第二章 金属与合金的晶体结构

1、第二章第二章 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构第一节第一节 晶体的基本知识晶体的基本知识晶体与非晶体晶体与非晶体 晶体晶体 crystal： 内部原子或分子内部原子或分子呈规则排列呈规则排列的物质。的物质。 特点：特点： 具有固定的熔点具有固定的熔点 具有规则的几何外形具有规则的几何外形 各向异性。各向异性。 自然界中绝大部分自然界中绝大部分固态无机物都是晶体。固态无机物都是晶体。 所有固态金属都是所有固态金属都是晶体。晶体。 非晶体非晶体 noncrystal： 内部原子或分子内部原子或分子呈无规则排列呈无规则排列的物质。的物质。 特点：特点： 没有固定的熔点没有固定的熔点 各向同性

2、各向同性 如：松香、玻璃、沥青、石蜡等都是非晶如：松香、玻璃、沥青、石蜡等都是非晶体。体。 单晶体单晶体 monocrystal： 是原子在三维空间中呈是原子在三维空间中呈规则、周期规则、周期排列的晶体。排列的晶体。 由由一颗一颗晶粒发育而成。晶粒发育而成。 如：单晶硅。如：单晶硅。 大多数自然结晶的物质都不是单晶体。大多数自然结晶的物质都不是单晶体。 多晶体多晶体 polycrystal： 由由两颗两颗以上晶粒组成的晶体。以上晶粒组成的晶体。 金属晶体都是多晶体。金属晶体都是多晶体。晶格、晶胞和晶格常数晶格、晶胞和晶格常数 晶格晶格 crystal lattice： 又称为又称为晶体点阵晶体

3、点阵。 是描述晶体中原子排列规律的空间格架（点是描述晶体中原子排列规律的空间格架（点阵）。阵）。 晶胞晶胞 unit lattice ： 能代表晶格特征的能代表晶格特征的最小基本单元最小基本单元。 是晶体的基本结构是晶体的基本结构单位。单位。 晶格常数晶格常数 crystallographic lattice constant： 用来描述晶胞大小与形状的几何参数：用来描述晶胞大小与形状的几何参数： 三条棱长三条棱长： a、b、c，单位为，单位为（=10-8cm）； 三条棱的夹角：三条棱的夹角： 、。第二节第二节 金属的晶体结构金属的晶体结构金属的特性和金属键金属的特性和金属键 金属键金属键 m

4、etallic bond： 金属材料内部，呈一定金属材料内部，呈一定规律排列的正离子与公规律排列的正离子与公有化的自由电子靠有化的自由电子靠库仑库仑力（力（coulomb force）结合起来，这种结合力结合起来，这种结合力即为金属键。即为金属键。 特点：特点： 无饱和性和方向性。无饱和性和方向性。 由金属键结合起来的晶体叫由金属键结合起来的晶体叫金属晶体金属晶体 金属的特性：金属的特性： 良好的导电性和导热性。良好的导电性和导热性。 有正的温度系数，即随有正的温度系数，即随着温度的升高，电阻会着温度的升高，电阻会增大。增大。 不透明，具有良好的反不透明，具有良好的反射性，形成金属光泽。射性，

5、形成金属光泽。 一般具有较高的强度和一般具有较高的强度和良好的塑性。良好的塑性。 常温下均为固体（汞除常温下均为固体（汞除外），能相互熔合。外），能相互熔合。金属中常见的晶格金属中常见的晶格 金属中常见的晶格主要有：金属中常见的晶格主要有： 体心立方晶格体心立方晶格（bady-centered cubic lattice，bcc） 面心立方晶格面心立方晶格（face-centered cubic lattice，fcc） 密排六方晶格密排六方晶格（close-packed hexagonal lattice，hcp）体心立方晶格体心立方晶格（bcc） 晶格常数：晶格常数： a = b = c；

