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1、金属在固态下一般都是晶体。决定晶体结构（crystal structure ）的内在因素是原子，离子，分子间键合的类型及键的强弱。金 属晶体是以金属键结合，其晶体结构比较简单,常见的有: 面心立方结构 A1 或 fcc （facecentered cubic ）立方晶系 体心立方结构 A2 或 bcc （bodycentered cubic ）立方晶系 密排六方结构 A3 或 hcp hexagonal closepacked ）六方晶系1.2 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构（c）密排六方A3型 （a）面心立方A1型（b）体心立方A2型三种典型金属晶体结构刚球模型三种典型金属晶体结构刚球
2、模型n n描述晶胞从以下几个方面：描述晶胞从以下几个方面： 晶胞中原子的排列方式 (原子所处的位置) 点阵参数 (晶格常数和晶轴间夹角) 晶胞中原子数 位于顶角处的原子为几个晶胞所共用，而位于晶胞面上的原子为两 个相邻晶胞所共用，只有晶胞体内的原子才为一个晶胞所独有。每个 晶胞所含的原子数（N）：N=Ni+Nf/2+Nr/m式中，Ni，Nf，Nr分别为晶胞内部，面心和角顶上的原子数；m为晶胞 类型参数，立方晶系的m=8，六方晶系的m=6， 原子半径 R(原子的半径)(和点阵常数关系) 1.2.1 1.2.1 三种典型金属晶体结构三种典型金属晶体结构三种典型金属晶体结构晶胞原子数三种典型金属晶体
3、结构晶胞原子数原子半径与晶格常数 配位数配位数 ( (coordinative number)coordinative number)晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数。致密度：致密度： 晶体结构中原子体积占总体积的百分数（K）。 如以一个晶胞计算，则致密度就是晶胞中原子体积与晶 胞体积之比值，即： 密排方向和密排面 面密度：单位晶面面积中原子所占的面积。 线密度：单位晶向长度中原子所占的长度。原子的堆垛方式最紧密堆积原理：晶体中各离子间的相互结合，可以看作是 球体的堆积。球体堆积的密度越大，系统的势 能越低，晶体越稳定。此即球体最紧密堆积原 理。适用范围：典型的离子晶体和金属晶体。
4、 质点堆积方式：根据质点的大小不同，球体最 紧密堆积方式分为等径球和不等径球两种情况 。球体在平面上的最紧密堆积 BB面心立方晶体的面心立方晶体的 ABCABC ABCABC 顺序密堆顺序密堆 结构结构体心立方晶格的体心立方晶格的 ABAB ABAB 密堆结构密堆结构三种典型金属晶格密排面的堆垛方式三种典型金属晶格密排面的堆垛方式晶体结构中的间隙 (大小和数量)n 从形状上看，空隙有两种：一种是四面体空隙，由4个 球体所构成，球心连线构成一个正四面体；另一种是八 面体空隙，由6个球体构成，球心连线形成一个正八面体 。n由同种球组成的四面体空隙小于八面体空隙。 n个等径球最紧密堆积时，整个系统四
5、面体空隙数为2n个， 八面体空隙数为n个。 根据刚性球模型的几何关系，可以求出三种典型晶体结构中 四面体间隙和八面体间隙的rB/rA值，关于间隙的几点结论：（1）FCC和HCP金属中八面体间隙大于四面体间隙，故金属 中的间隙式元素的原子位于八面体间隙。（2）在BCC晶体中，四面体间隙大于八面体间隙，间隙式 元素的原子位于四面体间隙。由于间隙的不对称性，间 隙式元素的原子也可位于八面体间隙。（3）FCC和HCP金属中八面体间隙远大于BCC中的八面体或 四面体间隙，因而间隙式元素在FCC和HCP中的溶解度比 在BCC中大得多。（课本例题p51）（4） FCC和HCP晶体中八面体和四面体间隙大小相等
6、，原 因在于两者的堆垛方式非常相象。晶胞中原子排列 在立方体的八个顶角和六个面的面心各 有一个原子。 点阵参数: a=b=c；=90 晶胞中原子数: n=81/861/2=4 个 原子半径 R:原子半径-两个相互接触的原子中心距离一半 配位数与致密度 配位数 CN=12 致密度 k=0.741. 1. 面心立方结构面心立方结构( (特征）特征）面心立方晶格原子位置面心立方晶格原子位置面心立方晶格晶胞原子数面心立方晶格晶胞原子数面心立方原子配位数面心立方原子配位数面心立方密排面面心立方密排面原子密排面111；原子密排方向间隙有两种:四面体间隙和八面体间隙，如图八面体间隙（有八面的空隙）位于晶胞体
7、中心和每个 棱边的中点，由 6 个面心原子所围成,大小rB=0.414R ，rB为间隙半径，R为原子半径，间隙数量为4个 (12+1)。 四面体间隙（有四面的 interstice）由一个顶点原子 和三个面心原子围成，位于体对角线与顶点的1/4处， 其大小：rB=0.225R，间隙数量为8个。 堆垛方式：ABCABC或ACBACB的顺序堆垛 具有面心结构金属:Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag等 。1.1.面心立方结构（间隙及堆垛方式）面心立方结构（间隙及堆垛方式）面心立方八面体间隙面心立方八面体间隙间隙大小（半径）= a /2 R = 0.414R面心立方四面体间隙面心立方四面体间隙间隙大小
