第二章纯金属与合金的晶体结构

第二章纯金属与合金的晶体结构第一节纯金属的晶体结构第二节金属的实际晶体结构第三节合金的晶体结构第一节纯金属的晶体结构一、晶体与非晶体固态物质按其原子的排列特征可分为晶体与非晶体。凡原子按一定规律排列的固态物质，称为晶体。如金刚石、石墨及固态金属与合金。而少数固态物质，如松香、沥青、玻璃、塑料等是非晶体。对两者比较可以看出，晶体具有如下特点：（１）原子在三维空间呈规则、周期性重复排列，如图２-１（ａ）所示；（２）具有一定的熔点，如纯铁的熔点为１５３８℃，铝的熔点为６６０℃；（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。下一页返回第一节纯金属的晶体结构金属晶体除具有上述晶体所共有的特征外，还具有金属光泽、良好的导电性、导热性和延展性，尤其是金属晶体还具有正的电阻温度系数，这是金属晶体与非金属晶体的根本区别。上一页下一页返回第一节纯金属的晶体结构二、晶体结构的基本知识１晶格为了形象描述晶体内部原子排列的规律，可将原子抽象为几何点，并用一些假想线条将几何点在三维方向连接起来，这样构成的空间格子称为晶格，如图２-１（ｂ）所示。晶格中的每一个点称为结点。２晶胞由于晶体中原子排列具有周期性变化的特点，因此，可以从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元，从中找出晶体特征及原子排列规律。这个组成晶格的最基本几何单元称为晶胞，如图２-１（ｃ）所示。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。上一页下一页返回第一节纯金属的晶体结构３晶格常数不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。结晶学中规定，晶胞的大小以其各棱边尺寸a、b、c表示，称为晶格常数，单位为。４致密度金属晶胞中原子所占的体积与该晶胞所占体积的百分比，用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。三、金属中常见的晶格类型各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，故呈现出不同的物理、化学及力学性能。除少数金属具有复杂晶格外，大多数金属的晶体结构都比较简单，其中常见的有以下３种：上一页下一页返回第一节纯金属的晶体结构１体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体，原子分布在立方体的８个结点及中心处，如图２-２所示。２面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，原子分布在立方体的８个结点及各面的中心处，如图２-３所示。３密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱体，晶胞的３个棱边长度犪＝犫＝犮，晶胞棱边夹角α＝β＝９０°、γ＝１２０°，其晶格常数用正六边形底面的边长犪和晶胞的高度犮表示。在密排六方晶胞的１２个结点上和上、下底面的中心处各排列有一个原子，此外柱体中心处还包含着３个原子，如图２-４所示。上一页返回第二节金属的实际晶体结构一、单晶体与多晶体晶体内部晶格位向完全一致的晶体称为单晶体，单晶体具有各向异性的特征。在工业生产中，只有通过特殊制作才能获得单晶体，如半导体元件、磁性材料、高温合金材料等。实际使用的工业金属材料，即使体积很小，其内部仍包含了许多颗粒状的小晶体。每个小晶体的内部，晶格方位都是基本一致的，而各个小晶体之间彼此的方位都不相同的，如图２-５所示。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。这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。一般金属材料都是多晶体。下一页返回第二节金属的实际晶体结构二、晶体中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，金属由于许多因素（如结晶条件、原子热运动及加工条件等）的影响，使某些区域的原子排列受到干扰和破坏，内部总是存在着大量缺陷。根据晶体缺陷的几何特征，可将其分为以下３类：１点缺陷点缺陷是指在长、宽、高三个方向上尺寸都很小的一种缺陷，最常见的是空位和间隙原子，如图２-６所示。上一页下一页返回第二节金属的实际晶体结构２线缺陷线缺陷是指在晶体中呈线状分布，即一个方向上尺寸很大，而另两个方向上很小的缺陷。常见的线缺陷是各种类型的位错。所谓位错，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。金属晶体内存有大量的各种类型位错，其中“刃型位错”是一种比较简单的位错，如图２-７。晶体中位错的多少可用单位体积中所包括的位错线的总长度表示，称为位错密度，即上一页下一页返回第二节金属的实际晶体结构３面缺陷面缺陷是指呈面状分布，即在两个方向上的尺寸很大，而在第三个方向上尺寸很小的缺陷。这类缺陷主要有晶界和亚晶界。（１）晶界。工业上使用的金属材料一般都是多晶体。多晶体中两个相邻晶粒之间的位向不同，所以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，该过渡层的原子排列是不规则的。相邻晶粒的位向差一般为３０°～４０°，晶界宽度为５～１０个原子间距，如图２-８所示。上一页下一页返回第二节金属的实际晶体结构（２）亚晶界。在每个晶粒内，其晶格位向并不像理想晶体那样完全一致，而是存在许多尺寸很小，位向差也很小（一般２°～３°）的小晶块，这些小晶块称为“亚晶粒”，两相邻亚晶粒的界面称为“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，如图２-９所示。上一页返回第三节合金的晶体结构一、合金的基本概念合金是指由两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属元素）组成的，具有金属特性的新物质。组成合金最基本的、独立的物质称为组元（简称元）。通常组元是指组成合金的元素，例如普通黄铜的组元是铜和锌，铁碳合金的组元是铁和碳。一般来说，稳定的化合物也可以作为组成合金的组元。按组元数目，合金分为二元合金、三元合金和多元合金等。可以由给定组元按不同比例配制出一系列不同成分的合金，这一系列合金就构成了合金系。例如各种牌号的碳钢就是由不同铁、碳含量的合金所构成的铁碳合金系。下一页返回第三节合金的晶体结构二、合金的相结构根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。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，晶格类型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。根据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种。上一页下一页返回第三节合金的晶体结构（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晶格中的某些结点位置，称为置换固溶体，如图２-１０（ａ）所示。（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，如图２-１０（ｂ）所示。（３）固溶体的性能。由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格畸变（如图２-１１所示），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。它是强化金属材料的重要途径之一。上一页下一页返回第三节合金的晶体结构２金属化合物金属化合物是指合金组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，它的组成一般可用分子式表示。根据形成条件及结构特点，常见的金属化合物有三种类型。（１）正常价化合物。正常价化合物是指严格遵守原子价规律的化合物，它们是由元素周期表中相距较远，电化学性质相差较大的元素组成的。（２）电子化合物。电子化合物是指不遵守原子价规律，但是有一定的电子浓度（化合物中总价电子数与总原子数之比）的化合物。电子化合物的晶体结构与电子浓度有一定的对应关系。上一页下一页返回第三节合金的晶体结构（３）间隙化合物。间隙化合物是指由过渡族金属元素与原子半径较小的碳、氮、氢、硼等非金属元素形成的化合物。尺寸较大金属元素原子占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属元素的原子则有规律地嵌入晶格的间隙中。按结构特点，间隙化合物分为以下两种：①间隙相。②复杂晶体结构的间隙化合物。上一页返回图２-１晶体