6、 = = = 90 密排方向（原子排列最密排方向（原子排列最紧密的方向）紧密的方向） ： 立方体的对角线方向。立方体的对角线方向。 原子半径：原子半径：ar43体心立方晶格体心立方晶格（bcc） 晶胞原子数（一个晶晶胞原子数（一个晶胞内所拥有的原子个胞内所拥有的原子个数）：数）： 81/8+1=2 具有体心立方结构的具有体心立方结构的金属有：金属有： -Fe、 Cr、V、Mo、W等约等约30多种。多种。面心立方晶格面心立方晶格（fcc） 晶格常数：晶格常数： a = b = c； = 90 密排方向：密排方向： 立方体表面的对角立方体表面的对角线方向线方向 原子半径：原子半径： ar42面心立

7、方晶格面心立方晶格（fcc） 晶胞原子数：晶胞原子数： 81/8+61/2=4 属于属于fcc晶格的金属晶格的金属主要有：主要有： -Fe、Cu、Al、Au、Ag、Pb、Ni等等20多多种。种。密排六方晶格密排六方晶格（hcp） 晶格常数：晶格常数： a = b c c / a（轴比）（轴比） =1.633 = 90 = 120 密排方向：密排方向： 顶面的对角线方向顶面的对角线方向 原子半径：原子半径：2/ar 密排六方晶格密排六方晶格（hcp） 晶胞原子数：晶胞原子数： 1/612+1/22+3=6 属于属于hcp晶格的金晶格的金属主要有：属主要有： Mg、Zn、Be等。等。晶体结构的致密

8、度与配位数晶体结构的致密度与配位数 描述晶格中原子排列紧密程度的参数：描述晶格中原子排列紧密程度的参数： 晶体结构的致密度晶体结构的致密度 配位数配位数 晶体结构的致密度晶体结构的致密度（又称为又称为密排系数密排系数）：）： 晶胞中原子所占的体积与晶胞体积之比。晶胞中原子所占的体积与晶胞体积之比。K=nv/V K致密度；致密度； n一个晶胞实际包含的原子数；一个晶胞实际包含的原子数； v一个原子的体积；一个原子的体积； V晶胞的体积晶胞的体积 致密度越大，原子排列的紧密程度越高。致密度越大，原子排列的紧密程度越高。晶体结构的致密度晶体结构的致密度 bcc: fcc: hcp:68. 0)43(

9、34233aaK74.0)42(34433aaK74. 0633. 1)60sin(6)2(3462213aaaK配位数配位数 晶格中与任一原子紧靠，且距离相等的原子的个晶格中与任一原子紧靠，且距离相等的原子的个数，数，称为配位数。称为配位数。 配位数越大，原子排列的紧密程度越高。配位数越大，原子排列的紧密程度越高。 bcc: 配位数为配位数为8个；个； fcc: 配位数为配位数为12个；个； hcp: 配位数为配位数为12个；个；晶面与晶向晶面与晶向 晶面晶面 crystal face： 晶体中由一系列原子中心构成的平面。晶体中由一系列原子中心构成的平面。 晶面指数晶面指数 indices

10、of crystallographic plane： 用于表明晶面在晶格中位置的一系列参数。用于表明晶面在晶格中位置的一系列参数。 晶向晶向 orientation： 晶体中任意两个原子的中心连线所指的方向。晶体中任意两个原子的中心连线所指的方向。 晶向指数晶向指数 orientation index： 确定某一晶向在晶格中方位的参数。确定某一晶向在晶格中方位的参数。 晶面指数的确定方法：晶面指数的确定方法： 沿晶胞的棱边设定坐标系（沿晶胞的棱边设定坐标系（坐标系的原点应于坐标系的原点应于晶面之外晶面之外）；）； 以晶格常数为单位，求晶面在各棱边上的截距：以晶格常数为单位，求晶面在各棱边上的截

