金属的晶体结构和结晶

关于金属的晶体结构和结晶第三章

金属的晶体结构与结晶第2页,共100页，2024年2月25日，星期天内容§1晶体的基本知识§2金属的晶体结构§3合金的晶体结构§4实际金属的晶体结构第3页,共100页，2024年2月25日，星期天§1晶体与非晶体一、晶体与非晶体的区别

(a)是否具有周期性、对称性；(b)是否长程有序；(c)是否有确定的熔点；

(d)是否各向异性。第4页,共100页，2024年2月25日，星期天

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。非晶体：蜂蜡、玻璃等。晶体金刚石、NaCl、冰等。

非晶体——

原子无规则堆积，也称为“过冷液体”。液体第5页,共100页，2024年2月25日，星期天二、晶格、晶胞和晶格常数1．晶体结构晶体中原子（离子或分子）在空间的具体排列。2．阵点（结点）把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点。晶体结构第6页,共100页，2024年2月25日，星期天原子（离子）的刚球模型原子中心位置●晶体结构第7页,共100页，2024年2月25日，星期天晶胞点阵（晶格）模型第8页,共100页，2024年2月25日，星期天3．点阵在空间的排列方式称为空间点阵（简称点阵）。4．晶面点阵中的结点所构成的平面。5．晶向点阵中的结点所组成的直线。晶体结构第9页,共100页，2024年2月25日，星期天6．晶格把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。7．晶胞构成晶格的最基本单元。由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征。晶胞第10页,共100页，2024年2月25日，星期天8．晶格常数晶胞的棱边长度a、b、c和棱间夹角α、β、γ是衡量晶胞大小和形状的六个参数，其中a、b、c称为晶格常数或点阵常数。其大小用A来表示（1A=10-8cm）若a=b=c，α=β=γ=90°这种晶胞就称为简单立方晶胞。具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。第11页,共100页，2024年2月25日，星期天晶胞XYZabc晶格常数a，b，c

第12页,共100页，2024年2月25日，星期天9晶格的致密度：是指其晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。第13页,共100页，2024年2月25日，星期天§2金属晶体结构一、金属的特性和金属键1.金属键：金属原子间的结合键。特点是电子公有化。电子云2.电子云：当金属原子结合成晶体时，价电子不再被束缚在各个原子上，而是在整个晶体内运动，从而形成电子云。导电，导热，高强度和塑性，紧密排列和对称。

3.金属晶体：失去价电子的金属正离子与组成电子云的自由电子之间产生的静电引力使金属原子结合在一起，从而形成了金属晶体。第14页,共100页，2024年2月25日，星期天第15页,共100页，2024年2月25日，星期天二、常见金属的晶体结构类型

体心立方晶格

面心立方晶格

密排六方晶格

常见金属的晶体结构（90％）第16页,共100页，2024年2月25日，星期天（1）体心立方晶格bcc铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和α-Fe(温度小于912℃纯铁)。第17页,共100页，2024年2月25日，星期天体心立方晶胞

（体心立方晶格最小单位）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2

4

r3/3XYZabc2r2raa2第18页,共100页，2024年2月25日，星期天（2）面心立方晶格fcc铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和γ-Fe等（温度在1394℃～912℃纯铁)。

第19页,共100页，2024年2月25日，星期天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第20页,共100页，2024年2月25日，星期天（3）密排六方晶格hcpC（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铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)

第21页,共100页，2024年2月25日，星期天2.金属晶体中的晶面和晶向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第22页,共100页，2024年2月25日，星期天3.金属晶体的特性（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第23页,共100页，2024年2月25日，星期天（2）各向异性XYZXYZ第24页,共100页，2024年2月25日，星期天三、晶面及晶向指数

在研究金属晶体结构的细节及其性能时，往往需要分析它们的各种晶面和晶向中原子分布的特点，这样有必要给各种晶面和晶向定出一定的符号，以表示出它们在晶体中的方向，从而便于分析，晶面和晶向的这种符号分别叫“晶面指数”和“晶向指数”。晶向：各个方向上的原子列。晶面：原子面

第25页,共100页，2024年2月25日，星期天（一）晶面指数的确定⑴如图设晶格中，某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距；⑵将所得三截距之值变为倒数；⑶再将这三个倒数按比例化为最小整数并加上一圆括号即为晶面指数。一般表示形式：（hkl)。

