1、金属的晶体结构金属的晶体结构与结晶与结晶这是什么？！这是什么？！为什么要学？！为什么要学？！1引例：碳的单质引例：碳的单质 -石墨、金刚石、足石墨、金刚石、足球烯球烯v 石墨石墨 自然界最软的物质之一自然界最软的物质之一结构：结构：性质：金属光泽、软及导电性性质：金属光泽、软及导电性 、 导热导热性性用途：电极、铅笔芯、润滑剂用途：电极、铅笔芯、润滑剂 2v 金刚石（钻石）金刚石（钻石） 自然界最硬的物质自然界最硬的物质性质：无色透明正八面体晶体性质：无色透明正八面体晶体 、硬及不导电性、硬及不导电性用途：在金属切削加工方面，它无坚不摧。它还具用途：在金属切削加工方面，它无坚不摧。它还具有耐强
2、酸强碱腐蚀功能。钻探机钻头、刻刀、装有耐强酸强碱腐蚀功能。钻探机钻头、刻刀、装饰品饰品 佛教中常说的佛教中常说的 “金刚不坏之身金刚不坏之身 ”，就源，就源于钻石的这一特性。于钻石的这一特性。3v 足球烯（富勒烯）足球烯（富勒烯）性质：超导性性质：超导性 应用前景：气体的贮存应用前景：气体的贮存 、有感、有感觉功能的传感器觉功能的传感器 、增强金属、增强金属 、新型催化剂、光学应用、新型催化剂、光学应用 、癌细胞的杀伤效应癌细胞的杀伤效应 、其他医、其他医疗功能疗功能1985年 ,英国化学家哈罗德 沃特尔 克罗托博士和美国科学家理查德 埃里特 史沫莱用大功率激光束轰击石墨使其气化，用氦气产生超
3、声波，使被激光束气化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀，并迅速冷却形成新的碳原子，从而得到了 C60。为此，克罗托博士获得 1996年度 诺贝尔化学奖 。克罗托受建筑学家理查德 巴克明斯特 富勒（ RichardBuckminsterFuller）设计的美国万国博览馆球形圆顶薄壳建筑的启发，认为 C60可能具有类似球体的结构，因此将其命名为 buckminster fullerene（巴克明斯特 富勒烯，简称富勒烯）。 4本章要求本章要求v 了解金属的晶体结构以及结晶的基本了解金属的晶体结构以及结晶的基本概念和规律；概念和规律；v 掌握三种典型的金属晶体结构（掌握三种典型的金属晶体结构（ fc
4、c、bcc、 hcp）的基本特点；）的基本特点；v 学会运用学会运用 miller指数；指数；v 了解金属的结晶组织及控制晶粒大小了解金属的结晶组织及控制晶粒大小的途径。的途径。 51-1 金属的晶体结构金属的晶体结构1、 离子键离子键2、 共价键共价键3、 分子键分子键4、 金属键金属键5、 氢键氢键next一、材料的结合键一、材料的结合键6离子键示意图离子键示意图 氯化钠结构氯化钠结构 7金刚石结构金刚石结构共价键示意图共价键示意图8分子键示意图分子键示意图甲烷结构甲烷结构9金属键示意图金属键示意图 钼的结构钼的结构 10 饱和性量子力学指出，两个自旋方向相反的电子结合可使它们的自旋能量之
5、和为零，达到稳定状态，于是已成对的电子不能再与其他原子中的电子结合成对，即 共价键结合的原子所能形成键的数目有一最大值 。 方向性共价键是由共享电子结合的，按量子力学观点，共价键的形成是靠相邻原子外层未满壳层电子云的重叠， 电子云在两核中间重叠的密度最大 。重叠越多，所形成的共价键就越稳定。 11v金属的特性（固态下）金属的特性（固态下）v 良好的导电性和导热性。良好的导电性和导热性。v 正的电阻温度系数。正的电阻温度系数。 v 不透明并呈现特有的金属光泽。不透明并呈现特有的金属光泽。 v 良好的塑性变形能力，金属材料良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。的强韧性好。 12二、晶体结构的基本
6、概二、晶体结构的基本概念念v晶体与非晶体晶体与非晶体 v单晶体与多晶体单晶体与多晶体v晶格与晶胞晶格与晶胞 next13金属晶体具有确定金属晶体具有确定的熔点的熔点 晶体和非晶体的熔化曲线晶体和非晶体的熔化曲线（ 1）晶体）晶体 物质的基本质点（原子、分子或离子）物质的基本质点（原子、分子或离子）在三维空间作有规则的周期性重复排列的固体。在三维空间作有规则的周期性重复排列的固体。（ 2）非晶体）非晶体 物质的基本质点（原子、分物质的基本质点（原子、分子或离子）在三维空间无规则排列的固体。子或离子）在三维空间无规则排列的固体。2.1、 晶体与非晶体晶体与非晶体14晶体的各向异性晶体的各向异性在晶