11、距：a 2a 将各截距值得取倒数：将各截距值得取倒数：1/a 1/2a 0 化为最小整数比，各数之间用化为最小整数比，各数之间用空格空格分开：分开：2 1 0 将各整数列入将各整数列入圆括号圆括号（）（）：（2 1 0）晶向指数的确定方法晶向指数的确定方法 设定坐标系（设定坐标系（坐标系的坐标系的原点应位于晶向矢量的原点应位于晶向矢量的箭尾箭尾）；）； 在晶向上任取一点，求在晶向上任取一点，求该点的坐标值；该点的坐标值； 化为最小整数比，各数化为最小整数比，各数之间用之间用空格空格分开；分开； 将各整数列入方括号将各整数列入方括号 。晶面族（晶面族（Form of Plane） 由于晶格的对称

12、性，一些非平行的晶面经过对称由于晶格的对称性，一些非平行的晶面经过对称操作后会完全重合，即操作后会完全重合，即这些面在集合上是完全等这些面在集合上是完全等价的价的。这些晶面称为。这些晶面称为晶面族（晶面族（Form of Plane）。用用h k l表示。表示。 晶格的对称性越高，归属于同同一种晶面族的晶晶格的对称性越高，归属于同同一种晶面族的晶面数量就越多。面数量就越多。晶体的各向异性与实际金属的各向同性晶体的各向异性与实际金属的各向同性 在单晶体中在单晶体中，由于不同晶面或晶向上原子排列的，由于不同晶面或晶向上原子排列的紧密程度不同，原子间的作用力也不相同，故紧密程度不同，原子间的作用力也

13、不相同，故晶晶体在不同方向上就表现出不同的力学性能和理化体在不同方向上就表现出不同的力学性能和理化性能性能 晶体的晶体的 “各向异性各向异性” 。晶体的各向异性与实际金属的各向同性晶体的各向异性与实际金属的各向同性 实际金属材料一般都是实际金属材料一般都是多晶体多晶体，内部包含许多小，内部包含许多小晶体（晶粒），各个小晶体（晶粒）的位向各不晶体（晶粒），各个小晶体（晶粒）的位向各不相同。从宏观上看，它们的相同。从宏观上看，它们的“各向异性各向异性”被相互被相互抵消了抵消了，因此金属材料的性能的宏观表现仍为，因此金属材料的性能的宏观表现仍为各各向同性。向同性。第三节第三节 合金的晶体结构合金的晶

14、体结构合金的基本概念合金的基本概念 合金合金 alloy： 由由两种或两种以上两种或两种以上的金属元素或金属元素与非的金属元素或金属元素与非金属元素组成的，具有金属元素组成的，具有金属特性金属特性的物质。的物质。 例如：例如： 黄铜（黄铜（Cu+Zn） 碳钢（碳钢（Fe+C） 铸铁（铸铁（Fe+C）合金的基本概念合金的基本概念 组元组元 group component： 组成合金的组成合金的最基本的、独立的最基本的、独立的物质。物质。 组元通常是组元通常是纯元素纯元素，也可以是，也可以是稳定的化合稳定的化合物物。 按组成合金的组元数目，合金可分为：按组成合金的组元数目，合金可分为： 二元合金二

15、元合金 三元合金三元合金 多元合金多元合金合金的基本概念合金的基本概念 合金系合金系 alloy system： 组元相同，但配制比例不同组元相同，但配制比例不同的所有合金系列。的所有合金系列。 按组成合金的组元数目，合金系也可分类按组成合金的组元数目，合金系也可分类为：为： 二元系二元系 三元系三元系 多元系多元系合金的基本概念合金的基本概念 相相 phase： 合金中合金中具有同一化学成分且结构相同具有同一化学成分且结构相同的均匀部的均匀部分。分。 合金中的合金中的相与相之间有明显的分界面相与相之间有明显的分界面相界相界。 液态合金通常都是单相合金。液态合金通常都是单相合金。 固态合金：固

16、态合金： 单相合金单相合金：由一个固相组成：由一个固相组成 多相合金多相合金：有两个以上的固相：有两个以上的固相合金的基本概念合金的基本概念 组织组织 texture： 是在金相显微镜下可以观察到的金属材料微观是在金相显微镜下可以观察到的金属材料微观形貌。因此又称为形貌。因此又称为金相组织金相组织。 是材料内部是材料内部所有微观组成所有微观组成的总称。包括：的总称。包括：各相各相成分、结构、形态及各相组合情况。成分、结构、形态及各相组合情况。 一个相可以构成一种或一种以上的组织。一个相可以构成一种或一种以上的组织。 金属材料的内部组织决定金属的力学性能金属材料的内部组织决定金属的力学性能合金的