晶面指数的确定

第26页,共100页，2024年2月25日，星期天1．PBEQ面：在三坐标轴上的截距分别是1/2，1，∞；截距倒数分别是：2，1，0；化为最小整数后的晶面指数（210）2．AGE面：截距1，1，1；倒数1，1，1，晶面指数（111）3．DBEG面：截距1，1，∞；倒数1，1，0，晶面指数（110）4．DCFG面：截距1，∞，∞；倒数1，0，0，晶面指数（100）值得注意：晶面指数，并非仅指一晶格中的某一个晶面，而是泛指该晶格中所有那些与其相平行的位向相同的晶面。在一种晶格中，如果某些晶面，虽然它们的位向不同，但原子排列相同。如（100）、（010）及（001）等，这时若不必要予以区别时，可把这些晶面统用{100}表示。即：（hkl)这类符号系指某一确定位向的晶面指数；而{hkl}则可指所有那些位向不同而原子排晶面指数的确定列相同的晶面指数。第27页,共100页，2024年2月25日，星期天（二）晶向指数的确定⑴通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；⑵求出该直线上任意一点的三个坐标值；⑶将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶面指数，其一般形式[uvw]。

如：AB的晶向指数：过O作一平行直线OP,其上任一点的坐标（1，1，0）,这样所求AB的晶向指数即为[110]；OB：本身过原点不必作平行线，其上任一点的坐标（111），其晶向指数[111]；OC：其上任一点C的坐标（100），其晶相指数[100]。同理：OD晶向指数[010],OA为[001]。同样[100]代表方向相同的一组晶向,晶向指数的确定而<100>则代表方向不同但原子排列相同的晶向

第28页,共100页，2024年2月25日，星期天四、晶面和晶向原子密度第29页,共100页，2024年2月25日，星期天第30页,共100页，2024年2月25日，星期天晶面第31页,共100页，2024年2月25日，星期天晶向第32页,共100页，2024年2月25日，星期天不同晶面或晶向上原子密度不同,引起性能不同的现象称谓各向异性。如体心立方晶格的铁晶体，在<111>方向的E＝290000MN/m2，在<100>方向E＝135000MN/m2。破裂。工业材料中，各向异性不明显。E＝210000MN/m2第33页,共100页，2024年2月25日，星期天

§3合金的晶体结构

一、合金的基本概念1．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通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。

2．组元：组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是纯元素或稳定化合物。

第34页,共100页，2024年2月25日，星期天3．二元合金：由两个组元组成的合金称为二元合金,例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。4．相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。用于描述金属或者合金中元素的结合方式。第35页,共100页，2024年2月25日，星期天二、（固态）合金的相结构固态合金的相结构有两大类：固溶体和金属化合物。（一）固溶体（固态溶液）固溶体：合金组元通过“溶解”形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相。溶剂：与固溶体晶格相同的组元，一般在合金中含量较多；溶质：以原子状态分布在溶剂晶格中，一般含量较少。第36页,共100页，2024年2月25日，星期天1.固溶体的分类（1）按溶质原子的位置分

固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。

置换固溶体中溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子;间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。第37页,共100页，2024年2月25日，星期天置换固溶体

间隙固溶体

（2）溶解度分

固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。若溶质可以任意比例溶入，即溶质溶解度可达100%，则固溶体为无限固溶体。（3）分布有序度分

固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。溶质原子有规则分布的为有序固溶体；无规则分布的为无序固溶体。第38页,共100页，2024年2月25日，星期天2.固溶体的性能溶质原子溶入→晶格畸变→位错运动阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。这种通过形成固溶体，使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。第39页,共100页，2024年2月25日，星期天纯铜的σb为220MPa,硬度为40HB,断面收缩率ψ

为70%。当加入1%镍形成单相固溶体后,强度升高到390MPa,硬度升高到70HB,而断面收缩率仍有50%。所以固溶体的综合机械性能很好,常常作为结构合金的基体相。第40页,共100页，2024年2月25日，星期天固溶体类型ZXY间隙原子间隙固溶体置换固溶体置换原子YXZ第41页,共100页，2024年2月25日，星期天固溶强化形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象正常晶格晶格畸变第42页,共100页，2024年2月25日，星期天晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变第43页,共100页，2024年2月25日，星期天(二)金属化合物

