第二章纯金属与合金的晶体结构

第四节纯金属与合金的晶体结构纯金属的晶体结构合金的晶体结构金属的实际晶体结构第一节纯金属的晶体结构一.晶体与非晶体的基本概念1.晶体(crystal)的基本概念:

物体内部的原子(或分子)在三维空间中,按一定规律作周期性排列的固体。

晶体物质所具有的性质:

固定的熔点;各向异性等。

例如,所有的金属、食盐等。2.非晶体(non-crystal)的基本概念:

物体内部的原子呈散乱分布,其物理和力学性能各向同性。例如,普通玻璃、松香等。金属的结构晶态非晶态SiO2的结构非晶态晶态二.晶体学(crystallography)的基本知识1.晶格(crystallattice):用以描述晶体中原子排列规律的空间点阵格架。2.晶胞(unitcell):能完全反映晶格特

征的最小几何单元。3.晶格常数(latticeconstant):cXZYOαβγba4.晶系与布拉菲点阵

1855年,法国学者布拉维(Bravais)用数学方法证明了空间点阵共有且只能有十四种,并归纳为七个晶系:4.晶系与布拉菲点阵

1855年,法国学者布拉维(Bravais)用数学方法证明了空间点阵共有且只能有十四种,并归纳为七个晶系:

1).三斜晶系a=b=c,α=β=γ=90°;

2).单斜晶系a=b=c,α=

γ=90°=β;

3).正交晶系a=b=c,α=β=γ=90°;

4).六方晶系a=b=c,α=β=90°,γ=120°;

5).菱方晶系a=b=c,α=β=γ=90°;

6).正方晶系a=b=c,α=β=γ=90°;

7).立方晶系a=b=c,α=β=γ=90°;布拉菲空间点阵晶胞5.晶面(crystalface):

在晶格中由一系

列原子所构成的平面称为晶面。6.晶面指数(indicesofcrystallographic

plane):用密勒(Miller)指数对晶格中

某一晶面进行标定。使用方法:

设置坐标;求截距;取倒数。7.晶向(crystaldirection):

在晶格中,任

意两原子之间的连线所指的方向。8.晶向指数:

用密勒(Miller)指数对晶格

中某一原子排列在空间的位向进行标

定。使用方法:设置坐标;求截距;取最小整数。三.常见的三种晶体结构

1.体心立方晶格

(body-centercubiclattice)*晶胞中的原子数:

n=8×1／8＋1=2个*晶胞的特征参数:a=b=c,α=β=γ=90°;*原子的体积:v=4πR3／3*致密度:K=nV原子／V晶体=0.68=68%*配位数(N)是指晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目。*原子的半径:R=√3×a／4N=8(原子间的最近距离d=√3×a／2)属于体心立方晶格的金属有:钠(Na);钾(K);铬(Cr);钼(Mo);钨(W);钒(V);钽(Ta);铌(Nb);α-铁(α-Fe)等。2.面心立方晶格

(face-centercubiclattice)*晶胞中的原子数:

n=8×1/8+6×1/2=4个*晶胞的特征参数:a=b=c,α=β=γ=90°;*原子的体积:v=4πR3／3*致密度:K=nV原子／V晶体=0.74=74%*配位数(N)是指晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目。*原子的半径:R=√2×a／4N=12(原子间的最近距离d=√2×a／2)属于面心立方晶格的金属有:金(Au);银(Ag);铜(Cu);铝(Al);镍(Ni);铂(Pt);铅(Pb);γ-铁(γ-Fe)等。3.密排六方晶格

(c/a=1.633)

(close-packed

hexagonallattice)*晶胞中的原子数:

n=12×1/6+2×1/2+3=6个*晶胞的特征参数:*原子的体积:v=4πR3／3*致密度:K=nV原子／V晶体=0.74=74%*配位数(N)是指晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目。*原子的半径:R=a/2N=12(原子间的最近距离d=a)a=b=c,α=β=90°,γ=120°;属于密排六方晶格的金属有:镁(Mg);锌(Zn);镉(Cd);α–钛(α–Ti);铍(Be)等。四.纯金属的晶体结构与特性1.金属键---金属原子间的结合键。2.金属键的基本特点是电子公有化。3.电子气---当金属原子结合成晶体时,价电子不再被束缚在各个原子上,而是在整个晶体内运动,从而形成电子气。4.金属晶体---失去价电子的金属正离子与组成电子气的自由电子之间产生的静电引力使金属原子结合在一起,从而形成了金属晶体。

