金属的结构与结晶

关于金属的结构与结晶第1页，共50页，2023年，2月20日，星期日§1.1金属的特征§1.2金属的晶体结构§1.3实际晶体中的缺陷§1.4金属的结晶过程§1.5晶粒大小控制第一章金属的结构与结晶第2页，共50页，2023年，2月20日，星期日与非金属相比，固态金属具有它独特的性能，如良好的导电性、导热性、延展性（塑性变形能力）和金属光泽。这些是金属的特性么？能否据此来区分金属与非金属呢？思考§1.1金属的特征不是第3页，共50页，2023年，2月20日，星期日1.有的非金属也可能表现出上述某些特性：如：石墨能导电金刚石导热无机化合物的金属光泽；2.各种金属晶体之间，这些特征的差别也很大：鈈、锰的导电能力比银、铜相差近百倍锑、铬、钒等金属是一种“脆性”金属。

因此，只根据以上的一些特性来区分金属和非金属是不够充分的。

3.金属的特征：正的电阻温度系数§1.1金属的特征第4页，共50页，2023年，2月20日，星期日主要是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关金属为何具有上述这些特性呢？金属键

金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金属原子结合成固体时，彼此失去最外层子电子（过渡族元素也失去少数次外层电子），成为正离子，而失去的外层电子穿梭于正离子之间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力（库仓引力），这种结合方式称为金属键。§1.1金属的特征第5页，共50页，2023年，2月20日，星期日金属材料以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征：良好的导电、导热性：自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作用下）导热。正的电阻温度系数：金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自由电子的定向运动，从而使电阻升高。不透明，有光泽：自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见光能量辐射出来，产生金属光泽。具有延展性：金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发生相对位移时，其结合键不会被破坏，从而具有延展性。

§1.1金属的特征返回第6页，共50页，2023年，2月20日，星期日§1.2金属的

晶体结构1）晶体与非晶体2）金属的晶体结构3）晶面和晶向及其表示方法4）金属晶体的特点第7页，共50页，2023年，2月20日，星期日

晶体：材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列—长程有序。

非晶体：原子无规则堆积，也称为“过冷液体”—短程有序。晶体金刚石、NaCl、冰等。液体非晶体蜂蜡、玻璃等。§1.2金属的

晶体结构第8页，共50页，2023年，2月20日，星期日微晶：快速凝固的晶态金属或合金的颗粒尺寸要小得多，仅为微米纳米级尺度，高强度高硬度；准晶：在晶体内部的原子长程有序，介于晶体和非晶体之间；液晶：二维长程有序。扩充知识§1.2金属的

晶体结构返回第9页，共50页，2023年，2月20日，星期日§1.2金属的

晶体结构a原子堆垛模型b空间点阵c晶格zxyabcd晶胞第10页，共50页，2023年，2月20日，星期日§1.2金属的

晶体结构空间点阵将晶体内部的原子（离子）或原子群（离子群）抽象为无数点子按一定的方式在空间做有规则的周期性分布，这些几何点子的总体称为空间点阵，这些点称为阵点或节点。晶格

用一系列假想的平行直线将空间点阵的阵点联结起来，形成的空间网络称为空间格子，也称晶格。晶胞

为了研究空间点阵的排列特点，从点阵中取出一个反映点阵特征的基本单元（通常是一个平行六面体）作为其组成单元，这个平行六面体称为晶胞。第11页，共50页，2023年，2月20日，星期日§1.2金属的

晶体结构七大晶系，十四个空间点阵：简单三斜简单单斜底心单斜简单正交体心正交面心正交底心正交简单六方简单菱方简单正方体心正方简单立方体心立方面心立方第12页，共50页，2023年，2月20日，星期日描述金属晶体结构的一些重要概念晶胞原子数一个晶胞内所含的原子数目。注意相邻晶胞的共有原子的计算方法。原子半径晶胞中最近邻的两个原子之间（平衡）距离的一半。配位数晶格中和某一原子相邻的原子数目称为配位数致密度晶胞中原子本身所占的体积与晶胞体积之比第13页，共50页，2023年，2月20日，星期日§1.2金属的

