金属的晶体结构在线视频

本小节我们来学习

金属的晶体结构

如图所示元素周期表中

红色元素为典型金属元素

绝大多数典型金属元素

都具有高对称性的简单结构

其典型晶体结构为面心立方

体心立方以及密排六方结构

元素周期表中黄色元素

为8个第二类金属元素

其晶体结构和第一类有一些不同

其中锌 镉虽为密排六方结构

但晶胞参数

c比上a较大

铊和铅元素的结构虽然和第一类相同

但原子的离子化不完全

原子间距也比典型金属大

汞和锡的结构比较复杂

而镓则具有复杂的正交结构

第三类多数为非金属元素

也包括少数亚金属

例如硅 锗 锑 铋等

这类元素多数具有复杂的晶体结构

本节重点讨论第一类金属元素的晶体

由于金属键没有饱和性和方向性

因此大多数金属的晶体结构比较简单

而且倾向于形成比较致密的结构

如图所示最典型的面心立方结构

体心立方结构和密排六方结构

需要注意的是面心立方和体心立方

对应的空间点阵和晶体结构是相同的

但密排六方晶体结构所对应的空间点阵

为简单六方点阵

从图中可以看出

对位于密排六方点阵中间的阵点的B 点

若沿图中AB 直线平移一矢量A B

将移至点阵中的C 点

而实际点阵中该处却没有阵点

因此 如果把A B两个原子基团作为一个阵点

就可看出密排六方晶体点阵

实质上就是一个简单六方点阵

我们先来学习面心立方晶胞的原子数

Al γFe Ni Cu Ag Au等20余种金属

都具有面心立方晶体结构

由于晶体可看作是由许多晶胞堆砌而成

故每个晶胞角上的原子

应同时属于相邻的8 个晶胞所共有

每个晶胞实际上只占有该原子的八分之一

而位于面中心上的原子

同时属于相邻的两个晶胞所共有

所以每个晶胞只分到面心原子的二分之一

如图所示

如果设想把面心立方晶胞从晶体中切割开来

即可清楚地看出上述情况

由此可知面心立方晶胞中的原子数为4

下面我们学习面心立方的点阵常数

许多金属都具有面心立方晶体结构

但它们的晶胞大小各不相同

每种金属在一定温度下有其特有的晶胞

具有不同的尺寸

晶胞大小是用点阵常数来衡量的

它是表征物质晶体结构的一项基本参数

对于立方晶系

点阵常数只需用晶胞的棱边长度a

这一个数值就可以表达

在面心立方晶胞中

棱边长度a并不是原子间的最近距离

沿其面对角线

也就是[110]晶向上

原子的排列是最为紧密的

由此可以得出最近原子间距

d等于二分之根号二a

如图所示也列出常见的几种

面心立方金属的点阵常数a

和原子间距d的实际数值

我们再来看一下

面心立方点阵的配位数和致密度

晶体中原子排列的紧密程度

与晶体结构类型有关

为了定量的表示原子排列的紧密程度

通常使用配位数和致密度这两个参数

配位数是指晶体结构中

与任一原子最近邻并且等距离的原子数

面心立方结构的配位数是12

把金属晶体中的原子

看作是直径相等的刚性小球

原子排列的密集程度

可以用刚性小球所占空间的体积百分数来表示

称之为致密度

如果以一个晶胞来计算

致密度K就等于晶胞中

原子所占体积与晶胞体积的比值

即致密度K等于nv/V

n为晶胞中原子数

v是一个原子的体积

V是晶胞体积

对面心立方结构来说

面对角线上相邻的原子彼此接触

因此刚性小球的直径就等于最近邻原子间距d

由于d等于二分之一根号二a

而原子数n=4

因此可以计算出致密度K=0.74

此值表明

面心立方结构的晶体中

有百分之74的体积为原子所占据

其余26%则为间隙体积

以上即为面心立方点阵的三个基本参数

下面我们来学习体心立方结构的基本参数

具有体心立方结构的金属有αFe Cr

V Nb Mo等共约30种

约占金属元素 的一半左右

如图所示

体心立方结构晶胞除了晶胞的8个角上

各有一个原子外

在晶胞的中心尚有一个原子

因此体心立方晶胞原子数为2

在体心立方结构中

原子沿立方体对角线方向上排列得最紧密

设晶胞的点阵常数为a

则原子间距d等于二分之根号三a

体心立方结构中

每个原子的最近邻原子数为8

所以配位数等于8

致密度用类似于面心立方的计算方式

可以算得为0.68

可见 体心立方结构的配位数与致密度

均小于面心立方结构

即其原子密集程度低于面心立方

第三种常见的金属晶体结构为密排六方

αTi αZr Mg Zn等元素的结构

都是密排六方结构

如图所示

密排六方晶胞中六方柱每个角上的原子

属于6个相邻的晶胞所共有

上下底面中心的每个原子

同时为两个晶胞所共有

再加上晶胞内的3 个原子

一个密排六方晶胞内原子数为6

在理想的密排情况下

以晶胞上底面中心的原子为例

它不仅与周围6个角上的原子相接触

还与其下方的3个位于晶胞之内的原子相接触

此外 还与其上面相邻晶胞内的3个原子相接触

所以密排六方结构的配位数通常等于12

最邻近的原子间距d等于棱边长度a

采用类似的方法

可以计算出密排六方结构的致密度

也是百分之74

即其配位数和致密度都与面心立方结构完全相同

同时密排六方和面心立方结构

都是原子排列最为紧密的结构

密排六方晶胞的点阵常数有两个

分别是六方底面的边长a以及上下底面的间距c

而c比a称为轴比

在理想密排情况下

可算出轴比c比a等于1 .633

但实际测得的轴比常常偏离此值

表中列举出的某些密排六方结构金属

在室温下的轴比数值

可见与1.633的理想值相比

都有不同程度的偏差

尤其是锌和镉的轴比会比理想指数大出很多

最后我们还要注意在周期表中

大约有40多种元素

具有两种或两种以上的晶体结构

即具有同素异晶性或称为多晶型性

它们在不同的温度或压力范围内

具有不同的晶体结构

因此当外界条件变化时

会由一种结构转变为另一种结构

这一过程称为多晶型性转变或同素异构转变

例如铁元素在912摄氏度以下时

为体心立方结构称为α铁

在912至1394摄氏度之间

具有面心立方结构

称为γFe

温度超过1394摄氏度时

又变成体心立方结构称为ΔFe

由于不同晶体结构的致密度不同

当金属由一种晶体转变为另外一种晶体结构时

将伴随有比容的变化及体积发生突变

例如当纯铁由室温加热到912摄氏度以上时

致密度较小的αFe转变为致密度较大的γFe

体积突然减小

冷却时则会发生相反的变化

如图所示为实验测得的纯铁加热时的膨胀曲线

在α铁转变为γ铁以及γ铁转变为α铁时

均会因为体积的突变

而使曲线上出现明显的转折点

除体积变化外

多晶型性转变

还会引起一些其他性质的变化

同学们可以参考书籍上的一些内容

这节课我们就学到这里