溶剂A+

溶质B=C例如:3Fe+C=Fe3C

体心六方复杂结构金属化合物的结构特点具有原子整数倍关系第44页,共100页，2024年2月25日，星期天

3Fe+C=Fe3C

体心

六方

复杂结构

8000%HB

80

3

50%

0%合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物,或称中间相。第45页,共100页，2024年2月25日，星期天渗碳体(Fe3C)晶格结构示意图第46页,共100页，2024年2月25日，星期天金属化合物的主要性能具有一定程度的金属性质。具有较高的熔点。硬度较高。脆性高。第47页,共100页，2024年2月25日，星期天§4实际金属晶体结构（一）单晶体与多晶体单晶体：一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，称这块晶体为单晶体。单晶硅、单晶锗

在一块很小的金属中也含着许多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向都是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向都不相同。这种小晶体的外形呈颗粒状，称为“晶粒”。第48页,共100页，2024年2月25日，星期天晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界处，原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过度，总是不规则的。多晶体：实际上由多个晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。第49页,共100页，2024年2月25日，星期天第50页,共100页，2024年2月25日，星期天对于单晶体，由于各个方向上原子排列不同，导致各个方向上的性能不同，即“各向异性”的特点；而多晶体对每个小晶粒具有“各向异性”的特点，而就多晶体的整体，由于各小晶粒的位向不同，表现的是各小晶粒的平均性能，不具备“各向异性”的特点。单晶体

多晶体第51页,共100页，2024年2月25日，星期天多晶体结构晶粒晶界显微组织亚晶粒（晶粒，晶格，区域，方位差异）第52页,共100页，2024年2月25日，星期天多晶体结构中，一般晶粒尺寸小，如钢铁材料晶粒尺寸一般为10-1-10-3mm左右，必须通过显微镜放大几十倍乃至几百倍以上才能观察到。在显微镜下不能直接观察到这些小晶体的立体形态，而只能观察到所要研究的金属试样表面所截晶粒的平面图形。第53页,共100页，2024年2月25日，星期天这种在显微镜下所观察到的金属材料各种类晶粒的显微形态，即晶粒的形状、大小、数量和分布等情况，称为显微组织或金相组织，简称组织。金属材料的组织决定了金属材料的性能。实验和理论都证实，金属的晶粒越细，金属材料在室温时的强度、硬度就越高，塑件和韧性也越好。第54页,共100页，2024年2月25日，星期天显微组织第55页,共100页，2024年2月25日，星期天显微组织不同放大倍数下金属的显微组织第56页,共100页，2024年2月25日，星期天显微组织不同含碳量的显微组织第57页,共100页，2024年2月25日，星期天

在金属中还存在着各种各样的晶格缺陷，按其几何形式的特点，分为如下三类：

1.点缺陷原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小。晶体中的空位、间隙原子、杂质原子都是点缺陷。

点缺陷示意图（二）实际晶体缺陷第58页,共100页，2024年2月25日，星期天如果间隙原子是其它元素就称为异类原子（杂质原子）空位间隙原子第59页,共100页，2024年2月25日，星期天（二）晶体缺陷

当晶格中某些原子由于某种原因，（如热振动等）脱离其晶格结点而转移到晶格间隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在会引起周围的晶格发生畸变，从而使材料的性能发生变化，如屈服强度提高和电阻增加等。

第60页,共100页，2024年2月25日，星期天（二）晶体缺陷2.线缺陷原子排列的不规则区在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如：位错。位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。由于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，第61页,共100页，2024年2月25日，星期天位错理论是30年代发展起来的,为了解释金属的范性形变(塑性)。为什么有的金属很软,而有的硬?对软金属,按照理论，若把金属键的键力求和,其合力远超过使金属产生形变的力。虽然最初位错慨念是为了说明机械强度提出的,但是后来人们发现,它影响着晶体的力学,电学,光学等方面的性能,并且直接关系到晶体的生长过程。几何学、量子、弹性、晶体学、物理化学、热力、统计、波动第62页,共100页，2024年2月25日，星期天晶体中通过位错运动而造成滑移的示意图第63页,共100页，2024年2月25日，星期天

图为一种最简单的位错“刃型位错”。因为相对滑移的结果，上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。

线缺陷示意图第64页,共100页，2024年2月25日，星期天刃位错刃位错第65页,共100页，2024年2月25日，星期天螺位错第66页,共100页，2024年2月25日，星期天实际晶体中存在大量的位错,一般用位错密度来表示位错的多少。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。第67页,共100页，2024年2月25日，星期天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,其强度也很高。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。金属强度与位错密度的关系第68页,共100页，2024年2月25日，星期天