第二节合金的晶体结构一.合金的基本概念由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成的具有金属性质的物质称为合金。组成合金最基本、最独立的物质称为组元。一般来说，组元就是组成合金的化学元素，或是稳定的化合物。由两种组元组成的合金称为二元合金。液态合金结晶时，组元间相互作用，形成一定结构和成分的相。相是指合金中成分相同、结构相同，并与其它部分以界面分开的均匀组成部分。一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为组织。相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了不同的组织，不同的组织使合金具有不同的力学性能。固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性，可分为固溶体和金属化合物两类。二、合金的相结构

1.固溶体合金在固态下，组元间互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。晶格与固溶体相同的组元称为固溶体的溶剂，其它组元称为固溶体的溶质。溶质以原子状态分布在溶剂的晶格中。根据溶质原子在溶剂晶格中所占的位置，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体。1）间隙固溶体溶质原子溶入溶剂晶格各结点间的间隙中形成的固溶体，称为间隙固溶体，如图所示。溶质原子直径与溶剂原子直径的比值小于0.59时，才能形成间隙固溶体。由一些原子半径小于1的非金属元素，如H、O、C、B、N，溶入过渡族金属而形成。在一定条件下，溶质原子在固溶体中的极限浓度，称为溶质原子在固溶体的溶解度。间隙固溶体的溶解度与溶质原子半径及溶剂的晶格类型有关。溶质原子半径愈小，溶解度愈大。2)置换固溶体溶质原子溶入溶剂晶格，并占据溶剂原子的某些晶格结点位置而形成的固溶体，称为置换固溶体，置换固溶体中，如果溶质原子在溶剂晶格中的溶解度有一定限度，则称为有限互溶，形成有限置换固溶体；如果合金组元可以以任何比例相互溶解，如Cu-Ni

合金，这称为无限互溶，形成无限置换固溶体。形成无限置换固溶体必须满足：溶质与溶剂晶格类型相同；溶质原子与溶剂原子直径相近；溶质原子与溶剂原子电负性相接近。此外，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度还与温度有关，温度愈高，溶解度愈大。3)固溶体的性能当溶质原子溶入溶剂晶格，使溶剂晶格发生畸变，导致固溶体强度、硬度提高，塑性和韧性略有下降的现象，称为固溶强化。如果溶质浓度适当，固溶体亦具有良好的塑性和韧性，所以，成分得当的固溶体合金具有很好的综合力学性能。溶剂晶格畸变亦使其电阻增大，所以，高电阻合金都是固溶体合金。单相固溶体在电解质中不会像多相固溶体那样构成微电池，故单相固溶体合金的耐蚀性较高。2.金属化合物

合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将析出新相。若新相的晶格结构与合金的另一组元相同，则新相为以另一组元为溶剂的固溶体。若新相的晶格类型和性能完全不同于任一组元，并具有一定的金属特性，则新相是合金组元相互作用形成的一种新物质——金属化合物。

Fe3C是铁碳合金中最重要的具有复杂结构的间隙化合物，碳原子直径与铁原子直径之比为0.61。Fe3C又称渗碳体，具有复杂斜方晶格。Fe3C中Fe原子可以部分地被其它金属原子置换，形成以渗碳体为基的固溶体，如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C等，称为合金渗碳体。

第三节金属的实际晶体结构一.单晶体与多晶体的基本概念

1.单晶体(singlecrystal)的特征:

*晶体由一个晶格排列方位完全一致的晶粒组成。

*晶体具有各向异性(aeolotropy)。

例如:单晶硅、单晶锗等。单晶体结构示意图

2.多晶体(polycrystal)的特征

*晶体是由许多颗晶格排列方位不相同的晶粒组成。

*晶体具有各向同性(isotropy)。

例如:常用的金属等。多晶体结构示意图二.晶体缺陷(crystaldefect)点缺陷线缺陷面缺陷1.点缺陷(pointdefect)空位(vacancy)间隙原子(gapatom)置换原子(substitutionalatom)

点缺陷示意图间隙原子晶格空位置换原子

2.线缺陷(linedefect)

----位错(dislocation)螺旋型位错(screwdislocation)刃型位错(bladedislocation)螺旋型位错示意图刃型位错示意图刃型位错示意图正刃型位错负刃型位错3.面缺陷(surface-defect)晶界(grainboundary):

晶粒与