第二章_金属的晶体结构2

1、第二章第二章 金属的晶体结构金属的晶体结构硅表面原子排列 碳表面原子排列 第一节第一节 金属金属v一、金属的特性一、金属的特性v引入金属的概念：介绍其特性，并加以分析v（1）不透明 （2）有特殊光泽 （3）有可锻性（4）有良好的导电、导热性 （5）有正的电阻温度系数v金属与非金属的根本区别方法：电阻温度系数的特点二、金属原子的结构特点二、金属原子的结构特点v原子组成：原子核+核外电子；轨道最外层电子数较少v材料的结合方式：共价键、离子键、金属键、范得华分子键v特点：正离子和周围电子云组成三、金属原子间的结合方式（金属键）三、金属原子间的结合方式（金属键）v金属材料原子间的结合方式：主要是：金属

2、键v金属的特性是由金属键这种结合方式所决定的，它们之间有密切的关系。v 金属原子结合方式金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。 特点：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属特性：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金属Fe、Au等。第二节第二节 金属晶体结构金属晶体结构v一、晶体结构的基本知识一、晶体结构的基本知识金属晶体模型晶体的基本知识金属的性能是由其组织结构决定的，其中结构指的就是晶体结构。金属的晶体结构就是其内部原子的排列方式，因为金属是晶体，所以称为晶体结构。(一)晶体与非晶体1、晶体：内部原子或分子在三维空间内呈周期性规则排列

3、的物质。 长程有序，各向异性。2、非晶体：内部原子或分子在三维空间内不规则排列。 长程无序，各向同性。注：在自然界中除少数固态物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤维都是晶体。 晶体的特点：v一般具有规则的外形v具有固定的熔点v具有各向异性v晶体的性能与结构有很大关系。u晶体有单晶体和多晶体之分！ 单晶体与多晶体 晶体与非晶体的性能区别v有些晶体具有规则的多面体外形，如水晶；有些则没有规则整齐的外形，如金属。v 晶体有固定的熔点，而非晶体则没有。 晶体与非晶体的转变v晶体与非晶体在一定条件下可以相互转变w玻璃

4、经长时间加热能变为晶态玻璃；w金属从高温液态急冷，可变为非晶态金属；1.非晶态金属具有高的强度与韧性等一系列突出性能，近年来已为人们所重视。（二）晶体结构的基本概念1、晶格、晶格v原子的刚性球堆垛模型-直观易懂。但不易看清排列规律-抽象成空间几何点-空间点阵-阵点之间连线-空间格子-晶格。便于分析研究。晶体：其原子抽象为刚性球几何点空间点阵空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。 空间点阵中的点阵点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。2、晶胞、晶胞v为便于分析、研究，根据晶体的结构特点，为便于分析、研究，根据晶体的结构特点，在晶

5、格中抽取最具代表性的最小几何单元：在晶格中抽取最具代表性的最小几何单元：晶胞晶胞 晶胞：空间点阵中能代表原子排列规律的最小的几何单元称之为晶胞，是构成空间点阵的最基本单元。选取原则：能够充分反映空间点阵的对称性；相等的棱和角的数目最多；具有尽可能多的直角；体积最小。3、晶格、晶格常常数数v建立坐标系：v在X、Y、Z轴（晶轴）上的单位长度分别取：a、b、c；三轴之间的夹角分别取、。v晶轴的棱边长度、棱边夹角六个参数为晶格参数，它们表示晶胞的几何形状和大小。a、b、c称为晶格常数；、为轴间夹角。二、金属中常见的三种晶体结构二、金属中常见的三种晶体结构u在元素周期表一共约有在元素周期表一共约有110

6、种元素，其中种元素，其中80多种是多种是金属，占金属，占2/3。而这。而这80多种金属的晶体结构大多属多种金属的晶体结构大多属于三种典型的晶体结构。于三种典型的晶体结构。v（一）、体心立方晶格 bcc表示v晶胞是一个立方体，晶格常数晶胞是一个立方体，晶格常数a=b=c；三轴之间的；三轴之间的夹角夹角=90o。在体心立方晶胞中，原子位于立。在体心立方晶胞中，原子位于立方体的八个顶角和中心。属于这类晶格的金属有方体的八个顶角和中心。属于这类晶格的金属有-Fe、Cr、V、W、Mo、Nb等。等。 （二）面心立方晶格 fcc表示v面心立方晶胞如图面心立方晶胞如图2-7所示。它的形状也是一所示。它的形状也

7、是一个立方体。在面心立方晶胞中，原子位于立个立方体。在面心立方晶胞中，原子位于立方体的八个顶角和六个面的中心。属于这类方体的八个顶角和六个面的中心。属于这类晶格的金属有晶格的金属有-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。等。 （三）密排六方晶格（三）密排六方晶格hcp表示表示v密排六方晶胞如图密排六方晶胞如图2-8所示。它是一个正六方所示。它是一个正六方柱体，在晶胞的柱体，在晶胞的12个角上各有一个原子，上个角上各有一个原子，上底面和下底面的中心各有一个原子，上下底底面和下底面的中心各有一个原子，上下底面的中间有三个原子。属于这类晶格的金属面的中间有三个原子。属于这类晶格的金属有有Mg、

8、Zn、Be、Cd等。等。 三、表示晶体结构特征的几何参数三、表示晶体结构特征的几何参数v（一）晶胞原子数一个晶胞内所包含的原子个数。v（1） 体心立方晶格 1/8*8+1=2（个）八个顶点和体心一个v（2）面心立方晶格 1/8*8+1/2*6=4（个）v（3）密排六方晶格 1/6*12+1/2*2+3=6（个）原子个数每个晶胞实际占有的原子个数。 （分析时要认真考虑每个原子的空间状况）在体心立方晶胞中, 每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个。 （二）原子半径（二）原

