材料科学基础-张代东-chap1金属的晶体结构

主讲：匡唐清华东交通大学材料工程系材料科学基础FoundamentalsofMaterialScienceFMS第1章金属的晶体结构教学要点知识要点掌握程度相关知识金属键熟悉原子间结合键类型及特点，重点掌握金属键结合特点和金属特性元素及其原子结构，键合方式，原子结合特性，金属键与金属特性金属晶体学基础熟悉布拉菲点阵模型，掌握典型金属晶体的表征方法空间点阵、晶胞、晶格常数，14种布拉菲点阵，晶面指数、晶向指数，典型金属晶体结构、间隙金属晶体缺陷了解实际金属晶体与理想晶体的区别，掌握三种缺陷类型和特征单晶体、多晶体，点缺陷类型、平衡浓度，位错类型、密度、柏氏矢量，晶界、孪晶界、亚晶界、相界、表面、界面能FMS第1章金属的晶体结构材料性能内部结构原子结构原子键合原子排列显微组织晶体非晶体完全规则排列部分规则排列FMS1.1金属键与金属特性价电子原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子„重要性直接参与原子的结合，对材料的物理和化学性能产生重要影响。„主族元素的价电子最外层电子副族元素的价电子除最外层电子外，还可包括次外层电子FMS1.1金属键与金属特性结合键原子、离子、分子之间的结合力称为结合键源于原子核和电子间的静电交互作用C60FMS1.1金属键与金属特性结合键分类„一次键(化学键)依靠电子的转移或共用如金属键、共价键、离子键二次键(物理键)依靠原子间的偶极吸引力(范德华力)结合如分子键和氢键FMS1.1.1金属键结合方式电子逸出共有，金属正离子与自由电子云相互吸引使原子结合在一起，结合力较大无方向性和饱和性„晶体特性熔点、硬度有高有低，导热、导电性好有：Fe、Al、W、Hg…FMS金属键电子的自由运动，金属键没有固定方向，属非极性键由于金属只有少数价电子能用于成键，金属在形成晶体时，倾向于构成极为紧密的结构，使每个原子都有尽可能多的相邻原子（金属晶体一般都具有高配位数和紧密堆积结构）金属阳离子所带电荷越多、离子半径越小，金属键越强，熔沸点和硬度越高FMS离子键原子得/失电子成为阴/阳离子后，阴阳离子间由于静电作用所形成的化学键正负离子相间排列，没有方向性和饱和性FMS离子键结合力很大，因此离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系数小，但脆性大离子键很难产生可以自由运动的电子，所以离子晶体都是良好的绝缘体由于离子的外层电子比较牢固的被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸收可见光，所以典型的离子晶体是无色透明的FMS共价键原子间通过共用电子对达到电子饱和状态所形成的相互作用，具有方向性和饱和性FMS共价键共价键与离子键之间没有严格的界限，通常认为，两元素电负性差值大于1.7时，成离子键；小于1.7时，成共价键共价键与离子键不同的是进入共价键的原子向外不显示电荷，因为它们并没有获得或损失电子FMS分子键瞬时电偶极矩间的库仑相互作用，无方向性和饱和性；分子间相互作用力为范德华力。分子键很弱，故结合成的晶体具有低熔点、低沸点、低硬度、易压缩等特性。石墨原子层间为分子键结合，易于分层剥离，强度、塑性和韧性极低，接近于零，是良好的润滑剂塑料、橡胶等高分子材料中的链与链间的结合为范德华力，故硬度比金属低，耐热性差，不具有导电性FMS氢键类似分子键，氢原子起关键作用氢原子与电负性大的原子X以共价键结合，若与电负性大、半径小的原子Y（O、F、N等）接近，在X与Y之间以氢为媒介，生成X-H…Y形式的一种特殊的分子间或分子内相互作用，称为氢键具有方向性和饱和性FMS1.1金属键与金属特性结合键类型作用力来源键强特点图例金属键金属正离子与电子云间的库伦作用力较强无方向性和饱和性、高对称性紧密排列的晶体结构、配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导电导热离子键金属与非金属原子得失电子形成的正负离子间的库伦作用力最强无方向性和饱和性