第3讲：金属与合金的晶体结构

第二章金属与合金的晶体结构第一节金属的晶体结构第二节合金的晶体结构第三节金属的实际晶体结构第四节纯金属的结晶第一节金属的晶体结构一、晶体与非晶体1、晶体凡原子按一定规律排列的固态物质，称为晶体。

(如:金刚石、石墨和一切固态金属及其合金

)1）原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。2）有固定的熔点如铁的熔点1538℃，铜的熔点1083℃。3）晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性。2、非晶体及其特性

(如:塑料、玻璃、沥青)

内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体。与晶体相反，没有固定的熔点；表现出各向同性。晶体与非晶体在一定条件下可互相转化。非晶体：蜂蜡、玻璃等。晶体金刚石、NaCl、冰等。原子（离子）的刚球模型二、晶体结构的基本知识1、晶格

假设原子为刚性小球，利用假想的几何线条连接起来构成一个空间格架，这种抽象的，用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架就叫晶格。晶格中的每个点称为结点。晶格中各种不同方位的原子面称为晶面。2、晶胞组成晶格的最基本几何单元称为晶胞。实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。3、晶格常数晶胞的各棱边长为a、b、c和棱边夹角α、β、γ。其中，棱边长度称为晶格常数。。XYZabc晶格常数a，b，c1、体心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo等四、常见金属晶格类型体心立方晶胞晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：2原子半径：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积24r3/3XYZabc2r2raa2、面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等面心立方晶胞晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：4原子半径：致密度：0.74XYZabc密排方向3、密排六方晶格hcpC（石墨）、Mg、Zn等晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角90晶胞原子数：6原子半径：a/2致密度：0.74五、晶体结构致密度致密度：是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。1、

体心立方的致密度2、面心立方与密排六方的致密度计算同体心立方，均为0.74。在晶体中，致密度越大，原子排列就越紧密。所以，当铁在冷却时，由于晶格致密度较大（0.74）的面心立方晶格r-Fe转变为晶格致密度较小（0.68）的体心立方晶格α-Fe，就会发生体积膨胀而引起应力和变形。六、金属晶体中的晶面和晶向XYZabc在金属晶体中各原子组成的平面，称为晶面。通过两个以上原子中心连线直线所指方向称为晶向。XYZabc立方晶格中不同方向的晶面与晶面指数

具有一定晶格类型金属，在晶体的各个晶面与晶向上原子排列紧密程度是不同的，原子间相互作用也就不同，因而使晶体在不同方向上性能就有差异，这就是金属晶体具有各向异性的原因。立方晶格中不同晶向与晶向指数

第二节合金的晶体结构一、合金的基本概念合金：两种或两种以上的金属或金属与非金属元素熔合而成，并具有金属特性的物质。组元：组成合金的最基本的、独立的物质。例如：元素、稳定化合物。如，Fe-C合金中，Fe、C均为组元。相：是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间有明显的界面。合金中有两类基本相

——固溶体和化合物二、合金的相结构1、固溶体合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体。形成固溶体后，晶格保持不变的组元称溶剂，晶格消失的组元称溶质。固溶体的晶格类型与溶剂组元相同。如，Fe(C)固溶体。（1）固溶体的分类1）置换固溶体：若溶质原子代替一部分溶剂原子而占据溶剂中的某些结点位置，称为置换固溶体。2）间隙固溶体：溶质原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点的位置，而是在结点间的空隙中，这种形式的固溶体称为间隙固溶体。固溶体分类ZXY间隙原子间隙固溶体置换固溶体置换原子YXZ（2）固溶体的性能由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，变形抗力增大，使金属的强度硬度升高的现象称为固溶强化。当溶质的质量分数适当时，固溶体不仅有着较纯金属高的强度和硬度，而且有着好的塑性和韧性。

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变间隙原子引起的晶格畸变2、金属化合物金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任一组元，因此性能也不同于组元。

（1）金属化合物的分类

1）正常价化合物

——这类金属化合物通常由金属元素与周期表中第IV、V、Ⅵ族的元素组成的。例如MgS、MnS、Mg2Si等，其分子式符合原子价规律，并且成分是固定不变的。

2)电子化合物——这类金属化合物是按一定电子浓度组成的具有一定晶格类型的化合物。

电子浓度C为化合物中的价电子数与原子数之间的比值，即：

C电=价电子数/原子数

3)

