第二章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晶体的基本知识第二节

金属的晶体结构第三节

合金的晶体结构第四节

实际金属的晶体结构第一节

晶体的基本知识一、晶体与非晶体晶体与非晶体的根本区别:在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列；非晶体中这些质点是无规则地堆积在一起。图2-1晶体中原子排列模型晶体与非晶体在性能上的区别:

晶体具有固定的熔点，且在不同方向上具有不同的性能，即表现出晶体的各向异性。而非晶体没有固定的熔点，在各个方向上的原子聚集密度大致相同，表现出各向同性。二、晶格、晶胞和晶格常数（一）晶格

抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。（二）晶胞

从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元称为晶胞。如图2-2中黑粗线所示。图2-2晶格和晶胞（三）晶格常数

取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作为三个坐标轴X、Y、Z，并称为晶轴，并以棱边长度a、b、c和棱面夹角α、β、γ来表示晶胞的形状和大小，如图2-3所示。其中棱边长度称为晶格常数，单位为Å。图2-3晶胞的表示方法图2-4金属和非金属的电阻与温度关系示意图第二节

金属的晶体结构一、金属的特性与金属键金属晶体具有独特的性能，如具有金属光泽以及良好的导电性、导热性和塑性。金属与非金属的根本区别是：金属的电阻随温度的升高而增大，即金属具有正的电阻温度系数，而非金属的电阻却随温度的升高而降低，即具有负的电阻温度系数。由于金属晶体是金属键结合，因而使金属具有上述一系列的金属特性。图2-5金属键示意图二、金属中常见的晶格（二）面心立方晶格（一）体心立方晶格（三）密排六方晶格图2-6体心立方晶胞图2-7面心立方晶胞图2-8密排六方晶胞二、晶体结构的致密度

晶体结构的致密度：晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比，可用来对原子排列的紧密程度进行定量比较。致密度数值越大，则原子排列越紧密。图2-9体心立方晶胞原子半径的计算三、晶面与晶向

在金属晶体中，通过一系列原子所构成的平面，称为晶面。通过两个以上原子的直线，表示某一原子列在空间的位向，称为晶向。表示晶面的符号称为晶面指数，表示晶向的符号称为晶向指数。图2-11确定立方晶格晶面指数的示意图（一）晶面指数确定晶面指数的方法：1.设坐标2.求截距3.取倒数4.化整数5.列括号（二）晶向指数确定晶向指数的方法：1.设坐标2.求坐标值3.化整数4.列括号图2-13立方晶体中几个晶向及晶向指数二、合金的相结构

合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。第三节

合金的晶体结构一、合金的基本概念

间隙固溶体

固溶体

置换固溶体合金

正常价化合物

金属化合物

电子化合物

间隙化合物

1.固溶体的分类：（1）间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格各结点间的空隙中。（2）置换固溶体：溶质原子代替一部分溶剂原子，占据着溶剂晶格中的某些结点位置。（一）固溶体合金在固态下，组元间仍能相互溶解而形成的均匀相。图2-14固溶体结构示意图a）间隙固溶体b）置换固溶体图2-15固溶体中的晶格畸变示意图a）间隙固溶体b）置换固溶体2.固溶体的性能：固溶强化：通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象。（二）金属化合物1.金属化合物的分类：（1）正常价化合物元素严格按照原子价规律结合，其成分固定不变，并可用化学式表示。（2）电子化合物不遵循原子价规律，而是按照一定的电子浓度，组成一定晶体结构的化合物。（3）间隙化合物由原子直径较大的过渡族金属元素和原子直径较小的非金属元素组成。2.金属化合物的性能：熔点一般较高，性能硬而脆，在合金中常作为强化相存在。第四节

实际金属的晶体结构一、多晶体与亚组织

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，每个小晶体内部的晶格位向是一致的，而各个小晶体彼此间位向都不同，如图2-18所示。这种外形不规则的小晶体通常称为晶粒。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。图2-18多晶体示意图图2-19纯铁的显微组织（300x）在实际金属晶体的一个晶粒内部，其晶格也并不象理想晶体那样完全一致，而是存在着许多尺寸更小，位向差也很小的小晶块，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚组织（或称亚晶粒）。图2-20Au-Ni合金的亚组织二、晶体的缺陷

由于种种原因，在晶体内部某些局部区域，原子的规则排列往往受到干扰而被破坏，不像理想晶体那样规则和完整。通常把这种区域称为晶体缺陷。

根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：

（一）点缺陷---空位和间隙原子

（二）线缺陷---位错

（三）面缺陷---晶界和亚晶界

（一）点缺陷---空位和间隙原子在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占有，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别晶格空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。图2-21空位和间隙原子示意图

晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。（二）线缺陷---位错

在晶体的某一水平面以上，多出一个垂直原子面ABCD，这个多余原子面像刀刃一样地切入晶体，使晶体中上下两部分的原子产生了错排现象，因而称为刃型位错。图2-22刃型位错示意图a）晶格立体模型b）平面图

通常把在晶体上半部多出原子面的位错称为正刃型位错，用符号“┴”表示；在晶体下半部多出原子面的位错称为负刃型位错，用符号“┬”表示。晶体中位错的数量通常用位错密度ρ表示，位错密度可用下式计算：式中V----晶体的体积；

S---