工程材料基础-晶体结构

3晶体结构3.1晶体的特征3.2空间点阵与晶胞3.3晶系与布喇菲点阵3.4典型的晶体结构3.5晶向与晶向指数3.6晶面与晶面指数3.7三种典型晶体结构的比较3.8原子体密度、面密度和线密度3.9多晶形性与同素异构转变3.10多晶与单晶材料3.11微晶、准晶与液晶3.12合金相结构3.13晶体缺陷3.14非晶态合金3.15用X射线衍射法分析晶体结构3.1晶体的特征 固态物质按其原子或分子的排列特征，可分为晶体和非晶体两大类。

晶体:原子(或分子)在三维空间呈有规律的周期性排列。

非晶体:原子则呈无规则排列，至多有局部区域呈短程规则排列。

晶体与非晶体的主要性能特点：晶体具有一定的熔点，而非晶体则没有；晶体具有各向异性、伪各向同性，而非晶体为各向同性。 晶体与非晶体在一定条件下可以相互转化。

3.2空间点阵与晶胞

3.2.1空间点阵和晶格

3.2.2晶胞

3.2.1空间点阵和晶格 假设理想晶体中的原子(离子、分子或原子集团等质点)都是固定不动的刚性球，则晶体是由这些刚球堆垛而成(图3-1a)。将这些刚球抽象为纯粹的几何点，得到一个由无数几何点在三维空间规则排列而成的阵列，称之为空间点阵。 为便于观察，可用许多平行的直线将空间点阵的所有阵点连接起来，构成一个三维的几何格架(图3-1b)，称为晶格。(a)原子堆垛模型图3-1原子堆垛与晶格示意图3.2.2晶胞

晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、γ等六个参数来描述。其中a、b、c称为晶格常数或点阵常数，它们可通过X射线衍射分析求得。沿三条棱边所作的坐标轴X、Y、Z称为晶轴，晶轴间夹角称为轴间角，用α、β、γ表示。

图3-1晶体中晶胞示意图3．3晶系与布喇菲点阵

根据晶胞的三条棱边是否相等、三个夹角是否相等以及是否为直角等关系，晶体学将所有晶体分为七个晶系，如下表所示。

序号晶系点阵参数特征举例1三斜晶系a≠b≠c，a≠β≠γ≠90°K2CrO72单斜晶系a≠b≠c，a=γ=90≠ββ-S，CaSO4·2H2O3正交晶系(斜方)a≠b≠c，a=β=γ=90°a-S，Fe3C，Ga4六方晶系a=b≠c,a=β=90°,γ=120°Zn，Mg，Cd5菱方晶系(三角)a=b=c，a=β=γ≠90°As，Sb，Bi6正方晶系(四方)a=b≠c，a=β=γ=90°β-Sn，TiO27立方晶系a=b=c，a=β=γ=90°Fe，Cr，Ag，Au七个晶系中，只能有14种空间点阵，称为布喇菲点阵,如下图所示。图3-214种布喇菲点阵的晶胞

点阵中的每一个阵点可以由一个或一个以上的质点（原子、离子或分子）所组成，而这些质点的组合和排列又可以有多种不同的形式。因此，每种空间点阵都可以形成无限多的晶体点阵（晶体结构）。

图3-3晶体点阵与空间点阵3.4典型的晶体结构

最典型、最常见的晶体结构只有3种，即体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。

3.4.1体体心立方方晶胞图3-4体心立方方晶胞3.4.2面面心立方方晶胞图3-5面心立方方晶胞3.4.3密密排六方方晶胞图3-6密排六方方晶胞3.5晶晶向与与晶向指指数晶向：晶体中任任意两个个原子之之间的连连线称为为原子列列，其所所指方向向称为晶向。用晶向向指数来来确定晶晶向在晶晶体中的的位向。。3.5.1立立方晶系系的晶向向指数立方晶系系的晶向向指数可可用[uvw]来表示。。其确定定步骤为为：(1)选定晶胞胞的某一一阵点为为原点，，以晶胞胞的三条条棱边为为坐标轴轴，以棱棱边的长长度为单单位长度度；(2)若所求晶晶向未通通过坐标标原点,则过原点点作一平平行于所所求晶向向的有向向直线；；(3)求出该有有向直线线上距原原点最近近的一个个阵点的的坐标值值u、v、和w；(4)将三个坐坐标值按按比例化化为最小小整数，，依次放放入方括括号[]内，即为为所求晶晶向指数数。晶向族用<uvw>表示。图3-7立方晶系系的一些些晶向指指数3.6晶晶面与与晶面指指数晶面：晶体中由由一系列列原子所所组成的的平面称称为晶面。通常，采采用晶面面指数来来确定晶晶面在晶晶体中的的位向。。3.6.1立立方晶系系的晶面面指数立方晶系系的晶面面指数通通常采用用密勒指指数法确确定，即即晶面指指数是根根据晶面面与三个个坐标轴轴的截距距来决定定。晶面面指数的的一般表表示形式式为(hkl)，其确定步步骤为：：(1)选定不在欲求晶晶面上的的某一晶晶胞阵点点为坐标标原点，，以避免免出现零零截距；；(2)以晶胞三三条棱边边为坐标标轴，以以晶胞边边长为单单位长度度，求出出待定晶晶面与三三个轴的的截距。。若晶面面与某轴轴平行，，则认为为该晶面面与该轴轴的截距距为无穷穷大，其其倒数为为零；(3)取各轴截截距的倒倒数，并并化为最最小整数数，依次次记入圆圆括号()内，即得得晶面指指数。图3-9立方晶系系的主要要晶面指指数图3-10立方晶晶系{100}、{110}和{111}晶面族族晶面与与晶向向的关关系当某一一晶向向[uvw]位于或或平行行于某某一晶晶面(hkl)时，必必然满满足以以下关关系：：hu+kv+lw=0反之，，根据据此关关系也也可判判定某某晶向向是否否位于于或平平行于于某晶晶面。。此外外，具具有相相同指指数的的晶面面与晶晶向必必定是是互相相垂直直的，，如(111)⊥[111]。3.7三三种典典型晶晶体结结构的的比较较3.7.1晶晶格格常数数3.7.2晶晶胞胞原子子数3.7.3原原子子半径径3.7.4配配位位数3.7.5致致密密度3.7.6晶晶体体结构构中的的间隙隙3.7.7晶晶体体的堆堆垛方方式3.7.1晶晶格格常数数晶胞的的棱边边长度度称为为晶格常数，用来表示示晶胞的大大小。对于于立方晶系系，各棱边长度均均相等，以以a表示其晶格格常数。密密排六方晶晶胞的晶格格常数有两两个，一个个是正六边边形底面的的边长a，另一个是上上下底面的的距离（即即晶胞高度度）c，c和a的比值(即c/a，称为轴比)约为1.633。金属β-TiVCrα-Feβ-ZrNbMoW晶格常数(nm)0.329(>900℃)

