1、2022-12-17金属学与热处理原理1第一章：金属的晶体结构第一章：金属的晶体结构n11 金属原子间的结合金属原子间的结合n12 金属的晶体结构金属的晶体结构 n13 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构2022-12-17金属学与热处理原理21 11 1 金属原子间的结合金属原子间的结合 一、金属的一般特性和金属键一、金属的一般特性和金属键 1、特性特性结构特点：原子结构，核外电子数，最外层电子数，次外层电子数结构特点：原子结构，核外电子数，最外层电子数，次外层电子数性能特点：良好的导电性、导热性、塑性（延展性），具有金属光泽，性能特点：良好的导电性、导热性、塑性（延展性），具有金属光泽，
2、不透明，正的电阻温度系数。不透明，正的电阻温度系数。2、原因原因 这主要是与金属原子内部的自身结构和原子间的结合方式这主要是与金属原子内部的自身结构和原子间的结合方式有关有关。2022-12-17金属学与热处理原理3 二、二、金属键金属键电子云电子云 当大量金属原子结合在一起，构成金属晶体时，金属原当大量金属原子结合在一起，构成金属晶体时，金属原子失去外层电子变成正离子；失去的外层电子成为自由子失去外层电子变成正离子；失去的外层电子成为自由电子，为整个金属所共有，构成电子云，金属正离子在电子，为整个金属所共有，构成电子云，金属正离子在其平衡位置作高频率的热振动；金属离子和自由电子之其平衡位置作
3、高频率的热振动；金属离子和自由电子之间的引力与离子间和电子间的斥力相平衡，从而构成稳间的引力与离子间和电子间的斥力相平衡，从而构成稳定的金属晶体。这种结合方式称之为金属键。定的金属晶体。这种结合方式称之为金属键。2022-12-17金属学与热处理原理4 金属离子与自由电子之间存在着较强的作用力金属键e-+e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-2022-12-17金属学与热处理原理5 金属特性的金属键理论解释金属特性的金属键理论解释(1)自由电子在电场的作用下定向运动形成电流，从而显示自由电子在电场的作用下定向运动形成电流，从而显示出良好的导电性。出良好的导电性。(2)随着温度升高，正离子
4、振动的振幅要加大，对自由电子随着温度升高，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，因而，金属的电阻是随温度的通过的阻碍作用也加大，因而，金属的电阻是随温度的升高而增加的，即具有正的电阻温度系数。升高而增加的，即具有正的电阻温度系数。(3)自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能，因而使自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能，因而使金属具有较好的导热性。金属具有较好的导热性。2022-12-17金属学与热处理原理6当金属发生塑性变形后，正离子与自由离子间当金属发生塑性变形后，正离子与自由离子间所能保持金属键的结合，使金属显示出良好的所能保持金属键的结合，使金属显示出良好的塑性。
5、塑性。自由电子能吸收可见光的能量，故金属具有不自由电子能吸收可见光的能量，故金属具有不透明性。吸收能量后跳到较高能级的电子，当透明性。吸收能量后跳到较高能级的电子，当它重新跳回到原来低能级时，就把所吸收的可它重新跳回到原来低能级时，就把所吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，在宏观见光的能量以电磁波的形式辐射出来，在宏观上就表示为金属的光泽。上就表示为金属的光泽。2022-12-17金属学与热处理原理7三、结合力与结合能三、结合力与结合能上一级排斥力排斥力吸引力吸引力结结合合力力结结合合能能排斥能排斥能吸引能吸引能ABEABBA00dcd0原子间距原子间距d原子间距原子间距d2022-12
6、-17金属学与热处理原理8一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体 区别：规则排列与非规则排列区别：规则排列与非规则排列 内部质点按一定的几何规律呈周期性规则排列的物质内部质点按一定的几何规律呈周期性规则排列的物质称为晶体。称为晶体。晶体有固定的熔点（如铁为晶体有固定的熔点（如铁为1538，铜为，铜为1083，铝，铝为为660）；一般具有规则的外形；在不同的方向上具）；一般具有规则的外形；在不同的方向上具有不同的性能，即表现出晶体的各向异性。有不同的性能，即表现出晶体的各向异性。晶体分类和材料的结晶倾向性：晶体分类和材料的结晶倾向性：金属键金属键金属晶体金属晶体 共价键共价键原子晶体原子晶体 离子键离
