工学3、金属材料的晶体结构

物质的聚集状态：

气态液态固态：晶体非晶体

金属材料的晶体结构

晶体与非晶体

1、晶体：原子按一定的规律地排列。物理性质表现为各向异性。2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。物理性质表现为各向同性。3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤维都是晶体。

硅表面原子排列碳表面原子排列

1、晶体的特点①原子在空间呈有规则的周期性重复排列。②具有一定的熔点，如铁的熔点为1538℃，铜的熔点为1083℃。③单晶体的原子由于在不同方向上排列的形态不同，因而在性能上表现为各向异性。2、非晶体的特点是：①原子在三维空间呈不规则的排列。②没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。③各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。

晶体与非晶体的转变晶体与非晶体在一定条件下可以相互转变玻璃经长时间加热能变为晶态玻璃；金属从高温液态急冷，可变为非晶态金属；非晶态金属具有高的强度与韧性等一系列突出性能，近年来已为人们所重视。

一、金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构就是其内部原子的排列方式和空间分布。金属的性能是由其晶体结构决定的，其中结构可以通过外界条件加以改变。这样为金属材料性能的改善提供了可能

（一）

晶体结构的基本知识结构：原字的排列方式和空间分布1、晶格与晶胞晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格子称之为晶格。晶胞

晶胞：可以代表晶格的最小的几何单元称之为晶胞，是构成空间点阵的最基本单元。晶格参数：晶胞的棱长和夹角

用a,b,c及其夹角α,β,γ表示。晶格常数：晶胞棱边的长度

在元素周期表一共约有110种元素，其中80多种是金属，占2/3。而这80多种金属的晶体结构大多属于三种典型的晶体结构。它们分别是：

1、体心立方晶格

2、面心立方晶格

3、密排六方晶格（二）

常见金属的晶格类型①体心立方晶格

每个晶胞原子数n=8×1/8+1=2(个)属于体心立方晶格类型的金属有α-Fe（912℃以下的钝铁）、铬、钼、钨等②面心立方晶格

每个晶胞中的原子数为n=8×1/8+6×1/2=4(个)属于面心立方晶格类型的金属有γ-Fe（1394－912℃的钝铁）、铝、铜、银等。③密排六方晶格密排六方晶胞中的原子数n=12×1/6+2×1/2＋3=6(个)典型晶体结构及其几何特征

体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方体的角上,一个原子处于立方体的中心,角上八个原子与中心原子紧靠。

1、体心立方晶格

体心立方晶胞特征：

晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90°具有体心立方晶格的金属有：钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、

α-铁(α-Fe,<912℃)等。1、体心立方晶格2、面心立方晶胞的特征金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。面心立方晶胞的特征：晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90°具有这种晶格的金属有：铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ-铁(

γ-Fe,912℃～1394℃)等。3、密排六方晶格十二个金属原子分布在六方体的十二个角上,在上下底面的中心各分布一个原子,上下底面之间均匀分布三个原子。具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等。

密排六方晶胞的特征：晶格常数：用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表达,两相邻侧面之间的夹角为120°,侧面与底面之间的夹角为90°。具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等单晶体与多晶体如果晶体中所有原子排列位向一致，这个晶体称为单晶体，也就是说单晶体是由一个晶粒组成的。单晶体只有通过特殊的方法才能制取，如在电子行业中广泛使用的硅或锗单晶体。实际金属多是由许多单晶体组成的多晶体，每一个单晶体称为一个晶粒，其边界称为晶界。单晶体具有各向异性，而多晶体则具有各向同性。

1.单晶体与多晶体结晶方位完全一致的晶体称为“单晶体”，单晶体在不同晶面和晶向的力学性能不同，这种现象称为“各向异性”。（三）金属的实际晶体结构

实际金属晶体内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部晶格位向一致，而各小晶体之间晶格位向不同。小晶体称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界上原子排列是不规则的。这种由多晶粒构成的晶体结构称为“多晶体”，多晶体呈现各向同性。49图1-15单晶体图1-16实际金属晶体