0.3020.289(<1840℃)

0.286(<912℃)

0.361(862℃)

0.3300.3150.316表3-3几种面心立立方结构元元素的晶格格常数表3-2几种体心立立方结构元元素的晶格格常数金属Alγ-Feβ-CoNiCuAgPtAu晶格常数(nm)

0.4050.365(912℃)0.354(>390℃)0.3520.3610.4080.3920.407表3-4某些密排六六方结构元元素的晶格格常数金属

Beα-Tiα-Zrα-CoMgZnCd晶格常数(nm)a0.2280.2950.3230.2500.3210.2660.297c0.3570.4680.5140.4060.5210.4940.561轴比c/a

1.561.581.591.621.621.851.883.7.2晶胞原原子数典型晶体结结构的晶胞胞原子数n为：体心立方结结构：n=8×+1=2面心立方结结构：n=8×+6×=4密排六方结结构：n=12×+2×+3=6181816123.7.3原子半半径原子半径r通常是指晶晶胞中原子子密度最大大的方向上上相邻两原原子之间平平衡距离的的一半。它它与晶格常常数a有一定的关关系:体心立方晶晶胞其原子子半径:a为晶格常数数；面心立方晶晶胞其原子子半径；密排六方晶晶胞其原子子半径:3.7.4配位数数配位数是指指晶格中任任一原子周周围与其最最近邻且等等距离的原原子数目。。体心心立立方方晶晶格格中中的的配配位位数数为为8；面心心立立方方晶晶格格中中的的配配位位数数12；密排排六六方方晶晶格格配配位位数数也也为为12。图3-12三种种典典型型晶晶格格配配位位数数示示意意图图典型型晶晶格格配配位位数数示示意意图图(a)体体心心立立方方(b)面面心心立立方方(c)密密排排六六方方3.7.5致致密密度度一个个晶晶胞胞内内原原子子所所占占体体积积与与晶晶胞胞体体积积之之比比，，称称之之为为致密密度度。致致密密度度K可用用下下式式求求出出：：式中中n为晶晶胞胞原原子子数数；；v为一一个个原原子子的的体体积积，，(r为原原子子半半径径)；V为晶晶胞胞体体积积。。三种种晶晶格格的的致致密密度度体心心立立方方晶晶格格的的致致密密度度：：面心心立立方方晶晶格格的的致致密密度度：：理想想密密排排六六方方晶晶格格的的致致密密度度3.7.6晶晶体体结结构构中中的的间间隙隙晶体体中中存存在在着着许许多多未未被被原原子子占占据据的的间间隙隙。。晶晶体体中中的的间间隙隙从从几几何何形形状状上上看看有有四面面体体和八面面体体两种种。。间间隙隙的的位位置置、、大大小小和和数数量量均均与与晶晶体体结结构构有有关关。。图3-13体心心立立方方结结构构的的间间隙隙（a）八面面体体间间隙隙；；（（b）四面面体体间间隙隙图3-14面心心立立方方结结构构的的间间隙隙（a）八面面体体间间隙隙；；（（b）四面面体体间间隙隙图3-15密排排六六方方结结构构的的间间隙隙（a）八面面体体间间隙隙；；（（b）四面面体体间间隙隙综上上所所述述,可可将将三三种种典典型型晶晶体体结结构构的的几几何何特特征征数数据据列列于于下下表表晶格类型晶胞中原子数原子半径配位数致密度八面体间隙半径四面体间隙半径体心立方2