7、子键离子晶体离子晶体 范德华力范德华力分子晶体分子晶体1 12 2 金属的晶体结构金属的晶体结构上一级晶体与非晶体在晶体与非晶体在一定条件下可一定条件下可互相转化。互相转化。2022-12-17金属学与热处理原理9二、晶体结构与空间点阵二、晶体结构与空间点阵 原子堆垛模型：真实、立体感强原子堆垛模型：真实、立体感强 空间点阵：原子用节点表示，用空间网空间点阵：原子用节点表示，用空间网格表示原子间的关系，形成周期性排列格表示原子间的关系，形成周期性排列的空间几何图形的空间几何图形晶格晶格 晶胞：从晶格中取出一个可以代表原子晶胞：从晶格中取出一个可以代表原子空间排列情况的最小几何结构单元。空间排列
8、情况的最小几何结构单元。晶格常数：晶格常数：a a，b b，c c；、2022-12-17金属学与热处理原理10 晶胞选取应满足下列条件晶胞选取应满足下列条件 ：(1)(1)晶胞几何形状充分反映点阵对称性；晶胞几何形状充分反映点阵对称性；(2)(2)平行六面体内相等的棱和角数目最多；平行六面体内相等的棱和角数目最多；(3)(3)当棱间呈直角时，直角数目应最多；当棱间呈直角时，直角数目应最多；(4)(4)满足上述条件，晶胞体积应最小。满足上述条件，晶胞体积应最小。2022-12-17金属学与热处理原理1114种点阵分属7个晶系。典型晶体典型晶体结构结构2022-12-17金属学与热处理原理12上
9、一级1、体心立方晶格、体心立方晶格(图图)（BCC Body-Centered Cube）a=b=c =90 晶胞中实际原子数为晶胞中实际原子数为:具有体心立方晶格的金属有：具有体心立方晶格的金属有：-Fe、Cr、W、Mo、V等。等。21818三、三种典型的金属三、三种典型的金属晶体结构晶体结构体心立方体心立方BCC（A2型）型）2022-12-17金属学与热处理原理13 2、面心立方晶格面心立方晶格(图图)（FCC Face-Centered Cube）a=b=c =90 晶胞中原子数为：晶胞中原子数为：具有面心立方晶格的金属有：具有面心立方晶格的金属有：-Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pb
10、、Ni等。等。4216818上一级面心立方面心立方FCC（A1型）型）2022-12-17金属学与热处理原理14 3、密排六方晶格密排六方晶格(图图)a=b c =90=120 密排六方晶格中原子数为：密排六方晶格中原子数为：具有密排六方晶格的金属有：具有密排六方晶格的金属有：Mg、Zn、Be、Cd、Zr等。等。个632126112上一级（c）密排六方）密排六方HCP（A3型）型）（HCP Hexagonal Close-Packed）2022-12-17金属学与热处理原理15 a、晶体结构的致密度、晶体结构的致密度 致密度：是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。致密度：是指晶胞中原子所占体
11、积与该晶胞体积之比。体心立方的致密度体心立方的致密度 333422ar）（晶胞体积个原子体积68.0)43(3/4233aa）（上一级2022-12-17金属学与热处理原理16面心立方与密排六方的致密度面心立方与密排六方的致密度 计算同体心立方，但数值均为计算同体心立方，但数值均为0.74。致密度数值越大，则原子排列越紧密。致密度数值越大，则原子排列越紧密。为何面心立方和密排六方的致密度一样？为何面心立方和密排六方的致密度一样？均为密排特征！均为密排特征！上一级2022-12-17金属学与热处理原理17 b、配位数的概念、配位数的概念 配位数是指晶体结构中，与任一原于最近邻并且配位数是指晶体结
12、构中，与任一原于最近邻并且等距离的原子数。等距离的原子数。体心立方：体心立方：8；面心立方：；面心立方：12；密排六方：；密排六方：12 配位数的多少也可以反映原子排列的紧密程度。配位数的多少也可以反映原子排列的紧密程度。上一级2022-12-17金属学与热处理原理18 3、晶体中原子的堆垛方式和间隙、晶体中原子的堆垛方式和间隙（1）原子堆垛方式）原子堆垛方式上一级ABCBCCBBCACAACCA2022-12-17金属学与热处理原理19AA（2）面向立方与密排六方比较）面向立方与密排六方比较上一级BBAC2022-12-17金属学与热处理原理20（3）体心立方）体心立方上一级AB2022-1
13、2-17金属学与热处理原理21(4)间隙：间隙：间隙半径（间隙半径（rB）：间隙中所能容纳）：间隙中所能容纳的最大圆球半径。的最大圆球半径。2022-12-17金属学与热处理原理222022-12-17金属学与热处理原理23 三种晶体基本参数归纳三种晶体基本参数归纳晶格晶格类型类型原子半径原子半径rA原子原子数数配位配位数数致密致密度度K堆垛方堆垛方式式间隙结间隙结构构半径半径rBrB/rA体心体心立方立方280.68ABAB非密排非密排四四12八八60.126a0.067a0.290.15面心面心立方立方4120.74ABCABC四四8八八40.08a0.146a0.2260.414密排密排
