第2章金属的晶体结构

1、第二章 金属的晶体结构 Crystal Structure of Metalv晶体的基本知识v金属的晶体结构v合金的晶体结构v实际金属的晶体结构第一节 晶体结构的基础知识一.晶体与非晶体的基本概念1.晶体晶体 ( crystal ) 的基本概念的基本概念: 物体内部的原子 ( 或分子 ) 在三维空间中 , 按一定规律作周期性排列的固体。例如 , 所有的金属、天然金刚石，结晶盐，水晶，冰等。2.非晶体 ( non- crystal )的基本概念: 物体内部的原子呈散乱分布, ,其物理和力学性能各向同性（又称为过冷液体）。例如, ,普通玻璃、松香、石蜡等。金属的结构金属的结构SiO2的结构的结构非

2、晶态非晶态晶态晶态晶体与非晶体的区别： 是否具有周期性、对称性； 是否长程有序； 是否有确定的熔点； 是否各向异性。二.晶体学(crystallography)的基本知识1.晶格(crystal lattice): 用以描述晶体中原子排列规律的空间点阵格架。2.晶胞 ( unit cell ):能完全反映晶格特征的最小几何单元。3.晶格常数 ( lattice constant ) :cXZYOba4.晶系与布拉菲点阵 1855年,法国学者奥古斯特布拉菲(Auguste Bravais)用数学方法证明了空间点阵共有且只能有十四种,并归纳为七个晶系:晶系 轴(棱边)之间的夹角三斜晶系单斜晶系斜方

3、晶系正方晶系菱方晶系六方晶系立方晶系七大晶系 布拉菲空间点阵晶胞布拉菲空间点阵晶胞六5.晶面(crystal face): 在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。6.晶面指数(indices of crystallographic plane):用密勒(Miller)指数对晶格中某一晶面进行标定。晶面指数的确定建立坐标,找出所求晶面的截距;(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；取晶面与三个坐标轴截距的倒数；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。(100)(100)(111)(111)(110)(110)7.晶向(c

4、rystal direction): 在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向。8.晶向指数: 用密勒(Miller)指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。晶向指数的确定建立坐标,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)；求出所求晶向上任意结点的三个坐标值；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。 晶体物质所具有的性质: 1）一般具有规则的外形。2）有固定的熔点。3）有各向异性。4）解理性。5）一切现象和过程都发生在一定的晶面及该晶面的一个晶向上。金属键的实质就是金属正离子与电子云之间产生的强烈静电引力同各正离

5、子间的斥力及电子间的斥力之间的相互平衡。第二节 金属的晶体结构金属特征 1. 良好的导电、导热性；2. 正的电阻温度系数；3. 不透明，有光泽； 4. 具有延展性。体心立方（bcc)面心立方（fcc)密排六方（hcp)-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb等约30余种刚球模型晶胞模型 1.体心立方晶格 ( body-center cubic lattice )晶胞原子数：一个晶胞所包含的原子数目，即完完全全属于此晶胞所独有的原子数目。原子半径(r)：晶胞中相距最近的两个原子间平衡距离的一半。配位数：晶格中与任意原子最近邻且等距离的原子数目。致密度晶胞中所含全部原子的体积总和与该晶胞体积之比。 K=n

6、V1/Vn晶胞原子数V1一个原子的体积V晶胞的体积 -Fe-Fe、NiNi、AlAl、CuCu、PbPb、AuAu、AgAg等约2020种刚球模型晶胞模型2.面心立方晶格 ( face-center cubic lattice )晶胞原子数和配位数原子半径(r)MgMg、ZnZn、BeBe铍、CdCd镉 、 -Ti-Ti等刚球模型晶胞模型3.密排六方晶格 ( c/a = 1.633 ) ( hcp )原子半径、晶胞原子数和配位数三种典型晶体结构的重要参数 3合金的晶体结构一、合金的基本概念 1合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性

7、的物质。2组元：组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是纯元素或稳定化合物。 3二元合金：由两个组元组成的合金称为二元合金, 例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。4相：在合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。液态物质为液相，固态物质为固相。二、合金的相结构 由于组元相互作用不同，固态合金的相结构有两大类：固溶体和金属化合物。（一 ）固溶体 固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相。 溶剂：与固溶体晶格相同的组元，一般在合金中含量较多； 溶质：以原子状态分布在溶剂晶格中，一般含量较少。1.固溶体的

8、分类 （1）按溶质原子的位置分 固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。置换固溶体中溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子; 间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。 固溶体类型ZXY间隙原子间隙原子间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体置换原子置换原子YXZ（2）溶解度分 固溶体可分为有限固有限固溶体溶体和无限固溶体无限固溶体两种。u有限固溶体：是溶质原子在溶剂晶格中的溶解量具有一定的限度，超过该限度，它们将形成其它相。u无限固溶体：是溶质能以任意比例溶入溶剂所形成的固溶体，其溶解度可达100%，即两组元可连续无限置换。（3）分布有序度分 固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。无序固溶体

