青岛科技大学金属学与热处理课件1-1金属

1、11 金金 属属一、金属的特性和概念一、金属的特性和概念1、特性、特性金属通常表现出的特性：金属通常表现出的特性： 良好的导电性、导热性、塑性、金属光泽、不透明。良好的导电性、导热性、塑性、金属光泽、不透明。2、概念、概念传统意义上的概念。传统意义上的概念。严格意义上的概念：具有正的电阻温度系数的物质。即电阻严格意义上的概念：具有正的电阻温度系数的物质。即电阻随温度的升高而增加的物质。随温度的升高而增加的物质。第一章第一章 金属的晶体结构金属的晶体结构二、金属键二、金属键当金属与金属原子结合在一起时，金属原子失去外层和次外当金属与金属原子结合在一起时，金属原子失去外层和次外层电子变成正离子；这

2、些电子成为自由电子，构成电子云，层电子变成正离子；这些电子成为自由电子，构成电子云，为整个金属所共有；金属离子为整个金属所共有；金属离子和自由电子之间的引力与离子和自由电子之间的引力与离子间和电子间的斥力相平衡，从间和电子间的斥力相平衡，从而构成稳定的金属晶体。这种而构成稳定的金属晶体。这种结合方式称之为金属键。结合方式称之为金属键。金属特性的金属键理论解释金属特性的金属键理论解释(1)(1) 导电性：导电性：自由电子在电场的作用下定向运动形成自由电子在电场的作用下定向运动形成电流。电流。(2)(2)导热性：导热性：自由电子的运动和正离子的振动可以传自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能。递

3、热能。(3)(3)正的电阻温度系数：正的电阻温度系数：随着温度升高，正离子振动随着温度升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍作用也加的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍作用也加大，因此，金属的电阻是随温度的升高而增加。大，因此，金属的电阻是随温度的升高而增加。良好的塑性：良好的塑性：当金属发生塑性变形后，正离子当金属发生塑性变形后，正离子与自由离子间仍能保持金属键的结合。与自由离子间仍能保持金属键的结合。不透明和金属光泽：不透明和金属光泽：自由电子能吸收可见光的自由电子能吸收可见光的能量，故金属具有不透明性。吸收能量后的电能量，故金属具有不透明性。吸收能量后的电子跳到较高能级，当它重

4、新回到原来低能级时，子跳到较高能级，当它重新回到原来低能级时，就把所吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐就把所吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，在宏观上就表示为金属光泽。射出来，在宏观上就表示为金属光泽。12 金属的晶体结构金属的晶体结构一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体1.概念：概念： 晶体：晶体： 内部质点按一定的几何规律呈周期性规则排列的物质称内部质点按一定的几何规律呈周期性规则排列的物质称为晶体。为晶体。 非晶体：非晶体： 内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体。内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体。2.晶体与非晶体的区别：晶体与非晶体的区别：内部质点排列是否规则。（内部

5、质点排列是否规则。（规则排列是晶体，无规则的堆规则排列是晶体，无规则的堆积是非晶体。可通过积是非晶体。可通过Xray衍射，选取电子衍射测定）衍射，选取电子衍射测定）是否有固定的熔点（凝固点）。是否有固定的熔点（凝固点）。（晶体具有固定熔点（晶体具有固定熔点（凝固点；非晶体不具有固定熔点（凝固点）；（凝固点；非晶体不具有固定熔点（凝固点）；性能是否各向异性。性能是否各向异性。单晶体具有各向异性，非晶体具有各单晶体具有各向异性，非晶体具有各向同性。向同性。晶体与非晶体在一定条件下可互相转化晶体与非晶体在一定条件下可互相转化。 二、晶格与晶胞二、晶格与晶胞1.空间点阵（图）（图）将晶体中原子或原子团

6、抽象为纯几何点（阵点 latticepoint），即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列空间点阵（spacelattice）特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding)人为地将点阵用直线连接起来形成空间格子，称之为晶格(unitlattice)，2晶胞（Unitecells） (图）图） 最小的能够完全反映晶格特征的基本单元称为晶胞。通常是最小最小的能够完全反映晶格特征的基本单元称为晶胞。通常是最小平行六面体平行六面体3、 晶格常数(unitlatticeparameter)如图，如图，、，a a、b b、c c为晶格常数为晶格常数。返回晶胞选取应满

