哈工大-第二章金属的晶体结构

第二章金属的晶体结构《金属材料及热处理》主讲人刘海哈尔滨工业大学空间材料与环境工程实验室86412462，86418720第二章金属的晶体结构2.1晶体学基础2.2金属的典型晶体结构2.3合金相结构2.4晶体缺陷2.1晶体学基础2.1.1材料原子的键合特征2.1.2材料原子的排列方式2.1.3关于晶体结构的基本概念

2.1.4晶面指数和晶向指数2.1.5晶带和晶面族2.1.1材料原子的键合特征结构原子结构原子的空间排列显微组织2.1.1材料原子的键合特征2.1.1材料原子的键合特征外层电子作用形式稳定的八电子排布结构接受或释放额外电子共有电子2.1.1材料原子的键合特征金属键离子键共价键2.1.1材料原子的键合特征金属的特性:具有正的电阻温度系数具有良好的导电性具有良好的导热性具有良好的延展性具有光泽金属键离子键共价键共有价电子→电子云→键无方向性和饱和性→①原子趋向于规则排列②金属有良好的导电性、塑性等2.1.1材料原子的键合特征金属键离子键共价键得失价电子→正负离子①高熔点、高硬度、低塑性②良好的电绝缘体等2.1.1材料原子的键合特征金属键离子键共价键共有电子对→键有饱和性①高熔点、高硬度、低塑性②电绝缘体等2.1.1材料原子的键合特征金属键离子键共价键共有电子对→键有饱和性→①高熔点、高硬度、低塑性②电绝缘体等2.1.1材料原子的键合特征范德瓦尔键2.1.1材料原子的键合特征2.1晶体学基础2.1.1材料原子的键合特征2.1.2材料原子的排列方式2.1.3关于晶体结构的基本概念

2.1.4晶面指数和晶向指数2.1.5晶带和晶面族2.1.2材料原子的排列方式玻璃态2.1.2材料原子的排列方式原子排列从总体上是无规则的，近邻原子排列有一定的规律,这叫做“短程有序”非晶态玻璃态2.1.2材料原子的排列方式原子排列从总体上是无规则的，近邻原子排列有一定的规律,这叫做“短程有序”非晶态在整个材料内部原子排列都是有一定规律的,这叫做“长程有序”晶态2.1.2材料原子的排列方式2.1晶体学基础2.1.1材料原子的键合特征2.1.2材料原子的排列方式2.1.3关于晶体结构的基本概念

2.1.4晶面指数和晶向指数2.1.5晶带和晶面族2.1.3关于晶体结构的基本概念

2.1.3关于晶体结构的基本概念

空间点阵基元晶体结构基元2.1.3关于晶体结构的基本概念

+空间点阵晶体结构基元2.1.3关于晶体结构的基本概念

+空间点阵是一个几何概念，它由一维、二维或三维规则排列的阵点组成。单个的原子、离子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。2.1.3关于晶体结构的基本概念

保持点阵几何特征的基本单元2.1.3关于晶体结构的基本概念

将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一个空间格架。晶格晶胞布拉菲在1948年根据“每个阵点环境相同”的要求，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲点阵，分属7个晶系。空间点阵虽然只有14种，但晶体结构则是多种多样、千变万化的。2.1.3关于晶体结构的基本概念

晶系轴(棱边)之间的夹角三斜晶系单斜晶系斜方晶系正方晶系菱方晶系六方晶系立方晶系2.1.3关于晶体结构的基本概念

2.1晶体学基础2.1.1材料原子的键合特征2.1.2材料原子的排列方式2.1.3关于晶体结构的基本概念

2.1.4晶面指数和晶向指数2.1.5晶带和晶面族2.1.4晶面指数和晶向指数晶向2.1.4晶面指数和晶向指数晶体中任意两个原子间连线所指的方向叫晶向

晶向指数晶向指数的确定方法①建立以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系。②定出该晶向上任两点的坐标。③用末点坐标减去始点坐标。④将相减后所得结果约成互质整数，加一方括号。2.1.4晶面指数和晶向指数

通常以[uvw]表示晶向指数的普遍形式。若晶向指数指向坐标轴的负方向时，则在晶向指数这一数字上冠以负号。晶面及晶面指数晶面指数的确定方法①在以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系中取该晶面在各坐标轴上的截距。②取截距的倒数。③将倒数约成互质整数，加一圆括号。2.1.4晶面指数和晶向指数

通常以（hkl）表示晶向指数的普遍形式。若所求晶面在坐标轴的截距为负值，则在相应指数上冠以负号。六方晶系2.1.4晶面指数和晶向指数2.1晶体学基础2.1.1材料原子的键合特征2.1.2材料原子的排列方式2.1.3关于晶体结构的基本概念

