第1章 金属的晶体结构 -6h-160918
—金属的晶体结构
二、金属的晶格类型
金属的晶格类型是指金属中原子排列的规律。 为了更清楚地表示金属中原子排列的规律，可将 原子简化为一个质点，再用假想的线将它们连接 起来，这样就形成了一个能反映原子排列规律的 空间格架，称为晶格。
晶格是由许多形状、大小相同的小几何单元重 复堆积而成的。我们把其中能够完整地反映晶体 晶格特征的最小几何单元称为晶胞。
3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
二、金属的同素异晶转变 纯铁的同素异晶转变反应式:
δ - Fe 1394 °γ C- Fe
bcc
fcc
912α°C- Fe
bcc
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
纯铁的冷却曲线
1534℃
1394℃ δ - Fe γ - Fe
晶胞是一个立方体，原子位于立方 体的八个顶点和六个面的中心
3、密排六方晶格(hcp)
密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6 （个）。密排六方晶格的金属有Mg 、Zn 。
晶胞是一个正六棱柱，原子排列除 排列于柱体的每个顶点和上、下两个底 面的中心外，正六棱柱的中心还有三个 原子。
晶界的过渡结构示意图
晶界结构
亚晶界结构示意图
亚晶界结构
第二节 纯金属的结晶
主要内容 凝固与结晶的概念 结晶的现象与规律 同素异晶(构)转变
金属结晶录像（单击）
转炉炼钢
一、 凝固与结晶的概念
1.凝固 物质由液态转变成固态的过程。
2.结晶 晶体物质由液态转变成固态的过程。
微观上：物质中的原子由近程有序排列向远 程有序排列转变的过程。
第一章金属的晶体结构作业答案
第⼀章⾦属的晶体结构作业答案第⼀章⾦属的晶体结构1、试⽤⾦属键的结合⽅式，解释⾦属具有良好的导电性、正的电阻温度系数、导热性、塑性和⾦属光泽等基本特性.答：(1)导电性：在外电场的作⽤下，⾃由电⼦沿电场⽅向作定向运动。
(2)正的电阻温度系数：随着温度升⾼，正离⼦振动的振幅要加⼤，对⾃由电⼦通过的阻碍作⽤也加⼤，即⾦属的电阻是随温度的升⾼⽽增加的。
(3)导热性：⾃由电⼦的运动和正离⼦的振动可以传递热能。
(4) 延展性：⾦属键没有饱和性和⽅向性，经变形不断裂。
(5)⾦属光泽：⾃由电⼦易吸收可见光能量，被激发到较⾼能量级，当跳回到原位时辐射所吸收能量，从⽽使⾦属不透明具有⾦属光泽。
2、填空：1)⾦属常见的晶格类型是⾯⼼⽴⽅、体⼼⽴⽅、密排六⽅。
2)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。
3)物质的原⼦间结合键主要包括⾦属键、离⼦键和共价键三种。
4)⼤部分陶瓷材料的结合键为共价键。
5)⾼分⼦材料的结合键是范德⽡尔键。
6)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（（ 140 ））.7)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（ī10），OC晶向指数为（221），OD晶向指数为（121）。
8)铜是（⾯⼼）结构的⾦属，它的最密排⾯是（111 ）。
9) α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn中属于体⼼⽴⽅晶格的有（α-Fe 、 Cr、V ），属于⾯⼼⽴⽅晶格的有（γ-Fe、Al、Cu、Ni ），属于密排六⽅晶格的有（ Mg、Zn ）。
3、判断1)正的电阻温度系数就是指电阻随温度的升⾼⽽增⼤。
（√）2)⾦属具有美丽的⾦属光泽，⽽⾮⾦属则⽆此光泽，这是⾦属与⾮⾦属的根本区别。
（×）3) 晶体中原⼦偏离平衡位置，就会使晶体的能量升⾼，因此能增加晶体的强度。
第一章 金属晶体结构
准晶体的结构像
晶体的原子像
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第一节 金属的晶体结构
三.晶体的描述
1.晶格与晶胞
阵点：将晶体的实际质点(原子、分子)抽象为纯粹的几何点 晶格：描述原子排列方式的几何格架——空间点阵 晶胞：晶格中具有代表性的最小的几何单元。 ——晶格则由晶胞重复堆砌而成。
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第一节 金属的晶体结构
实例
AB
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第一节 金属的晶体结构
想 想 G C O B E x
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晶向指数确定？
z H F A
求晶向OA、OB、OC、 EF、EG、EH的晶向指
晶体结构
晶格
晶胞
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第一节 金属的晶体结构
2.晶格特征参数 晶格常数：表示晶胞几何形状、大小的参数。如立方晶胞： 三棱边a、b、c； 三棱边夹角α、β、γ 晶胞所占原子数： 指一个晶胞所占的原子总数 配位数： 指晶体结构中与任何一个原子最近邻且等距离的原子数目 致密度： 晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比 配位数和致密度可衡量晶胞中原子排列的紧密程度
金属晶粒内的结构示意图
