金属与合金的晶体结构

金属的晶体结构

1、金属的晶体结构

金属在固态下原子呈有序、有规则排列。

晶体有规则的原子排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡。

晶体特点： （1）有固定熔点，

（2）原子呈规则排列，宏观断口有一定形态且不光滑 （3）各向异性，由于晶体在不同方向上原子排列的密度不同，所以晶体在

不同方向上的性能也不一样。

三种常见的晶格及分析

（1）体心立方晶格：铬，钒，钨，钼，α-Fe。1/8*8+1=2个原子

（2）面心立方晶格：铝，铜，铅，银，γ-Fe。1/8*8+1/2*6=4个原子

（3）密排六方晶格：镁，锌。6个原子?用以描述原子在晶体中排列的空间格子叫晶格

体心立方晶格 面心立方晶格

密排六方晶格

2、金属的结晶

结晶的概念：金属材料通常需要经过熔炼和铸造，要经历有液态变成固态的凝固过程。金属由原子的不规则排列的液体转变为规则排列的固体过程称为结晶。

结晶过程 ：不断产生晶核和晶核长大的过程 冷却曲线：

过冷现象：实际上有较快的冷却速度。

过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差，过冷度。 金属结晶后晶粒大小

一般来说，晶粒越细小，材料的强度和硬度越高，塑性韧性越

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第二章 金属与合金的晶体结构

硅表面原子排列

碳表面原子排列

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第一节 晶体的基本知识金属的性能是由其组织结构决定的，其 中结构指的就是晶体结构。金属的晶体 结构就是其内部原子的排列方式，因为 金属是晶体，所以称为晶体结构。

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一、晶体与非晶体1、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。 长程有序，各向异性。 2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。 长程无序，各向同性。 3、在自然界中除少数物质(如普通玻璃、松香、石蜡 等)是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合 金、硅酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚 至植物纤维都是晶体。

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一、晶体与非晶体

金属晶体模型

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晶体与非晶体的性能区别 有些晶体具有规 则的多面体外形， 如水晶；有些则 没有规则整齐的 外形，如金属。 晶体有固定的 熔点，而非晶体 则没有。

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晶体与非晶体的转变 晶体与非晶体在一定条件下可以相互转变

1. 玻璃经长时间加热能变为晶态玻璃；

2. 金属从高温液态急冷，可变为非晶态金属；3. 非晶态金属具有高的强度与韧性等一系列突出

性能，近年来已为人们所重视。

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二、金属键 金属原子结合方式1. 金属键：

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第二章 金属与合金的晶体结构

硅表面原子排列

碳表面原子排列

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第一节 晶体的基本知识金属的性能是由其组织结构决定的，其 中结构指的就是晶体结构。金属的晶体 结构就是其内部原子的排列方式，因为 金属是晶体，所以称为晶体结构。

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一、晶体与非晶体1、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。 长程有序，各向异性。 2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。 长程无序，各向同性。 3、在自然界中除少数物质(如普通玻璃、松香、石蜡 等)是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合 金、硅酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚 至植物纤维都是晶体。

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一、晶体与非晶体

金属晶体模型

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晶体与非晶体的性能区别 有些晶体具有规 则的多面体外形， 如水晶；有些则 没有规则整齐的 外形，如金属。 晶体有固定的 熔点，而非晶体 则没有。

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晶体与非晶体的转变 晶体与非晶体在一定条件下可以相互转变

1. 玻璃经长时间加热能变为晶态玻璃；

2. 金属从高温液态急冷，可变为非晶态金属；3. 非晶态金属具有高的强度与韧性等一系列突出

性能，近年来已为人们所重视。

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二、金属键 金属原子结合方式1. 金属键：

课题二 金属的晶体结构、铁碳合金组织和相图

金属材料的基本知识钢铁材料 铸铁(含碳量大于2.11%的铁碳合金) 根据含碳量的不同分为 钢(含碳量小于2.11%的铁碳合金) 炼铁 钢铁材料的生产方式 炼钢 钢材生产 型材：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等钢材种类

板材：中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片 管材：无缝钢管和焊接钢管(又称有缝钢管) 线材：直径为6~9mm的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢

