第一章++金属的晶体结构与结晶
第一章  金属的晶体结构与结晶
第一节  金属的晶体结构
一、晶体结构的基本概念
1、晶体
组成固态物质的最基本的质点（如原子、分子或离子）在三维空间中，作有规则的周期性重复排列，即以长程有序方式排列。这样的物质称为晶体。如：金属，天然金刚石，结晶盐，水晶，冰等
2、非晶体
组成固态物质的最基本的质点，在三维空间中无规则堆砌。这样的物质称为非晶体。如：玻璃，松香等。
晶体通常又可分为金属晶体和非金属晶体，纯金属及合金都属于金属晶体，其原子间主要以金属键结合，而非金属晶体主要以离子键和共价键结合。如：食盐NaCl（离子键），金刚石（共价键）都是非金属晶体。
图1-1 晶体、晶格与晶胞示意图
按晶体结构模型提出的先后，可将晶体结构模型分为几何（球体）模型、晶格模型和晶胞模型。
3、晶体的球体模型
就是把组成晶体的物质质点，看作为静止的刚性小球，他们在三维空间周期性规则堆垛而
成。该模型虽然很直观，立体感强，但不利于观察晶体内部质点的排列方式。针对这一缺陷科技工作者进一步提出了晶体的晶格模型。
4、晶格
为了研究晶体中原子的排列规律，假定理想晶体中的原子都是固定不动的刚性球体，并用假想的线条将晶体中各原子中心连接起来，便形成了一个空间格子，这种抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间格子称为晶格。晶体中的每个点叫做结点。
5、晶胞
晶体中原子的排列具有周期性的特点，因此，通常只从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子的排列规律，这个最小的几何单元称为晶胞。实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在三维空间重复堆积排列而成的。
6、晶格常数
晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角α、β、γ来表示，如图2.1 冰箱不制冷了一般都是哪里坏了（c)所示。晶胞的棱边长度称为晶格常数，以埃(Å)为单位来表示(1Å2023一月一号高速免费几天 =10-8cm)。
当棱边长度a=b=c，棱边夹角α=β=γ=90°时，这种晶胞称为简单立方晶胞。由简单立方晶胞组成的晶格称为简单立方晶格。
二、金属材料的特性
1、金属材料
金属材料是指金属元素与金属元素，或金属元素与少量非金属元素所构成的，具有一般金属特性的材料，统称为金属材料。
金属材料按其所含元素数目的不同，可分为纯金属（由一个元素构成）和合金（由两个或两个以上元素构成）。合金按其所含元素数目的不同，又可分为二元合金、三元合金和多元合金。大家知道物质按其形态不同，可分为固体、液体和气体。而固体又可分晶体和非晶体。
2、金属键
金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金属原子结合成固体时，彼此失去最外层子电子（过渡族元素也失去少数次外层电子），成为正离子，而失去的外层电子穿梭于正离子之间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力（库仑引力），这种结合方式称为金属键。
3、金属特征
金属材料主要以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征：
① 良好的导电、导热性：
自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作用下）导热。
②正的电阻温度系数：
即随温度升高，电阻增大，因为金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自由电子的定向运动，从而使电阻升高。
③不透明，有光泽：
自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见光能量辐射出来，产生金属光泽。
④具有延展性：
金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发生相对位移时，其结合键不会被破坏，从而具有延展性。
三、典型的金属晶体结构
1．体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞是一个立方体，其晶格常数a=b=c，在立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子，。每个晶胞中实际含有的原子数为(1/8)×8+1=2个。具有体心立方晶格的金属有铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、α铁(α-Fe)等。
图1-2  体心立方晶胞示意图
2．面心立方晶格
面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，其晶格常数a=b=c，在立方体的八个角和立方体的六个面的中心各有一个原子。每个晶胞中实际含有的原子数为（1/8）×8+6×（1/2）=4个。具有面心立方晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ铁(γ-Fe)等。
图1-3  面心立方晶胞示意图
3．密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是个正六方柱体，它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成。该晶胞要用两个晶格常数表示，一个是六边形的边长a，另一个是柱体高度c。在密排六方晶胞的十二个角上和上、下底面中心各有一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子。每个晶胞中实际含有的原子数为（1/6）×12+（1/2）×2+3=6个。具有密排六方晶格的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)等。