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纯铁的显微组织
奥氏体不锈钢的显微组织
铸铁的显微组织
第二节 实际金属的微观结构
二. 晶体缺陷 1.晶体缺陷的概念 点缺陷 空位、间隙原子、异类原子
第一章-金属与合金的晶体构造及其结晶过程PPT课件
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体心立方晶格
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❖体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方 体的角上,一个原子处于立方体的中心, 角 上八个原子与中心原子紧靠。
❖ 体心立方晶胞特征：
晶格常数：a=b=c, α=β=γ=90°
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体心立方晶格
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原子个数
➢ 每个晶胞实际占有的原子个数。
（分析时要认真考虑每个原子的空间状况）
金属化合物的特性
力学性能：金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高， 高硬度、低塑性，硬而脆。当合金中出现金属化合物时， 通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。金属化合物是工 具钢、高速钢等钢中的重要组成相。
物化性能：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体 材料、形状记忆材料、储氢材料等。
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相：合金中结构相同、成分和性能均一的组成部分。
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一、合金的相结构
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组织：由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合 体。如单相、两相、多相合金。
金属及的组织一般应用显微镜才能看到，所以常称 显微组织。
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一、合金的相结构
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相的分类： 合金中的相按结构可分为： 固溶体和金属化合物 。
➢ 在体心立方晶胞中, 每个角上的原子在晶格中同时 属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个 晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶 胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个。
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体心立方晶格
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原子半径
❖晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。 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：
(完整版)第一章金属的晶体结构
第一章金属的晶体结构1-1. 作图表示立方晶系中的(123),(012),(421)晶面和[102],[211],[346]晶向。
附图1-1 有关晶面及晶向1-2、立方晶系的{111}晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并注明各晶面的晶面指数。
{111}=（111）+（111）+（111）+（111）（111）与（111）两个晶面指数的数字与顺序完全相同而符号相反，这两个晶面相互平行，相当于用-1乘某一晶面指数中的各个数字。
xy z1-3 （题目见教材）解：x方向截距为5a，y方向截距为2a，z方向截距为3c=3 2a/3=2a。
取截距的倒数，分别为1/5a，1/2a，1/2a化为最小简单整数分别为2，5，5 故该晶面的晶面指数为（2 5 5）1-4 （题目见课件）解：（100）面间距为a/2；（110）面间距为2a/2；（111）面间距为3a/3。
三个晶面中面间距最大的晶面为（110）。
1-5 （题目见课件）解：方法同1-4题1-7 证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633。
证明：理想密排六方晶格配位数为12，即晶胞上底面中心原子与其下面的3个位于晶胞内的原子相切，构成正四面体，如图所示。
则OD=2c，AB=BC=CA=AD=BD=CD=a 因∆ABC 是等边三角形，所以有OC=32CE 因(BC)2=(CE)2+(BE)2则CE=23a ，OC=32×23a =33a又(CD)2=(OC)2+(21c )2，即(CD)2=(33a )2+(21c )2=(a )2因此，ac=38≈1.6331-8解：面心立方八面体间隙半径 r=a/2-2a/4=0.146a ， 面心立方原子半径R=2a/4，则a=4R/2，代入上试有CBADEOr=0.146⨯4R/2=0.414R。