7、足下列条件晶胞选取应满足下列条件 ：(1)(1)晶胞几何形状充分反映点阵对称性；晶胞几何形状充分反映点阵对称性； (2)(2)平行六面体内相等的棱和角数目最多；平行六面体内相等的棱和角数目最多； (3)(3)当棱间呈直角时，直角数目应最多；当棱间呈直角时，直角数目应最多； (4)(4)满足上述条件，晶胞体积应最小。满足上述条件，晶胞体积应最小。晶体中原子排列示意图晶体中原子排列示意图a)原子对垛模型b)晶格c)晶胞返回三、金属中常见的晶格类型三、金属中常见的晶格类型根据个参数间的相互关系可将全部空间点阵归为根据个参数间的相互关系可将全部空间点阵归为七大晶系，十四种点阵七大晶系，十四种点阵（称为

8、（称为布拉菲点阵布拉菲点阵）。）。晶系布拉菲点阵 晶系布拉菲点阵三斜Triclinicabc ，单斜 Monoclinicabc， =90正交abc，=90 简单三斜简单单斜底心单斜简单正交底心正交体心正交面心正交六方 Hexagonala1=a2a3c，=90 ， =120菱方 Rhombohedrala=b=c, =90 四方（正方）Tetragonala=bc, =90 立方 Cubica=b=c， =90 简单六方简单菱方简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方底心单斜简单三斜abc ，简单单斜（abc， =90)底心正交简单正交面心正交体心正交abc，=90abc，=90简单菱方a=

9、b=c, =90 简单六方a1=a2a3c，=90，=120简单四方a=bc, =90 体心四方简单立方体心立方面心立方a=b=c， =90面心立方结构面心立方结构 A1 或或 fcc （facecentered cubic）体心立方结构体心立方结构 A2 或或 bcc （bodycentered cubic） 密排六方结构密排六方结构 A3 或或 hcp （hexagonal closepacked ）三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构 由于金属原子趋向于紧密排列，所以工业中使用的金属元素，除了少数具有复杂晶体结构外，绝大多数都具有如下三种晶体结构：1、面心立方晶格、面心立方晶格

10、(图图)晶胞中原子排列晶胞中原子排列 在立方体的八个顶角和六个面的面心都在立方体的八个顶角和六个面的面心都有原子。一个晶胞中原子数有原子。一个晶胞中原子数: :点阵参数点阵参数: : a=b=a=b=c c；=90=90最近原子间距最近原子间距: :原子半径原子半径 R:R:两个相互接触的原子中心距离一半两个相互接触的原子中心距离一半n=8n=81/81/86 61/2=4 1/2=4 个个aRaR42,2422222aada具有面心立方晶格的金属有：-Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pb、Ni等。等。2、体心立方晶格、体心立方晶格(图图)具有体心立方晶格的金属有：-Fe、Cr、W、Mo、V等。

11、等。晶胞中原子排列晶胞中原子排列 在立方体的八个顶角和体心都有原子。在立方体的八个顶角和体心都有原子。一个晶胞中原子数一个晶胞中原子数: :点阵参数点阵参数: : a=b=a=b=c c；=90=90最近原子间距最近原子间距: :原子半径原子半径 R:R:两个相互接触的原子中心距离一半两个相互接触的原子中心距离一半n=8n=81/81/81=2 1=2 个个222332aaaad34aR 3、 密排六方晶格密排六方晶格(图图)具有密排六方晶格的金属有：具有密排六方晶格的金属有：Mg、Zn、Be、Cd等。等。一个晶胞中原子数一个晶胞中原子数: :点阵参数点阵参数: : =90=90, =120,

12、 =120; ; a1=a2=a3c，理想状态：理想状态：c/ac/a1.6331.633最近原子间距最近原子间距: :d da an=12n=121/61/62 21/2+3=6 1/2+3=6 个个原子半径原子半径 R Ra/2a/24.致密度致密度致密度：是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。致密度：是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。1） 体心立方的致密度体心立方的致密度333422a）（晶胞体积个原子体积68. 0834334233aa）（）（2）面心立方的致密度）面心立方的致密度3）密排六方的致密度）密排六方的致密度计算同面心立方，致密度为计算同面心立方，致密度为0.74致密