2.1.4晶面指数和晶向指数2.1.5晶带和晶面族2.1.5晶带和晶面族2.1.5晶带和晶面族晶带——平行或相交于同一直线的一组晶面构成一个晶带，这组晶面叫做共带面，而该直线叫做晶带轴。

晶面与晶向相对关系的判断：1）若与[uvw]相同，则晶面与晶向垂直；2）共带面内任意晶面（hkl）与晶带轴指数[uvw]有如下关系：3）两个非平行晶面的共带轴指数为：

六、晶面族在同一晶体结构中，有些晶面虽然在空间的位向不同，但其原子排列情况完全相同，这些晶面属于一个晶面族，其晶面指数用{hkl}表示在立方晶系中有下列晶面族：2.1.5晶带和晶面族第二章金属的晶体结构2.1晶体学基础2.2金属的典型晶体结构2.3合金相结构2.4晶体缺陷2.2金属的典型晶体结构三种典型晶体结构体心立方面心立方密排六方体心立方晶格参数2.2金属的典型晶体结构具有该种晶体结构的金属有Cr、V、Mo、W和α-Fe等30多种体心立方晶格参数2.2金属的典型晶体结构晶胞原子数：体心立方晶格参数2.2金属的典型晶体结构原子半径——晶胞中原子密度最大的方向[111]上相邻原子间平衡距离的一半。配位数：8致密度：

体心立方晶格参数2.2金属的典型晶体结构面心立方晶格中的间隙面心立方晶格参数2.2金属的典型晶体结构具有该种晶体结构的金属有Al、Cu、Ni和γ-Fe等约20种面心立方晶格参数2.2金属的典型晶体结构晶胞原子数：面心立方晶格参数2.2金属的典型晶体结构原子半径——晶胞中原子密度最大的方向[111]上相邻原子间平衡距离的一半。配位数：12致密度：

面心立方晶格参数2.2金属的典型晶体结构面心立方晶格中的间隙面心立方晶格参数2.2金属的典型晶体结构面心立方晶格中的间隙密排六方晶格参数2.2金属的典型晶体结构具有该种晶体结构的金属有Mg、Zn、Cd、Be等20多种密排六方晶格参数2.2金属的典型晶体结构晶胞原子数：配位数：12致密度：密排六方晶格参数1.3金属的典型晶体结构原子半径——晶胞中原子密度最大的方向[111]上相邻原子间平衡距离的一半密排六方晶格参数2.2金属的典型晶体结构堆垛方式⑷三种常见晶格的密排面和密排方向单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。密排面数量密排方向数量体心立方晶格{110}6<111>4面心立方晶格{111}4<110>6密排六方晶格六方底面1底面对角线3多晶型转变1.3金属的典型晶体结构当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为多晶型转变，又称为同素异构转变多晶型性有些金属，如Fe、Mn、Ti、Co等，具有两种或几种晶体结构，这种现象称为多晶型。Fe的多晶型转变

第二章金属的晶体结构2.1晶体学基础2.2金属的典型晶体结构2.3合金相结构2.4晶体缺陷2.3合金相结构合金两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质组元组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素。相是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分合金的组元之间以不同的比例混合，形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元的晶体结构相同，这种相称为固溶体。与固溶体结构相同的组元叫做溶剂，其他组元称为溶质。2.3合金相结构固溶体中间相(金属化合物)相1.固溶体的分类按溶质原子在晶格中所占的位置分：1）置换固溶体——溶质原子位于溶剂晶格的结点位置。2）间隙固溶体——溶质原子填入溶剂原子的间隙处。按固溶度分类：1）有限固溶体——在一定条件下，溶质组元在固溶体中的浓度有一定限度，超过这一限度就不再溶解，此时固溶体称为有限固溶体。大部分固溶体属于有限固溶体。2）无限固溶体——此种固溶体的溶质能以任意比溶入溶剂，溶解度可达100%，如Cu-Ni（fcc晶体结构）。2.3.1固溶体间隙固溶体置换固溶体2.固溶体的结构

1）晶格畸变由于溶质与溶剂原子半径不同，因而正在溶质原子附近的局部范围内形成弹性应力场，造成晶格畸变。2）溶质偏聚与短程有序研究表明，当同种原子的结合力较大时溶质原子倾向于成群地聚在一起，形成许多偏聚区；当异种原子结合力较大时，溶质原子在固溶体中的分布呈短程有序。3）长程有序某些具有短程有序的固溶体，当其成分接近一定原子比时（如1：1），可在低于某一临界温度时，转变为长程有序结构，这种固溶体称为有序固溶体。