（其他的证明类似）1-9 a）设有一刚球模型，球的直径不变，当由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计算其体积的膨胀？b）经X射线测定，在912℃时γ-Fe的晶格常数为0.3633nm，α-Fe的晶格常数为0.2892nm，当由γ-Fe转变为α-Fe时，试求其体积膨胀? c）分析实际体积膨胀小于理论体积膨胀的原因？解：a）令面心立方晶格与体心立方晶格的体积及晶格常数分别为V面、V体与a面、a体，刚球半径为r，由晶体结构可知，对于面心晶胞有4r=2a面，a面=22r，V面= (a面)3=(22r)3对于体心晶胞有4r=3a体，a体=334r，V体= (a体)3=(334r)3则由面心立方晶胞转变为体心立方晶胞的体积膨胀∆V为∆V=2×V体－V面=2.01r3b）按晶格常数计算实际转变体积膨胀∆V实，有∆V实=2×V体－V面=2×(0.2892)3－(0.3633)3=0.000425 nm3c）实际体积膨胀小于理论体积膨胀的原因在于由γ-Fe转变为α-Fe时，Fe 原子半径发生了变化，原子半径减小了。
金属晶体结构及结晶
亚晶界示意图
Cu-Ni 合金中的亚结构
金属的晶体结构
①使实际金属的强度远远小于理想金属 ②晶界处位错密度高，使其局部强度 强度 硬度 塑性 韧性 硬度
金属的晶体结构
（二）晶体学基础
把晶体中每个原子抽象成一个点，用直线连接，构成的空
间格架称为晶格。
组成晶格的最小几何组成单元是晶胞。a、b、c是晶格常 数，单位是10-10m(Å)； 晶胞各边夹角以a、b及g表示。
Z
b g X ba a源自c Y原子排列模型晶
格
晶
胞
简单立方晶体
金属的晶体结构
（二）晶体学基础
物质由原子组成。原子的结 合方式和排列方式决定了物 质的性能。 原子、离子、分子之间的结 合力称为结合键。它们的具 体组合状态称为结构。 自然界中的固态物质按其原 子（或分子、离子）的聚集 状态可分为晶体和非晶体两 大类。
C60
金属的晶体结构
晶体：原子（原子团或离子）在三维空间按一定规则 周期性重复排列的固体。如固态金属、钻石、冰等。 晶体具有各向异性。 非晶体：原子（原子团或离子）在三维空间中无规则 排列的物质，也称为玻璃态。如松香、玻璃、塑料等。
[111]方向上，弹性模量E=290000Mpa ；[001]方向上，弹性模量E=135000Mpa
金属的晶体结构
（五）单晶体的各向异性 单晶体具有各向异性的特征。但工业上 实际应用的金属材料，因为属于多晶体，一
般不具有各向异性的特征。如工业纯铁在任
何方向上其弹性模量E均为2.1×105MPa。
第一章金属的晶体结构(1)
材 料 科 学 基 础 B
同一种物质结构不同，性能不同
A A
B
c
B
c
C
A
金刚石
A
d0
石墨
B A
c
Lonsdaleit
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材 料 科 学 基 础 B
2007-3-13 2
材 料 科 学 基 础 B
§1-1 金属 §1-2 金属的晶体结构 §1-3 实际金属的晶体结构
M 层 (n = 3)
过渡族元素（Ti、V、W、Cr、Mn、Ni、Co）
2007-3-13
最外层填满，次外层可不填满 可失去次外层电子 Na原子（原子序数 11） 外层电子排列情况 高熔点、高硬度、高强度 1s22s22p63s1 Na
4
二 金属键
材 料 科 学 基 础 B
金属的通性
良好的导电、导热性 正的电阻温度系数（本质特征） 不透明、金属光泽 良好的延展性
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材 料 科 学 基 础 B
Ｂ. 理想晶体的晶体学抽象
晶格： 人们描述晶体中原子排列规律的空间格子（空间点阵） 晶胞 ：完全反映晶体特征的最小几何单元
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二 晶格与晶胞
材 料 科 学 基 础 B
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材 料 科 学 基 础 B
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八面体间隙数目：1 × 6 = 6 四面体间隙数目：1/3 × 12 + 1 × 6 ＝ 10
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a．晶体结构中的间隙
材 料 科 学 基 础 B
4）综合比较
八面体间隙 半径 fcc hcp bcc 1. 2. 0.146a 0.067a 数量 4 6 6 四面体间隙 半径 0.06a 0.126a 数量 8 10 12
第一章 金属与合金的晶体结构
《金属学》
第一章 金属的晶体结构
双原子模型
吸引是长程力，源自异性电荷库仑引力 排斥是短程力，源自同性电荷间的库仑力和原子周 围电子气相互重叠引起的排斥
净能量 = 吸引能+排斥能 平衡位置的净能量称为原子的结合能
《金属学》
第一章 金属的晶体结构
1.2 金属的晶体结构 1.2.1 晶体结构的基本知识
《金属学》
第一章 金属的晶体结构
金属的特性
金属光泽；不透明； 良好的塑性； 良好的导电性、导热性；正的电阻温度系数
金属原子结构特点
正电性元素