a80.680.067a0.126a面心立方4a120.740.146a0.08a密排六方6a120.740.207a0.112a表3-5三种种典典型型晶晶格格的的几几何何参参数数3.7.7晶晶体体的的堆堆垛垛方方式式密排排六六方方结结构构：：密密排排面面堆堆垛垛顺顺序序为为ABABABABC…………排列列面心心立立方方结结构构:密密排排面面堆堆垛垛顺顺序序为为ABCABCABC………排列图3-16面面心立立方结结构和和密排排六方结结构中中原子子堆垛垛的方方式图3-17面面心立立方结结构密密排面原原子的的堆垛垛方式式3.8原子体体密度、面面密度度和线线密度度不同元元素原原子的的质量量不同同，不不同晶晶体结结构中中原子子排列列的紧紧密程程度不不同，，因而而具有有不同同的原原子体密密度度。不不同同晶晶体体结结构构中中不不同同晶晶面面、、不不同同晶晶向向上上的的原原子子排排列列方方式式和和排排列列密密度度也也不不同同，，因因而而具具有有不不同同的的原原子子面密密度度和线密密度度。3.8.1原原子子体体密密度度原子子体体密密度度可可利利用用下下式式计计算算：：原子子体体密密度度ρv＝单胞胞的的质质量量m单胞胞的的体体积积V举例例：：铜是是面面心心立立方方金金属属，，其其原原子子半半径径为为0.1278nm，，原子子质质量量为为63.54g/mol。。试计计算算铜铜的的原原子子体体密密度度。。解：：对对面面心心立立方方晶晶胞胞，，，，因因此此铜的的单单胞胞体体积积为为：：面心心立立方方晶晶胞胞有有四四个个原原子子，，每每个个铜铜原原子子的的质质量量为为（63.54g/mol））/（（6.02××1023原子子/mol）），，因此此，，单单胞胞的的质质量量m为：：因此此，，铜铜的的体体密密度度为为：：3.8.2原原子子面面密密度度原子子的的面面密密度度是是指指某某晶晶面面单单位位面面积积的的原原子子数数，，确确定定方方法法：：体心心立立方方（（110））晶晶面面上上的的原原子子数数，，等等于于用用（（110））面面来来切切这这个个晶晶胞胞，，在在切切面面上上所所得得的的遮遮影影面面积积拼拼合合的的图图，，即即得得原原子子的的数数目目为为：：4××1/4+1=2。。面心心立立方方（（111））晶晶面面的的遮遮影影面面积积和和单单胞胞原原子子数数。。由由图图可可知知，，其其（（111））面面原原子子数数为为3××1/2+3××1/6=2。。图3-18体心立立方单胞（（110））面（a）遮影面（b）单胞原子数数图3-19面心立立方单胞（（111））面（a）遮影面（（b）单胞原子数数体心立方：：原子的数目目为：4××¼+1=2面心立方：：原子的数目目为：3××1/2+3×1/6=2表3-6体体心立方方、面心立立方晶格主主要晶面的的原子排列列和密度晶面指数体心立方晶格

面心立方晶格

晶面原子排列示意图晶面原子密度(原子数/面积)

晶面原子排列示意图

晶面原子密度（原子数/面积）

{100}{110}{111}可见，在体体心立方晶晶格中，原原子面密度度最大的晶晶面为{110}；；在面心立立方晶格中中，原子面面密度最大大的晶面为为{111}。3.8.3原子线线密度原子的线密密度是指某某晶向单位位长度所包包含的原子子数。图3-20为面心立立方单胞[110]晶向的原原子数，可可知其原子子数为：1+2×1/2=2，单胞晶晶向长度为为，因此[110]晶向的原原子线密度度为：图3-20面心立立方[110]晶向的单胞胞原子数表3-7体体心立方方、面心立立方晶格主主要晶向的的原子排列列和密度晶向指数

体心立方晶格

面心立方晶格

晶向原子排列示意图

晶面原子密度(原子数/长度)

