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晶体结构与性质
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金属的晶体结构与结晶
在外界条件固定的情况下，材料的性能取决于材料内部的构造。这种构造便是组成材料的原子种类和分量，以及它们的排列方式和空间分布。习惯上将前者叫做成分，后者叫做组织结构。了解金属的结构和结晶规律，对控制材料的性能、正确选用材料、开发新材料有重要指导意义。
一、金属的晶体结构
1．纯金属的晶体结构
（1）晶体与非晶体
固态物质按内部质点（原子或分子）排列的特点分为晶体与非晶体。自然界中除少数物质（如石蜡、沥青、普通玻璃、松香等）外，绝大多数无机非金属物质都是晶体，一般情况下，金属及其合金多为晶体结构。但晶体与非晶体在一定条件可相互转换，&
&&&[晶体]――内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列；
&&&[非晶体]――内部质点是散乱排列的。
工程材料及成形工艺基础
晶态金属中的原子排列&&&&&&&&
非晶态金属中的原子排列
（2）晶格与晶胞
[金属中的原子堆垛]：为便于表述晶体内原子的排列规律，我们把原子看成刚性小球，金属晶体就是由这些刚性小球堆垛而成的
[晶格]：把原子看成一个结点，然后用假想的线条将这些结点连结起来，便构成了一个有规律性的空间格架称晶格
[晶胞]：晶格中能完全反映晶格特征的最小几何单元称晶胞。晶胞中各棱边的长度a、b、c称为晶格常数。
由于晶体中原子重复排列的规律性，因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特征。
工程材料及成形工艺基础
晶格与晶胞
（3）常见金属晶格类型：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格，如下图所示。
工程材料及成形工艺基础
体心立方、面心立方、密排六方，晶格比较
[体心立方晶格]：
如图1-13a所示，体心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体的中心各有一个原子。具有体心立方晶格的金属有：α-Fe（温度低于912℃的铁）、铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、β-Ti（温度在883~1668℃的钛）等。
工程材料及成形工艺基础
[面心立方晶格]：如图1-13b所示，面心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子。属于面心立方的金属有：γ-Fe（温度在912~1394℃的铁）、铝（Al）、铜（Cu）、银（Ag）、金（Au）、镍（Ni）等。
工程材料及成形工艺基础
&&[密排六方晶格]： 如图1-13c所示，密排六方晶格的晶胞是一个上下底面为正六边形的六柱体，在六柱体的十二个顶角和上、下底面的中心各有一个原子，六柱体的中间还有三个原子。具有密排六方晶格的金属有：镁（Mg）、锌（Zn）、α-Ti（温度低于883℃的钛）、镉（Cd）、铍（Be）等。
工程材料及成形工艺基础
（4）晶格致密度
从原子堆垛可看出，上述三种晶格中原子排列的紧密程度不一样，面心立方和密排六方晶格中的原子排列较紧密，经计算，晶格中有74%的空间被原子所占据，即这两种晶格的致密度均为0.74，其余为晶格间隙；而体心立方晶格的原煤子排列较松散，其致密度为0.68。
（5）实际金属晶体结构
[晶体缺陷]：在实际金属晶体中，存在原子不规则排列的局部区域，这些区域称为晶体缺陷。按陷的几何形态，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。三种晶体缺陷都会造成晶格畸变，使变形抗力增大，从而提高材料的强度、硬度。
点缺陷（空位、间隙原子）：晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位；某个晶格间隙挤进了原子，称为间隙原子。&&&
空位与间隙原子周围的晶格偏离了理想晶格，即发生了“晶格畴变”，点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，点缺陷是动态变化着的，它是造成金属中物质扩散的原因。
工程材料及成形工艺基础
(a)点缺陷的形成&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
（b)点缺陷造成的晶格畴变
线缺陷（刃型位错、螺型位错）：它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。晶体中最普通的线缺陷就是位错，这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以分别形成螺型位错和刃型位错。
在位错周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，使金属的强度提高，但塑性和韧性下降。实际晶体中往往含有大量位错，生产中还可通过冷变形后使金属位错增多，能有效地提高金属强度。
工程材料及成形工艺基础
螺型位错&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
面缺陷（晶界、亚晶界）：面缺陷包括晶界和亚晶界。晶界是晶粒与晶粒之间的界面，另外，晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒，亚晶粒的交界称为亚晶界。&&&
晶界处的原子需要同时适应相邻两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间的过渡层，因而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折衷位置上。晶粒之间位向差较大（大于10°～15°）的晶界，称为大角度晶界；亚晶粒之间位向差较小。亚晶界是小角度晶界。&&&
面缺陷同样使晶格产生畴变，能提高金属材料的强度。细化晶粒可增加晶界的数量，是强化金属的有效手段，同时，细晶粒的金属塑性和韧性也得到改善。
工程材料及成形工艺基础
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晶体几种典型结构
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分子结构与晶体结构
NH4+NH3NH4
HClH2OCO2H2SO4
CO2CH2OCH4C
H2ONH3H2OVNH3
spsp3sp2 sp
1CO2CNSNO2N3316
n2spn3sp2n4sp3
5CH4CO2H2N2CO2CH4H2ONH3
ZnNH32SO4Ⅱ
B. NH3N―H
C. NH3N―H3107°18′
D. NH3N―H3120°
NH3120°NH3NH3A107°18′109°28′NH3NH3
A. B. AC. CuCl2+Fe = FeCl2+CuCu2+CuBr2+Cl2
= CuCl2+Br2BrD
1_________
2NNSiSi8_______.
