材料科学与工程第二章-固体结构-2市公开课一等奖百校联赛优质课金奖名师赛课获奖课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。,*,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。,2.2 金属晶体结构,1/63,12/4/2024,1,2.2.1 三种经典金属晶体结构,金属在固态下普通都是晶体。决定,晶体结构（,crystal structure）,内在原因是原子，离子，分子间键合类型及键强弱。金属晶体是以金属键结合，内部原子趋向于密集排布，组成高度对称性简单晶体结构。,面心立方结构,A1 或 fcc,（,face-centered cubic）立方晶系,体心立方结构,A2 或 bcc,（,body-centered cubic）立方晶系,密排六方结构,A3 或 hcp,（,hexagonal close-packed）六方晶系,2/63,12/4/2024,2,2.2.1 经典金属晶体结构,（1）面心立方结构（face-centered cubic,FCC）,FCC,:-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pt等,约,20,种金属。,刚球模型,质点模型,3/63,12/4/2024,3,晶胞中原子数,4/63,12/4/2024,4,点阵常数与原子半径关系,R,R,2,R,a,（100）,5/63,12/4/2024,5,配位数与致密度,配位数,（CN）,：,(coordination number),晶体结构中，任一原子周围,最近邻且等距,原子数。,配位数越大，原子排列紧密程度越高。,最近邻原子间距:,R,R,2,R,a,6/63,12/4/2024,6,致密度,（atomic packing factor,APF）:,7/63,12/4/2024,7,（2）体心立方结构（,body-centered cubic,BCC,）,BCC,:-Fe、-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等,约30,种金属。,刚球模型,质点模型,8/63,12/4/2024,8,晶胞中原子数,9/63,12/4/2024,9,点阵常数与原子半径关系,R,R,2,R,a,a,（110）,10/63,12/4/2024,10,配位数与致密度,最近邻原子间距:,次近邻原子间距:,a,11/63,12/4/2024,11,（3）密排六方结构（,hexagonal closed-packed,HCP,）,HCP,:-Ti、Be、Zn、Cd、Mg等金属。,刚球模型,质点模型,12/63,12/4/2024,12,晶胞中原子数,13/63,12/4/2024,13,点阵常数与原子半径关系,当,c,/,a,=1.633,时,，,a,=,2,R,c,/,a,1.633,时,，,a,14/63,12/4/2024,14,配位数与致密度,最近邻原子间距:,a,15/63,12/4/2024,15,c,H,a,H,b,H,c,R,a,R,b,R,Transformation of hexagonal to rhombohedral indices and vice versa,16/63,12/4/2024,16,.Transformation of hexagonal to rhombohedral indices and vice versa,c,H,a,H,b,H,c,R,a,R,b,R,17/63,12/4/2024,17,18/63,12/4/2024,18,19/63,12/4/2024,19,晶体结构类型 FCC BCC HCP,晶胞原子数 4 2 6,原子半径,配位数 12 8,（8+6）12,(6+6),致密度 0.74 0.68 0.74,三种经典,金属晶体结构小结,最密排面 111 110 0001,最密排方向 ,20/63,12/4/2024,20,1.晶向原子密度（线密度）：,该晶向单位长度上节点(原子)数。,L,=N,L,/L,L:晶向长度,N,L:,单一晶胞内一晶向上原子数,2.晶面原子密度（面密度）：,该晶面单位面积上节点(原子)数。