02-金属的晶体结构案例.ppt

第二讲 金属的晶体结构 一、金属与合金的晶体结构 内容: 金属的晶体结构 合金的晶体结构 实际金属的晶体结构 目的: 掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备 一、晶体的基本知识 （一）、晶体与非晶体 固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列 。非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青） （二）、晶格、晶胞、晶格常数 1、晶格 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。 2、晶胞 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，这个最小的几何单元称为晶胞 ，整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。 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 和棱面夹角 来表示晶胞的形状和大小 。 （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。 1、体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中心和八个角上各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1／8个原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为8×1／8＋1＝2（个）。具有体心立方晶格的金属有 、 等。 2、面心立方晶格 面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋6×1／2＝4（个）。 具有面心立方晶格的金属有 、 等。 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 。 （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比，可用来原子排列的紧密程度进行定量比较。 在体心立方晶胞中，含有2个原子。这2个原子的体积为2×（4／3）πr3，式中r为原子半径 。故体心立方晶格的致密度为： 2个原子的体积与晶胞体积之比等于0.68 。 这表明在体心立方晶格中，有68％的体积被所占据，其余为空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为0.74 。显然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，当铁由面心立方晶格变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀。 （五）、晶面指数和晶向指数 晶面指数：取晶面与坐标轴截距的倒数，并化 简为最小整数，用圆括号顺序表示。 （x y z） 晶面族: {x y z} 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 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构成，叫多晶体。