第二章金属的结构

机械工程材料工学院主讲人：杨拓宇2.1

原子结合方式

2.2

金属的晶体结构

2.3

实际金属中的晶体缺陷

第二章材料的结构金属键：依靠电子云强烈的静电引力结合起来。金属正离子始终沉浸在电子云中，保持金属键的结合；所以金属能变形不断裂2.1

原子的结合方式价电子云正离子金属键示意图一．晶体与非晶体二．纯金属的晶体结构三．晶面和晶向四．金属晶体的各向异性

2.2金属的晶体结构

晶体—材料中的原子（分子）按一定的几何规律作周期性地排列。非晶体

：蜂蜡、玻璃等。晶体金刚石、NaCl、冰等。

非晶体——非晶体中原子（分子）则是无规则的堆积在一起.液体一、晶体与非晶体晶格与晶胞⑴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。直线的交点称结点由结点形成的空间点的阵列称空间点阵：反应点阵特征的基本单元叫晶胞晶胞XYZabc晶格常数a，b，c晶胞棱边长度叫晶格常数（3）晶系：(布喇菲点阵,用数学方法证明)根据晶格常数不同，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=a3

c，==90，=120立方六方四方菱方正交单斜三斜几个重要参数

前提：假设原子为刚性球

1、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。2、晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。

3、配位数及致密度：配位数：是指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。二、纯金属的晶体结构（1）体心立方晶格bcc

（2）面心立方晶格fcc

（3）密排六方晶格hcp（1）体心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo等体心立方晶格的参数体心立方晶格原子个数：2配位数：

8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常数：a(a=b=c)原子半径：ar43=

（2）面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等面心立方晶格的参数a42r=

：原子半径原子个数：4配位数：12致密度：0.74常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常数：a面心立方晶格（3）密排六方晶格a21r=：原子半径原子个数：6配位数：12致密度：0.74常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等晶格常数：底面边长a和高c，

c/a=1.633密排六方晶格三金属晶体中的晶面和晶向的表示XYZabc晶面通过原子中心的平面晶向通过原子中心的直线所指的方向XYZabc晶面、晶向表示方法晶面指数表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：(1)选坐标，以晶格中某一原子为原点，以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。(2)以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个轴上的截距。(3)求三个截距的倒数。(4)将所得数值化为最小整数，加圆括弧，形式为(hkl)。(1)确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。(2)求直线上任一点的坐标值。●(3)按比例化为最小整数,加方括弧。形式为[uvw]。2.晶向指数表示晶向的符号称晶向指数。其确定步骤为：⑶晶面族与晶向族(hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用{hkl}和<uvw>表示。说明：①

在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。②

遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。--③晶向具有方向性，如[110]与[110]方向相反。XZY(221)[221][110][110]四、金属晶体的各向异性不同晶面或晶向上原子密度不同导致性能不同的现象XYZXYZ实际金属晶体结构与理想结构的偏离单晶体：内部晶格位向完全一致

的晶体（理想晶体）。如单晶Si半导体。多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。晶粒（单晶体）晶体缺陷：晶格的不完整部位称晶体缺陷。一、点缺陷：空位、间隙原子、异类原子二、线缺陷：位错三、面缺陷：晶界与亚晶界五实际金属中的晶体缺陷①点缺陷

空间三维尺寸都很小的缺陷。空位间隙原子置换原子a.

空位：晶格中某些缺排原子的空结点。b.

间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙c.

置换原子：

取代原来原子位置的外来原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶空位间隙原子小置换原子大置换原子格畸变。使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位和间隙原子引起的晶格畸变二、线缺陷

线缺陷—晶体中的位错刃位错刃位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。刃型位错

螺型位错可分为刃型位错和螺型位错。刃型位错和螺型位错刃位错的形成刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“┴”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“┬”表示。位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金属的位错密度为104~1012/cm2金属晶须退火态(105-108/cm2)

加工硬化态(1011-1012/cm2)

螺位错三、面缺陷晶粒（单晶体）晶界面缺陷—晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。亚晶粒大角度和小角度晶界位错网亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10~2

)的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错网。●一、组元与相的概念●二、固溶体●三、金属化合物2.3合金的相结构一、组元与相的概念组元组成合金最基本的、独立存在的物质称为组元。例如：元素、稳定化合物。如，Fe-C合金中，Fe、C均为组元相在体系内部物理性质、化学性质和晶体结构完全均匀的部分称为相；相与相之间有明显的界面分开。合金中有两类基本相——固溶体和化合物二、固溶体固溶体概念

溶质原子溶入金属溶剂中形成的合金相称为固溶体。固溶体保持溶剂金属的晶体结构，只引起晶格常数变化。按溶质原子在固溶体中的溶解度，固溶体可以分为有限固溶体和无限固溶体。有限固溶体：溶质含量超过其固溶度，就会形成其它相。无限固溶体：两组元能任意比例互溶。按溶质原子在晶格中分布状态分：无序固溶体和有序固溶体无序固溶体：溶质原子在晶格中随即分布。有序固溶体：溶质原子在晶格中占据晶体结构的一定位置。有些合金在一定温度下：可由无序变为有序。固溶体类型ZXY间隙原子间隙固溶体置换固溶体置换原子YXZ固溶强化形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象正常晶格晶格畸变晶格畸变小原子置换引起的晶格畸