第一章-金属的晶体结构

第一章_金属的晶体结构第1页，共68页，2023年，2月20日，星期三绪论部分内容回顾1、明确了研究的对象、任务和内容2、金属与合金的定义、特点3、金属的力学性能及指标4、工程材料的分类重点概念：强度、塑性、硬度、韧性、σe、σs、σb、σ0.2、δ、ψ、ak、HB、HRC、Hv；2第2页，共68页，2023年，2月20日，星期三1.2三种典型晶体结构1.3合金相结构1.4晶体缺陷第一章金属的晶体结构1.1晶体学基础本章主要内容3第3页，共68页，2023年，2月20日，星期三原子结构原子的空间排列显微组织

（1）材料原子的键合特征结构1.1晶体学基础4第4页，共68页，2023年，2月20日，星期三稳定的八电子排布结构接受或释放额外电子共有电子外层电子的作用形式：（1）材料原子的键合特征1.1晶体学基础5第5页，共68页，2023年，2月20日，星期三金属的特性: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（1）材料原子的键合特征1.1晶体学基础6第6页，共68页，2023年，2月20日，星期三共有价电子→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、塑性等金属键离子键共价键（1）材料原子的键合特征1.1晶体学基础7第7页，共68页，2023年，2月20日，星期三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（1）材料原子的键合特征1.1晶体学基础8第8页，共68页，2023年，2月20日，星期三共有电子对→键有饱和性→①高熔点、高硬度、低塑性②电绝缘体等金属键离子键共价键（1）材料原子的键合特征1.1晶体学基础9第9页，共68页，2023年，2月20日，星期三范德华力分子键（1）材料原子的键合特征1.1晶体学基础10第10页，共68页，2023年，2月20日，星期三玻璃态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（2）材料原子的排列1.1晶体学基础11第11页，共68页，2023年，2月20日，星期三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”晶态玻璃态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（2）材料原子的排列1.1晶体学基础12第12页，共68页，2023年，2月20日，星期三晶体内部原子呈规则排布具有固定的熔点具有各向异性非晶体内部原子呈无序排布没有固定的熔点具有各向同性（2）材料原子的排列1.1晶体学基础13第13页，共68页，2023年，2月20日，星期三1.空间点阵（spacelattice）原子或原子团→纯几何点（阵点latticepoint）→在空间规则排列的阵列特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding)

基元空间点阵晶体结构=空间点阵+基元单个原子、离子、分子或原子群几何排列方式晶格：将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一个空间格架。晶胞：保持点阵几何特征的基本单元(最小平行六面体)（3）晶体结构的基本概念1.1晶体学基础14第14页，共68页，2023年，2月20日，星期三晶胞的选取原则：①选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性；②平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；③当平行六面体的棱边存在直角时，直角数目应最多；④满足上述条件，晶胞应具有最小的体积。晶胞的描述：三条棱边的边长a,b,c—点阵常数棱间夹角α,β,γ晶胞的形状和大小（3）晶体结构的基本概念1.1晶体学基础15第15页，共68页，2023年，2月20日，星期三晶系与布拉菲点阵（CrystalSystemandBravaisLattice）1948年布拉菲证实只存在14种空间点阵，分别属于7大晶系。虽然空间点阵只有14种，但晶体结构的种类却有无穷多种。（3）晶体结构的基本概念1.1晶体学基础16第16页，共68页，2023年，2月20日，星期三（3）晶体结构的基本概念1.1晶体学基础17第17页，共68页，2023年，2月20日，星期三晶向指数[uvw]的确定方法：①确定坐标系；②过坐标原点，作直线与待求晶向平行；③在该直线上取距O最近一阵点，并确定该点的坐标（x,y,z）；④将三个坐标值化成最小整数u，v，w并加以方括号[uvw]即是。⑤如果指数为负数，将负号移至指数的上方。晶向：晶体中任意两个原子间连线所指的方向叫晶向