17、相结构合金的相结构 固态合金的相结构：固态合金的相结构： 固溶体固溶体 solid solution 金属化合物金属化合物 metallic compound 固溶体与固溶强化固溶体与固溶强化固溶体固溶体 solid solution 是是固态固态下，组元间下，组元间相互溶解相互溶解而形成的而形成的均匀相均匀相。 固溶体的晶格结构与其中某一组元的固溶体的晶格结构与其中某一组元的晶格晶格结构相结构相同，该组元称为同，该组元称为溶剂溶剂。 其它组元为其它组元为溶质溶质，以，以原子态原子态分布在溶剂晶格中。分布在溶剂晶格中。 固溶体中，一般溶剂含量较多，而溶质含量较少。固溶体中，一般溶剂含量较多，而

18、溶质含量较少。 固溶体的分类：固溶体的分类： 间隙固溶体间隙固溶体 interstitial solid solution 置换固溶体置换固溶体 substitutional solid solution 间隙固溶体间隙固溶体 interstitial solid solution： 溶质占据溶剂晶格中的间隙位置。溶质占据溶剂晶格中的间隙位置。 又称又称插入固溶体、嵌入固溶体插入固溶体、嵌入固溶体。 特点：特点： 溶质为非金属溶质为非金属 溶质在溶剂中的溶解度溶质在溶剂中的溶解度是有限的是有限的有限固溶有限固溶体。体。 形成条件：形成条件： 溶质原子与溶剂原子直溶质原子与溶剂原子直径的比值径的

19、比值 d质质 /d剂剂 0.59 置换固溶体置换固溶体 substitutional solid solution： 溶质占据溶剂晶格中溶质占据溶剂晶格中的结点位置。的结点位置。 又称又称取代固溶体取代固溶体。 特点：特点： 溶质原子与溶剂原子的原子直径差别越小溶质原子与溶剂原子的原子直径差别越小 （d质质 /d剂剂 = 0.851.15），溶解度越大；，溶解度越大； 溶质元素与溶剂元素在元素周期表中的位置溶质元素与溶剂元素在元素周期表中的位置越靠近，溶解度越大。越靠近，溶解度越大。 温度越高溶解度越大。温度越高溶解度越大。 置换固溶体按溶解度分为：置换固溶体按溶解度分为： 有限固溶体有限固溶

20、体在一定条件下，溶质原子在溶在一定条件下，溶质原子在溶剂晶格当中溶解到剂晶格当中溶解到一定程度一定程度时，就不能再溶解时，就不能再溶解了。如：了。如： Cu-Zn、Cu-Sn 无限固溶体无限固溶体溶质溶质 能以能以任何比例任何比例溶入溶剂。溶入溶剂。 如：如： Fe-Cr、Cu-Ni 固溶强化固溶强化 Solid solution strengthening： 在固溶体中，随着溶质的加入，导致固溶体的在固溶体中，随着溶质的加入，导致固溶体的晶格发生畸变，晶格发生畸变， （晶格畸变会阻碍位错移（晶格畸变会阻碍位错移动），动），使塑性变形的抗力增大使塑性变形的抗力增大，结果，结果使金属材使金属材料

21、的强度、硬度提高料的强度、硬度提高。 适当的固溶强化适当的固溶强化在显著提高金属材料的强在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持较高的塑性和度、硬度的同时，仍能保持较高的塑性和韧性，因此韧性，因此是强化金属材料的重要途径之是强化金属材料的重要途径之一。一。 由于固溶体具有较好的力学性能，由于固溶体具有较好的力学性能，结构性结构性材料都是以固溶体作为基体相的。材料都是以固溶体作为基体相的。金属化合物与弥散强化金属化合物与弥散强化 金属化合物金属化合物 metallic compound： 合金组元间发生相互作用而形成一种合金组元间发生相互作用而形成一种具有自己独特的具有自己独特的晶体结构的