晶向原子排列示意图

晶向原子密度（原子数/长度）

<100>

<110>

<111>可见，在体体心立方晶晶格中，原原子线密度度最大的晶晶向为<111>；；在面心立立方晶格中中，原子线线密度最大大的晶向为为<110>。3.9多多晶晶型型性性与与同同素素异异构构转转变变多晶晶型型性性或或同同素素异异构构性性:具具有有两两种种或或两两种种以以上上的的晶晶体体结结构构的的这这种种性性质质。。多晶晶型型转转变变或或同同素素异异构构转转变变:具具有有多多晶晶型型性性的的金金属属在在温温度度或或压压力力变变化化时时，，由由一一种种晶晶体体结结构构变变为为另另一一种种晶晶体体结结构构的的过过程程。。如如：：常常压压下下，，a铁在在912℃℃以以下下为为体体心心立立方方结结构构，，称称为为α-Fe；；b铁在在912℃℃～～1394℃℃间间具具有有面面心心立立方方结结构构,称称为为γ-Fe；；c铁从从1394℃℃到到熔熔点点之之间间,又又成成为为体体心心立立方方结结构构,称称为为δ-Fe。。在高压压下，，铁还还可以以呈现现密排排六方方结构构。发生多多晶型型转变变时，，材料料的性性能将将发生生突变变。例例如：：由于α-Fe和δ-Fe的致密密度均均小于于γ-Fe，所以当当α-Fe转变为为γ-Fe时，体体积突突然减减小；；当γ-Fe转变为为δ-Fe时，体体积又又突然然增大大；冷冷却时时则相相反。。3.10多多晶晶与单单晶材材料多晶体体中的的各个个单晶晶体往往往呈呈颗粒粒状，，不具具有规规则的的外形形。各各相邻邻晶粒粒之间间存在在着晶晶界。。多晶体体的伪伪各向同同性；单晶晶的各向异异性。单晶材材料具具有较较高的的强度度、耐耐蚀性性、导导电性性和其其他特特性，，在工工业上上有较较广泛泛的应应用。。图3-21工业纯纯铁的的显微微组织织照片片多晶体体：由许许多晶晶粒组组成的的晶体体。单晶体体：由一一个核核心(称为为晶核核)生生长而而成的的晶体体。3.11微微晶晶、准准晶与与液晶晶3.11.1微微晶晶3.11.2准准晶晶3.11.3液液晶晶3.11.1微微晶晶快速凝凝固的的晶态态合金金与普普通铸铸造合合金相相比，，晶粒粒尺寸寸小得得多。。模铸铸材料料晶粒粒尺寸寸一般般在mm级，而急急冷凝固固材料的的晶粒尺尺寸仅为为微米（（μm）或纳米（（nm）级，称为为微晶合金金或纳晶晶合金。微晶结构构材料因因晶粒细细小，成成分均匀匀（使偏偏析范围围由模铸铸的几毫毫米减至至0.1～0.25μm），，增加了空空位、位位错和层层错等缺缺陷，形形成了新新的亚稳稳态相等等多种因因素，使使微晶合合金材料料具有高高强度、、高硬度度、良好好的韧性性、较高高的耐磨磨性、耐耐蚀性，，抗氧化化性、抗抗辐射稳稳定性也也比一般般晶态金金属有很很大的提提高。3.11.2准准晶准晶：介于晶晶体与非非晶体之之间的一一类晶体体称为准准晶。准准晶不同同于非晶晶态，也也是遵循循形核长长大规律律完成液液固转变变，相变变过程受受原子扩扩散控制制。准晶晶必须在在一定冷冷却速度度范围内内形成，，如Al-Mn合金中冷冷速在1.7××106-3×106K/s的范围内内才能获获得，超超过这一一范围将将出现非非晶态。。一般需需要有150-200℃的过过冷度。。目前在在Al-Mn、Al-Co、Al-Mn-Fe、Al-V、Pd-U-Si、、Al-Mn-Si等合金中中都已发发现了准准晶，并并测试了了它们的的一些物物理性能能。图3-22二二维晶胞胞的密排排图形3.11.3液液晶液晶：又称为为介晶态态相，其其分子既既不像固固体中那那样三维维有序，，也不像像液体中中那样完完全无序序，而是是介于两两者之间间的状态态，由于于液晶中中呈现着着某种有有序状态态，所以以它是各各向导性性的。图3-23几几种液晶晶分子的的形态液晶的盘盘形分子子；(b)由盘形分分子构成成的柱在在液晶中的排排列方式式之一图3-25盘盘形分子子液晶（a）向列相；；(b)胆甾相；(c)近晶相图3-24液液晶中的的分子安安排3.12合金金相结构构3.12.1固固溶体体3.12.2中中间相相合金和组组元合金：由两种种或两种种以上元元素(金属与金金属，金金属与非非金属)经熔炼、、烧结或或其它方方法组合合而成并并具有金金属特性性的材料料。组元：组成合合金的最最基本的的、独立立的物质质。通常常，组元元即为组组成合金金的各元元素，但但元素间间所形成成的稳定定化合物物有时也也可作为为组元。。由两个组组元组成成的合金金称为二元合金金，由三个个组元组组成的合合金称为为三元合金金，由三个个以上组组元组成成的合金金称为多元合金金。相和组织织相：是指合合金中具具有同一一聚集状状态、同同一晶体体结构，，成分基基本相同同，并有有明确界界面与其其它部分分分开的的均匀组组成部分分。这个个界面叫叫相界面面。固态合金金如由均均匀的单单一相组组成，则则称其为为单相合合金，由由几个不不同相组组成的合合金称为为多相合合金。组织：是指用用肉眼或或显微镜镜所观察察到的不不同组成成相的形形状，分分布及各各相之间间的组合合状态，，常称之之为具有有特殊形形态的微微观形貌貌。相是组织织的基本本组成部部分。而而组织是是决定材材料性能能的一个个重要因因素。工工业生产产中经常常通过控控制和改改变合金金的组织织来改变变和提高高合金性性能。合金相可可分为固溶体和中间相(又称金属属化合物物)两大类。。3.12.1固固溶体体定义：以合金某某一组元元为溶剂剂，在其其晶格中中溶入其其它组元元原子(溶质)后所形成成的一种种合金相相，其特特征是仍仍保持溶溶剂晶格格类型，，结点或或间隙中中含有其其它组元元原子。。固溶体的的分类置换固溶溶体：溶质原原子占据据溶剂晶晶格的某某些结点点位置所所形成的的固溶体体。间隙固溶溶体：溶质原原子进入入晶格的的某些间间隙位置置所形成成的固溶溶体。根据溶质质原子在在溶剂中中的固溶溶能力可可分为:有限限固溶体体和无限限固溶体体。另外，根根据溶质质原子在在固溶体体中的分分布是否否有规律律，固溶溶体又分分为无序序固溶体体和有序序固溶体体。图3-26固溶体的的两种类类型(a)置换固溶溶体(b)间隙固溶溶体1.置置换固溶溶体置换固溶溶体的固固溶度主主要受以以下因素素影响：：（1）原子尺尺寸因素素（2）电负性性因素（3）电子浓浓度因素素（4）晶体结结构因素素（1）原原子尺寸寸因素原子尺寸寸因素可可用溶剂剂、溶质质原子半半径之差差与溶剂剂原子半半径之比比描述，，即△r＝｜rA-rB｜/rA。△r越小，即即组元间间原子半半径越相相近，则则固溶体体的固溶溶度越大大；反之之，△r越大，固固溶度越越小。