9、：是溶质原子占据溶剂晶格结点的位置是随机的，任意的和不固定的，是溶质原子无规则分布。有序固溶体：溶质原子只占据溶剂晶格结点的某几个固定位置，从而形成溶质原子有规则分布在溶剂晶格当中。2. 固溶体的性能溶质原子溶入晶格畸变位错运动阻力上升金属塑性变形困难强度、硬度升高。固溶强化溶入溶质元素，形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象溶入溶质元素，形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象. .正常晶格正常晶格晶格畸变晶格畸变(二)金属化合物v合金组元发生相互作用而形成一种具有金属合金组元发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。金属化合物的组特性的物质称为金属化合物。金属化合物的组成一般可用化

10、学式表示。成一般可用化学式表示。金属化合物的特点金属化合物的特点:一般熔点较高一般熔点较高, 硬度高硬度高, 脆脆性大。性大。金属化合物的分类金属化合物的分类:正常价化合物、电子化合正常价化合物、电子化合物、间隙化合物。物、间隙化合物。金属化合物的主要类型1.正常价化合物 ( normal compounds ) 严格遵守化合价规律的化合物称正常价化合物。 ZnSZnS，MgMg2 2Si,MgSi,Mg2 2Sn, MgSn, Mg3 3SbSb2 2( (锑) )等。2.电子价化合物 ( electron compounds ) 不遵循化合价规律，而是按照一定的电子浓度。 C电=价电子数/

11、原子数C电=3/2 相化合物 CuZnC电=21/13 相化合物 Cu5Zn8C电=7/4 相化合物 CuZn33.间隙化合物 ( interstitial compounds ) 由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。尺寸较大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属原子则有规则地嵌入晶格的间隙之中。根据结构特点，间隙化合物分间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。 间隙相（VC，WC，TiC等） 当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度, 非常稳定。它

12、们的合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是提高合金钢和硬质合金中的重要组成相。 复杂结构的间隙化合物当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。比如：Fe3C、Cr7C3、Mn3C、FeB等都是这类化合物。Fe3C是铁碳合金中的重要组成相, 具有复杂的斜方晶格。复杂结构的间隙化合物也具有很高的熔点和硬度, 但比间隙相稍低些, 在钢中也起强化相作用。 金属化合物的主要性能具有一定程度的金属性质。具有较高的熔点。硬度较高。脆性高。弥散强化当金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，我们将这一现象称为弥散

13、强化。第四节 实际金属的晶体结构（一）单晶体与多晶体 单晶体：一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，这块晶体为单晶体。 在一块很小的金属中也含着许多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向都是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向都不相同。这种小晶体的外形呈颗粒状，称为“晶粒”。单晶体 晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界处，原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过度，总是不规则的。 多晶体：实际上由多个晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。（一）单晶体与多晶体对于单晶体，由于各个方向上原子排列不同，导致各个方向上的性能不同，即“各向异性”的特点；而多晶体对每个小晶粒具有“各向异性”的特点，而就多晶

14、体的整体，由于各小晶粒的位向不同，表现的是各小晶粒的平均性能，不具备“各向异性”的特点。单晶体 多晶体 图2-13 单晶体与多晶体多晶体结构显微组织: 在金相显微镜下观察，可以看到金属材料内部的微观形貌，称显微组织。显微组织不同放大倍数下金属的显微组织显微组织 不同含碳量的显微组织晶体缺陷( crystal defect )点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分。（二）晶体缺陷在金属中还存在着各种各样的晶格缺陷，按其几何形式的特点，分为如下三类：1.点缺陷原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。晶体中的

15、空位、间隙原子、杂质原子都是点缺陷。 图2-14 点缺陷示意图如果间隙原子是其它元素就称为如果间隙原子是其它元素就称为异类原子异类原子 （杂质原子）（杂质原子）空位空位 间隙原子间隙原子点缺陷当晶格中某些原子由于某种原因，（如热振动等）脱离其晶格结点而转移到晶格间隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在会引起周围的晶格发生畸变，从而使材料的性能发生变化，如屈服强度提高和电阻增加等。 （二）晶体缺陷 2. 线缺陷原子排列的不规则区在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如：位错。位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。由

16、于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错. 图为一种最简单的位错“刃型位错”。因为相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。线缺陷示意图刃位错刃位错 刃位错刃位错 螺位错（二）晶体缺陷实际晶体中存在大量的位错,一般用位错密度来表示位错的多少。位错密度 ： =S/V 其中：V表示晶体的体积 S表示晶体中位错线的总长度。位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶格发生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。实验和理论研究表明:晶体的强度和位错 密度有对应关系。金属在冷变形加工后，金属材料强度和硬度都有所提高，但塑性、韧性有所下降，这一现象称为加工硬化。金属强度与位错密度的关系（二）晶体缺陷 3.面缺陷原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。如前面讲的晶界和亚晶界是晶体中典型的面缺陷。 面缺陷 显然在晶界处原子排列很不规则，亚晶界处原子排列不规则程度虽较晶界处小，但也是不规则的，可以看作是由无数刃型位错组成的位错墙。这样晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，且位错密度愈大，晶体的强度愈高。晶体缺陷对金属性能的影响点缺陷： 造成局部晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，密度发生变化。 线缺陷： 位错对金属的机械性能