22、晶体结构的新相。新相。 也称为也称为中间相。中间相。 特点：特点： 晶格类型和性能均不同于任一组元晶格类型和性能均不同于任一组元，一般可以用分子，一般可以用分子式大致表示其组成。式大致表示其组成。 例如：钢中例如：钢中渗碳体渗碳体（Fe3C）。）。 一般具有复杂的晶格结构。一般具有复杂的晶格结构。 性能特点是性能特点是熔点高、硬而脆熔点高、硬而脆，可提高材料的强度、硬，可提高材料的强度、硬度和耐磨性，但是会降低塑性和韧性。因此，度和耐磨性，但是会降低塑性和韧性。因此，在金属在金属材料中，一般不作为基体相，而是作为第二相（强化材料中，一般不作为基体相，而是作为第二相（强化相）存在。相）存在。金属

23、化合物金属化合物 metallic compound 分类：分类： 正常价化合物正常价化合物 电子化合物电子化合物 间隙化合物间隙化合物 弥散强化弥散强化 dispersion strengthening： 又称为又称为第二相强化第二相强化/析出强化析出强化 是指在合金中，当金属化合物以细小的颗粒状是指在合金中，当金属化合物以细小的颗粒状形式均匀地分布（弥散分布）在固溶体基体上形式均匀地分布（弥散分布）在固溶体基体上时，时，将导致合金材料的强度、硬度和耐磨性明将导致合金材料的强度、硬度和耐磨性明显提高，但塑性和韧性会有所下降显提高，但塑性和韧性会有所下降的现象。的现象。结论结论 在实际生产中，

24、通过调整合金中固溶体的在实际生产中，通过调整合金中固溶体的溶质含量和金属化合物的溶质含量和金属化合物的数量、大小、形数量、大小、形态及分布状况（即改变材料的内部组织结态及分布状况（即改变材料的内部组织结构）构），可使合金的，可使合金的力学性能力学性能发生改变，以发生改变，以满足工程中的不同使用要求。满足工程中的不同使用要求。第四节第四节 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构多晶体与亚组织多晶体与亚组织 晶粒晶粒 crystal grain： 存在于多晶体内部存在于多晶体内部的外形不规则的小的外形不规则的小晶体。晶体。 特点：特点： 晶粒内部的晶格位晶粒内部的晶格位向是一致的向是一致的 各个晶粒

25、的位向都各个晶粒的位向都是不同的。是不同的。晶界晶界 crystal boundary 晶粒与晶粒之间晶粒与晶粒之间的接触界面。的接触界面。 晶界是两相邻晶界是两相邻晶粒不同晶格晶粒不同晶格位向的过渡区位向的过渡区，其上的其上的原子排原子排列总是不规则列总是不规则的的。亚组织亚组织/亚晶粒亚晶粒 存在于实际金属晶体的存在于实际金属晶体的单个晶粒内部的尺寸更小、单个晶粒内部的尺寸更小、位相差也很小的小晶块。位相差也很小的小晶块。 特点：特点： 内部的晶内部的晶 格位向一致。格位向一致。 亚晶界：亚晶界： 两相邻亚晶粒两相邻亚晶粒 之间的界面。之间的界面。 晶体的缺陷晶体的缺陷 Crystal D

26、efect 点缺陷（点缺陷（point defect）三个方向上的尺寸三个方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸。如：都很小，相当于原子的尺寸。如：空位、间隙原空位、间隙原子子。 线缺陷（线缺陷（ linear defect ）在两个方向上的尺在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大主要主要指指位错位错。 面缺陷（面缺陷（plane defect ）在一个方向上尺寸在一个方向上尺寸很小另两个方向上的尺寸相对较大。如：很小另两个方向上的尺寸相对较大。如：晶界、晶界、亚晶界亚晶界。 体缺陷体缺陷第二相。第二相。 点缺陷点缺陷空位、间隙原子与置换原子：空位、