13、度数值越大，则原子排列越紧密。致密度数值越大，则原子排列越紧密。上一级331460.74dnvkVa5、配位数的概念、配位数的概念配位数是指晶体结构中，与任一原于最近邻且等配位数是指晶体结构中，与任一原于最近邻且等距离的原子个数。距离的原子个数。体心立方体心立方：8；面心立方面心立方：12；密排六方密排六方：12配位数的多少也可以反映原子排列的紧密程度。配位数的多少也可以反映原子排列的紧密程度。最大配位数为最大配位数为1212，最高致密度为，最高致密度为0.740.74。因此，面心。因此，面心立方晶格和密排六方均属于最紧密排列的晶格立方晶格和密排六方均属于最紧密排列的晶格 问题：问题：面心立方

14、与密排六方具有相同的致密度和配位数但其结构不同，为什么？四、晶体中原子堆垛方式及间隙四、晶体中原子堆垛方式及间隙 1.原子的堆垛方式三种结构的密排面如下:面心立方（111）密排六方（0001）体心立方（110）面心立方（111）面心立方（111）：ABCABCABC密排六方（0001）：ABABABAB.两种典型晶体结构的原子堆垛方式：体心立方（110）：ABABABABAB.八面体间隙八面体间隙由六个原子构由六个原子构成，属于正八成，属于正八面体间隙面体间隙 构成八面体间隙的原子至间隙中心的距离为 原子半径为所以间隙半径为。12a24a12220.146244aaaa24a间隙中心位于间隙中

15、心位于晶胞体中心晶胞体中心和每个和每个棱边的中点。棱边的中点。一个晶胞的八面体间隙个数为：111 244四面体间隙四面体间隙由四个原子构由四个原子构成，属于正四成，属于正四面体间隙面体间隙 构成四面体间隙的原子至间隙中心的距离为:所以间隙半径为:可见，在面心立方晶格中，八面体间隙比四面体间隙大得多。34a32320.06444aaaa24a间隙中心位于间隙中心位于晶胞体对角晶胞体对角线的线的1/41/4处。处。一个晶胞的四面体间隙个数为：8个八面体间隙八面体间隙是由六个原子所围是由六个原子所围成，四个角上的原成，四个角上的原子至间隙中心的距子至间隙中心的距离较远，上下顶点离较远，上下顶点的原子

16、中心至间隙的原子中心至间隙中心的距离较近。中心的距离较近。间隙的棱边长度不间隙的棱边长度不全相等，是一个不全相等，是一个不对称的对称的扁八面体间扁八面体间隙隙，构成八面体间隙的原子至间隙中心的距离为 原子半径为所以间隙半径为。34a34a2a13230.067244aaaa间隙中心位于各间隙中心位于各面的中心面的中心和每个和每个棱边的中点。棱边的中点。一个晶胞的八面体间隙个数为：1161 2624四面体间隙四面体间隙是由是由4 4个原子个原子所围成，间所围成，间隙的棱边长隙的棱边长度不全相等，度不全相等，也是一个不也是一个不对称的对称的四面四面体间隙体间隙构成四面体间隙的原子至间隙中心的距离为

17、:所以间隙半径为:可见，在体心立方晶格中，四面体间隙比八面体间隙大得多。立方体的每个面上都有立方体的每个面上都有4 4个个四面体间隙位置四面体间隙位置一个晶胞的四面体间隙个数为：54a530 .1 2 644aaa1461 22 密排六方晶格的密排六方晶格的八面八面体间隙和体间隙和四面四面体体的的形状形状与与面心立方晶格的完全相似面心立方晶格的完全相似， 当当原子半径相等原子半径相等时，时，间隙大小完全相间隙大小完全相等等，只是，只是间隙中心间隙中心在晶胞中的在晶胞中的位置不同位置不同八面体间隙八面体间隙四面体间隙四面体间隙八面体间隙八面体间隙6个个四面体间隙四面体间隙12个个密排六方密排六方

18、间隙中心间隙中心在晶胞中的在晶胞中的位置位置6+2+（2*6/3)=12五、晶面指数与晶向指数五、晶面指数与晶向指数 晶面（晶面（crystal planecrystal plane）晶体结构一系列原子所晶体结构一系列原子所构成的平面。构成的平面。晶向（晶向（crystal directionscrystal directions）通过晶体中任意两通过晶体中任意两个原子中心连成直线来表示晶体结构的空间的各个个原子中心连成直线来表示晶体结构的空间的各个方向。方向。晶向指数晶向指数(indices of directions)(indices of directions)和和晶面指数晶面指数(in