8、（半径）=3 a / 4 R = 0.225R面心立方原子堆垛顺序面心立方原子堆垛顺序原子排列:晶胞八个顶角和晶胞体心各有一个原子 点阵参数:a=b=c，=90 晶胞中原子数:n=81/81=2个 原子半径: 配位数和致密度: 配位数： CN=8 致密度： k=0.682.2.体心立方晶格体心立方晶格( (特征）特征）体心立方晶格原子位置体心立方晶格原子位置体心立方晶格晶胞中原子数体心立方晶格晶胞中原子数体心立方晶格密排面体心立方晶格密排面原子密排面110；原子密排方向间隙: 也是两种，为八面体和四面体间隙.八面体间隙 位于晶胞六面体每个面的中心和每个棱 的中心，由一个面上四个角和相邻两个晶胞
9、体心共6 个原围成，即数量为6。大小为rB=0.154R四面体间隙 由两个体心原子和两个顶角原子所围成 ，大小rB=0.291R,有 12 个。 堆垛方式: ABABAB的顺序堆垛 bcc结构金属: Fe、Fe、Cr、Mo、W、V等2.2.体心立方晶格（间隙及堆垛方式体心立方晶格（间隙及堆垛方式 ）体心立方晶格中的八面体间隙体心立方晶格中的八面体间隙a / 2 R = 0.154R体心立方晶格中的四面体间隙体心立方晶格中的四面体间隙间隙大小（半径）= 5 a / 4 R = 0.291R 体心立方晶格原子堆垛顺序体心立方晶格原子堆垛顺序原子排列: 正六棱柱体 12 个顶角和上下底中心各有 一个
10、原子，正六棱柱体中心有三个原子 点阵参数: a1=a2=a3c，=90 ， =120 晶胞中原子数：n=121/621/23=6个 原子半径:2R=a R=a/2 配位数和致密度 配位数： CN=12 致密度: K=0.743.3.密排六方晶格（特征）密排六方晶格（特征）密排六方晶格原子位置密排六方晶格原子位置密排六方晶格晶胞原子数密排六方晶格晶胞原子数密排六方晶格密排面密排六方晶格密排面原子密排面0001；原子密排方向密排六方晶格原子配位数密排六方晶格原子配位数间隙: 较为复杂，如图2.34 八面体间隙rB=0.414R 有 6 个四面体间隙rB=0.225R 有 12 个 堆垛方式: AB
11、ABAB顺序堆垛 hcp结构金属有:Mg、Zn、Be、Cd等3.3.密排六方晶格密排六方晶格( (间隙及堆垛方式）间隙及堆垛方式）密排六方晶格八面体间隙密排六方晶格八面体间隙密排六方晶格四面体间隙密排六方晶格四面体间隙密排六方晶格原子堆垛顺序密排六方晶格原子堆垛顺序n多晶型性指某些金属在不同温度和压力下具有不同的晶体 结构。 n 多晶型性转变指金属在外部条件 (如 T 和 P) 改变 时，其内部从一种晶体结构向另一种晶体结构的转变,又称 同素异构（同素异性）转变 例如纯铁:1.2.2 1.2.2 多晶型性多晶型性1.2.3 晶体结构中的原子半径n1.温度与压力的影响 n 原子热振动及晶体内点阵
12、缺陷平衡浓度的变化 ，都会使原子间距产生改变，因而影响到原子半 径的大小。 n2.结合健的影响n 晶体是原子的平衡间距与结合键的类型及其键 合的强弱有关，离子键与共价键是较强的结合键 ，故原子间距相应较小；而范德瓦尔斯键能最小 ，因此原子间距最大。 n3.配位数的影响 n 原子半径随晶体中原 子配位数的降低而减小 。当金属自高配位数结 构向低配位数结构发生 同素异构转变时，随着 致密度的减小和晶体体 积的膨胀，原子半径将 同时产生收缩，以求减 少转变时的体积变化。 n4.原子核外电子结构 的影响n例题 -Fe转变为体心立方结构的-Fe时的体积变化。n解：（1）假定转变前后铁的原子半径不变，计算
13、时按每个原子在晶 胞中占据的体积为比较标准，已知的-Fe晶胞中有4个原子，-Fe 晶胞中有2个原子。nR1=R2=R ，转变时的体积变化为： n考虑铁原子半径在转变时要发生改变 对具有多晶型转变的金属来 说，原子半径随配位数的降低而减小，当-Fe转变为-Fe时，配位 数由12变为8，这时原子半径R2=0.97R1,因此，转变时的体积变化为： 各向异性：由于在不同方向上的原子排列的紧 密程度不同使晶体在不同方向上的物理、化学和 力学性能不同。而一般整个晶体不显示各向异性 ，称为伪等向性。 晶粒：组成晶体的结晶颗粒。 多晶体：凡由两颗以上晶粒组成的晶体一般金属 都是多晶体。1.2.4 1.2.4 晶体的各向异性晶体的各向异性多相合金多相合金 三种典型晶体结构的特征三种典型晶体结构的特征（包括：晶胞形（包括：晶胞形 状、晶格常数、晶胞原子数、原子半径、配状、晶格常数、晶胞原子数、原子半径、配 位数、致密度、各类间隙尺寸与个数，最密位数、致密度、各类间隙尺寸与个数，最密 排面（滑移面）和最密排方向的指数与个数排面（滑移面）和最密排方向的指数与个数 。 多晶体与单晶体、晶粒、晶界；多晶体与单晶体、晶粒、晶界； 各向同性与各向异性；同素异构转变各向同性与各向异性；同素异构转变本节的基本要求本节的基本要求