（4）晶面指数和晶向指数1.1晶体学基础18第18页，共68页，2023年，2月20日，星期三晶向指数含义：表示所有相互平行、方向一致的晶向。若所指方向相反，则晶向指数的数字相同，符号相反晶向族<uvw>：具有等同性能的晶向归并而成<111>：8个<100>：6个注意：只在立方晶系中思考：（x1,y1,z1）,(x2,y2,z2)二点连线的晶向指数？[x2-x1y2-y1z2-z1]（4）晶面指数和晶向指数1.1晶体学基础19第19页，共68页，2023年，2月20日，星期三晶面：由一系列原子组成的平面叫晶面晶面指数的确定方法：①在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点O，三棱边为三坐标轴x，y，z；②求待定晶面在三个晶轴上的截距；③取各截距的倒数；④将三倒数化为互质的整数比，并加以圆括号即是（hkl）⑤如果指数为负数，将负号移至指数的上方。（4）晶面指数和晶向指数1.1晶体学基础20第20页，共68页，2023年，2月20日，星期三晶面指数的含义：①代表一组相互平行的晶面；②晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面也可归并为同一晶面族。晶面族：----分析方法同样适用于晶向族①hkl三个数不等，且都≠0，则此晶面族中有3!×23/2=24组,如{123}②hkl有两个数字相等且都≠0，则有(3!/2!)×23/2=12

,如{221}③hkl三个数相等，则有(3!/3!)×23/2=4，如{111}④hkl有一个为0，应除以2，则有3!×22/2=12,如{120}有二个为0，应除以22，则有3!×22/22=6,如{100}注意：指数相同而符号相反的两个晶面为一组立方晶系中具有相同指数的晶面和晶向相互垂直（4）晶面指数和晶向指数1.1晶体学基础21第21页，共68页，2023年，2月20日，星期三六方晶系120°

120°

90°

三坐标系四轴坐标系a1，a2，ca1，a2，a3，c（hkil)i=-(h+k)[uvtw]t=-(u+v)三指数系统[UVW]→四指数系统[uvtw]（4）晶面指数和晶向指数1.1晶体学基础22第22页，共68页，2023年，2月20日，星期三晶带:所有平行或相交于同一直线的一组晶面构成一个晶带。晶带轴

共带面晶带轴[uvw]与该晶带的晶面（hkl）的关系应用：①已知两不平行的晶面（h1k1l1）和（h2k2l2），则晶带轴[uvw]为：hu＋kv＋lw＝0————晶带定律在立方晶系中，<110>晶向族中位于（111）平面上的有哪些？（4）晶面指数和晶向指数1.1晶体学基础23第23页，共68页，2023年，2月20日，星期三②已知两晶向[u1v1w1]和[u2v2w2],此二晶向决定的晶面指数为：或③若已知三个晶轴[u1v1w1][u2v2w2][u3v3w3],若，则三个晶轴在同一个晶面上。④已知三个晶面（h1k1l1）,（h2k2l2）,（h3k3l3），若，则此三个晶面同属一个晶带。（4）晶面指数和晶向指数1.1晶体学基础24第24页，共68页，2023年，2月20日，星期三晶面间距—相邻两个平行晶面间的垂直距离1）立方晶系的晶面位向2）晶面间距与晶面指数的关系在立方晶系中★简单晶胞：①正交晶系：晶面间距（4）晶面指数和晶向指数1.1晶体学基础25第25页，共68页，2023年，2月20日，星期三②立方晶系：a=b=c③六方晶系：★复杂晶胞—附加面①体心立方：当h+k+l=奇数时；②面心立方：当h，k，l不全为奇数或不全为偶数时；③密排六方：h+2k=3n（n=1，2，3…),l为奇数时；注：①低指数的面间距较大，而高指数的面间距较小②面间距越大，则该晶面上原子排列越密集，晶面间距越小，排列越稀疏实际的晶面间距为dhkl/2晶面间距1.1晶体学基础26第26页，共68页，2023年，2月20日，星期三1.2三种典型晶体结构

面心立方A1或fcc（face-centredcubiclattice）最常见金属晶体结构体心立方A2或bcc（body-centredcubiclattice）