9、子半径v原子有大小，一般可近似看成有一定大小的刚性球，这样就可以推算出其原子半径：v（1） 体心立方晶格 在体对角线上的原子是相互紧密接触的，那么原子半径与晶格常数a之间的关系：ar43v（2）面心立方晶格 面对角线上原子相互紧密接触的v（3）密排六方晶格 c/a1.633时 ar42ar21（三）原子排列的紧密程度 1、配位数 评定晶格中原子排列的紧密程度，是指：晶格中与任一原子最近邻、等距离的原子数目。配位数越大，晶体中原子排列越紧密。v（1） 体心立方晶格 配位数是8v（2）面心立方晶格 配位数是12v（3）密排六方晶格 配位数是12 2、致密度v晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体

10、积之比称为致密度(也称密排系数)。致密度越大, 原子排列紧密程度越大。 （1）体心立方晶胞的致密度为： 晶胞(或晶格)中有68%的体积被原子所占据, 其余为空隙。 间隙半径v若在晶胞空隙中放入刚性球, 则能放入球的最大半径为空隙半径。体心立方晶胞中有两种空隙。 四面体空隙 其半径为: r四=0.29r原子 八面体空隙 其半径为: r八=0.15r原子v（2）面心立方晶格 致密度0.74v比体心立方晶格原子排列的紧密程度更高，但是！其间隙却比体心的尺寸要大。间隙半径v四面体空隙 其半径为: r四=0.225r原子v 八面体空隙 其半径为: r八=0.414r原子v（3）密排六方晶格 致密度0.7

11、4*晶胞中有空隙存在，对材料的各种性质有很大影响。四、晶面指数和晶向指数（一）晶面和晶向的概念晶面：通过空间点阵中一系列阵点构成的平面。晶向：空间点阵中各阵点列的方向。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。晶面指数的标定过程： a 建立坐标系：确定原点（晶面外）、坐标轴和度量单位。 b 求截距：x,y,z。 c 取倒数：h,k,l。 d 化整数：h,k,k。 e 加圆括号：(hkl)。1、立方晶格的晶面指数（二）、立方晶格的晶面指数和晶向指数说明： 指数意义：代表一组平行的晶面； 0的意义：面与对应的轴平行； 平行晶面：指数相同，或数字相同但正负 号相反； 晶面族晶面族：晶体中具有相同条件（原子排

12、列和晶面间距完全相同），空间位向不同的各组晶面。用hkl表示。如图所示。 2、立方晶格的晶向指数、立方晶格的晶向指数 （1）晶向指数的标定 a 建立坐标系。确定原点（阵点）、坐标轴和度量单位（棱边）。 b 求坐标。u,v,w。 c 化整数。 u,v,w. d 加 。uvw。说明： a 指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。 b 负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。 晶向族 晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向。用表示，数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。 如=100+001+010若晶面与晶向垂直，则u=h, k=v, w=l，也就 是指数相同。（

13、三）六方系晶向指数和晶面指数 六方晶系采用四指数方法表示晶面和晶向。水平坐标轴选取互相成120夹角的三坐标轴a1、a2和a3, 垂直轴为c轴(图1-9)。晶面表示为(hkil), 晶面族为hkil, 晶向表示为uvtw, 晶向族为。六方晶系的几个主要晶面和晶向的表示如图所示。密排面和密排方向v 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上原子排列方式和排列密度不一样。其性能也不同！v 在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面为110, 称为密排面; 原子密度最大的晶向为, 称为密排方向。v 在面心立方晶格中, 密排面为111, 密排方向为。第三节 金属的实际晶体结构 在晶体内部原子排列并不是完全规则的，在局

14、部一定尺寸范围内原子排列不规则的现象称为晶体缺陷，晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用。晶体缺陷晶体缺陷按其作用范围可分为：按其作用范围可分为：点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。 如空位、间隙原子、异类原子等。线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上 尺寸较大的缺陷。主要是位错。面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向 上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。一一 、点缺陷、点缺陷 由于原子热振动造成的。1、 点缺陷的类型（1）空位：肖脱基空位离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。弗兰克尔空位离位原子进入晶体间隙。（2）间隙原子：位于

15、晶体点阵间隙的原子。（3）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。置换原子点缺陷对晶格和性能的影响 （1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。） （2）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。）力学性能（屈服强度提高。） 二、二、 线缺陷（位错）线缺陷（位错） 位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。）位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（24个数量级）。类型：刃型位错、螺型位错。刃型

16、位错、螺型位错。 （一）刃型位错模型：滑移面/半原子面/位错线 （位错线晶体滑移方向， 位错线位错运动方向，晶体滑移方向/位错运动方向。）分类：正刃型位错（）；负刃型位错（）。产生：空位塌陷；局部滑移。（二）螺型位错 位错应力是与位错线平行的切应力。螺型位错有左右之分。 不锈钢中的位错线（三）位错密度以及位错密度与金属强度的关系v1、位错密度及其表示方法v单位面积上位错线的根树；单位体积中位错线的长度。v注意：位错数目特别大。v2、位错密度和材料强度的关系 图1-20v工业上的应用：增加位错密度提高强度，提高材料利用率；v减小位错密度也可以提高强度，强化金属。减小位错密度也可以提高强度，强化金属。 三 、面缺陷 面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它们对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。 （一）晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。（1）分类 大角度晶界： 晶粒位向差大于10度的晶界。 其结构为几个原子范围内的原的混 乱排列，可