图3-27大(a)小(b)置换原子子引起的的晶格畸畸变（2）电电负性因因素电负性是指原子子接受电电子以形形成负离离子的能能力。在在周期表表中，同同一周期期里的元元素的电电负性由由左到右右依次递递增；而而在同一一族内，，元素电电负性从从上至下下递减。。两元素的的电负性性愈相近近，愈有有利于形形成无限限固溶体体。只能能形成有有限固溶溶体时，，则电负负性愈接接近，固固溶度也也就愈大大。两元素的的电负性性相差越越大，则则它们之之间的化化学亲和和力越强强，越倾倾向于形形成化合合物，而而不利于于形成固固溶体。。（3）电子子浓度因素素电子浓度是指合金相相中各组元元价电子总总数e与原子总数数a之比(e/a)，可用下式表表示：式中VA、VB分别为溶剂剂和溶质的的原子价，，X为溶质的原原子百分数数。固溶度与电电子浓度的的关系固溶体的固固溶度与电电子浓度密密切相关：：当溶剂元素素为一价的的面心立方方金属时，，不同溶质质元素的最最大固溶度度所对应的的极限电子子浓度均为为1.36左右；当溶剂元素素为一价的的体心立方方金属时，，其极限电电子浓度约约为1.48。超过过该极限值值，则由于于固溶体结结构不稳定定而引起新新相出现。。所以，溶质质的原子价价越高，其其固溶度越越低。（4）晶体体结构因素素只有晶格类类型相同，，溶质原子子才有可能能连续置换换溶剂晶格格中的原子子，直至溶溶剂原子完完全被溶质质原子所置置换。如果果组元的晶晶格类型不不同，则只只能形成有有限固溶体体。图3-28无限置换固固溶体中两两组元原子子连续置换换示意图综上所述，，如果组元元元素的晶晶格类型相相同，原子子半径相差差不大，它它们在周期期表中的位位置邻近时时，其固溶溶度可能很很大，甚至至可以形成成无限固溶体体；反之，则则固溶度较较小。一般般情况下，，由于上述述多因素的的影响，各各元素间大大多只能形形成有限固溶体体。2.间间隙隙固固溶溶体体当两两组组元元原原子子半半径径差差超超过过0.41，即即溶溶质质与与溶溶剂剂的的原原子子半半径径比比rB/rA<0.59时，，两两者者已已不不可可能能形形成成置置换换固固溶溶体体，，此此时时溶溶质质原原子子就就可可能能进进入入溶溶剂剂晶晶格格的的间间隙隙而而形形成成间隙固固溶体体。形成间间隙固固溶体体的溶溶质元元素通通常为为原子子半径径小于于0.1nm的非金金属元元素，，如氢氢、氧氧、氮氮、碳碳、硼硼等(其相应应的原原子半半径分分别为为0.046、0.060、0.071、0.077、0.097nm)，而溶剂剂元素素大都都是过过渡族族金属属元素素。间隙固固溶体体均属属固溶溶度很很小的的有限限固溶溶体。。图3-26间隙固固溶体体的晶晶格畸畸变3.有有序序固溶溶体及及固溶溶体的的微微观不不均匀匀性在热力力学平平衡状状态下下，固固溶体体的成成分在在宏观观上是是均匀匀的，，但从从微观观来看看，其其溶质质原子子的分分布往往往是是不均均匀的的。图3-30固溶体体中溶溶质原原子分分布示示意图图(a)完全无无序；；(b)偏聚；；(c)部分有有序；；(d)完全有有序有序固固溶体体定义：：某些些具有有短程程有序序的固固溶体体，当当其成成分接接近一一定原原子比比(如AB或AB3)时，可可在低低于某某一临临界温温度时时转变变为长长程有有序结结构，，即溶溶质和和溶剂剂原子子在整整个晶晶体中中都按按一定定的顺顺序和和规律律排列列起来来，如如图3-30（d）所示，，这样样的固固溶体体称为为有序固固溶体体，又称称为超超结构构或超超点阵阵，这这一转转变过过程成成为有有序化化，该该临界界温度度叫有有序化化温度度。(a)CuAu(b)Cu3Au图3-31有序固固溶体体的晶晶体结结构4．固固溶体体的性性能特特点固溶体体中随随溶质质原子子浓度度的提提高，，晶格格畸变变程度度提高高，因因而晶晶格常常数变变大。。固溶强强化：由于于晶格格畸变变增大大了位位错运运动的的阻力力，塑塑性变变形更更加困困难，，从而而使固固溶体体的强强度与与硬度度增加加的现现象。。固溶溶强化化是金金属强强化的的重要要方式式之一一。图3-32各元素素溶入入铝、、铜、、铁中中形成成置换换固体体时的的晶格格常数数的变变化3.12.2中中间间相中间相相(金属化化合物物)：合金金组元元间相相互作作用，，当超超过固固溶体体的固固溶极极限时时，可可形成成晶体体结构构和特特性完完全不不同于于任一一组元元的新新相，，即金金属化化合物物；由由于金金属化化合物物在二二元合合金相相图中中总是是处于于两个个组元元或端端际固固溶体体区域域之间间的中中间部部位，，故也也称之之为中中间相相。中间相相通常常可用用化学学式表表示其其组成成。但但其成成分通通常可可在一一定范范围内内变化化。中间相相的特点点和分分类大多数数中间间相是是以金金属键键混以以其它它典型型结合合键(离子键、共共价健和分分子键)方式相结合合，中间相相一般具有有较高的熔熔点、硬度度和脆性，，因此，含含有中间相相的合金强强度、硬度度、耐磨性性及耐热性性提高，但但塑性和韧韧性降低。。根据形成中中间相时起起主导作用用的控制因因素之不同同，中间相相可分为：：主要受电电负性因素素控制的正常价化合合物，以电子浓浓度为主要要控制因素素的电子化合物物，以原子尺尺寸因素为为主要控制制因素的间隙相、间隙化合物物和拓朴密堆相相。1.正常常价化合物物定义：符合一般般化合物原原子价规律律的金属化化合物。它它们具有严严格的化合合比，成分分固定不变变。如Mg2Si、Mg2Sn、ZnS、ZnSe、SiC等。正常价化合合物一般有有AB、A2B(或AB2)和A3B2三种类型，，其晶体结结构往往与与具有同类类化学式的的离子化合合物的晶体体结构相似似。例如：：AB型具有NaCl或ZnS结构，AB2型具有CaF2结构，A2B型为反CaF2结构，A3B2型则具有反反M2O3型结构(M表示金属)。正常价化合合物通常具具有较高的的硬度和脆脆性。如果果它们弥散散分布于固固溶体基体体上，则将将使合金得得到强化。。图3-33几种类型正正常价化合合物的晶体体点阵(a)NaCl型(b)CaF2型(c)立方ZnS型(d)六方ZnS型2．电子化化合物按照一定电电子浓度形形成的金属属化合物叫叫电子化合物物。电子化合物物的电子浓浓度与晶体体结构具有有一定对应应关系：电子浓度为为3/2(21/14)的电子化合合物通常具具有体心立立方结构，，称为β相；电子浓浓度为21/13时，为复杂杂立方结构构，称为γ相；电子浓浓度为7/4(21/12)时，则为密密排六方结结构,称为为ε相。电子化合物物主要为金金属键结合合,具有明显的的金属特性性。熔点和和硬度都很很高,塑性较差,是许多有色色金属中的的强化相.表3-12常见的电子子化合物及及其结构类类型合金系