3.面缺陷原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。如晶界（大角度）和亚晶界（小角度）是晶体中典型的面缺陷。面缺陷第69页,共100页，2024年2月25日，星期天其相邻两晶粒之间的位向差多数为30º-40º的大角度。晶界处原子的排列必须从一种晶粒的位向过渡到另一种晶粒的位向，因此晶界成为两晶粒之间原子无规则排列的过渡层。在实际金属晶体中的晶粒内部，存在图（b）所示的面缺陷，有许多尺寸的小晶块，它们之间的位向差很小，只有几分、几秒，一般小于1º～2º，它们相互镶嵌成一颗晶粒。在这些小晶块的内部原子排列的位向是一致的，这些小晶块称为亚晶粒(或亚结构，或镶嵌块)，相邻亚晶粒之间的界面称为亚晶界。

第70页,共100页，2024年2月25日，星期天显然在晶界处原子排列很不规则。亚晶界处原子排列不规则程度虽较晶界处小，但也是不规则的，可以看作是由无数刃型位错组成的位错墙。这样晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，且位错密度愈大，晶体的强度愈高。第71页,共100页，2024年2月25日，星期天晶粒（单晶体）晶界第72页,共100页，2024年2月25日，星期天亚晶界亚晶界面缺陷引起晶格畸变，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。第73页,共100页，2024年2月25日，星期天上述多晶体结构和缺陷的形成原因是什么？第74页,共100页，2024年2月25日，星期天§5金属结晶（形核、生长）凝固的概念:液体-->固体（晶体或非晶体）结晶的概念:液体-->晶体;是指金属从高温液体状态冷却凝固为固体(晶体)状态的过程再结晶的概念：金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。第75页,共100页，2024年2月25日，星期天结晶的过冷现象（纯金属）

过冷：金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象。指液态金属实际冷却到结晶温度以下而暂不结晶的

现象。理论结晶温度：金属的结晶速度恰好等于熔化速度时所对

应的温度。当高于这个温度时，金属便不

断融化，当低于这个温度的时候，便不断

结晶。第76页,共100页，2024年2月25日，星期天过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差：ΔT=T0-Tn。

过冷是结晶的必要条件。冷却曲线图第77页,共100页，2024年2月25日，星期天冷速越快，过冷度越大第78页,共100页，2024年2月25日，星期天晶核的形成和生长晶核：形成规则排列的原子集团而成为结晶的核心。晶核分为自发晶核和外来晶核两种。

结晶过程：液态金属中原子结晶的过程，即晶核不断地形成及长大的过程，直到液态金属已全部耗尽，结晶过程也就完成了。

第79页,共100页，2024年2月25日，星期天金属的结晶结晶过程即结晶的一般过程为：开始慢，中间快，再变慢晶胚晶核 晶粒

晶体液体结晶液态金属形核晶核长大完全结晶条件适宜

T

长大

第80页,共100页，2024年2月25日，星期天形核方式金属的结晶自发形核（均质形核）非自发形核（非均质形核）晶体生长方式平面长大（小体积液体）

枝晶长大（实际金属）一次晶轴二次晶轴固体界面第81页,共100页，2024年2月25日，星期天即结晶的一般过程为：开始慢，中间快，再变慢相互抵触不规则外形晶块亚晶界位错第82页,共100页，2024年2月25日，星期天在不同冷却条件下所得到的晶粒度第83页,共100页，2024年2月25日，星期天与结晶进程有关的概念

形核率（N）：单位时间、单位体积液体中

形成的晶核数量。长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面

方向上单位时间内迁移的距离。用G表示。过冷度的影响第84页,共100页，2024年2月25日，星期天提高过冷度过冷度ΔT提高，N提高、G提高过冷ΔT太高，N降低、G降低过冷度越大，相变驱动力越大，凝固或者结晶速度越快。第85页,共100页，2024年2月25日，星期天影响过冷度的因素金属特性。金属中的杂质含量。冷却速度。第86页,共100页，2024年2月25日，星期天晶体的长大(1)平面长大当冷却速度较慢时，纯度较高的金属晶体以此方式长大。(2)树枝状长大当冷却速度较快时，特别是有杂质的时候，金属晶体以此方式长大。(3)实际金属结晶晶体多以树