金属与合金的晶体结构

第2章金属与合金的晶体结构2.1固态物质的结合键2.1.1结合键结合键的定义：所谓结合键是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为化学键和物理键。化学键(涉及到原子外层电子的重新分布，电子在键合后不再仅仅属于原来的原子)。化学键有：离子键、共价键、金属键。1.共价键（1）共价键的定义

有些同类原子或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。（2）共价键的特点共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。（3）共价晶体特点结构稳定,熔点高,质硬脆,一般是绝缘体,其导电性能差。图硅原子四个价键和硅的键角2.离子键（1）离子键的定义当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤族元素的原子)相互靠近时，其中电负性小的原子失去电子，成为正离子，电负性大的原子获得电子成为负离子，两种离子靠静电引力结合在一起形成离子键。（2）离子键的特点常温下，电绝缘体；在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。离子键没有方向性、无饱和性。

左图NaCl离子晶体上图离子键材料导电性（3）离子晶体的特点

离子键很强，故有较高熔点，固体下不导电，熔融时才导电。离子间发生相对位移，电平衡破坏，离子键破坏，脆性材料。较高熔点（正、负离子间有很强的电的吸引力）3.金属键（1）金属键的定义由金属正离子和自由电子之间互相作用而结合称为金属键。金属键的经典模型有两种：一种认为金属原子全部离子化；一种认为金属键包括中性原子间的共价键及正离子与自由电子间的静电引力的复杂结合。（2）金属键的特点金属键无方向性，金属键无饱和性，具有高对称性。（3）金属键型晶体的特征良好的延展性良好的导电性具有正的电阻温度系数导热性好金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光的能量）4.范德瓦尔键分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔斯键也叫分子键。范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性。比化学键的键能少1～2个数量级。5.氢键

分子间或分子内均可形成，极性很强。X—H键上的氢原子与另外一个键上的电负性很大的原子Y上的孤对电子相互吸引而形成的一种键（X—H….Y），有方向性。类

型作用力来源键合强弱形成晶体的特点离子键

原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑引力

强

无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、固态不导电、熔态离子导电

共价键

相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力

最强

有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、即使在熔态也不导电

金属键

自由电子气与正离子实之间的库仑引力

较强

无方向性键、配位数高、塑性较好、有光泽、好的导热、导电性

分子键

原子间瞬时电偶极矩的感应作用

最弱

无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘

2.1.2工程材料的键性简单金属的结合键完全为金属键；过渡金属的结合键为金属键和共价键的混合键。陶瓷材料的结合键主要是离子键与共价键的混合键。高分子材料的链状分子间的结合是分子键，链内是共价键。2.2金属的晶体结构2.2.1晶体的基本知识1.晶体与非晶体（1）晶体物质的质点(分子、原子或离子)在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体。（2）非晶体非晶体在整体上是无序的；近程有序。图材料中原子的排列（3）晶体的特征周期性（不论沿晶体的哪个方向看去，总是相隔一定的距离就出现相同的原子或原子集团。这个距离称为周期）。有固定的凝固点和熔点各向异性（沿着晶体的不同方向所测得的性能通常是不同的：晶体的导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强度、光学性质）。（4）晶体与非晶体的区别a.根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列b.晶体熔化时具有固定的熔点,而非晶体无明显熔点,只存在一个软化温度范围c.晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性（多晶体也呈各向同性，称“伪各向同性”）（5）晶体与非晶体的相互转化玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得到非晶态获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法）2.晶格、晶胞和晶格常数1.基本概念（1）空间点阵：为了便于研究晶体中原子(分子或离子)的排列情况，将晶体看成是无错排的理想晶体，忽略其物质性，抽象为规则排列于空间的无数几何点。这些点代表原子(分子或离子)的中心，也可以是彼此等同的原子群或分子群的中心，各点的周围环境相同。这种点的空间排列称为空间点阵。可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点有一群原子（原子集团）。（2）晶胞从点阵中取出一个仍能保持点阵特征的最基本单元叫晶胞。

在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的是最小平行六面体。整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。（3）晶格将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫晶格。2.晶胞的选取原则：（1）晶胞几何形状能够充分反映空间点阵的对称性；（2）平行六面体内相等的棱和角的数目最多；（3）当棱间呈直角时，直角数目应最多；（4）满足上述条件，晶胞体积应最小。图晶格的选取3.描述晶胞的六参数晶胞的尺寸和形状可用点阵参数来描述，它包括晶胞的各边长度和各边之间的夹角。图晶胞、晶轴和点阵参数4.七种晶系晶系棱边长度及夹角关系三斜a≠b≠c,α≠β≠γ≠90°单斜a≠b≠c,α=γ=90°≠β正交a≠b≠c,α=β=γ=90°六方a=b≠c,α=β=90°,