电

子

浓

度

β相

γ相

ε相

晶

体

结

构

体心立方晶格复杂立方晶格密排六方晶格Cu-ZnCuZnCu5Zn8CuZn3Cu-SnCu5SnCu31Sn8Cu3SnCu-AlCu3AlCu9Al4Cu5Al3Cu-SiCu5SiCu31Si8Cu3SiFe-AlFeAl

Ni-AlNiAl

3．间隙相相与间隙化化合物间隙相和间间隙化合物物是由过渡渡族金属元元素与碳、、氮、氢、、硼等原子子半径较小小的非金属属元素形成成的金属化化合物。可可根据组元元间原子半径比比和化合物的的结构特征进行区分。。(1)间间隙相当非金属原原子半径与与金属原子子半径的比比值小于0.59时，将形成成具有简单单晶体结构构(如面心立方方、体心立立方、密排排六方和简简单六方等等)的金属化合合物，称为为间隙相。在间隙相相晶格中，，金属原子子位于正常常结点位置置，非金属属原子则位位于晶格的的间隙处。。应当指出，，间隙相与与间隙固溶溶体之间有有本质区别别。前者是是一种中间间相，其晶晶体结构与与组元晶体体结构完全全不同；而而间隙固溶溶体则仍保保持溶剂组组元的晶格格类型。图3-34间隙相和间间隙化合物物的晶体结结构(a)间隙相VC(b)间隙化合物物Fe3C间隙相非常常稳定，具具有极高的的熔点和硬硬度，同时时其脆性也也较大。它它们的合理理存在，可可有效地提提高钢的强强度、热强强性、红硬硬性和耐磨磨性。因而而间隙相是是高合金钢钢和硬质合合金中的重重要组成相相。类