密排六方A3或hcp（hexagonalclose-packedlattice）面心立方晶体结构体心立方晶体结构密排六方晶体结构27第27页，共68页，2023年，2月20日，星期三1.晶胞中的原子数1）面心立方2）体心立方3）密排六方面心立方晶体结构体心立方晶体结构密排六方晶体结构1.2三种典型晶体结构28第28页，共68页，2023年，2月20日，星期三2.点阵常数与原子半径金属原子视为刚球，半径为R，则金属晶体结构的点阵常数a与R之间的关系1）面心立方结构：2）体心立方结构3）密排六方结构1.2三种典型晶体结构29第29页，共68页，2023年，2月20日，星期三理想密排六方晶体结构的轴比：试证明：理想密排六方结构的轴比1.2三种典型晶体结构30第30页，共68页，2023年，2月20日，星期三3.配位数和致密度1）配位数：指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。面心立方：12个体心立方：8个密排立方：12个2）致密度：指晶体结构中原子体积占总体积的百分数。面心立方：体心立方：密排六方：1.2三种典型晶体结构31第31页，共68页，2023年，2月20日，星期三3）线密度：晶向上单位长度所包含的原子数例：试计算在fcc中，[110]晶向上的线密度4）面密度：单位晶面内所包含的原子数

例：试计算在bcc中，（110）晶面上的原子数[110][110]（110）1.2三种典型晶体结构32第32页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.晶体中的原子堆垛方式1）晶体结构中的原子排列密度①面心立方结构—密排面为{111}，密排方向为<110>1.2三种典型晶体结构33第33页，共68页，2023年，2月20日，星期三②体心立方结构—密排面为{110}，密排方向为<111>③密排六方结构的原子密排面{0001}，原子密排方向<1120>1.2三种典型晶体结构34第34页，共68页，2023年，2月20日，星期三2）原子堆垛方式密排六方：ABABAB……

或ACACAC……面心立方：ABCABC……

或ACBACB……二维排列方式

密排面原子排列方式空隙位置和密排面的堆积方法

1.2三种典型晶体结构35第35页，共68页，2023年，2月20日，星期三密排六方结构原子堆垛方式：A

BAB

A

B1.2三种典型晶体结构36第36页，共68页，2023年，2月20日，星期三面心立方结构的堆垛方式：A

BC

A

B

C

A

BC1.2三种典型晶体结构37第37页，共68页，2023年，2月20日，星期三体心立方晶体结构的堆垛顺序1.2三种典型晶体结构38第38页，共68页，2023年，2月20日，星期三5.金属晶体中的间隙1）面心立方结构①八面体间隙位置：体心和棱的中点间隙数量：间隙半径：②四面体间隙位置：四个最近邻原子的中心间隙数量：8个间隙半径：1.2三种典型晶体结构39第39页，共68页，2023年，2月20日，星期三2）体心立方结构①八面体间隙位置：面心和棱中点间隙数量：间隙半径：②四面体间隙位置：侧面中心线1/4和3/4处间隙数量：间隙半径：体心立方晶体中八面体空隙与四面体空隙的位置1.2三种典型晶体结构40第40页，共68页，2023年，2月20日，星期三3）密排六方结构①八面体间隙位置：体内间隙数量：6个间隙半径：②四面体间隙位置：棱和中心线的1/4和3/4处间隙数量：间隙半径：1.2三种典型晶体结构41第41页，共68页，2023年，2月20日，星期三6.多晶型性1)概念：某些固态金属在不同的温度和压力下具有不同的晶体结构，称为多晶型性。外部条变化引起晶体结构改变称为同素异构转变。2)实例：T<912℃bccα-Fe纯铁912℃<T<1394℃fccγ-FeT>1394℃bccδ-Fe3)特点：①同素异构转变；②转变过程中有体积突变。1.2三种典型晶体结构42第42页，共68页，2023年，2月20日，星期三1.3合金相结构1.合金：一种金属元素与另一种或几种其它元素经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。组成合金的基本的独立的物质称为组元2.合金系：由给定的组元可以以不同的比例配制成一系列成分不同的合金，这一系列合金就构成合金系。3.相：合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。（固溶体、中间相）4.组织：在一定外界条件下，一定成分的合金可能由不同成分、结构和性能的合金相组成，这些相的总体称为合金的组织。43第43页，共68页，2023年，2月20日，星期三5.固溶体：以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固态溶体—保持溶剂的晶体结构。置换固溶体、间隙固溶体6.中间相：若组成合金相的异类原子有固定的比例，所形成的固相的晶体结构与所有组元均不同，且这种相的成分多数处在A在B中溶解限度和B在A中的溶解限度之间。合金相1.3合金相结构44第44页，共68页，2023年，2月20日，星期三固溶体特点：保持原溶剂的晶体结构