金属材料在不同的使用场合下，所要求的力学性能、物理性

能、化学性能以及工艺性能各不相同。虽然都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能差异也非常大。造成金属材料性能差异 的主要原因是由于金属材料内部结构的不同。

一 金属的晶体结构与结晶 1.1 晶体及其特点固态物质分类

根据内部原子堆积的情况

晶体：如纯铝、纯铁、纯铜等 非晶体：玻璃、沥青、松香、石蜡等

晶体和非晶体的根本区别

晶体中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规则作周期性地重复排列。 非晶体中的质点，是杂乱无章地堆积在一起，无规则可循。

晶体的特点

晶体具有规则的外形。晶体具有固定的熔点。

晶体具有各向异性。

纯铁晶粒 的内部结 构示意图

1.2 金属的三种常见晶体结构体心立方晶格

面心立方晶格密排六

第40讲 晶体结构与性质

基础题组

1.(2017课标Ⅰ,35,15分)钾和碘的相关化合物在化工、医药、材料等领域有着广泛的应用。回答下列问题: (1)元素K的焰色反应呈紫红色,其中紫色对应的辐射波长为 nm(填标号)。 A.404.4 B.553.5 C.589.2 D.670.8 E.766.5

(2)基态K原子中,核外电子占据最高能层的符号是 ,占据该能层电子的电子云轮廓图形状为 。K和Cr属于同一周期,且核外最外层电子构型相同,但金属K的熔点、沸点等都比金属Cr低,原因是 。

++(3)X射线衍射测定等发现,I3AsF6中存在I3离子。I3离子的几何构型为 ,中心原子的杂化形式

为 。

(4)KIO3晶体是一种性能良好的非线性光学材料,具有钙钛矿型的立方结构,边长为a=0.446 nm,晶胞中K、I、O分别处于顶角、体心、面心位置,如图所示。K与O间的最短距离为 nm,与K紧邻的O个数为 。

(5)在KIO3晶胞结构的另一种表示中,I处于各顶角位置,则K处于 位置,O处

晶体结构与晶体中的缺陷习题

1、证明等径圆球面心立方最密堆积的空隙率为25.9％。

解：设球半径为a，则球的体积为4/3πa3，求的z=4，则球的总体积（晶胞）4×4/3πa3，

33立方体晶胞体积：(22a)?162a，空间利用率=球所占体积/空间体积=74.1%，

空隙率=1-74.1%=25.9%。

2、金属镁原子作六方密堆积，测得它的密度为1.74克/厘米3，求它的晶胞体积。 解：ρ=m/V =1.74g/cm3，V=1.37×10-22。

3、 根据半径比关系，说明下列离子与O2-配位时的配位数各是多少? 解：Si4+ 4； K+ 12； Al3+ 6； Mg2+ 6。

4、一个面心立方紧密堆积的金属晶体，其原子量为M，密度是8.94g/cm3。试计算其晶格常数和原子间距。 解：根据密度定义，晶格常数

a0?34M/(6.023?1023?8.94?0.906?10?8M1/3(cm)?0.0906M1/3(nm)

原子间距= 2r?2?(2a/4)?0.0906M1/3/2?0.0641M1/3(nm)

5、 试根据原子半径R计算面心立方晶胞、六方晶胞、体心立方晶胞的体积。解：面心立方晶胞：V?a0?(22R)3?162R3

ICSD Inorganic Crystal Structure Database 无机晶体结构数据库

CSD The Cambrige Structural Database System 有机晶体结构数据库 CCDC 有机物结构数据库

二、掌握群的定义及其本质，了解晶体点群与空间群的一般概念 群是按照某种规律相互联系的一些元素的集合。必须满足以下四个条件：1封闭性群中任意两个元素的乘积，必为群中的一个元素； 2单值性群中元素的乘积满足结合律：A(BC)=(AB)C 3可逆性群中每个元素都存在逆元素：XX-1=X-1X=E

4存在单位元素E：E与任何元素相乘，得到其本身：EX=XE=X 群的本质不在于构成群的元素是什么，而在于它们必须服从上述四条规则。

点群一般用于研究有限图形的对称性，对称元素有限且必相交于一点。

结晶学空间群，即“空间对称操作(元素)系”，就是能使三维周期物体(无限大晶体)自身重复的几何对称操作的集合。构成空间群的这些操作的集合构成数学意义上的群。空间群是保持晶体不变的所有对称操作(包括点群操作、平移以及它们的联合)的集合。