晶体结构常见的金属晶体结构工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构，其中最典型的为以下三种：（1）体心立方晶格bcc（2）面心立方晶格fcc（3）密排六方晶格hcp第14页，共50页，2023年，2月20日，星期日体心立方晶格在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子，在体中心有一个原子，每个原子与空间点阵中的一个阵点相对应。属于这种晶体结构的纯金属有α-Fe,Cr,Mo,W,V等。

§1.2金属的

晶体结构第15页，共50页，2023年，2月20日，星期日体心立方晶胞晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：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§1.2金属的

晶体结构返回第16页，共50页，2023年，2月20日，星期日面心立方晶格§1.2金属的

晶体结构第17页，共50页，2023年，2月20日，星期日面心立方晶胞晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.74XYZabc密排方向4§1.2金属的

晶体结构返回第18页，共50页，2023年，2月20日，星期日C（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密排六方晶格§1.2金属的

晶体结构返回第19页，共50页，2023年，2月20日，星期日XYZabc晶面通过原子中心的平面晶向通过原子中心的直线所指的方向XYZabc§1.2金属的

晶体结构第20页，共50页，2023年，2月20日，星期日

a.晶向指数的确定方法

1)以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系，通过原点作平行于所求晶向的直线。

2)以相应的晶格常数为单位，求出直线上任意一点的三个坐标值。

3)将所求坐标值化为最简整数，并用方括号括起，即为所求的晶向指数，例如[101]。具体晶向指数如图所示，其形式为[uvw]。立方晶系的晶面、晶向表示方法§1.2金属的

晶体结构第21页，共50页，2023年，2月20日，星期日

b.晶面指数的确定方法

1)选坐标，以晶格中某一原子为原点（注意不要把原点放在所求的晶面上），以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。

2)以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个坐标轴的截距。

3)求三个截距值的倒数。

4)将所得数值化为最简单的整数，并用圆括号括起，即为晶面指数，如图所示，其形式为（hkl）。§1.2金属的

晶体结构第22页，共50页，2023年，2月20日，星期日注意：

1)每一个晶面指数(或晶向指数)泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。

2)立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。

3)原子排列情况相同但空间位向不同的晶面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。§1.2金属的

晶体结构返回第23页，共50页，2023年，2月20日，星期日（1）有确定的熔点熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线§1.2金属的

晶体结构第24页，共50页，2023年，2月20日，星期日（2）各向异性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象XYZXYZ多晶体材料的伪等向性§1.2金属的

晶体结构返回第25页，共50页，2023年，2月20日，星期日§1.3实际晶体中的缺陷第26页，共50页，2023年，2月20日，星期日理想晶体：是指晶体中原子严格地成，完全规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体。实际晶体：多晶体+晶体缺陷晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域，按其几何尺寸特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。晶粒（单晶体）§1.3实际晶体中的缺陷第27页，共50页，2023年，2月20日，星期日一、点缺陷1.点缺陷的概念是晶体中在X,Y,Z三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷。2.点缺陷的类型主要有四类，即空位；间隙原子（有同类和异类之分）；置换原子（有大小之分）；复合空位。

置换原子空位复合空位间隙原子置换原子§1.3实际晶体中的缺陷第28页，共50页，2023年，2月20日，星期日二、线缺陷线缺陷的概念:晶体中在一维方向上尺寸很大，而在另外二维方向上的尺寸很小的晶体缺陷，它的主要形式是位错。位错是晶体中一列或若干列原子，发生某种有规律的错排现象。位错的类型:刃型位错

螺型位错

§1.3实际晶体中的缺陷第29页，共50页，2023年，2月20日，星期日刃位错刃位错刃型位错示意图§1.3实际晶体中的缺陷第30页，共50页，2023年，2月20日，星期日螺型位错示意图§1.3实际晶体中的缺陷第31页，共50页，2023年，2月20日，星期日位错密度：单位体积中位错线的总长度,或单位面积上位错线的根数,单位cm2位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶格发生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。实验和理论研究表明:晶体的强度和位错密度有如图的对应关系,当晶体中位错密度很低时,晶体强度很高；相反在晶体中位错密度很高时,其强度很高。但目前的技术,仅能制造出直径为几微米的晶须,不能满足使用上的要求。而位错密度很高易实现,如剧烈的冷加工可使密度大大提高,这为材料强度的提高提供途径。第32页，共50页，2023年，2月20日，星期日三、面缺陷概念：是指晶体中在二维方向上尺寸很大，而在另一维方向上尺寸很小的晶体缺陷。类型：主要包括晶体的外表面、堆垛层错、晶界、亚晶界、孪晶界和相界面等。