间隙化合物

——间隙化合物一般是由原子直径较大的过渡族金属元素（Fe、Cr、Mo、W、V等）与原子直径较小的非金属元素（H、C、N、B等）组成。

间隙化合物桑中分为两类，一类是具有简单晶格形式的间隙化合物。如VC、WC、TIC等。另一类是具有复杂结构的间隙化合物，如Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C等。

VC的晶体结构Fe3C的晶体结构Fe3C是铁碳合金中的一种重要间隙化合物，其碳原子与铁原子的半径之比为0.63。

（2）金属化合物的性能金属化合物的熔点一般较高，具有较高硬度，但脆性较大。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度及耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。因此，金属化合物在合金中作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。第三节金属的实际晶体结构一、单晶体与多晶体单晶体：晶体内部的晶格方位完全一致，这晶体称为单晶体。如单晶Si半导体。多晶体：这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。其中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒，通常称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。

晶粒（单晶体）二、晶体的缺陷

晶体中原子完全为规则排列时，称为理想晶体。实际上，金属由于多种原因的影响，内部总是存在着大量缺陷。根据晶体缺陷的几何特点，常分为：点缺陷：空位、间隙原子、异类原子线缺陷：位错面缺陷：晶界与亚晶界1、点缺陷：

点缺陷是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。常见的点缺陷是空位和间隙原子。如果间隙原子是其它元素就称为:异类原子（杂质原子）空位

间隙原子置换原子在空位和间隙原子附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使周围原子发生靠拢或撑开，因此，发生晶格畸变，使金属的强度提高，塑性下降。

正刃位错

负刃位错

2、线缺陷—刃型位错

线缺陷是在空间的一个方向上尺寸很大，其余两个方向上尺寸很小的缺陷。晶体中的线缺陷通常是指各种类型的位错。位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。3、面缺陷面缺陷是在两个方向的尺寸很大，第三个方向的尺寸很小而呈面状的缺陷，这类缺陷主要指晶界与亚晶界。（1）晶界晶界处实际上是原子排列逐渐从一种位向过渡到另一种位向的过渡层。晶粒越细小，晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度也就越高。晶粒（单晶体）晶界亚晶界（2）亚晶界

亚晶界实际上是由一系列刃型位错所组成的小角度晶界。亚晶界作用与晶界相似，对金属强度也有着重要影响，亚晶界越多，强度也越高。第四节纯金属的结晶一、纯金属的冷却曲线和过冷现象1、

通过热分析法测定冷却曲线2、

冷却曲线分析纯金属结晶时，在冷却曲线上出现平台的原因，是由于金属在结晶过程中，释放的结晶潜热补偿了外界散失的热量，使温度并不随冷却时间的增加而下降，直到金属结晶终了后，已没有结晶潜热补偿散失的热量，故温度又重新下降。冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度}T过冷度T=T0-Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）3、

过冷现象金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象。过冷度△T=T0－Tn，过冷是结晶的必要条件。同一金属，结晶时冷却速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度越低。二、纯金属的结晶过程结晶的过程是不断形核和长大的过程。液态金属形核晶核长大完全结晶1、

形核液体中存在着许多类似于晶体的小集团，当低于理论结晶温度时，这些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为晶核。

两种形核方式——自发形核与非自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。

2、

长大晶体的长大过程是液体中原子迁移到固体表面，使液—固界面向液体中推移的过程。两种长大方式

——

平面生长与树枝状生长。平面长大树枝状长大三、晶粒大小对金属力学性能的影响1、概念1）

晶粒度——衡量晶粒大小的尺度，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。2）

形核率——指单位时间、单位体积中所形成的晶核数目。3）

长大速度——指单位时间内晶核向周围长大的平均线速度。2、金属晶粒的细化方法在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、塑性和韧性。这是因为：晶粒越细，塑性变形越可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；晶粒越细，晶界就越曲折，晶粒与晶粒间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好。晶粒度

(晶粒数/mm2)b

(N/mm2)s

(N/mm2)

(％)6.32374635.3512747044.819429410847.5表3-1

纯铁的晶粒度与力学性能的关系（1）提高过冷度形核率N

、长大速度G与过冷度T的关系TG，NGN（2）变质处理在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。（3）振动结晶——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。