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1、第二章 金属及合金相的晶体结构,2.1 金属中常见的晶体结构 2.2 密堆积结构中密排原子面的堆积方式 2.3 密堆积结构中的间隙 2.4 体心立方结构的间隙 2.5 同素异构性 2.6 金属晶体中原子大小,材料的结合键各种工程材料是由各种不同的元素组成，由不同的原子、离子或分子结合而成。结合键 原子、离子或分子之间的结合力。,结合键分为：离子键共价健金属键分子键,一、离子键正电性元素原子失去最外层价电子变成正离子，负电性元素原子后者获得电子变成负离子。正离子和负离子由静电引力相互吸引，形成稳定的离子键。 NaCl、MgO、Al2O3等由离子键组成。,离子键示意图 氧化镁结构,离子键特点：结合
2、力很大。离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系统小，但脆性大。离子键中很难产生可以自由运动的电子，离子晶体都是良好的绝缘体。离子外层电子被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸收可见光，典型的离子晶体是无色透明的。,二、共价键处于周期表中间位置的三、四、五价元素原子之间或与邻近元素原子形成分子或晶体时，以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。由共用价电子对产生的结合键叫共价键。,共价键示意图,金属由金属键结合，金属具有下列特性：1.良好的导电性和导热性。金属中存在大量自由电子，外加电场时电子可以定向地流动。金属的导热性很好。自由电子的活动性很强，金属离子振动作用导热。,2.正的电
3、阻温度系数。随温度升高电阻增大。,3.不透明并呈现特有的金属光泽。 自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到表面的光能。,4.良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。金属键没有方向性，受外力作用发生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏。,四、分子键甲烷分子在固态能相互结合成为晶体。结合过程中没有电子的得失、共有或公有化。靠范特瓦尔斯力结合起来，这种结合键叫分子键。,分子键示意图 甲烷结构,在含氢的物质，特别是含氢的聚合物中，一个氢原子可同时和两个与电子亲合能力大的、半径较小的原子(F、O、N)相结合, 形成氢键。氢健是一种较强的、有方向性的范德瓦尔斯键。,尼龙66的结构,分子键特点：范德瓦尔
4、斯力很弱，由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低。因无自由电子，材料有良好的绝缘性。,一、晶体结构的密堆积原理,1、密堆积原理,金属晶体金属键,离子晶体离子键,分子晶体范德华力,原子晶体共价键,混合型晶体共价键和范德华力, 有方向性和饱和性,密堆积原理：原子、离子、分子的排布总是趋向于配位数高，空间利用率大的紧密堆积结构方式，最紧密的堆积往往是最稳定的结构。,金属晶体,离子晶体,空间利用率(堆积系数)：,空间利用率,n 晶胞内圆球的数目,配位数:,密堆积：有限的原子、离子或分子尽量占取较小的空间的堆积。,一个球周围最邻近的圆球的数目。,等径圆球的堆积模型,不等径圆球的堆积模型,单位体积空间中
5、圆球所占体积百分数。,2、等径球的密堆积,面心立方最密堆积（A1）,六方最密堆积（ A3 ）,体心立方密堆积（ A2 ）,金刚石型堆积（ A4 ）, A1和 A3 型堆积,等径圆球沿一维方向排列的唯一一种排列方式。,密置列：,等径圆球沿二维方向伸展的唯一一种排列方式。可抽象成平面点阵。,密置层：,将第二层球坐落在第一层球一半的空隙上，就得到密置双层的唯一一种排列方式。,密置双层：,第三层球放在第二层球的空隙上有两种方式,密置堆：,重复ABC的堆积叫A1堆积，重复单位ABC。,ABCA,A B A,重复AB的堆积叫A3堆积，重复单位AB。,四个球围成的空隙叫四面体空隙。,六个球围成的空隙叫八面体
6、空隙。,4个 四面体空隙 3个 八面体空隙,A1堆积：,抽出立方面心晶胞，又叫面心立方最密堆积(cubic closest packing)简写为ccp 。,晶胞内含有4个球。,分数坐标：,密置层为(111),配位数：,一套等同点，,点阵型式：,结构基元：1个球,12,立方面心,设：晶胞中球半径为r，晶胞参数为a,a 与r的关系：,空间利用率：,A1堆积中, 球数 : 八面体空隙 : 四面体空隙,=1:1:2,8个四面体空隙，6个八面体空隙。,紫球周围：,紫球分摊到：,四面体空隙中，每个球占1/4个空隙。,八面体空隙中，每个球占1/6个空隙。,四面体空隙,八面体空隙,A1中, 晶胞中有4个球,