7、体中在晶体中 , 不同晶面和晶向上原不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不相同，因而金属的结合力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的各向异性。质叫做晶体的各向异性。 15v 单晶体：单晶体：晶体内部原子按同一规律、同一位向排列晶体内部原子按同一规律、同一位向排列，即晶格位向完全一致时，称为单晶体；，即晶格位向完全一致时，称为单晶体；v 多晶体：多晶体：由许多位向不同的单晶体组成的；由许多位向不同的单晶体组成的；多晶体中每一个小晶体为一个多晶体中每一个小晶体为一个 晶粒晶
8、粒 ；晶粒之间的界；晶粒之间的界面称为面称为 晶界晶界 ；每个晶粒内部不同区域晶格位向存；每个晶粒内部不同区域晶格位向存在小的差别在小的差别 -亚晶粒；亚晶粒之间的界面为亚晶粒；亚晶粒之间的界面为 亚晶界亚晶界。16把原子抽象为质点，然后用直线将它们连成空把原子抽象为质点，然后用直线将它们连成空间格架。这种用来表示原子排列方式的空间格架称间格架。这种用来表示原子排列方式的空间格架称为为 晶格晶格 或或 空间点阵空间点阵 。 1）晶格）晶格2.2、 晶格、晶胞晶格、晶胞17v 晶胞选取应满足的条件：（1）晶胞的几何形状充分反映点阵的对称性；v （ 2）平行六面体内相等的棱和角数目最多；v （ 3
9、）当棱间呈直角时，直角数目应最多；v (4)晶胞体积应最小。在晶格中能够反映原子排列方式的最在晶格中能够反映原子排列方式的最小几何单元称为小几何单元称为 晶胞晶胞 。晶胞晶胞2）晶胞）晶胞181948年，布拉菲年，布拉菲 (A.Bravais)根据根据 “ 每个阵点环境相每个阵点环境相同同 ” 用数学方法证明晶体的空间点阵只有用数学方法证明晶体的空间点阵只有 14种，分属种，分属7个晶系个晶系 。3）晶系）晶系19三、常见纯金属的晶格类型三、常见纯金属的晶格类型(1) 体心立方晶格(2) 面心立方晶格(3) 密排六方晶格20三种常见的晶体结三种常见的晶体结构构 老师提示：老师提示：重点内容重点
10、内容 体心立方晶格（体心立方晶格（ b.c.c.） 面心立方晶格（面心立方晶格（ f.c.c.） 密排六方晶格（密排六方晶格（ h.c.p.） 总结总结21体心立方晶格（体心立方晶格（ b.c.c.） 2223 模型模型 晶格常数：晶格常数： a=b=c，=90 原子半径：原子半径： 原子数：原子数： n=8*1/8+1=2个个 具有该晶格的金属：钼具有该晶格的金属：钼 (Mo)、钨、钨 (W)、钒、钒 (V)、 -铁铁 (-Fe, 912 )、 Na、 K、 Cr等等 24 配位数和致密度：配位数（ z） 晶体中与任一个原子最邻近，且等距的原子数。致密度（ k） 晶胞中所包含的原子所占的体积
11、与晶胞体积之比。（ %） 对 bcc， z=8（取体心原子为基准） n-一个晶胞所含的原子数一个晶胞所含的原子数v-一个原子的体积一个原子的体积V-晶胞的体积晶胞的体积k= n vV25面心立方晶格（面心立方晶格（ f.c.c.） 2627 晶格模型晶格模型 a=b=c， =90 原子半径：原子半径： 原子数：原子数： 具有该晶格的金属：铝具有该晶格的金属：铝 (Al)、铜、铜 (Cu)、镍、镍 (Ni)、金、金 (Au)、银银 (Ag)、 - 铁铁 ( -Fe, 912 1394 )等。等。 z=12个，个， k=0.7428密排六方晶格（密排六方晶格（ h.c.p.） 29 模型模型 晶格常数：用底面正六边形的边长晶格常数：用底面正六边形的边长 a和两底面之间和两底面之间的距离的距离 c来表达来表达 , 两相邻侧面之间的夹角为两相邻侧面之间的夹角为 120, 侧面侧面与底面之间的夹角为与底面之间的夹角为 90。 轴比：轴比： c/a1.633（当（当 z=12时）时） 原子半径：原子半径： 原子数：原子数： 具有该晶格的金属：镁具有该晶格的金属：镁 (Mg)、镉、镉 (Cd)、锌、锌 (Zn)、铍铍 (Be)等等 z=12个，个， k=0.74 back 30