14、六方六方6120.74ABABAB四四12八八60.113a0.207a0.2260.414 4/2a2/a633.1)3/8(/ac4/3a2022-12-17金属学与热处理原理24四、晶面与晶向四、晶面与晶向 晶面：晶面：通过空间点阵，由一系列原子所通过空间点阵，由一系列原子所构成的平面称为晶面。通过晶体中原子构成的平面称为晶面。通过晶体中原子中心的平面称晶面。中心的平面称晶面。晶向：通过晶体中原子中心的直线为原晶向：通过晶体中原子中心的直线为原子列，其所代表的方向叫晶向。子列，其所代表的方向叫晶向。任意两任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。个原子之间连线所指的方向称为晶向。上一级20
15、22-12-17金属学与热处理原理25 不同的不同的晶面晶面和和晶向晶向上原子排列的疏密程度不同，上原子排列的疏密程度不同，原子间相互作用也就不同，因而不同晶面和晶原子间相互作用也就不同，因而不同晶面和晶向就显示不同的向就显示不同的力学性能和理化性能力学性能和理化性能。面密度，线密度面密度，线密度 表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的位向称为晶面指数和晶向指数。间的位向称为晶面指数和晶向指数。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。上一级2022-12-17金属学与热处理原理261、晶向指数求法晶向指数求法 设坐标设坐
16、标 x，y，z 引圆点（引圆点（OA）求坐标（求坐标（x，y，z）化整数化整数 列括号列括号u v w 上一级立方晶系的晶向和晶面指数2022-12-17金属学与热处理原理27 2、晶面指数求法晶面指数求法 设坐标设坐标x，y，z,避圆点；避圆点；求截距求截距(x，y，z)；取倒数；取倒数；化整数；化整数；列括号列括号(h k l)。h k l上一级2022-12-17金属学与热处理原理28XYZ举例：举例：立方晶系的晶面表示方法立方晶系的晶面表示方法(111),(001),(010),(100),(110),等等 晶面族晶面族：原子排列完全相同但在空间位向不同。原子排列完全相同但在空间位向不
17、同。如：如：111、100、110等等 立方晶系的晶向表示方法立方晶系的晶向表示方法101、011、111、110、100等。等。晶向族晶向族：原子排列完全相同但在空间位向不同。原子排列完全相同但在空间位向不同。如如：.(111)-(111)(010)(001)(100)(110)XYZ1111001100111012022-12-17金属学与热处理原理29晶面指数说明：a a 指数意义：指数意义：代表一组平行的晶面；代表一组平行的晶面；b 0b 0的意义：的意义：面与对应的轴平行；面与对应的轴平行；c c 平行晶面：平行晶面：指数相同，或数字相同但正指数相同，或数字相同但正负号相反；负号相反
18、；d d 晶面族：晶面族：晶体中具有相同条件（原子排晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相同），空间位向不同的各列和晶面间距完全相同），空间位向不同的各组晶面。用组晶面。用hklhkl表示。表示。e e 若晶面与晶向同面，若晶面与晶向同面，则则hu+kv+lw=0;hu+kv+lw=0;f f 若晶面与晶向垂直，若晶面与晶向垂直，则则u=h,k=v,w=lu=h,k=v,w=l。2022-12-17金属学与热处理原理303 3、六方系晶向指数和晶面指数、六方系晶向指数和晶面指数a a、六方系指数标定的特殊性：、六方系指数标定的特殊性：四轴坐标系（三个参数时，等价指数不具有等价晶面）。四轴
19、坐标系（三个参数时，等价指数不具有等价晶面）。b b、晶面指数的标定：、晶面指数的标定：标法与立方系相同标法与立方系相同(四个截距四个截距)；用四个数字用四个数字(hkil)(hkil)表示；表示；i=-(h+k)i=-(h+k)。c c、晶向指数的标定、晶向指数的标定标法与立方系相同标法与立方系相同(四个坐标四个坐标)；用四个数字用四个数字(uvtw)(uvtw)表示；表示；t=-(u+v)t=-(u+v)。依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。坐标换算法：坐标换算法：UVWuvtwUVWuvtw u=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=