,A,=N,A,/A,线密度和面密度,21/63,12/4/2024,21,a,密排面：原子密度最大晶面,100,110,111,晶面原子排列示意图,a,晶面原子密度,(原子数/面积）,晶面原子排列示意图,晶面原子密度,(原子数/面积）,a,a,a,密排面,110,111,体心立方晶格,面心立方晶格,22/63,12/4/2024,22,a,密排方向：原子密度最大晶向,晶向原子排列示意图,晶向原子密度,(原子数/长度）,晶向原子排列示意图,晶向原子密度,(原子数/长度）,a,密排方向,体心立方晶格,面心立方晶格,23/63,12/4/2024,23,结构类型,最密排面,最密排方向,bcc,fcc,hcp,原子最密排面和最密排方向,线密度和面密度,24/63,12/4/2024,24,试计算体心立方铁受热而变为面心立方铁时出现体积改变。在转变温度下,体心立方铁点阵参数是2.863埃，而面心立方铁点阵参数是3.591埃。,思索题,这表明铁在加热时出现收缩。,25/63,12/4/2024,25,分别画出面心立方晶格和体心立方晶格,100,110,111晶面上原子排列示意图。,思索题,26/63,12/4/2024,26,面心立方和密排六方结构致密度均为,0.74，是纯金属中最密集结构,面心立方与密排六方即使晶体结构不一样，但配位数与致密度却相同，为搞清其原因，必须研究晶体中原子堆垛方式,面心立方与密排六方最密排面原子排列情况完全相同，但,堆垛方式,不一样,1.晶体中原子堆垛方式,2,.2.2 晶体原子堆垛方式和间隙,27/63,12/4/2024,27,原子堆垛方式,密排六方：ABABAB,或ACACAC,面心立方：ABCABC,或ACBACB,二维排列方式,密排面原子排列方式,空隙位置和密排面堆积方法,28/63,12/4/2024,28,晶体结构中原子堆垛,A,B,C,A,A,B,A,B,29/63,12/4/2024,29,按ABAB或ACAC次序堆垛，组成HCP,A,B,A,HCP,是以其,最密排面0001,按,ABAB,次序堆垛起来。,30/63,12/4/2024,30,FCC,是以其,最密排面111,按,ABCABC,次序堆垛起来。,010,100,001,A,B,C,按ABCABC或ACBACB次序堆垛，组成 FCC,31/63,12/4/2024,31,这两种最密堆积是金属单质晶体经典结构.,（2）,ABABAB,即每两层重复一次,称为A,3,(或,A3)型,从中可取出六方晶胞。,（1）,ABCABC,即每三层重复一次,这种结构称为A,1,(或,A1)型,从中能够取出,面心,立方晶胞;,32/63,12/4/2024,32,ABCABC堆积怎么会形成立方面心晶胞?请来个逆向思维:,从逆向思维你已明白，,面心,立方晶胞确实满足,ABCABC堆积。,那么,再把思绪正过来:ABCABC堆积形成立,面心,方晶胞也轻易了解吧?,取一个立方面心晶胞：,体对角线垂直方向就是密置层,将它们设成3种色彩:,将视线逐步移向体对角线，,沿此线观察:,你看到正是,ABCABC堆积！,33/63,12/4/2024,33,面心立方晶体,ABCABC 次序密堆结构,A,B,B,B,B,B,B,B,B,B,B,B,B,B,B,B,C,C,C,C,ABCABCABC,或,THE END,C,C,C,C,A,A,A,34/63,12/4/2024,34,A,B,B,B,B,B,B,B,B,B,B,B,B,B,B,B,A,A,A,A,ABABAB,或,THE END,密排六方结构堆垛次序,35/63,12/4/2024,35,立方紧密堆积,六方紧密堆积,第一层,第二层,第三层,原子堆垛演示,36/63,12/4/2024,36,A,B,C,B,C,A,B,A,37/63,12/4/2024,37,38/63,12/4/2024,38,39/63,12/4/2024,39,Packing of the BCC crystal (ABCABC),40/63,12/4/2024,40,四面体,八面体,2 晶体中原子间间隙,金属晶体中存在许多间隙，其中位于,6,个原子所组成八面体中间间隙称为八面体间隙；位于,4,个原子所组成四面体中间间隙称为四面体间隙。,41/63,12/4/2024,41,含有面心立方结构金属：,Cu、Ag、Au、r-Fe、Ni、Al等,面心立方中八面体间隙,42/63,12/4/2024,42,八面体间隙数目,八面体间隙半径,间隙大小,r,B,/,r,A,=0.414,间隙位置：,晶胞体中心和每个棱边中点,面心立方中八面体间隙,43/63,12/4/2024,43,间隙位置：,4条体对角线上，每一条对角线上有两个，位于1/4和3/4处。