γ=120°菱方a=b=c,α=β=γ≠90°四方a=b≠c,α=β=γ=90°立方a=b=c,α=β=γ=90°5.十四种布拉菲点阵

按照“每个阵点的周围环境相同”的要求，最先是布拉菲（A.Bravais）用数学方法证明了只能有14种空间点阵。通常人们所说的点阵就是指布拉菲点阵。图布拉菲点阵布拉菲点阵晶系布拉菲点阵晶系简单三斜三斜简单六方六方简单单斜底心单斜单斜简单菱方菱方简单四方四方简单正交底心正交体心正交面心正交正交体心四方简单立方立方体心立方面心立方6.晶格尺寸和原子半径用晶格常数表示。原子半径指晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子间距离的一半。7.晶胞原子数一个晶胞内所包含的原子数目。8.配位数和致密度晶格中与任一原子处相等距离并相距最近的原子数目。致密度是金属晶胞中原子本身所占的体积的百分数。2.2.2典型的晶体结构常见的金属晶体结构有体心立方（body-centeredcubic，bcc）面心立方（face-centeredcubic，fcc）密排六方（hexagonalclose-packed，hcp）体心立方（body-centeredcubic，bcc）面心立方（face-centeredcubic，fcc）密排六方（hexagonalclose-packed，hcp）体心立方面心立方密排六方1.晶胞中原子数体心立方面心立方密排六方2.原子半径配位数和致密度定量地表示原子排列的紧密程度。配位数（coordinationnumber，CN）：晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。致密度（K）：晶胞中原子所占的体积分数，式中，n为晶胞原子数，v原子体积，V晶胞体积。3.配位数与致密度体心立方配位数为8面心立方配位数为12密排六方配位数为120.74126密排六方0.74124面心立方0.6882体心立方致密度配位数原子数原子半径2.2.3晶面指数和晶向指数1.晶向指数的标定(1)建立以晶轴a，b，c为坐标轴的坐标系，各轴上的坐标长度单位分别是晶胞边长a，b，c，坐标原点在待标晶向上；(2)选取该晶向上原点以外的任一点P(xa，yb，zc)；(3)将xa，yb，zc化成最小的简单整数比u，v，w，且u∶v∶w=xa∶yb∶zc；(4)将u，v，w三数置于方括号内就得到晶向指数[uvw]。晶向：通过两个以上原子的直线，表示某一原子列在空间的位向。表示晶向的符号叫晶向指数。图晶向指数的标定晶向指数的说明：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。c.晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同（互不平行）的一组晶向，用<uvw>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。2.晶面指数的标定(1)建立一组以晶轴a，b，c为坐标轴的坐标系。[标](2)求出待标晶面在a，b，c轴上的截距xa，yb，zc。如该晶面与某轴平行，则截距为∞。[截](3)取截距的倒数1/xa，1/yb，1/zc。[倒](4)将这些倒数化成最小的简单整数比h，k，l，使h∶k∶l=1/xa∶1/yb∶1/zc。[简](5)如有某一数为负值，则将负号标注在该数字的上方，将h，k，l置于圆括号内，写成(hkl)，则(hkl)就是待标晶面的晶面指数。[圆]晶面：在金属晶体中，通过一系列原子所构成的平面。表示晶面的符号称为晶面指数。图晶面指数的标定图晶面指数的标定晶面指数的说明：晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶面a.指数意义：代表一组平行的晶面；b.0的意义：面与对应的轴平行；c.平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反；d.晶面族：晶体中具有相同条件（原子排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。e.若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0;f.若晶面与晶向垂直，则u=h,k=v,w=l。{110}晶面族3.晶面及晶向的原子密度某晶面的原子密度是指其单位面积中原子数，晶向原子密度是指其单位长度上的原子数。体心立方晶体中常见晶面和晶向的原子密度。表2-2原子密度最大的晶面是{110}原子密度最大的晶向是<111>2.3实际金属的晶体结构2.3.1多晶体与亚组织单晶体（图2-11）晶粒晶界多晶体金相组织（显微组织）亚晶粒亚晶界2.3.2晶体缺陷实际晶体中排列不规则的区域统称为晶体缺陷按空间尺寸大小不同分为点、线、面三类缺陷。在三维空间上，其长、宽、高的尺寸均很小（不超过几个原子直径）的缺陷。1.点缺陷点缺陷示意图空位置换原子间隙原子不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两个方向的尺寸都很小（位错）。2.线缺陷钛合金中的位错线位错密度强度σs理论值金属须退火态106~108cm-2加工硬化1011~1012cm-2位错密度很低或者很高时，晶体的强度比较高。不规则区域在两个方向的尺寸很大，在另外一个方向的尺寸很小，例如晶界、亚晶界。3.面缺陷晶界亚晶界晶体缺陷对晶体性能的影响点缺陷点缺陷周围晶格发生畸变，材料的屈服强度提高，塑性韧性下降，电阻增加。线缺陷附近的晶格畸变，对强度影响显著。强度的变化与位错密度有关。晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的强度，也可提高材料的塑性和韧性，但是容易发生高温氧化，耐腐蚀性能降低。面缺陷细晶强化：通过细化晶粒而使材料强度提高的方法称为细晶强化。强化材料的方法之一2.4合金的晶体结构2.4.1合金的基本概念合金：两种或以上金属或金属+非金属金属特性组元：组成合金最基本、独立合金系：相同组元，不同配比相：成分同、结构同、均匀、明显界面组织：各相成分、结构、形态、性能和各相的组合情况2.4.2合金的相结构1.固溶体：固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，保持溶剂元素的晶体结构。固溶体的分类置换固溶体间隙固溶体（1）置换固溶体：溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，形成固溶体时溶质原子替换了溶