第二章金属与合金的晶体结构

机械制造基础系部：机械工程学院

教师：张玲

第一节纯金属的结晶常用工程材料的性能分析第二章金属与合金的晶体结构第二节合金的晶体结构第三节实际金属的晶体结构学习目标：1、了解金属晶体结构的基本知识；2、了解合金的晶体结构；3、掌握实际金属的晶体结构；教学重点：掌握实际金属的晶体结构。教学难点：掌握纯金属的结晶。1.晶体结构的基本知识晶体：指原子呈规则、周期性排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体：原子呈无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。第一节纯金属的结晶第二章金属与合金的晶体结构2.区别(a)是否具有周期性、对称性；(b)是否长程有序；(c)是否有确定的熔点；(d)是否各向异性；金属的结构晶态非晶态Si2O的结构晶态非晶态晶体与非晶体区别第二章金属与合金的晶体结构3、金属的晶体结构晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。理想晶体的晶体学抽象空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小组成单元）第二章金属与合金的晶体结构4、常见的金属晶格类型晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（即原子中心）称结点。由结点形成的空间的阵列称空间点阵。

晶格中能代表原子排列规律的基本几何单元称为晶胞。图2-3晶胞及晶格常数常见的金属晶格类型：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。5、晶胞的描述晶体学参数：a，b，c，α，β，γ晶格常数：a，b，c晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3c,==90,=120原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。第二章金属与合金的晶体结构（1）体心立方晶格BCCBodyCenteredCube：

晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和立方体中心各有一个原子。晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子个数：2配位数：8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等。面心立方晶格FCCFace-CentereCube：第二章金属与合金的晶体结构

晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面中心各有一个原子。

晶格常数：a原子个数：4配位数：12致密度：0.74常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等。第二章金属与合金的晶体结构密排六方晶格HCPHexagonalClose-Packed：晶胞是一个正六棱柱体，在柱体的各个角和上下底面中央各有一个原子，在顶面和底面的中间还有三个原子。晶格常数：底面边长a和高c，

c/a=1.633原子个数：6配位数：12致密度：0.74常见金属：Mg、Zn、

Be、Cd等BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度FCCa=b=c,α=β=γ=90o

2868%BCCa=b=c,α=β=γ=900

41274%HCPa=b≠c,c/a=1.633,α=β=90o,γ=120o

a/261274%

二、合金的晶体结构2.合金的相结构1.合金的基本概念第二章金属与合金的晶体结构合金：由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起，形成具有金属特性的物质。第二章金属与合金的晶体结构1.合金的基本概念第二章金属与合金的晶体结构组元：组成合金独立的、最基本的物质称为组元，简称元。合金的组元通常是纯元素，也可以是稳定化合物。

合金系：由二个或二个以上的组元按不同比例配制的一系列不同成分的合金，称为一个合金系，简称系。

第二章金属与合金的晶体结构相：合金中凡是结构、成分和性能相同并且与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为相。组织：是指用肉眼或借助显微镜能观察到的具有某种形态特征的合金组成物。其实质是一种或多种相按一定的方式相互结合所构成的整体的总称。它直接决定合金的性能。

第二章金属与合金的晶体结构根据合金中各组元之间的相互作用不同，可分为

1）固溶体

2）金属化合物

3）机械混合物

(1)置换固溶体

(2)间隙固溶体

2、合金的结构固溶体

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称为固溶体。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。

固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B),其中A为溶剂,B为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示,亦可表示为Cu(Zn)。第二章金属与合金的晶体结构

固溶体的分类

（1）按溶质原子在溶剂晶格中的位置分

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。

间隙固溶体第二章金属与合金的晶体结构置换固溶体（2）按溶质原子在溶剂中的溶解度分

固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。

固溶体中溶质的含量即为固溶体的浓度，用质量分数或摩尔分数表示。在一定温度和压力条件下，溶质在固溶体中的极限浓度即为溶质在固溶体中的溶解度。若超过这个溶解度有其它相形成，则此种固溶体为有限固溶体。若溶质可以任意比例溶入，即溶质溶解度可达100%，则固溶体为无限固溶体。第二章金属与合金的晶体结构固溶体的性能

固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。

晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。

固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。

纯铜的σb为220MPa,硬度为40HB,断面收缩率ψ为70%。当加入1%的镍形成单相固溶体后,强度升高到390MPa,硬度升高到70HB,而断面收缩率仍有50%。所以固溶体综合机械性能很好,常作为结构合金的基体相。固溶体与纯金属相比,物理性能有较大的变化,如电阻率上升,导电率下降,磁矫顽力增大。（3）按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。

溶质原子有规则分布的为有序固溶体；无规则分布的为无序固溶体。在一定条件(如成分、温度等)下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体。这种转变叫做有序化。第二章金属与合金的晶体结构

固溶强化:

由于溶质原子溶入溶剂后引起晶格畸变,使其塑性变形的抗力增大,因而使得合金的强度、硬度升高，这种现象称为固溶强化。第二章金属与合金的晶体结构

概念：在合金相中，各组元的原子按一定的比例相互作用生成的晶格类型和性能完全不同于任一组元，并且有一定金属性质的新相，称为金属化合物。如图2.8所示。

性能：金属化合物的熔点高，性能硬而脆。金属化合物图2-8Fe3C的晶体结构第二章金属与合金的晶体结构第三节实际金属的晶体结构多晶体结构单晶体:晶体内部的晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶体称为单晶体。

多晶体:由许多小晶体组成的晶体称为多晶体，这些小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。

虽然每个晶粒具有各向异性，但不同方向的金属性能是很多位向不同晶粒的平均性能，故多晶体材料表现为各向同性。

a)单晶体b)多晶体图2-9单晶体与多晶体结构第二章金属与合金的晶体结构晶体缺陷

晶体中原子规律排列受到破坏的某些区域，称为晶体缺陷。第二章金属与合金的晶体结构晶体缺陷按其几何特征分为点缺陷线缺陷面缺陷

晶体缺陷产生晶格畸变，会使金属的强度和硬度有所提高。

在晶体中，空着的晶格结点称为晶格空位。不占据正常晶格位置而处在晶格空隙中的原子，称为间隙原子，如图2.16所示。空位和间隙原子均为晶体的点缺陷。另外，晶体中存在的杂质原子也是一种点缺陷。

空位和间隙原子

第二章金属与合金的晶体结构图2-10晶格空位和间隙原子第二章金属与合金的晶体结构空位间隙原子大置换原子小置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。点缺陷

点缺陷的附近会产生晶格畸变，产生应力场。点缺陷在晶体中是不断地运动者的，这是产生

扩散的原因。第二章金属与合金的晶体结构

晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。刃型位错(图2-11)是金属晶体中最常见且最简单的位错。线缺陷(位错)第二章金属与合金的晶体结构图2-11刃型位错示意图第二章金属与合金的晶体结构

晶界的特点：晶界处能量高，易被腐蚀，熔点比晶内低，晶界处杂质多，阻碍位错的运动，使金属不易发生塑性变形（常温下，细晶粒金属的强度比粗晶粒金属高）等。

晶界：多晶体