图1-4  密排六方晶胞示意图
四、典型晶格的致密度和配位数
以用刚性球体模型，计算出其晶体结构中的下列重要参数。
1、单位晶胞原子数：即一个晶胞所含的原子数目。
2、原子半径：是利用晶格常数，算出晶胞中两相切原子间距离的一半。
3、配位数：是晶体结构中任何一原子周围最近邻且等距离的原子数目，配位数越大，原子排列的越紧密。
4、致密度：是单位晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比，其表达式为 K=nv/V；K—致密度；n—单位晶胞原子数，v—每个原子的体积，V—晶胞体积，致密度越大，原子排列越紧密。
5、间隙半径：指晶格空隙中能容纳的最大球体半径。因为相同尺寸的原子，既使按最紧密方式排也会存在空隙。
表1-1  三种典型晶体结构的重要参数小结
晶格类型  单位晶胞原子数  原子半径γ  配位数  致密度  间隙半径
体心立方    2            √3/4a        8      0.68    0.29γ
面心立方    4            √2/4a      12      0.74    0.41γ
密排六方    6              1/2a      12      0.74    0.41γ
五、金属晶体中晶面和晶向的表示
晶面厦门旅游景点介绍 是金属晶体中原子在任何方位所组成的平面。
晶向 是金属晶体中原子在任何方向所组成的直线。
晶面指数 表示晶面在晶体中方位的符号。
晶向指数 表示晶向在晶体中方向的符号。
1、晶面指数的确定
①立坐标,出所求晶面的截距;(坐标原点不可设在所求晶面上)所求晶面与坐标轴平行时,截距为∞；
②取晶面与三个坐标轴截距的倒数；
③将所得倒数按比例化为最小整数，放入圆括号内，即得所求晶面的晶面指数，一般用（hkl）表示。
以P7页图1-5立方晶系为例，画图说明晶面指数的具体确定方法。对于立方晶系由于其对称性高，所以可将其原子排列情况相同，而空间位向不同的晶面归为同一个晶面族，用{hkl}表示。如（100），（010），（001）就属于{100}晶面族。而（110），（101），（
011），（ī10），（ī01），（0ī1）就属于{110}晶面族。（111），（11ī），（1ī1），（ī11）就属于{111}晶面族。
2. 晶向指数的确定
①建立坐标,将所求晶向的一端放在坐标原点上(或从坐标原点引一条平行所求晶向的直线)；
②求出所求晶向上任意结点的三个坐标值；
③将所得坐标值按比例化为最小整数，放入方括号内，即得所求晶向的晶向指数一般用[uvw]表示。以P7页图1-6为例，画图说明晶向指数的具体确定方法。对于立方晶系由于其对称性高，也可将其原子排列情况相同，而空间位向不同的晶向归为同一个晶向族，用<uvw>表示，如晶向[100]，[010]，[001]属于<100>晶向族。
在立方晶系中，当晶面指数与晶向指数相同时，即h=u, k=v, l=w时（hkl）⊥[uvw]，如（111）⊥[111]。
感动老公能哭的一段话由晶面指数和晶向指数的介绍，可以发现不同的晶面和晶向上，原子排列的紧密程度不同。晶面上原子排列的紧密程度，可用晶面的原子密度（单位面积上的原子数）表示；晶向上原子排列的紧密程度，可用晶向的原子密度（单位长度上的原子数）表示。以体心立方和面心立方为例，画图说明晶面和晶向原子密度的具体计算方法。见P8页表1-2。通过计算和比较可以发现，在晶体中原子最密排晶面之间的距离最大，原子最密排晶向之间的距离最大；这是晶体在外力作用时，总是沿着原子最密排晶面和原子最密排晶向，首先发生相对位移的主要原因之一。
六、金属晶体的各向异性
1、单晶体
由一个晶核所长成的大晶体,它的原子排列方式和位向完全相同,这样的晶体称为单晶体。
2、各向异性
是单晶体沿各不同晶面或晶向具有不同性能的现象。
如体心立方结构α-Fe单晶体的弹性模量E，在<111>方向E<111> =2.9×105  MPa，而在<100>方向E<100> =1.35×105  MPa，两者相差两倍多。而且发现单晶体的屈服强度、导磁性、导电性等性能，也存在着明显的各向异性。
单晶体具有各向异性的主要原因是，其晶体中原子在三维空间是规则排列的，造成各晶面和各晶向上原子排列的紧密程度不同（即晶面的原子密度和晶向的原子密度不同），使各晶面之间以及各晶向之间的距离不同，因此各不同晶面、不同晶向之间的原子结合力不同，从而导致其具有各向异性。
3怪物猎人2g太刀、多晶体
实际应用的体心立方结构铁的E =2.1×105  MPa爱情个人签名。因为它是多晶体，由许多晶粒组成。多晶体中各晶粒相当于一个小的单晶体，它具有各向异性。由于各晶粒位向不同，因此它们的各向异性相互抵消，表现为各向同性，多晶体的这种现象称为伪等向性（伪无向性）。下一节将详细讲解实际金属的晶体结构。
非晶体由于原子排列无规则，所以沿各不同方向测得的性能相同，表现为各向同性。第二
节  实际金属的晶体结构
理想晶体是指晶体中原子严格地成完全规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体。
实际晶体=多晶体+晶体缺陷
实际使用的金属材料绝大多数都是多晶体，实际金属材料的每个晶粒中，还存在着各种晶体缺陷。
1．多晶体结构和亚结构
实际工程上用的金属材料都是由许多颗粒状的小晶体组成，每个小晶体内部的晶格位向是一致的，而各小晶体之间位向却不相同，这种不规则的、颗粒状的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒之间的界面称为晶界，由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。一般金属材料都是多晶体结构。
在多晶体的每个晶粒内部,也存在着许多尺寸更小位向差也很小的小晶块。它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些在晶格位向中彼此有微小差别的晶内小区域称为亚结构或嵌镶块。

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