7、4个八面体空隙, 8个四面体空隙,八面体空隙的坐标：,四面体空隙的坐标：,空隙半径 在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。四面体空隙半径: r四=0.225r原子八面体空隙半径: r八=0.414r原子,四面体空隙半径,八面体空隙半径,抽出六方晶胞，又叫六方最密堆积(hexagonal closest packing)简写为hcp 。,A3堆积：,晶胞内含有个球。,分数坐标：,密置层为(001),配位数：,12,结构基元：个球,点阵型式：,个球为二套等同点,六方简单,设：球半径：r， 晶胞参数：a,a 与r的关系：,空间利用率：,a,A3堆积中, 球数:八面体空隙:四面体空隙 = 1:1:
8、2,晶胞内有2个球，,八面体空隙的坐标：,2个八面体空隙，4个四面体空隙。,四面体空隙的坐标：,（4）致密度 0.74 (74%) （5）空隙半径 四面体空隙半径为: r四=0.225r原子八面体空隙半径为: r八=0.414r原子 （6）配位数 12, 体心立方密堆积A2和金刚石型堆积A4,晶胞中含两个球，分数坐标：,一套等同点，,立方体心晶胞，又叫体心立方密堆积（body cubic packing）简写为：bcp,A2堆积：,配位数：8,点阵型式：立方体心,结构基元：一个球,a 与r的关系：,空间利用率：,体心立方堆积中的空隙,4r,空隙半径 在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。体
9、心立方晶胞中有两种空隙：四面体空隙半径:r四=0.29r原子 八面体空隙半径:r八=0.15r原子,四面体空隙半径,八面体空隙半径,晶胞中含有8个球，,两套等同点，结构基元：2个球。,金刚石型堆积(Si,Ge,Sn与此相同),配位数：4,点阵型式: 立方F,分数坐标:,A4堆积: (又叫金刚石型堆积)不是密堆积,a 与r的关系：,空间利用率,总结：,二、金属晶体的堆积型式和金属的原子半径,绝大多数金属单质都是A1，A2，A3型，少数金属单质具有A4型(如:Si,Ge,Sn)或其它特殊结构型式(Mn-x)。,1、金属晶体的堆积型式（P524表5-3.2）,2、金属原子半径,定义：金属晶体中紧邻原
10、子间距离的一半。,如：立方F点阵,立方I点阵,同一种金属元素，在不同结构型式中金属的原子半径不同。,配位数 12 8 6 4 2 1 原子半径相对值 1.00 0.97 0.96 0.88 0.81 0.72,P524表53.2中金属原子半径已折合成配位数为12,A2型是A1 或A3型的97%,习题类型：计算（金属原子半径,金属密度等）和填空。,例1：金属Pt为A1型结构，立方晶胞参数a=392.3pm, Pt的相对原子质量为195，试求Pt的密度和原子半径。,解： A1型 立方面心晶胞,例2：灰锡为金刚石型结构，晶胞参数 a=648.9pm。 写出晶胞中8个Sn原子的分数坐标 计算Sn原子的
11、的半径 求:Sn的相对原子质量 白Sn属四方晶系a=583.2pm, c=318.1pm,晶胞中含4个 Sn原子，计算说明由白Sn变为灰Sn体积是膨胀了，还是收缩了。 白Sn中Sn-Sn间最短距离为302.2pm，试对比灰Sn数据，估计哪种Sn的配位数高。,解：,A4型结构中,白Sn中, 谁的间距大(半径大), 谁的配位数高。,白Sn中原子的配位数高,灰Sn中,金属晶体的结构,z,八面体空隙:,四面体空隙:,球数 : 空隙=1 : 2,三个球围成的空隙叫空隙。,特点：,层中每个球都与六个球紧密接触，,垂直密置层的方向有 ,每个格子中包含一个圆球和二个空隙。,例2：金属钽为A2型结构，立方晶胞参数a=330pm,钽的相对原子质量为181，试求Ta的密度和原子半径。,2.5、同素异构转变,某些金属在固态下的晶体结构是不固定的，而是随着温度、压力等因素的变化而变化，如铁、钛等，这种现象称为同素异晶转变，也称为重结晶。 下面以铁为例子来说明同素异晶转变： -Fe-Fe-Fe-LBCC （912） FCC （1492） BCC 金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。,铁的同素异构转变,