2.3.2合金相结构两组元A和B组成合金时，除了可以形成固溶体之外，如果溶质含量超过其溶解度时，可能形成新相，其成分处于A在B中或

B在A中最大溶解度之间，故称中间相。在该化合物中，除离子键、共价键外，金属键也参与作用，因而具有一定金属性质，故称金属间化合物。1.4合金相结构固溶体金属化合物正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有严格的化合比，成分固定不变。它的结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同，如分子式具有AB型的正常价化合物其晶体结构为NaCl型，多为离子化合物。正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物是指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的化合物。电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物

当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，将形成具有简单晶体结构的金属间化合物.

间隙相是一些合金工具钢和硬质合金中重要的强化相，另外，可用作特殊的表面处理。正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时，将形成具有复杂晶体结构的金属间化合物，间隙化合物种类很多，Fe3C是铁碳合金中重要的组成相，具有复杂的正交晶格，晶胞中有12个Fe原子，4个C原子。间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一些。铁碳合金中的Fe3CAl-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基轴承合金中的电子化合物第二章金属的晶体结构2.1晶体学基础2.2金属的典型晶体结构2.3合金相结构2.4晶体缺陷2.4晶体缺陷点缺陷线缺陷面缺陷点缺陷的特点是在空间三维方向上的尺寸都很小，约为几个原子间距，又称零维缺陷点缺陷1.点缺陷的种类点缺陷主要有三种：空位、间隙原子、置换原子。点缺陷2.点缺陷的性质点缺陷是一种平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度。对于置换原子或异类间隙原子，这一平衡浓度为固溶度或溶解度。3.点缺陷对金属性能的影响1）点缺陷造成晶格畸变，使金属屈服强度升高，电阻增大，体积膨胀等；2）点缺陷的存在加速了金属中的扩散过程，凡与扩散有关的相变、化学热处理、高温下塑性变形和断裂等都与点缺陷的存在和运动密切相关。点缺陷线缺陷面缺陷线缺陷就是各种类型的位错。它是指晶体中的原子发生了有规律的错排现象。其特点是原子发生错排的范围只在一维方向上很大，是一个直径为3～5个原子间距，长数百个原子间距以上的管状原子畸变区。2.4晶体缺陷线缺陷1.刃型位错特征：1）刃型位错有一额外半原子面；2）位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，其中既有正应变，又有切应变。对于正刃型位错，滑移面之上晶格受到压应力；负刃型位错与之相反3）位错线与晶体滑移方向垂直，即为错运动方向垂直于位错线。刃型位错刃位错的形成线缺陷2.螺型位错特征：1）螺型位错无额外半原子面；2）螺型位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，其中只有切应变，没有正应变。3）位错线与滑移方向平行，位错线运动方向与位错线垂直。线缺陷线缺陷线缺陷3.柏氏矢量1）柏氏矢量的确定方法柏氏矢量是由柏格斯在1939年提出的，用来表征位错性质及位错区晶格畸变特征的一个矢量。柏氏矢量的确定方法如下：a在实际晶体中，从距位错一定距离的任一原子M出发，以至相邻原子为一步，沿逆时针方向环绕位错线做一闭和回路；b在完整晶体中以同样的方法和步骤做相同回路，此时回路没有封闭；c由完整晶体的回路终点Q到起点M引一矢量，使回路闭和，即为柏氏矢量M(Q)QM→b线缺陷3.柏氏矢量2）柏氏矢量的特征a．可用来判断位错类型：位错线与柏氏矢量垂直——刃型位错

位错线与柏氏矢量平行——螺型位错b．柏氏矢量的大小表示位错区晶格畸变总量大小；c．柏氏矢量用来表示晶体滑移的方向和大小：滑移方向为柏氏矢量方向，滑移大小为柏氏矢量大小。M(Q)QM→b线缺陷4.混合位错

在实际晶体中，位错线一般是弯曲的，而柏氏矢量只有一个，此时位错线与柏氏矢量呈一定角度，称为混合型位错。

A——刃型位错B——螺型位错C——混合型位错AbBC线缺陷5.位错对金属性能的影响位错滑移是金属变形的重要机制。位错对金属性能的影响与位错密度有关，通常把单位体积中所包含的位错线总长度称为位错密度，即

位错密度m未强化纯金属（退火态）加工硬化态（1011~1012cm/cm3）金属晶须理论强度强度金属强度与位错密度的关系

点缺陷线缺陷面缺陷晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表面或自