空间群总共有230种。其中不包含滑移面或螺旋轴的有73种，称为简单空间群；其余15

第三章 分子结构与晶体结构

一.选择题

1、下列化合物熔点高低顺序为（ ）。

（A）SiCl4＞KCl＞SiBr4＞KBr （B）KCl＞KBr＞SiBr4＞SiCl4 （C）SiBr4＞SiCl4＞KBr ＞KCl （D）KCl＞KBr＞SiCl4＞SiBr4 2、下列物质在水溶液中溶解度最小的是（ ）。 （A）NaCl （B）AgCl （C）CaS （D）Ag2S

3、在下列各种晶体熔化时，需要破坏共价键的是（ ），只需克服色散力的是（ ）。 （A）SiCl4 （B）HF （C）Ag （D）NaCl （E）SiC 4、下列化合物熔点高低顺序为（ ）。 （A）SiO2＞HCl＞HF （B）HCl＞HF＞SiO2

（C）SO2＞HF＞HCl （D）HF＞SiO2＞HCl

5、乙醇的沸点（78℃）比乙醚的沸点（35℃）高得多，主要原因是（ ）。 （A）由于相对分子质量不同 （B）由于分子极性不同 （C）由于乙醇分子间存在氢键 （D）由于乙醇分子间取向力强 6、下列微粒半径由大到小的顺序是（ ）。

（A）Cl 、K

典型的晶体结构

1.铁

铁原子可形成两种体心立方晶胞晶体：910℃以下为α－Fe，高于1400℃时为δ－Fe。在这两种温度之间可形成γ－面心立方晶。这三种晶体相中，只有γ－Fe能溶解少许C。问：

1．体心立方晶胞中的面的中心上的空隙是什么对称？如果外来粒子占用这个空隙，则外来粒子与宿主离子最大可能的半径比是多少？

2．在体心立方晶胞中，如果某空隙的坐标为（0，a/2，a/4），它的对称性如何？占据该空隙的外来粒子与宿主离子的最大半径比为多少？

3．假设在转化温度之下，这α－Fe和γ－F两种晶型的最相邻原子的距离是相等的，求γ铁与α铁在转化温度下的密度比。

4．为什么只有γ－Fe才能溶解少许的C？ 在体心立方晶胞中，处于中心的原子与处于角上的原子是相接触的，角上的原子相互之间不接触。a＝(4/3)r。

① ② ③

1．两个立方晶胞中心相距为a，也等于2r＋2rh［如图①］，这里rh是空隙“X”的半径，a＝2r＋2rh＝(4/3)r rh/r＝0.115（2分）

面对角线（2a）比体心之间的距离要长，因此该空隙形状是一个缩短的八面体，称扭曲八面体。（1分）

2．已知体心上的两个原子（A和B）以及连接两个晶体底面的两个角上原子［图②中C和D］

第一章 晶体结构

1、 三维空间有多少种布拉菲格子？画图说明这些布拉菲格子。

解：三维空间有14种布拉菲格子，分别如下图所示：

2、 石墨层中的碳原子排列成如图所示的六角网状结构，试问一个原胞含有几个原子？为什

么？

解：石墨层中一个原胞包含两个原子。图中A和B原子是不等价的，它们的几何处境不相同，因此一个原胞中至少有两个碳原子；如图所示，石墨单层可通过图中虚线框所围，包含A、B两个原子的单元周期性平移得到，它能构成石墨单层的一个原胞，因此石墨层中一个原胞包含两个原子。

3、 利用刚球密堆模型,求证球可能占据的最大体积与总体积之比为：

?(1) 简单立方

6(5) 金刚石；（2）体心立方

322（3）面心立方（4）六角密积?；?；?； 8663?。 16解：（1）在简立方的结晶学原胞中，设原子半径为R，则原胞的晶体学常数a?2R，则简立方的致密度（即球可能占据的最大体积与总体积之比）为：

441??R31??R3???33?33?

6a(2R)（2）在体心立方的结晶学原胞中，设原子半径为R，则原胞的晶体学常数a?4R/3，则体心立方的致密度为：

442??R32??R33?3??33?? 38a(4R/3)（3）在面心立方的结晶学原胞中，设