材料科学基础-第2章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。共价键示意图金刚石为共价晶体。由碳原子组成，构成正四面体：一个碳原子在中心，另外4个碳原子在4个顶角上。硅、锗、锡等元素也可构成共价晶体。属于共价晶体的有SiC、Si3N4、BN等化合物。共价键特点：结合力很大。共价晶体强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低。金刚石结构三、金属键周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子丢失价电子成为正离子。被丢失的价电子为全体原子所公有，叫自由电子，在正离子之间自由运动，形成电子气。正离子在三维空间规则分布。正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力叫金属键。金属键示意图钼的结构金属由金属键结合，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——共价键和范德华力晶体分类：结合力无方向性和饱和性~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%晶胞球VVnn~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）堆积型式①A1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：a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，重复单位⃒ABC⃒。ABCAABA重复AB的堆积叫A3堆积，重复单位⃒AB⃒。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(cubicclosestpacking)简写为ccp。晶胞内含有4个球。)21,21,0()21,0,21()0,21,21()0,0,0(分数坐标：AABCxyz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CBA设：晶胞中球半径为r，晶胞参数为aa与r的关系：aar空间利用率：%晶胞球VVar%.%ar4raaA1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ＣＡＢA1中,晶胞中有4个球,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(hexagonalclosestpacking)简写为hcp。A3堆积：晶胞内含有２个球。),,(),,,(分数坐标：),,(orxyzABA1200密置层为(001)配位数：12结构基元：２个球点阵型式：２个球为二套等同点六方简单BAAABABA设：球半径：r，晶胞参数：aa与r的关系：rba空间利用率：%晶胞球VVac.2rbcaa2r%.ar%.A3堆积中,球数:八面体空隙:四面体空隙=1:1:2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：),,)(,,(xyz（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12②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（bodycubicpacking）简写为：bcpA2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：%.%%arVV晶胞球空间利用率：arar,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，),,(),,(),,(),,(),,)(,,)(,,)(,,(),,)(,,)(,,)(,,(或两套等同点，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：arar,空间利用率%晶胞球VV%.%)(aa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：金属晶体中紧邻原子间距离的一半。如：立方F点阵arar立方I点阵arar同一种金属元素，在不同结构型式中金属的原子半径不同。AAArrr或%配位数1286421原子半径相对值1.000.970.960.880.810.72P524表5—3.2中金属原子半径已折合成配位数为12A2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arpmar.aNMNVnMVWApAt晶胞晶胞)/(.).(.cmg例2：灰锡为金刚石型结构，晶胞参数a=648.9pm。①写出晶胞中8个Sn原子的分数坐标②计算Sn原子的的半径③求:Sn的相对原子质量④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。⑤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。cmgSn.灰解：①),,(),,,(),,,(),,,(),,(,),,(),,,(),,,(②A4型结构中ar)(.pmar③aNMNVnMASnA晶胞)/(.molgNaMASn④白Sn中).(.)(cmgcaNMNVnMASnASn晶胞白白Sn灰Sn密度由7.265.75∴体积增大了。⑤谁的间距大(半径大),谁的配位数高。pmdSnSn.白白Sn中原子的配位数高pmrdSnSnSn灰灰灰Sn中白Sn灰Snt13.20C金属晶体的结构a与r的关系配位数68.028222A3(AB,AB…)4A1(ABC,ABC…)ar),,)(,,(),,)(,,(),,(),,)(,,(or),,)(,,();;;(acar.arar8);;;(11274.054434.01A4A2堆积方式点阵型式立方F立方I六方简单立方F球数及坐标一个晶胞中结构基元数空间利用率(%)41274.05ABOGEDxyEGABCDOF300yxaBDaBDDGOCaDGFGcosaFGDFsinaaaOFaBEABOA)()()(,aaBGBEEGBEG中aaac.),,(Ezca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：▲▲▲▲▲▲①层中每个球都与六个球紧密接触，并形成六个△空隙。②垂直密置层的方向有,密置层中可画出六方格子，每个格子中包含一个圆球和二个△空隙。BAAAB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。ABOEG2.5、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