19、dices of crystal(indices of crystalplane)plane)是分别表示晶向和是分别表示晶向和晶面的符号，国际上用晶面的符号，国际上用illeriller指数（指数（illeriller indices indices ）来统一标定。来统一标定。1.立方晶系中晶面指数立方晶系中晶面指数 确定确定立方晶系晶面指立方晶系晶面指的步骤的步骤如下如下: :a)a) 设坐标：原点设在待求晶设坐标：原点设在待求晶面以外，尽量在低项限中。面以外，尽量在低项限中。b)b) 求截距：求晶面在三个轴求截距：求晶面在三个轴上的截距。上的截距。c)c) 取倒数取倒数d)d) 化整数：化

20、整数：h h、k k、l le)e) 加括号：（加括号：（hklhkl），如果），如果所求晶面在晶轴上截距为所求晶面在晶轴上截距为负数则在指数上加一负号。负数则在指数上加一负号。 （1）某一晶面指数代表了在）某一晶面指数代表了在原点同一侧原点同一侧的一组相的一组相互互平行平行且无限大的晶面。且无限大的晶面。 (2) 若晶面指数相同，但正负符号相反，则两晶面若晶面指数相同，但正负符号相反，则两晶面是以原点为对称中心，且相互平行的晶面。如（是以原点为对称中心，且相互平行的晶面。如（110）和（和（110）互相平行。）互相平行。 (3) 凡晶面间距和晶面上原子分布完全相同，只是凡晶面间距和晶面上原子

21、分布完全相同，只是空间取向不同的晶面，可归为同一空间取向不同的晶面，可归为同一晶面族（晶面族（ crystal plane group），用，用hkl表示。如表示。如100包括（包括（100）、）、（010）、（）、（001）、（）、（100）、（）、（010）、（）、（001）。）。2、 立方晶系晶向指数求法立方晶系晶向指数求法 设坐标设坐标(原点应在要标原点应在要标 定的晶向上定的晶向上) 求坐标值求坐标值 化整数化整数 列括号列括号 若晶向上一坐标值为若晶向上一坐标值为负值则在指数上加一负号。负值则在指数上加一负号。（1 1）某一晶向指数代表一组在空间）某一晶向指数代表一组在空间相互平行

22、相互平行且且方向一致方向一致的所有的所有晶向。晶向。（2 2）若晶向所指的）若晶向所指的方向相反方向相反，则晶向数字相同，则晶向数字相同符号相反符号相反。（3 3）有些晶向在空间位向不同，但晶向原子排列相同，这些晶）有些晶向在空间位向不同，但晶向原子排列相同，这些晶向可归为一个向可归为一个晶向族晶向族(crystal direction group)(crystal direction group) ，用，用表示。如表示。如111111晶向族包括晶向族包括111111、111111、111111、111111、111111、111111、111111、111111；100100晶晶向族包括向族

23、包括100100、010010、001001、100100、010010、001 001 。（4 4） 同一晶向族中晶向上原子排列因对称关系而等同。同一晶向族中晶向上原子排列因对称关系而等同。在立方结构在立方结构中，若中，若晶面指数和晶向指数的指数和符号相同，晶面指数和晶向指数的指数和符号相同，则该晶向与晶面必定是则该晶向与晶面必定是互相垂直互相垂直。如：。如：111 111 （111111）、）、 110 110 （110110）、）、100 100 （100100）。）。3.六方晶系的晶向和晶面指数六方晶系的晶向和晶面指数 确定步骤和立方晶系一样，但一般在标定确定步骤和立方晶系一样，但一般在标定六方结构的晶向指数时选择四个坐标轴：六方结构的晶向指数时选择四个坐标轴：a a1 1、a a2 2、a a3 3、Z Z其中其中a a1 1、a a2 2、a a3 3处于同一底面上，且处于同一底面上，且它们之间夹角为它们之间夹角为120120、Z Z轴垂直于底面。则有：轴垂直于底面。则有： 晶面指数（晶面指数（hkilhkil）其中其中i=-i=-（h+kh+k） 晶向指数晶向指数 uvtwuvtw 其中其中t=-t=-（u+vu+v）六方晶系晶向指数的标定：六方晶系晶向指数的标