,面心立方中四面体间隙,44/63,12/4/2024,44,四面体间隙数目,四面体间隙半径,间隙大小,r,B,/,r,A,=0.225,面心立方中四面体间隙,45/63,12/4/2024,45,bcc结构金属:,Fe、Fe、Cr、Mo、W、V等,八面体间隙位置：,梭边中心和各面面心,体心立方中八面体间隙,46/63,12/4/2024,46,八面体间隙数目,八面体间隙半径,间隙大小：,r,B,/,r,A,=0.154,r,B,/,r,A,=0.633,体心立方中八面体间隙,47/63,12/4/2024,47,四面体间隙位置：,侧面中心线1/4和3/4处,体心立方中四面体间隙,体心立方晶体中八面体空隙与四面体空隙位置,48/63,12/4/2024,48,四面体间隙数目,四面体间隙半径,间隙大小,r,B,/,r,A,=0.291,体心立方中四面体间隙,49/63,12/4/2024,49,hcp结构金属有：,Mg、Zn、Be、Cd等,位置,:,相间三棱柱中心线,1/4和3/4处.,密排六方中八面体间隙,50/63,12/4/2024,50,密排六方与面心立方结构相比，两种结构八面体和四面体形状完全相同，但位置不一样,八面体间隙数：6个,八面体间隙半径：,间隙大小：,r,B,/r,A,=0.414,密排六方中八面体间隙,51/63,12/4/2024,51,四面体间隙位置：,1)棱及中心线3/8和5/8,2)相间三棱柱中心线1/8和7/8处,密排六方中四面体间隙,52/63,12/4/2024,52,间隙数量：,间隙半径：,间隙大小,r,B,/r,A,=0.225,密排六方中四面体间隙,53/63,12/4/2024,53,(1),fcc,和,hcp,都是密排结构，而,bcc,则是比较“开放”结构，因为它间隙较多。所以，碳、氮、氢、氧、硼等原子半径较小元素（即间隙原子）在,bcc,金属中扩散速率往往比在,fcc,及,hcp,金属中高得多。,(2),fcc,和,hcp,金属中八面体间隙大于四面体间隙，故这些金属中间隙原子往往位于八面体间隙中。,(3)f,cc,和,hcp,中八面体间隙远大于,bcc,中八面体或四面体间隙，因而间隙原子在,fcc,和,hcp,中固溶度往往比在,bcc,中大得多。,几点说明,:,2 晶体结构中间隙,54/63,12/4/2024,54,(4)在,bcc,晶体中，四面体间隙大于八面体间隙，因而间隙原子应占据四面体间隙位置。但另首先，因为,bcc,八面体间隙是不对称，即使上述间隙原子占据八面体间隙位置，也只引发距间隙中心为两个原子显著地偏离平衡位置。所以，在有些,bcc,金属中，间隙原子占据四面体间隙位置（如碳在钼中），在另一些,bcc,晶体中，间隙原子占据八面体间隙位置（如碳在-铁中）。,(5),fcc,和,hcp,晶体中八面体间隙大小彼此相等，四面体间隙大小也相等，其原因在于这两种晶体原子堆垛方式非常相同。,几点说明,:,2 晶体结构中间隙,55/63,12/4/2024,55,“记忆方法”,56/63,12/4/2024,56,金属晶体密度计算,理论上金属晶体密度遵照以下关系：,n,=单位晶胞所包含原子个数,A,=相对原子质量,V,C,=,单位晶胞体积,N,A,=阿伏伽德罗常数(6.02310,23,atoms/mol),57/63,12/4/2024,57,1、Ni,晶体结构为面心立方结构，其原子半径为r0.1243nm，试求Ni晶格常数和密度。,例 题,58/63,12/4/2024,58,例 题,2、,铁在912时由 Fe（体心立方）变为Fe（面心立方），已知碳存在于铁间隙中，试解释为何碳在Fe中溶解度（最高可达w,c,2.11%）比在Fe中溶解度（最高只有w,c,0.0218%）大？,已知Fe、Fe和碳原子半径分别为0.129nm、0.125nm和0.077nm。,书本P48第一段,59/63,12/4/2024,59,有些固态金属在不一样温度和压力下含有不一样晶体结构即含有多晶型性，转变产物称为,同素异构体。,因为不一样晶体结构致密度不一样，当金属由一个晶体结构变为另一个晶体结构时，将伴随有质量体积跃变即体积突变。,比如纯铁,2,.2.,3 多晶型性,60/63,12/4/2024,60,纯铁加热时膨胀曲线,61/63,12/4/2024,61,碳纳米管（Carbon Nanotube）,62/63,12/4/2024,62,3、,Cr晶格常数a0.2884nm，密度为7.19g/cm,3,，试确定此时Cr晶体结构。,4、In含有四方结构，其相对原子质量为114.82，原子半径r=0.1625nm，晶格常数a=0.3252nm，c=0.4946nm，密度=7.286g/cm,3,，试问In单位晶胞内有几个原子？In致密度为多少？,作 业,63/63,12/4/2024,63,