2、实际金属结构的特点

实际金属结构的一个特点是多晶体（只有少数单晶体），即由许多晶格取向不同的小单晶体组成。每个小单晶体称为晶粒。晶粒之间的界面称为晶界。另一个特点是晶格中原子排列有缺陷，这些缺陷是：

点缺陷：（空位和间隙原子）

线缺陷：（成现状分布的缺陷，如位错）

面缺陷：（由碎晶块引起的缺陷）（四）同素异构转变某些金属在固态下的晶体结构是不固定的，而是随着温度、压力等因素的变化而变化，如铁、钛等，这种现象称为同素异晶转变，也称为重结晶。下面以铁为例子来说明同素异构转变：

α-Fe---------γ-Fe-------------δ—Fe-----------L（912℃）（1492℃）金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。(五)金属晶胞空间利用率计算体心立方结构ABCAC2=2a2

AB2=AC2+a2=3a2=(4r)2ABCa=4r3一个晶胞的体积：V1=a3=643r39一个体心立方晶胞中含有的原子数目为2，总体积为：V2=2r343空间利用率==100%=68%

V2V1383金属晶胞空间利用率计算面心立方晶胞：ACBAB=4rAC=BC=aaa2a2=(4r)2a=22r

一个晶胞的体积为：V2=4r343在一个面心立方晶胞中含有的原子数目为4，总体积为：V1=a3=162r3空间利用率==100%=74%

V2V1

32二、合金的晶体结构与结晶(一)合金的基本概念1、合金

合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。液态下，组元间相互融合扩散成均匀体，凝固时相互作用，形成不同的晶体结构，比纯金属复杂。2、组元组成合金的能独立存在的、化学性能稳定的基本的物质（如一元、二元、三元合金〕，可以是元素，也可以是化合物3、合金系给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，构成一个合金系。4、相

相是指在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分,以界面分开的均匀部分。5、组织组织泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。（1）相：材料中聚集状态、成分、结构均相同的，。（2）组织：观察到的材料内部相的种类、分布、形态的图像。由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合体。如单相、两相、多相合金。用显微镜才能看到，所以常称显微组织。

固态合金中的相，按其组元原子存在的方式，可分为固溶体和金属化合物。

1、固溶体：溶质原子溶入溶剂中并保持熔剂晶体类型的合金相。它具有与其中某一组元相同的相，是单一均匀的物质，在显微镜下难以区别。

2、金属化合物：合金元素间相互作用形成的，具有金属性质的新相。组成原子有固定比例，其晶格结构不相于组成元素。机械混合物，是合金中的一类复相混合物组织，不同的相均可互相组合形成机械混合物。（二）相的分类1、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称为固溶体。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。（1）

固溶体分类

按溶质原子在溶剂晶格中的位置,固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。按溶质原子在溶剂中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。

置换固溶体（1）置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体。（2）影响置换固溶体溶解度的因素：原子尺寸原子尺寸差越小，越易形成置换固溶体，且溶解度越大。

间隙固溶体

（1）组成：原子半径较小（小于0.1nm)的非金属元素溶入金属晶体的间隙。（2）影响因素：原子半径和溶剂结构。（3）溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体。

（2）固溶体的性能

固溶体的强度和硬度高于纯组元，塑性则较低。（1）固溶强化：晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。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。

纯铜的σb

为220MPa,硬度为40HBS,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。固溶体与纯金属相比,物理性能有较大的变化,如电阻率上升,导电率下降,磁矫顽力增大。2、金属间化合物

如碳钢中的Fe3C，黄铜中的β相（CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等，都是化合物由金属与金属，或金属与类金属元素之间形成的晶格结构不同于任一组成元素的新相。这些化合物结构一般比较复杂，而且具有金属特性，所以也称为金属间化合物。包括：正常价化合物、电子化合物（电子相）、间隙化合物。金属化合物化合物在合金中，金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，而非金属化合物是合金原料或熔炼过程带来的，数量少且对合金性能影响很