1.置换固溶体1）定义：当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子。置换固溶体1.3合金相结构45第45页，共68页，2023年，2月20日，星期三2）影响溶剂溶解度的因素①晶体结构：晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件②原子尺寸因素：指形成固溶体的溶质原子半径与溶剂原子半径的相对差值大小。Δr＝（rA－rB）/rA×100%Δr越大，固溶度越小原因：畸变的产生Δr<15%溶解度较大Δr>15%溶解度较小形成无限固溶体时两组元原子连续置换示意图形成置换固溶体时的点阵畸变

1.3合金相结构46第46页，共68页，2023年，2月20日，星期三③化学亲和力（电负性因素）电负性：元素吸引电子的能力电负性相差越大，越倾向生成化合物电负性相近的元素→溶解度较大的固溶体④原子价因素（电子浓度）：原子价越高，溶解度越小电子浓度：合金中价电子数目与原子数目的比值极限电子浓度e/a＝[A(100－x)＋Bx]/1001.3合金相结构47第47页，共68页，2023年，2月20日，星期三2、间隙固溶体1）概念：溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体。元素HBCNO原子半径（Å

）0.460.970.770.710.60常见间隙原子半径

1.3合金相结构48第48页，共68页，2023年，2月20日，星期三3、固溶体的微观不均匀性无序固溶体、有序固溶体

间隙固溶体的强化作用与置换固溶体的强化作用哪个大？4、固溶体的性质1）点阵常数改变：置换固溶体－膨胀或收缩间隙固溶体－膨胀2）产生固溶强化：3）物理和化学性能的变化：1.3合金相结构49第49页，共68页，2023年，2月20日，星期三中间相（金属间化合物）★概念：A和B两组元组成合金，除形成以A为基或以B为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与A、B两组元均不相同的的新相，由于它们在二元相图的上的位置总是位于中间，因此称为中间相。★结构：化合物、以化合物为基的固溶体★特点：由不同的金属或金属与亚金属组成，具有一定的金属性★分类：正常价化合物、电子化合物、原子尺寸因素相关的化合物1.3合金相结构50第50页，共68页，2023年，2月20日，星期三正常价化合物：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。其稳定性与组元间电负性差有关，电负性差越大，化合物越稳定，越趋于离子键结合。电负性差越小，化合物越不稳定，越趋于金属键结合。电子化合物：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。1.3合金相结构51第51页，共68页，2023年，2月20日，星期三间隙相：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。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。52第52页，共68页，2023年，2月20日，星期三1.4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。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。晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面两类，其中的内界面又有晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。53第53页，共68页，2023年，2月20日，星期三点缺陷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。1.4晶体缺陷54第54页，共68页，2023年，2月20日，星期三2.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。1.4晶体缺陷点缺陷55第55页，共68页，2023年，2月20日，星期三1.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。1.4晶体缺陷线缺陷56第56页，共68页，2023年，2月20日，星期三刃型位错刃位错的形成1.4晶体缺陷线缺陷57第57页，共68页，2023年，2月20日，星期三2.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。1.4晶体缺陷线缺陷58第58页，共68页，2023年，2月20日，星期三1.4晶体缺陷线缺陷59第59页，共68页，2023年，2月20日，星期三1.4晶体缺陷线缺陷60第60页，共68页，2023年，2月20日，星期三3.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→b1.4晶体缺陷线缺陷61第61页，共68页，2023年，2月20日，星期三4.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AbBC1.4晶体缺陷线缺陷62第62页，共68页，2023年，2月20日，星期三5.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