型间

隙

相

复杂结构间隙化合物

成分TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23C6Fe3C硬度HV28502840201020501550173014801650～800熔点℃30803472±2026503608±5039832785±5252715771227表3-14钢中常见碳碳化物的硬硬度及熔点点（2）间隙隙化合物当非金属原原子半径与与金属原子子半径之比比大于0.59时，则形成成具有复杂杂晶体结构构的金属化化合物，由由于此时非非金属原子子也位于晶晶格间隙中中，故称之之为间隙化合物物。这类中间间相大多是是由一些过过渡族金属属元素和碳碳原子所形形成的碳化化物，常见见的主要有有M3C型(如Fe3C、Mn3C)、M7C3型(如Cr7C3)、M23C6(如Cr23C6)和M6C型(如Fe4W2C、Fe3W3C)等，其中M代表金属元元素。间隙化合物物的晶体结结构都很复复杂。间隙隙化合物主主要为金属属键结合，，具有金属属特性。它它们也具有有很高的熔熔点和硬度度，因而也也是钢中重重要的强化化相。但与与间隙相比比较，间隙隙化合物的的熔点和硬硬度要低些些，而且加加热时较易易分解。3.13晶晶体缺陷陷晶体缺陷：实际晶体体中，总是是存在一些些原子排列列偏离理想想状态的不不完整区域域，出现原原子排列的的不完整性性，称为晶体缺陷。根据晶体缺缺陷的几何何特征，可可将其分为为点缺陷、线缺陷(即位错)和面缺陷三类。3.13.1点缺缺陷点缺陷的特特点是在三三维尺度上上都很小，，一般不超超过几个原原子间距。。点缺陷主要有空位、间隙原子和置换原子等三种。1.肖脱基空位位2.弗兰克尔空空位3.同类间隙原原子4.异类间隙原原子5.大的置换原原子6.小的置换原原子图3-35晶体中的各各种点缺陷陷1.空位位实际晶体中中某些晶格格结点因原原子脱位而而空着，这这些空着的的结点位置置称为空位。空位的形成成主要与原原子的热振振动有关，，因此又称称热空位。。脱离平衡位位置的原子子大致有三三个去处。。一是迁移移到晶体的的外表面或或内表面(如晶界)，如此形成成的空位叫叫肖脱基空位位；二是挤入入晶格间隙隙中，如此此形成的空空位叫弗兰克尔空空位；三是跳到到其它空位位中，这样样虽不增加加空位数目目，但可造造成空位迁迁移。在热平衡状状态下，晶晶体中主要要是形成肖脱基空位位。空位的出现现，使其周周围原子相相互间的作作用力失去去平衡，因因而它们会会向空位处处偏移，使使空位周围围的晶格出出现了一个个弹性畸变变(歪扭)区，称为晶格畸变。图3-36空位(a)及间隙原子子(b)的晶格畸变变区2．间隙原原子位于晶格间间隙中的原原子即为间隙原子。同类间隙原原子：形成弗兰兰克尔空位位时出现的的间隙原子子，又叫自自间隙原子子，其浓度度极低。异类类间间隙隙原原子子：大都都是是原原子子半半径径很很小小的的外外来来原原子子，，如如钢钢中中的的碳碳、、氮氮、、硼硼、、氢氢等等，，又又叫叫杂杂质质间间隙隙原原子子。。间隙隙原原子子会会使使其其周周围围的的原原子子偏偏离离平平衡衡位位置置，，造造成成晶晶格格胀胀大大而而产产生生弹弹性性畸畸变变区区。。3．．置置换换原原子子占据据在在原原来来基基体体原原子子平平衡衡位位置置上上的的异异类类原原子子称称为为置换原子子。置换原子子造成晶晶格畸变变。置换原子子与间隙隙原子，，在材料料的强化化过程中中起着很很重要的的作用。。4．点缺缺陷的运运动点缺陷陷并非非固定定不动动，而而是处处于不不断的的运动动变化化之中中。空位和间隙原原子的的运动动是晶体体中产产生扩扩散的的重要要方式式。3.13.2线线缺缺陷晶体中中的线缺陷陷就是各各种类类型的的位错。其特特点是是原子子发生生错排排的范范围在在二维维尺度度上很很小，，而在在第三三维尺尺度上上很大大。这这是晶晶体中中极为为重要要的一一类缺缺陷，，它对对晶体体的塑塑性变变形、、强度度和断断裂起起着决决定性性的作作用。。1.位位错的类类型两种基本本类型：：刃型位错错和螺型位错错。(1)刃型位错错由多余半半原子面面产生的的“管道道”状晶晶格畸变变区称为为刃型位位错。晶晶格畸变变“管道道”的中中心线，，即多余余半原子子面端部部刃口的的原子列列(图中处)，称为刃刃型位错错线。图3-37刃型位错错模型刃型位错错的形成成与晶体体局部滑滑移刃型位错错的应力力场与间间隙原子子和置换换原子发发生弹性性交互作作用，吸吸引这些些原子向向位错区区偏聚，，从而降降低了晶晶格畸变变能，并并使位错错难于运运动，从从而造成成材料的的强化。。图3-38晶体体局局部部滑滑移移形形成成的的刃刃型型位位错错(2)螺螺型型位位错错按螺螺旋旋形形排排列列的的原原子子错错排排区区域域称称为为螺螺型型位位错错。。显显然然，，螺螺型型位位错错也也是是一一条条细细长长的的晶晶格格畸畸变变““管管道道””，，其其弹弹性性变变力力场场呈呈轴轴对对称称分分布布。。图3-39螺形形位位错错左螺螺型型和和右右螺螺型型位位错错根据据位位错错区区螺螺旋旋形形原原子子排排列列的的旋旋转转方方向向不不同同，，螺螺型型位位错错分分左左旋旋和和右右旋旋两两种种。。通通常常用用姆姆指指代代表表螺螺旋旋前前进进方方向向，，其其余余四四指指代代表表螺螺旋旋旋旋转转方方向向。。符符合合右右手手螺螺旋旋法法则则的的称称为为右右螺螺型型位位错错，，符符合合左左手手螺螺旋旋法法则则的的称称为为左左螺螺型型位位错错。。