷晶体中不可避免地存在着各种缺陷，如点缺陷、面缺陷和体缺陷。
点缺陷是晶体中原子位置的偏离，它可以分为空位、插入原子和间隙原子。
面缺陷是晶体表面的不平整，常见的有晶界和位错。
体缺陷是晶体内部的缺陷，例如体积不均匀和阻塞。
这些缺陷对金属的性能产生重要影响，并且在材料加工和力学性质等方面表现出不同的行为。
三、晶体的相变相变是晶体结构和性质变化的过程。
金属在加热和冷却过程中会发生相变现象。
最常见的是固态金属的相变，如铁的磁性转变和冷热处理时的晶体结构变化。
相变是金属与合金在制备和应用过程中不可或缺的一部分，对于调控和改善材料性能具有重要价值。
四、合金的形成与调控在金属中添加其他元素可以形成合金。
合金是由两种或多种金属元素混合而成的材料，具有比纯金属更好的性能和更广泛的应用。
通过选择不同的元素成分和比例，可以改变合金的微观结构，从而调控合金的硬度、强度、耐腐蚀性等性质。
合金的形成和调控对于现代工业的发展具有重要意义。
五、金属与合金的物理性质金属和合金具有许多特殊的物理性质，如导电性、热传导性、延展性和吸收能量能力。
这些性质使得金属和合金被广泛应用于电子、能源、交通等领域。
在微观结构的基础上，我们可以解释这些性质背后的原因，并优化材料的性能。
六、金属与合金的力学性质力学性质是评价金属和合金材料性能的重要指标。
金属与合金的硬度、强度、延伸性和韧性等性质与微观结构密切相关。
第二章金属与合金的晶体结构和二元合金相图
金属的性能取决于组织，组织取决于 成分与加工工艺。因此，必须研究金 属与合金的内部组织结构及他们与成 分、温度及加工方法等因素之间的相 互关系。
金属原子是通过正离子与自由电子的 相互作用而结合的，称为金属键。
金属原子趋向于紧密排列。 金属具有良好的导热性、导电性、延
5、晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。 6、配位数：晶格中与任
一原子距离最近且相等的 原子数目。 7、致密度：晶胞中原子 本身所占的体积百分数。
致密度越大，原子排列越紧密。因此，当晶体从面 心立方晶格转变为体心立方晶格时，由于致密度减小而 体积膨胀。 8、晶面：在金属晶体中，经过一系列原子所构成的平面。 9、晶向：通过两个以上原子的直线，表示某一原子在空 间的位置。 10、晶面（晶向）指数：表示不同位相的晶面或晶向的符 号。(111);[110]
致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
三、实际金属的晶体结构
1、单晶体和多晶体 单晶体：其内部晶格方位完 全一致的晶体。 多晶体： 晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、 外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。变 形金属晶粒尺寸约1~100m，铸造金属可达几mm。
面心立方的四面体和八面体间隙 体心立方的四面体和八面体间隙
③ 置换原子： 取代原来原子位置的外来原 子称置换原子。
点缺陷破坏了原子的平衡状 态，使晶格发生扭曲，称晶
格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
空位
间隙原子
小置换原子
大置换原子
⑵ 线缺陷—晶体中的位错 位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生 局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称 作位错。有刃型位错和螺型位错两种类型。
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三斜晶系
特征 a≠b≠c α ≠β≠γ≠90
简单三斜点阵
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单斜晶系
特征 a≠b≠c α =γ=90≠β
简单单斜点阵 底心单斜点阵
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正交晶系 简单正交点阵
特征 a≠ b≠ c α =β=γ =90
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晶胞 ▪从点阵中取出一个仍能保持点阵特征的最基本单元叫晶胞 ▪在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的是小平行六面体 ▪整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成 (1) 晶胞的选取原则
▪a.晶胞几何形状能够充分反映空间点阵的对称性； ▪b.平行六面体内相等的棱和角的数目最多； ▪c.当棱间呈直角时，直角数目应最多； ▪d.满足上述条件，晶胞体积应最小。 （2）描述晶胞的六参数 ▪a.晶胞的三条棱的长度a、b和c ▪b.棱边夹角α、β和γ
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上图所示分别为γ-Fe、金刚石、NaCl、CaF2四种晶体的晶体结构、空间 点阵和结构基元，尽管它们的晶体结构完全不同，但是它们的点阵类
型相同，都是面心立方。
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（a）原子堆垛模型（b）晶格（c）晶胞 图 晶体中原子排列示意图
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离子键 当两种电负性相差大的原 子(如碱金属元素与卤族元 素的原子)相互靠近时，其 中电负性小的原子失去电 子，成为正离子，电负性 大的原子获得电子成为负 离子，两种离子靠静电引 力结合在一起形成离子键。
NaCl结构示意图