《金属学》
第一章 金属的晶体结构
电子云
正离子
导电性：自由电子在电场作用下定向移动形成电流 导热性：自由电子的运动和正离子的振动 金属光泽：电子跃迁吸收和放出可见光 可塑性：无饱和性和方向性 正的电阻温度系数：正离子或原子振幅随温度增加而增加， 阻碍电子运动，电阻增加
的塑性与韧性。
一般合金都是以固溶体作为基体相
《金属学》
第一章 金属的晶体结构
2 金属间化合物 两组元组成的合金中，如果溶质含量超过其溶解度 时．将会出现新相，其成分处在A在B中的最大溶解度之间， 故叫中间相。
中间相具有金属的性质又称金属间化合物
可分为三大类型：正常价化合物；电子化合物；间隙化合物。
《金属学》
第一章 金属的晶体结构
晶胞：能完全反映晶格特征的、最小的几何单元。
晶胞选取应满足下列条件：
⑴ 晶胞几何形状充分反映点阵对称性。
⑵ 平行六面体内相等的棱和角数目最多。 ⑶ 当棱间呈直角时，直角数目应最多。
⑷ 满足上述条件，晶胞体积应最小。
《金属学》
第一章 金属的晶体结构
第一章(1.2)金属的晶体结构与结晶方案
实际使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的 限制，其内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方 位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。这些
小晶体就是晶粒，它们之间的交界即为晶界。由多 晶粒构成的晶体称为多晶体。在一个晶粒内部其结晶
方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向差更 小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块
全不同于任一组元且具有金属特性的新相即为金属间化合 物，或称中间相。 （二）性能
熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。
（三）分类（根据金属间化合物的形成条件结构特点分）
1. 正常价化合物
组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守 化合价规律，此类化合物称为正常价化合物。例如： Mg2Si、 Cu2Se、ZnS、AlP等。
特 体具有各向异性；
点 • 在一定条件下有规则的几何外形
晶体不同方向上性能不同的性质叫 做晶体的各向异性。
非
晶 • 原子在三维空间呈不规则的排列。
体 • 没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终
的 变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。
特 点
• 各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向 同性。
2、晶体结构的基本概念
为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固 定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心 连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几 个结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几 何空间格架，简称晶格。
由于晶体中原子有规则排列且有周期性的 特点，为了便于讨论 通常只从晶格中，选 取一个能够完全反映晶格特征的、最小的 几何单元来分析晶体中原子排列的规律，
第1章 金属的晶体结构
1.3 晶向与晶面指数
一、晶向与立方晶系晶向指数
晶向指数的标定步骤：
建立坐标系 结点为原点，三
Z
棱为方向，点阵常数为单位
在晶向上取任两点的坐标(x1,y1,z1) (x2,y2,z2)。(若平移晶向或坐标，让第
一点在原点，则下一步更简单)
[111] (111)
[101]
(000)
计算x2-x1 :y2-y1 :z2-z1
Y
化成最小、整数比u :v :w
[100]
X
依次写在方括号[uvw]中，不 加逗号，负号记在上方
1.3 晶向与晶面指数
一、晶向与立方晶系晶向指数
晶向指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组 平行的晶向。晶向组：一组相互平行的晶向
晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组 晶向的集合。
表示方法：用尖括号<uvw>表示 。 举例：
u 2 U 1V ; v 2 V 1 U
33
33
t 1 U 1 V; w W 33
3.化成最小、整数比 u:v:t:w
4.放在方方括号[uvtw]，不加逗号， 负号记在上方
[1213]
1.3 晶向与晶面指数
四、其他晶体学概念
1.晶向的原子密度：该晶向单位长度上的节点(原子)数。
2.晶面的原子密度：该晶面单位面积上的节点(原子)数。
a-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W等30多种
面心立方 fcc Face-centered cubic
g-Fe、Cu、Ni、Al、Ag等20多种
密堆六方 hcp Hexagonal close-packed Zn、Mg、Be、 a-Ti 、 a-Co、Cd等
1.4 纯金属常见的晶体结构