27、间隙原子与置换原子： 在点缺陷的附近，周围原子偏离了原来的平衡在点缺陷的附近，周围原子偏离了原来的平衡位置，产生了位置，产生了晶格畸变。晶格畸变。 由于点缺陷使晶格产生畸变阻碍位错移动，因由于点缺陷使晶格产生畸变阻碍位错移动，因此导致晶体的强度、硬度提高，电阻增大。此导致晶体的强度、硬度提高，电阻增大。 线缺陷线缺陷位错位错 dislocation： 指在晶体中的某处，一列或若干列原子发生了指在晶体中的某处，一列或若干列原子发生了有规律有规律的错排的错排现象。现象。 可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线。可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线。 分为分为刃型位错刃型位错和和螺型位错螺

28、型位错 位错的特点：位错的特点： 位错导致晶格畸变，产生内应力。位错导致晶格畸变，产生内应力。 刃型位错容易吸纳异类原子。刃型位错容易吸纳异类原子。 位错具有位错具有易动性易动性，在外力作用下，位错能产生移动。，在外力作用下，位错能产生移动。 在外力或热作用下，位错移动，正、负刃型位错能够在外力或热作用下，位错移动，正、负刃型位错能够复合而消失。复合而消失。 位错可以与间隙原子或空位复合而使刃型位错的半原位错可以与间隙原子或空位复合而使刃型位错的半原子面扩大或缩小子面扩大或缩小位错攀移位错攀移。 位错密度位错密度 （cm/cm3） 单位体积中位错线的总长度。单位体积中位错线的总长度。 V 晶体

29、的体积晶体的体积 S 体积为体积为V的晶体中位错线的总长度的晶体中位错线的总长度VS位错的度量位错的度量位错对金属性能的影响位错对金属性能的影响 金属材料的塑性变形实际上是通过位错的运动来金属材料的塑性变形实际上是通过位错的运动来实现的实现的 在位错移动时，由于不需整个晶体上下两部分的原子在位错移动时，由于不需整个晶体上下两部分的原子同时发生相对移动，而每次同时发生相对移动，而每次只需位错中心附近的少数只需位错中心附近的少数原子作微量运动原子作微量运动，那么位错移动所需临界切应力很，那么位错移动所需临界切应力很小小“位错易动性位错易动性”。因此实际金属的强度比理想因此实际金属的强度比理想晶体（

30、无位错）的强度要低很多晶体（无位错）的强度要低很多。位错对金属性能的影响位错对金属性能的影响 金属中存在大量的位错。金属中存在大量的位错。 位错在外力作用下产生位错在外力作用下产生运动、堆积和缠结；位运动、堆积和缠结；位错附近区域产生晶格畸错附近区域产生晶格畸变，变，造成金属强度升高造成金属强度升高。 金属产生金属产生冷塑性变形冷塑性变形时，时，由于位错密度提高，使由于位错密度提高，使金属的强度和硬度提金属的强度和硬度提高高加工硬化加工硬化/形变强形变强化。化。 面缺陷面缺陷晶界和亚晶界：晶界和亚晶界： 在多晶体中，由于晶界位于两晶粒间的过渡带，原子在多晶体中，由于晶界位于两晶粒间的过渡带，原

31、子排列不规则，产生晶格畸变，阻碍位错移动，使材料排列不规则，产生晶格畸变，阻碍位错移动，使材料的塑性变形抗力增大。的塑性变形抗力增大。 发生相变时，新相往往在母相的晶界处形成。发生相变时，新相往往在母相的晶界处形成。母相晶母相晶粒越细，晶界越多，新相的晶粒数目就越多，晶粒也粒越细，晶界越多，新相的晶粒数目就越多，晶粒也就越细。就越细。 细化材料的晶粒，可以使材料的晶界面积显著提细化材料的晶粒，可以使材料的晶界面积显著提高，从而提高材料的强度和硬度高，从而提高材料的强度和硬度细晶强化细晶强化。 面缺陷面缺陷晶界和亚晶界：晶界和亚晶界： 由于晶界处原子排列不规则，原子间隙较大，所以晶由于晶界处原子排列