、正负离子相间排列、高配位数、高熔点、高强度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔融离子导电共价键电负性相差不大的原子间通过共用电子对结合强具有方向性和饱和性、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、熔融也不导电分子键原子间瞬时电偶极矩的感应作用较弱无方向性和饱和性、结构密堆、高熔点、绝缘氢键氢原子核与邻近分子负电荷间的库仑引力弱有方向性和饱和性FMS1.1.2金属特性延展性受外力作用时，晶体中各原子层发生相对滑动，弥漫在金属原子间的电子气起到类似轴承中滚珠间润滑剂的作用，各原子层间仍保持相互作用，发生形变后也不易断裂，即表现为良好的延展性。FMS1.1.2金属特性导电性在金属晶体中，充满着带负电的“电子气”，其运动没有一定方向，但在外加电场的条件下电子气发生定向移动，形成电流FMS1.1.2金属特性正的电阻温度系数金属导电时，金属正离子阻碍自由电子的定向加速运动，形成电阻温度升高，金属正离子振幅加大，对自由电子的碰撞阻碍概率增大，电阻率升高，表现出正的电阻温度系数FMS1.1.2金属特性导热性电子气中的自由电子在热的作用下与金属原子频繁碰撞从而把能量从温度高的部分传递到温度低的部分，从而使整块金属达到相同的温度。金属光泽金属晶体紧密堆积排列，自由电子能吸收、释放所有波长的可见光能量，使光线无法穿透金属，表现出金属光泽，不透明FMS1.1.2金属特性金属晶体结构与性质关系金属晶体结构金属离子和自由电子延展性晶体中各原子层相对滑动仍保持相互作用导电性自由电子在外加电场的作用下发生定向移动正的电阻温度系数温度升高，金属离子振幅加大，对自由电子的定向运动碰撞阻碍概率加大导热性自由电子与金属离子碰撞传递热量光泽自由电子随即吸、放光性能FMS1.2金属晶体学基础晶体与非晶体晶体原子呈规则排列的固体常态下金属主要以晶体形式存在晶体具有各向异性FMS1.2金属晶体学基础晶体非晶体原子呈无序排列的固体在一定条件下晶体和非晶体可互相转化金属的结构晶态非晶态SiO2的结构FMS1.2.1空间点阵晶格用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架空间点阵由原子中心（结点）形成的空间点的阵列，反映晶体三维空间质点的排列规律FMS1.2.1空间点阵晶胞空间点阵中能代表晶格原子排列规律的最小几何单元FMS晶胞晶胞选取原则反映点阵的周期性和对称性相等的棱、角数目最多以上基础上尽可能多直角以上基础上体积最小FMS晶胞晶格常数描述晶胞的形状与大小，由此确定晶体空间点阵晶胞各边的尺寸a、b、c各棱间的夹角用、、表示FMS晶胞晶系根据晶胞参数关系不同，将晶体分为七种晶系90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3c，==90，=120立方六方四方菱方正交单斜三斜FMS晶胞七种晶系晶系名称点阵常数间的关系和特点实例三斜晶系a≠b≠c，α≠β≠γ≠90oK2CrO7单斜晶系a≠b≠c，α=γ=90o≠ββ-S，CaSO4·H2O正交晶系a≠b≠c，α=β=γ=90oα-S，Fe3C六方晶系a1=a2=a3≠c，α=β=90o，γ=120oZn，Cd，Mg菱方晶系a=b=c，α=β=γ≠90oAs，Sb，Bi四方晶系a=b≠c，α=β=γ=90oβ-Sn，TiO2立方晶系a=b=c，α=β=γ=90oFe，Cr，Au，Ag，CuFMS晶胞布拉菲点阵（14类）每个阵点的周围环境相同FMS1.2.2晶向指数与晶面指数晶面晶体中各方位上的原子面晶向晶体中各方向上的原子列采用Miller指数来标定晶向指数和晶面指数FMS晶向指数表示晶向的指数FMS晶向指数晶向AB建立坐标系B对A相对坐标（化整）[δxδyδz]负号在上因对称而等价的晶向总和为晶向族uvw找出[211]晶向FMS晶向指数晶向族[uvw]表示的是一组平行的晶向指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