(3)混混合位位错位错线线呈曲曲线状状，与与滑移移方向向即不不平行行也不不垂直直，而而是交交成任任意角角度。。图3-40混合位位错(a)晶体的的局部部滑移移形成成混合合位错错(b)混合位位错附附近原原子组组态的的俯视视图2.柏柏氏氏矢量量与柏柏氏回回路柏氏矢矢量：用来来描述述位错错区域域晶格格畸变变总量量的大大小和和方向向的矢矢量，，用b表示。。图3-41刃型位位错柏柏氏矢矢量的的确定定实际晶晶体的的柏氏氏回路路；(b)完整晶晶体的的相应应回路路刃型位位错的的柏氏氏矢量量与其其位错错线相相垂直直。这这一特特征可可用于于判断断一个个位错错是否否为刃刃型位位错。。刃型位位错的的正负负也可可借右右手法法则来来确定定。图3-42用右手手定则则确定定刃型型位错错类型型螺型位位错的的判定定螺型位位错的的柏氏氏矢量量也可可用相相同方方法确确定。。螺型型位错错的柏柏氏矢矢量与与其位位错线线平行行，这这一特特征成成为定定义螺螺型位位错的的判据据。图3-43螺型位位错柏柏氏矢矢量的的确定定实际晶晶体的的柏氏氏回路路(b)完整晶晶体的的相应应回路路混合位位错的的特点点混合位位错的的柏氏氏矢量量既不不垂直直也不不平行行于位位错线线，而而是与与位错错线交交成不不同角角度。。因此此，可可将混混合位位错的的柏氏氏矢量量分解解为垂垂直和和平行行于位位错线线的两两个分分量，，分别别对应应于刃刃型位位错和和螺型型位错错分量量，如如图3-44所示。。图3-44混合位位错的的柏氏氏矢量量3．位位错运运动位错的的运动动主要要包括括：（1）位错错的滑滑移（2）位错的的攀移移（1））位错错的滑滑移位错沿沿滑移移面的的移动动称为为滑移移运动动。当当位错错在切切应力力作用用下沿沿滑移移面滑滑过整整个滑滑移面面时，，就会会使晶晶体表表面产产生一一个原原子间间距的的滑移移台阶阶。(a)刃型位位错的的滑移移(b)螺型位位错的的滑移移(c)混合位位错的的滑移移图3-46位错滑滑移导导致晶晶体滑滑移的的示意意图位错的的滑移移与晶晶体的的滑移移晶体的的滑移移运动动不是是整个个滑移移面上上的全全部原原子同同时一一齐移移动，，而是是通过过位错错中心心及其其附近近的少少量原原子沿沿柏氏氏矢量量作小小于一一个原原子间间距的的微量量位移移而逐逐步实实现的的。因因此，，晶体体通过过位错错运动动进行行滑移移变形形所需需的切切应力力比刚刚性整整体滑滑移所所需切切应力力小得得多。。图3-47刃型位位错的的滑动动与晶晶体滑滑移（2））位位错的的攀移移刃型位位错可可在垂垂直于于滑移移面方方向上上运动动进行行攀移移。(a)未攀移移的位位错(b)空位运运动形形成的的正攀攀移(c)间隙隙原原子子扩扩散散引引起起负负攀攀移移图3-48刃型型位位错错的的攀攀移移运运动动模模型型3.13.3面面缺缺陷陷面缺缺陷陷是指指二二维维尺尺度度很很大大而而第第三三维维尺尺度度很很小小的的缺缺陷陷。。包括括晶晶体体的的外外表表面面(即通通常常所所说说的的表表面面或或自自由由表表面面)和内内界界面面两两类类，，其其中中内内界界面面又又包包括括晶晶界界、、亚亚晶晶界界、、孪孪晶晶界界、、相相界界和和层层错错等等。。1．．自自由由表表面面自由由表表面面是指指晶晶体体与与气气体体或或液液体体相相接接触触的的界界面面。。处于于这这种种界界面面上上的的原原子子，，由由于于其其周周围围环环境境与与晶晶体体内内部部不不同同，，受受力力处处于于非非平平衡衡状状态态，，其其中中受受到到的的内内部部原原子子作作用用力力显显著著大大于于外外部部介介质质原原子子或或分分子子的的作作用用力力。。因因此此，，界界面面原原子子将将偏偏离离其其平平衡衡位位置置，，造造成成表表面面约约几几个个原原子子层层范范围围内内的的晶晶格格畸畸变变及及能能量量升升高高。。将将单单位位表表面面面面积积上上新新增增加加的的能能量量称称为为表面面能能，它它与与表表面面张张力力为为同同一一数数值值。。2．．晶晶界界相邻邻晶晶粒粒之之间间的的界界面面叫叫晶界界。每每个个晶晶粒粒内内存存在在着着许许多多位位向向差差极极小小(＜1°)的亚亚结结构构，，称称为为亚晶晶粒粒。亚亚晶晶粒粒之之间间的的界界面面叫叫亚晶晶界界。根据据相相邻邻晶晶粒粒位位向向差差θ的不不同同,晶界界可可分分为为两两类类：：相相邻邻晶晶粒粒位位向向差差小小于于10°的为为小角度度晶界界；相邻邻晶粒粒位向向差大大于10°的为为大角度度晶界界。亚晶晶界属属于小小角度度晶界界。（1））小角角度晶晶界小角度度晶界界可分分为对对称倾倾侧晶晶界、、不对对称倾倾侧晶晶界和和扭转转晶界界等多多种。。图3-49对称倾侧晶晶界图3-50对称倾侧晶晶界的形成成应当指出，，对晶体中中实际存在在的许多小小角度晶界界(如亚晶界)来说，其结结构比较复复杂，一般般是由刃型型位与螺型型位错组合合而成。图3-51简单立方晶晶体的不对称倾侧侧晶界（2）大角角度晶界大角度晶界界的结构：：相邻晶粒粒在邻接处处的形状是是由不规则则台阶组成成的。图3-53大角晶界模模型（3）晶界界特性晶界上的原原子由于排排列不规则则而处于较较高的能量量状态。单单位晶界面面积上增加加的能量称称为晶界能。晶粒长大大和晶界的的平直化都都可以减小小晶界的总总面积，从从而降低晶晶界的总能能量。晶粒粒的长大和和晶界的平平直化是一一个自发过过程。晶界具有一一系列不同同于晶粒内内部的特性性：（1）常温下下，晶界界对位错错的运动动起阻碍