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1、KEY 2-2 纯金属的晶体结构 自然界中的物质按原子（离子、分子）聚集的组态可分 为晶体和非晶体两大类 晶体与非晶体的最本质差别在于微观结构的不同。 组成晶体的原子、离子、分子等质点是规则排列的（ 长程序），如金属、食盐、单晶硅等。 金属及合金在大多数情况下都是晶体 如常见的金属材料FeAlCu及其合金都是晶体。 这些金属晶体是由金属离子间以金属键结合在一起 的,因此都具有较好的塑性及导电性,但为什么同样 以金属键结合的铁、铝等材料在塑性上又存在很大 的差异呢？ 常见的金属材料铁、铝、铜。常见的金属材料铁、铝、铜。 研究表明，材料的性能不仅与其组成原子的本性及原子间的结合 键有关，还与晶体中
2、原子排列的方式有关，即晶体结构有关。 所谓晶体结构是指晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具 体排列情况。 晶体结构是决定固态金属的物理、化学和力学性能的基本因素 之一。 因此下面介绍描述晶体中原子排列的的一些基本概念，由于 金属材料的晶体结构相对简单，因此以金属晶体为例进行说 明。 一、晶格和晶胞 为了便于描述和研究这些原子（离子、分子）的排列规律， 通常将实际晶体结构简化为完整无缺的理想晶体，并近似地 把原子（离子、分子）看成是不动的等直径钢球，且在三维 空间内紧密堆积，没有局部排列的缺陷。 用假想的平行直线将所有的质点中心连接起来，构成一个三维 空间的几何格架，图中各直线的交点称为结点。
3、 这些结点所形成的空间点的阵列称为空间点阵 用假想的直线将这些结点连接起来所形成的三维空间格架 晶格 晶格能直观地表达晶体中原子的排列规律，而晶格中的原 子排列为周期性重复排列 晶 胞 为了描述晶体中原子的排列规律，我们从晶格中选取一个能代 表晶体原子排列规律的最小几何单元称为晶胞 如图所示，一般是取一个最小的平行六面体作为晶胞， 可见晶胞在三维空间重复堆砌就可构成晶格。 取晶胞角上的某一结点（习惯取左下角 后面一结点）作为原点，沿其三条棱边 作坐标轴X、Y、Z，并以三棱边的长度a 、b、c及各边间的夹角、这六个参 数来表示晶胞的形状和大小 二、晶格常数和晶系二、晶格常数和晶系 a b z x
4、 y 晶格常数 晶胞各边的长度a、b、c称为晶格常数，单位为nm 金属的晶格常数大都为0.10.7nm 在晶体学中，通常按晶胞中的三个棱边的长度及夹 角是否相等，还有夹角是否为直角等原则，将全部 晶体分成了7种类型，即7个晶系。 法国晶体学家布拉斐（Bravais）曾证明在7个晶系中存 在着7种简单晶胞（晶胞中原子数为1）和7种复杂晶胞 （晶胞中原子数在2以上） ，即14种晶胞。 由元素周期表中可以看出，常见的纯金属晶体结构 主要有以下三种 密排六方晶格 体心立方晶格 面心立方晶格 三、纯金属的晶体结构 1）体心立方晶格（b.c.c） 在立方体的八个角点上各有一个与相邻晶胞共有的原子，并在 立
5、方体的中心有一个原子 Body-Centred Cubic Lattice 模模型型晶晶胞胞 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺） abc，故只用a即可表示 晶格常数 属于体心晶格的金属有钠、钾、铬、 钼、钨、钽、铌、-Fe等 2 2）面心立方晶格）面心立方晶格(f.c.c) (f.c.c) Face-Centred Cubic Lattice 在立方体的八个角点和六个面的中心上，各有一个与 相邻晶胞共有的原子 模模型型 晶晶胞胞 abc，故只用a即可表示 晶格常数 属于面心立方晶格的金属有：金、银、镍、铝、铜、 铅、-Fe等 温度在9121394
6、的铁 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报：奉献教 育（店铺） 3 3）密排六方晶格密排六方晶格(c.p.h) Close-Packed Hexagonal Lattice 正六棱柱体，在上下两面的角点和中心，各有一个与相邻晶胞 共有的原子，并在上下两面中间有三个原子 模模型型 晶晶胞胞 六棱柱底面的边长和高 晶格常数 属于密排六方晶格的金属有镁、锌、 镉、铍等 晶胞原子数 指一个晶胞内所包含的原子数目 由于晶体可看做是由许多晶胞堆砌而成的， 故立方晶胞中结点处的原子为8个晶胞所共 有，六方晶胞中结点处的原子为6个晶胞所 共有，晶面上的原子为2个晶胞所共有，只 有晶
7、胞内的原子才完全为1个晶胞所独有。 体心立方晶格： 晶胞原子个数 n=2，8*1/8+1=2 面心立方晶格： 晶胞原子个数 n=4 6*1/2+8*1/8=4 晶胞原子数 密排六方晶格 n=6 121/6+21/2+3=6 原子半径 体心立方：体对角线的1/4 晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半尺寸 根据前面的假设，把原子作为等直径的钢球，并认为它们之 间是紧密排列时彼此相切的。 原子半径 体心立方：体对角线的1/4 ar 4 3 ar 4 2 面心立方晶格： 面对角线的1/4 r ar 4 2 面心立方晶格： 面对角线的1/4 ar 2 1 底面边长的1/2 密排六方晶格： 致密度和
8、配位数 致密度：晶胞中原子本身所占有的体积百分数 不同类型的晶格，其内部原子排列的密集情况不一样，用致 密度和配位数两个参数来描述其排列的密集程度。 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺） 致密度和配位数 体心立方晶格：K=0.68 面心立方晶格： K=0.74 密排六方晶格密排六方晶格 K=0.74K=0.74 由此可以看出，体心 立方晶胞中原子占体 积的68%，面心立方和 密排六方晶胞中原子 占体积的74%，其余的 32%和26%的体积则为 晶格间隙 配位数 晶体中与任一原子最近的且相等的原子数目，配位数越大则 原子排列的致密度越高。 体心立方晶格配位数：8 面心立方晶格配位数：12 密排六方晶格配位数：12 当金属从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 同时发生变化。由此可见，同种原子处于不同的晶格中， 其原子半径也是不同的。 三种晶格的比较 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）