3_______________________.
3SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl
Si3N43SiCl4+2N2+6H2=Si3N4+12HCl
1__&&&&& &&&&&&&&&
2&&&&& &&&&& &&
3&&&&& &&&& &&&&&&& .
rF&rCl&rBr&rI
rNa&rK&rRb&rCs
SiCl4PbCl4
7. HN3N3―NaNH2+N2O=NaN3+H2OHN3CuCl2―CuAPtNH32Cl2B
1&&&&&&&&&&&&&
2NSPI1&&&&&
3HN3&&& N3―_____N3―&&&& 1NH2―&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
4CuCl2―&&&&&&&&&&&&&
A&&&&&&&&&&&&&
5B&&&&&&&&&&&
11s22s22p63s23p63d104s1[Ar]3d104s1&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&
2NPp3NSPI1NPS
3CO2 N2OCS21& sp3
4& AYBa2Cu3O7&&&&
1s22s22p63s23p63d104s1[Ar]3d104s1
NPSCO2 N2OCS21& sp3
ANaOH&&&&&& BNa2O2 &&&& CMgCl2 &&&& DH2O2
&&&&&&& BCl2&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& CCCl4&&&&&&&&&&&&&&&&& DSO2
AN2C22-&& BCO2NO2& && CC6H6B3N3H6 &&&&&& DPCl3NF3
A&& &&&&&&&&&&&&& BV
C&&&&&&&&&&&
CCS2112.8 444.6
D97.810.97 gcm3
&&&&& BH2S
CCH3 &&&&&&&&&& DNH4I
11ABCDEDEBCABE
12XYZXY2ZX2Y2Z2& X2YZ3& X2YZ2& X2Y2Z4& X3YZ4& XYZ3
&& B& C && D
ASi&&&&& BAl &&& CF&&
ACCl4I2H2OI2&&
BCCl4I2H2O&&&&&&&&
CCCl4I2H2O&&&&
DCCl4I2H2O
AH2O& &&&&& BNH3
&&&&&&& CC2H4 &&&& DCH4
ANH3sp2CH4sp3
BNH3NCH4C4
CC-Hsp2C-C2p
DC-Csp2C-H2p
A70105&& B6090& & C7090&
19COBF3CCl4CH4NH3H2SH2OABn
B[CuNH34] 2+
C[CuNH34]2+
D[CuNH34]2+Cu2+NH3
ACaC2 + H2O =CaOH2 + C2H2&&&&
BNH3+CO2+H2O=NH4HCO3
C2NaOH+Cl2=NaCl+NaClO+H2O&&
D2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2
Na2O2SiO2CaCl2
A&& && B && C&&& &&&& D
1&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
2&&&&&&&&&&&&&&&
3&&&&&&&&&
48g1L1molL-1NaOH&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
2420℃1&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&
& &&&①&&&&&& &&&&& CO2&&&&&&&&&&
②&&&&&&&&&&&&&&
&& 122Ti&&&&&&&&&
&& 2Ti+2+3
Ti3+6TiCl36H2O
&&&&&&& &&&&&&&
1o&&& ①&&&
2d& ②&&& & ③&
& ④&&& & &⑤&
“极性”或“非极性”
①i_______ i_ _
1BD 2B&&&&&& 3AB&&&& 4AC&&& 5B&&&&&& 6BC&&&& 7D&&&&& 8BC&&&& 9CD&&& 10C
11B& 12D&&&& 13C&&&& 14D&&&& 15C&&&& 16C&&&& 17A&&&& 18A&&&& 19D&&&& 20B
231VII2AlOH3 +OH-=
AlOH4-AlOH3+OH-=AlO2-+2H2O
34cNa+&cHCO3-&cCO32-&cOH-&cH+
2513d24s22BaTiO3[TiClH2O5]Cl2H2O&&
26① 1s22s22p63s23p63d64s2&&& ② &&& ③ sp3&&&& ④V ⑤ sp2
⑥& &&& ⑦& Si&& ⑧ 2&&&&& ⑨ SiCjc⑩ SiCSiCSiCCSiSiSiSi&&&&&&&&&&& 12&&& &&& 4&&&& &&&&&&&&&&