1.晶界

晶界是多晶体中晶粒与晶粒之间的交界面，由于各晶粒中原子排列方式相同（如都是体心立方），只是晶格位向不同，因此晶界实际上是不同位向晶粒之间的过渡层。该过渡层有一定的厚度，为了同时适应两侧不同位向晶粒的过渡，而使过渡层处的原子总是不能规则排列，产生晶格畸变，所以它是晶体中的一种重要的面缺陷。根据晶体中各晶粒之间的位向差θ不同，又可将晶界分为大角度晶界（θ>10°）和小角度晶界（θ<10°）两类。§1.3实际晶体中的缺陷第33页，共50页，2023年，2月20日，星期日对称倾側晶界扭转晶界§1.3实际晶体中的缺陷第34页，共50页，2023年，2月20日，星期日2.亚晶界亚晶界是亚晶粒与亚晶粒之间的晶界，位向差θ一般为几十分到几度。大晶粒中的小晶粒称为亚晶粒。亚晶界的两种特殊形式为对称倾側晶界和扭转晶界。亚晶界§1.3实际晶体中的缺陷返回第35页，共50页，2023年，2月20日，星期日液体-->固体（晶体或非晶体）--

凝固液体-->晶体--结晶

晶体液体结晶§1.4金属的结晶过程第36页，共50页，2023年，2月20日，星期日一、液态金属的结构经研究发现在略高于熔点时，液态金属的结构具有以下特点：是近程有序远程无序结构，见右图；存在着能量起伏和结构起伏。§1.4金属的结晶过程局部的近程有序第37页，共50页，2023年，2月20日，星期日二、结晶过程的宏观现象研究液态金属结晶的最常用、最简单的方法是热分析法。它是将金属放入坩埚中，加热熔化后切断电源，用热电偶测量液态金属的温度与时间的关系曲线，该曲线称为冷却曲线或热分析曲线，见右图。过冷现象冷却过程中的温度平台TmTΔT理论结晶温度开始结晶温度ΔT=Tm-T时间温度纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）§1.4金属的结晶过程第38页，共50页，2023年，2月20日，星期日过冷现象：

液态金属必须冷却到理论结晶温度Tm以下某一个温度T时才开始结晶，这个现象称为过冷。结晶潜热：

伴随着液态向固态转变而释放的热量称结晶潜热。§1.4金属的结晶过程第39页，共50页，2023年，2月20日，星期日三.金属结晶的热力学条件

过冷后，液固相自由能之差ΔG就是金属结晶的驱动力，过冷度越大，驱动力越大。§1.4金属的结晶过程四、金属结晶的微观基本过程–形核长大过程液态金属形核晶核长大完全结晶第40页，共50页，2023年，2月20日，星期日结晶过程示意图§1.4金属的结晶过程第41页，共50页，2023年，2月20日，星期日1）形核

液态金属在结晶时，其形核方式一般认为主要有两种：即均质形核（对称均匀形核）和异质形核（又称非均匀形核）。

（1）均质形核

从过冷液态金属中自发形成晶核的过程就称为均质形核。（2）异质形核

液态金属原子，依附于模壁或液相中未熔固相质点表面，优先形成晶核的过程，称为异质形核。

§1.4金属的结晶过程第42页，共50页，2023年，2月20日，星期日2）晶体的长大

晶核形成以后就会立刻长大，晶核长大的实质就是液态金属原子向晶核表面堆砌的过程，也是固液界面向液体中迁移的过程。

界面距离温度Tm固液过冷度界面距离温度Tm固液过冷度固液界面正、负温度梯度§1.4金属的结晶过程第43页，共50页，2023年，2月20日，星期日两种长大方式：