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金属键 由金属正离子和自由电子之间互相作用而结合称为金属键 。
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(1)原子半径 晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半，或晶胞中原 子密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半称为原子 半径(r)。体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线， 所以原子半径与晶格常数a之间的关系为：
(2)原子数
r 3a 4
n 181 2 8
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金属键型晶体的特征 良好的延展性 良好的导电性 具有正的电阻温度系数 导热性好 金属不透明、具有金属光泽
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三、结合力与结合能
▪用双原子模型很容易理解， 当大量金属原子结合成固体 时，为使金属具有最低的能 量，以保持稳定状态，原子 之间必须保持一定的平衡距 离，这是固态金属中原子趋 于规则排列的原因。 ▪金属中的原子总是自发地趋 于紧密地排列，以保持最稳 定的状态。
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1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。
晶体的特征 ➢周期性 ➢有固定的凝固点和熔点 ➢各向异性
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二、晶体结构与空间点阵
空间点阵、阵点
为了便于研究晶体中原子、分子或离子的排列情况，近 似地将晶体看成是无错排的理想晶体，忽略其物质性， 抽象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。这种点的空间排列称 为空间点阵，简称点阵，这些点叫阵点 。 可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结 点有一群原子（原子集团）。
第一章 金属与合金的晶体结构
1.1 金属原子间的结合
一、金属原子的结构特点
▪一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的（分子、 原子或离子 ）
▪近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子核， 以及核外的电子所构成的。
▪原子的体积很小，直径约为10-10m数量级，而其原子核直 径更小，仅为10-15m数量级。然而，原子的质量恰主要集 中在原子核内。
体心正交点阵
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六方晶系
特征 a1=a2=a3≠c α =β=90，γ =120
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菱方晶系
特征 a=b=c α =β=γ≠90
简单菱方点阵
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四方晶系
特征 a=b ≠c α =β=γ=90
简单四方点阵 体心四方点阵
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立方晶系
特征 a=b =c α =β=γ=90
简单立方点阵
体心立方点阵 面心立方点阵
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1.体心立方晶格
图 体心立方晶胞示意图 （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图
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▪能量低的，通常在离核近的区域(壳层)运动；能量高的， 通常在离核远的区域运动
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二、金属键
共价键 有些同类原子，例如周期表 IVA，VA，VIA族中大多数 元素或电负性相差不大的原 子互相接近时，原子之间不 产生电子的转移，此时借共 用电子对所产生的力结合。
SiO2结构示意图
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▪每个质子和中子的质量大致为1.67×10-24g，而电子的质 约为9.11×10-28g，仅为质子的1/1836。
▪电子云（电子在原子核外空间作高速旋转运动，就好像 带负电荷的云雾笼罩在原子核周围 ）
▪电子运动没有固定的轨道，但可根据电子的能量低，用
▪统计方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的大 小
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三、三种典型的金属晶体结构
晶胞的大小显然取决于三条棱的长度a，b和c，而晶胞的形 状则取决于这些棱之间的夹角α、β和γ ➢按照晶胞的大小和形状的特点，共有7种晶系 ➢由7种晶系可以形成多少种空间点阵呢？ ➢似乎每种晶系包括4种点阵，即简单点阵、底心点阵、面 心点阵和体心点阵。7种晶系总共似乎可以形成4×7=28种 点阵。 ➢按照“每个阵点的周围环境相同”的要求，最先是布拉菲 （A. Bravais）用数学方法证明了只能有14种空间点阵。通 常人们所说的点阵就是指布拉菲点阵。