20、-(U+V)/3,w=W u=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(U+V)/3,w=W。2022-12-17金属学与热处理原理31晶向指数标定：从圆点出发，选择可涉及a3的路径，逐次沿着各坐标移动，最终到达标定方向上的节点上。注意移动时，满足t=-(u+v)。2022-12-17金属学与热处理原理32五、晶带五、晶带 a 定义：平行于某一晶向直线所有晶面的组合。晶带轴 晶带面 共带面共带面 b 性质：晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面/晶带轴；hu+kv+lw=0 c 晶带定律 凡满足上式的晶面都属于以凡满足上式的晶面都属于以uvw为晶带轴的晶带。为晶带轴的晶带。推论：同一晶带轴中
21、各共带面的法线与晶带轴垂直。推论：同一晶带轴中各共带面的法线与晶带轴垂直。（a）由两晶面由两晶面(h1k1l1)(h2k2l2)，求其晶带轴求其晶带轴uvw：u=k1l2-k2l1;v=l1h2-l2h1;w=h1k2-h2k1。（b）由两晶向由两晶向u1v1w1u2v2w2，求其决定的晶面求其决定的晶面(hkl)。h=v1w2-v2w1;k=w1u2-w2u1;l=u1v2-u2v1。2022-12-17金属学与热处理原理33六、晶体的各向异性六、晶体的各向异性-Fe的性能晶向晶向原子密度原子密度弹性模量弹性模量E/Gpa单单晶晶体体1/a1/a1351351.16/a1.16/a29029
22、00.7/a0.7/a多晶体多晶体2102102022-12-17金属学与热处理原理34七、金属的同素异构转变七、金属的同素异构转变多晶型性多晶型性 有些金属在不同温度、压力等外界条件下，会发生晶格类型的转变，这种现象称为同素异构转变。铁、钛、锡、钴、锰等都有同素异构转变体，如图所示为铁的同素异构转变。分析：液态铁结晶后是体心立液态铁结晶后是体心立 方晶格，称为方晶格，称为-Fe；在在1394以下是面心立以下是面心立 方晶格，称方晶格，称-Fe；在在912以下是体心立以下是体心立 方晶格，称方晶格，称-Fe。2022-12-17金属学与热处理原理352022-12-17金属学与热处理原理36每
23、个每个NaClNaCl晶胞中有晶胞中有 个个ClCl，有，有 个个NaNa+。2022-12-17金属学与热处理原理372022-12-17金属学与热处理原理382022-12-17金属学与热处理原理39 每个每个COCO2 2 分子周围分子周围与之紧邻等距离的与之紧邻等距离的 COCO2 2有有 个个,每个每个COCO2 2 晶胞中含有晶胞中含有 个个COCO2 2分子。分子。125 687431243125 687分子晶体分子晶体2022-12-17金属学与热处理原理40每个碳原子与 个六员碳环共用。原子晶体原子晶体金刚石晶体结构金刚石晶体结构分析分析2022-12-17金属学与热处理原理
24、41晶体硅结构晶体硅结构碳化硅晶体结构碳化硅晶体结构2022-12-17金属学与热处理原理42二氧化硅晶体二氧化硅晶体石墨结构石墨结构2022-12-17金属学与热处理原理43金属钠晶体金属钠晶体返回2022-12-17金属学与热处理原理44第一章，12节思考题 晶体的基本常识。晶体的基本常识。金属键的结合特点与力学、理化性能。金属键的结合特点与力学、理化性能。双原子作用模型。双原子作用模型。三种典型晶体结构：晶格点阵、晶胞、三种典型晶体结构：晶格点阵、晶胞、堆垛方式、间隙位置和大小、配位数和堆垛方式、间隙位置和大小、配位数和致密度、原子半径和个数。致密度、原子半径和个数。晶面和晶向指数的求解
25、。晶面和晶向指数的求解。晶体的各向异性和同素异晶转变。晶体的各向异性和同素异晶转变。2022-12-17金属学与热处理原理45晶体中原子排列示意图晶体中原子排列示意图a)原子对垛模型b)晶格c)晶胞返回2022-12-17金属学与热处理原理46晶胞参数：晶胞参数：晶胞的形状和大小可以用晶胞的形状和大小可以用6 6个参数来表个参数来表示，此即晶格特征参数，简称晶胞参数。它们是示，此即晶格特征参数，简称晶胞参数。它们是3 3条棱边的长度条棱边的长度a a、b b、c c和和3 3条棱边的夹角条棱边的夹角、，如图所示。如图所示。图图1-2 1-2 晶胞坐标及晶胞参数晶胞坐标及晶胞参数返回2022-12-17金属学与热处理原理47体心立方晶胞体心立方晶胞a)刚球模型b)质点模型c)晶胞原子数返回2022-12-17金属学与热处理原理48面心立方晶胞面心立方晶胞a)刚球模型b)质点模型c)晶胞原子数返回2022-12-17金属学与热处理原理49密排六方晶胞密排六方晶胞a)刚球模型b)质点模型c)晶胞原子数返回