向称作晶向族uvw[111][111][111][111]XZY111FMS晶向指数晶向族立方晶系常见的晶向]111[]111[]111[]111[:111]110[]011[]101[]011[]101[]110[:110]001[]010[]100[:100、、、、、、、、、、FMS晶面指数即为晶面法向截距倒数化整（hkl），负号标在上找出（211）晶面FMS晶面指数晶面族(hkl)表示的是一组平行的晶面指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶面称作晶面族，用{hkl}表示FMS晶面指数晶面族（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY{110}FMS晶面指数晶面族立方晶系常见的晶面)111()111()111()111(:}111{)110()011()101()011()101()110(:}110{)001()010()100(:}100{、、、、、、、、、、FMS晶面指数立方晶系中，[hkl]晶向⊥(hkl)晶面XZY(221)[221]FMS六方晶系的晶向指数和晶面指数三轴坐标系a1a2c不能完全表达六方晶系的对称性，建立四轴坐标系a1a2a3c指数xypz，p=-(x+y)晶面指数(hkil)h，k，l的确定同立方晶系i=-(h+k)FMS六方晶系的晶向指数和晶面指数晶向指数[uvtw]类似三轴坐标向四晶轴垂直投影前三值乘以2/3整体化整FMS六方晶系的晶向指数和晶面指数晶向指数[uvtw]由三轴坐标系求出[UVW]三轴转为四轴FMS晶带与晶带定理晶带平行于某一晶向直线[uvw](晶带轴)的所有晶面(hkl)(晶带面)的组合，用晶带轴晶向指数表示性质晶带面//晶带轴晶带定理：立方晶系中，晶带轴与晶带面关系hu+kv+lw=0（向量正交，点积为0）FMS晶带与晶带定理已知晶带的两不平行晶面，求晶带轴的晶向指数两面求交线交线垂直两法线所构成的面叉积已知两不平行的晶向，求这两晶向决定的晶面指数两线所在面法向面法向垂直面上两线叉积FMS晶带与晶带定理晶带定理：hu+kv+lw=0三晶向共晶面条件三晶面共晶带条件FMS晶面间距晶面间距一组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的距离计算正交晶系六方晶系FMS晶面间距计算立方晶系注意：只适用于简单晶胞；对于面心立方hkl不全为偶、奇数，体心立方h+k+l=奇数时，d(hkl)=d/2。FMS晶面间距说明低指数晶面间距大，高指数晶面间距小，但和点阵类型还有关晶面间距越大，晶面上原子排列越密集；反之原子排列越稀疏晶面间距最大的面总是阵点(或原子)最密排的晶面不同晶面和晶向上原子排列情况不同晶体各向异性FMS晶面夹角晶向间夹角晶面间夹角FMS1.2.3典型金属晶体结构紧密堆积原理因为金属键没有方向性和饱和性，且晶体中的原子可看成是直径相等的球体，因此都趋向于使金属原子吸引更多的其他原子分布于周围，并以紧密堆积方式降低体系的能量，使晶体变得比较稳定常见纯金属的晶格类型体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格FMS1.2.3典型金属晶体结构——术语点阵常数衡量晶胞大小，立方晶系采用晶胞棱边长度a表示原子半径晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半FMS1.2.3典型金属晶体结构——术语晶胞原子数每个晶胞中累计包含的原子数n配位数晶体结构中与任一原子最近邻且等距离的原子数，CN，表征原子排列的紧密程度致密度晶胞中原子体积占总体积的百分数,表征原子排列紧密程度K=nv/VFMS面心立方(face-centeredcubic，fccorA1)晶格常数：a=b=c，α=β=γ=90°FMS面心立方(face-centeredcubic，fccorA1)FMS面心立方(face-centeredcubic，fccorA1)晶胞原子数：n=6