第1章 金属晶体结构

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1、第1章金属的晶体结构引言　　金属学是研究金属及合金的成分、组织、结构与力学性能之间关系的科学。所谓力学性能主要指材料的强度、硬度和塑性。通常用来承受载荷的零件要求材料具有一定的力学性能，我们称这类材料为结构材料。与结构材料对应的另一类材料是功能材料，它一般不要求承受载荷，主要使用它的物理性能，如光、电、磁性能等。功能材料利用它对光、电、磁的敏感特性制作各类传感器。　　金属学只讨论金属材料的力学性能，不涉及物理性能。　　固态金属通常是晶体，金属学研究的最小结构单元是原子。原子通过不同的排列可构成各种不同的

2、晶体结构，产生不同的性能。原子结构不是金属学研究的范畴。第1章金属的晶体结构1-1金属及金属键　　金属的定义根据学科的不同有多种划分方法。本人倾向按结合键的性质来划分，即金属是具有金属键的一类物质。这种分类的好处是有利于解释与金属力学性能相关的现象。例如，为什么金属具有较好的塑性？　　什么是金属键、离子键、共价键我们早就熟知，金属键的最大特点是无饱和性、无方向性。以后我们将会看到，正是这些特点使金属具有较好的塑性。　　研究表明，固态金属通常是晶体，且其结构趋于密堆积结构。这是为什么？下面我们用双原子模型

3、来说明。　　当两个原子相距很远时，它们之间不发生作用。当它们逐渐靠近时，一个原子的原子核与另一个原子的核外电子之间将产生引力；而两原子的原子核及电子之间产生斥力。研究表明，引力是长程力，斥力是短程力，即距离较远时，引力大于斥力，表现为相互吸引。随着原子距离的减小，斥力增加的速度逐渐大于引力增加的速度。显然这样作用的结果必然存在一个平衡距离d0，此时，引力等于斥力，偏离这一距离时，都将受到一个恢复力，如P3图2。dc对应最大恢复引力，即最大结合力，它对应着金属的理论抗拉强度。　　下面，我们从能量的角度来考

4、虑系统的稳定性。在引力作用下原子移近所做的功使原子的势能降低，所以吸引能是负值。相反，排斥能是正值。吸引能和排斥能的代数和是结合能。由P3图2可以看出，当原子移至平衡距离d0时，其结合能达到最低值，此时系统的势能最低，状态最稳定。图中EAB称原子间的结合能，或键能。　　将双原子模型推广到大量金属原子结合成固体时，为了使固态金属具有最低的能量，原子之间在三维空间也必须保持一定的平衡距离。这就是固态金属为晶体的原因。　　要想在固态金属中把某个原子拿走，就必须对它做功，以克服周围原子对它的作用力。显然，这个要

5、拿走的原子周围近邻的原子数越多，所需要做的功就越大。可见，原子周围最近邻的原子数越多，结合能越低，即势能越低，状态越稳定。所以，金属中的原子总趋于密堆积。1-2金属的晶体结构　　固态金属通常为晶体，晶体中原子按照一定的规律周期排列。不同的金属具有不同的晶体结构，表现出不同的力学性能。本节我们把晶体看作理想晶体来讨论，所谓理想晶体是假设晶体中无缺陷，原子静止在平衡位置无热振动。另外，理想晶体也包括体积无限大（或足够大）。一、晶体的特性　　1、规则的几何外形　　若晶体的体积足够大，一般可看到有规则的外形。如

6、天然金刚石（钻石）、各种宝石等。　　2、有确定的熔点　　3、各向异性二、晶体结构与空间点阵　　晶体结构是指实际晶体中原子在三维空间周期性排列的具体方式。相同的原子在不同条件下可能有不同的排列方式；相同的排列方式可能由不同的原子构成。所以，从理论上说，晶体结构的种类很多。　　研究晶体结构的一个很重要目的是了解这种结构的周期性规律和对称性。然而，实际晶体结构中，有时很难看出原子在三维空间的周期性规律。为此，我们将晶体中的原子或原子集团抽象为几何点，称阵点。这些阵点可以代表单个原子，也可代表原子集团，但要求所

7、有阵点必须具有相同的含义和空间环境，这样的阵点在三维空间的周期排列称空间点阵，简称点阵。　　为了便于观察，用三组平行直线将这些阵点连接起来，称晶格。其实质仍是空间点阵，通常不加以区别。但是，采用三组不同的平行直线连接这些阵点时，会有不同的晶格，为此，人们规定，三组平行直线应有最多的直角。这样，同一点阵就具有唯一的晶格。　　既然空间点阵在空间的三个维度上是周期排列的，就没必要将所有阵点都一一画出，通常只取阵点为顶角，体积最小的平行六面体，称原胞。但是，有时候原胞不能反映点阵的对称性，这时我们宁可放弃体积最

8、小的原则，选取体积稍大，但棱边之间直角最多、最能反映对称性的平行六面体为点阵的基本单元，称晶胞。　　通常取晶胞的右后下顶角为坐标系原点，与原点相连的三个棱边为坐标轴X、Y、Z，也称晶轴。晶胞的大小和形状用三个棱边长度a、b、c及棱边夹角α、β、γ表示。这六个参数称晶格参数，其中a、b、c又称晶格常数，或点阵常数。　　前面我们说到，晶体结构的种类很多。那么，空间点阵的种类有多少呢？布拉菲按照阵点环境相同的要求，用数学方法证明，空间点阵只有14