第1章 11材料的结构

1、 1.1 1.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 1.1.1 1.1.1 晶体的基本概念晶体的基本概念 晶格晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点结点。由由结点形成的空间点的阵列称结点形成的空间点的阵列称空间点阵空间点阵。（1) 1) 晶格与晶胞晶格与晶胞（2) 晶系晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：立方晶系：a=b=c， = = =90

2、 六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c， = =90 ， =120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜 晶格常数：晶格常数：晶胞个晶胞个边的尺寸边的尺寸 a、b、c。各。各棱间的夹角用棱间的夹角用 、 、 表示。表示。3) 原子半径：原子半径：晶胞中原子密晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距度最大方向上相邻原子间距的一半。的一半。4) 晶胞原子数：晶胞原子数：一个晶胞内一个晶胞内所包含的原子数目。所包含的原子数目。5) 配位数及致密度：配位数及致密度：配位数配位数是指是指晶格中与任一原子距离晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。致最近且相等的原子数目。致密度：晶胞

3、中原子本身所占密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。的体积百分数。(1) 体心立方晶格体心立方晶格1.1.2 常见金属的晶格类型常见金属的晶格类型 体心立方结构体心立方结构 (b.c.c)(b.c.c)晶胞原子数晶胞原子数 2 2原子半径：原子半径：a a4 43 3r r 体心立方晶格中与任一原子处于相等体心立方晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数为距离并相距最近的原子数为8 8所以体心立方晶格的所以体心立方晶格的配位数配位数(CN)(CN)为为8 80 0. .6 68 8a aa a4 43 33 34 42 2K K3 33 3晶胞体积为晶胞体积为a a3 3，晶胞内含有晶胞

4、内含有2 2个原子，个原子，所以它的所以它的致密度致密度是：是：已知：已知：体心立方结构的原子半径体心立方结构的原子半径l体心立方晶格体心立方晶格原子个数：原子个数：2配位数：配位数： 8致密度：致密度：0.68属于该类晶格的常见金属有属于该类晶格的常见金属有 -Fe(912oC)-Fe(1400oC) (1400oC)、CrCr、WW、MoMo、V V等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子半径：a a4 43 3(2)(2)面心立方结构面心立方结构(f.c.c)(f.c.c)晶胞原子数晶胞原子数 4 422原子半径：原子半径：a a4 42 2r r 致密度：致密度：0.74

5、 a42r ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：4配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常数：晶格常数：al面心立方晶格面心立方晶格(3) 密排六方结构密排六方结构 (h.c.p)(h.c.p)a21r ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常数：晶格常数：底面边长底面边长 a 和高和高 c， c/a=1.6331.1.3 立方晶系晶面、晶向表示方法立方晶系晶面、晶向表示方法l晶体中各方位上的原子面称晶体中各方位上的原

6、子面称晶面。晶面。l各方向上的原子列称各方向上的原子列称晶向。晶向。(1) 晶面指数晶面指数l表示晶面的符号称表示晶面的符号称晶面指数。晶面指数。l其确定步骤为：其确定步骤为：la. a. 选坐标，以晶格中某一原子为原点（注意不要把选坐标，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。维坐标的坐标轴。lb. b. 以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个轴上以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个轴上的截距。的截距。lc. c. 求三个截距的倒数。求三个截距的倒数。ld. d. 将所得数值化为最

7、小整数，加圆括弧，形式为将所得数值化为最小整数，加圆括弧，形式为(hkl)(hkl)。la. a. 确定原点，建立确定原点，建立坐标系，过原点作所坐标系，过原点作所求晶向的平行线。求晶向的平行线。lb. b. 求直线上任一点求直线上任一点的坐标值。的坐标值。C. C. 按比例化为最小按比例化为最小整数整数, ,加方括弧。形加方括弧。形式式为为 uvwuvw 。(2) (2) 晶向指数晶向指数l表示晶面的符号称晶面指数l 晶面族与晶向族晶面族与晶向族l(hkl)与与uvw分别表示的是一组平行的晶向和晶面。分别表示的是一组平行的晶向和晶面。l指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面指数虽然不同

8、，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作称作晶向族晶向族或或晶面族晶面族。分别用分别用hkl和和表示。表示。说明：说明： 在立方晶系中，指数在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互相同的晶面与晶向相互垂直。垂直。 遇到负指数，遇到负指数，“-”-”号号放在该指数的上方。放在该指数的上方。 晶向具有方向性，如晶向具有方向性，如110与与110方向相反。方向相反。XZY(221)2211101101.1.4 金属的实际结构与晶体缺陷金属的实际结构与晶体缺陷l单晶体：单晶体：其内部晶格方位完其内部晶格方位完全一致的晶体。全一致的晶体。l多晶体：多晶体：l晶粒：晶粒：实际使用的金属材料实际使用的金属材料是由

9、许多彼此方位不同、外形是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶体称为晶粒晶粒。l晶界：晶界：晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。l晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。l多晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。由多晶粒组成的晶体结构。l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子l位错位错：晶格中一部分晶体相对晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移面上滑移区与未滑移区的滑移区的刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错交界线称作交界线称作位错位错。分为。分为刃型位错刃型位错和和螺型

10、位错螺型位错。刃型位错和螺型位错刃型位错和螺型位错刃位错的形成刃位错的形成l刃型位错刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是原子面的边缘就是刃型位错刃型位错。l位错密度位错密度单位体积内所包含的位错线总长度。单位体积内所包含的位错线总长度。n(3) 面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界n晶界晶界是不同位向晶粒的过渡部位，是不同位向晶粒的过渡部位，宽度为宽度为510个原个原子间距，位向差一般为子间距，位向差一般为2040。n亚晶粒亚晶粒是组成晶粒的尺寸

11、很是组成晶粒的尺寸很小小、位向差也很小位向差也很小(10 2 )的的小晶块。小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶粒之间的交界面称亚晶亚晶界界。亚晶界也可看作亚晶界也可看作位错壁位错壁。1.1.5 合金的相结构合金的相结构l合金合金是指是指由两种或两种由两种或两种以上元素组成以上元素组成的的具有金属具有金属特性特性的物质。的物质。l合金的成分（构成元合金的成分（构成元素）：金属与金属、金素）：金属与金属、金属与非金属。属与非金属。l组成合金的元素相互作组成合金的元素相互作用，可形成不同的用，可形成不同的相相。Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜l所谓所谓相相是指金属或合金中凡是指金属或合金中凡成分相同

12、、结构相同，并与其成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成它部分有界面分开的均匀组成部分。部分。l显微组织显微组织实质上是指在显微实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各镜下观察到的金属中各相或各晶粒的晶粒的形态、数量、大小和分形态、数量、大小和分布布的组合。的组合。l固态合金中的相分为固态合金中的相分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两类。两类。单相单相合金合金两相两相合金合金（1 1） 固溶体固溶体l合金的结构与组成元素之一的晶体结构相同的固合金的结构与组成元素之一的晶体结构相同的固1) 1) 固溶体的分类固溶体的分类l按溶质原子所处位置按溶质原子所处位置 分为分为置换固

13、溶体置换固溶体a a）和和 间隙固溶体间隙固溶体b b）。）。 相相 称为称为 固溶体固溶体。习惯以。习惯以 、 、 表示表示l2) 固溶体的性能固溶体的性能l随溶质含随溶质含量量 , 固溶体固溶体的强度、的强度、硬度硬度 , 塑性、塑性、韧韧性性 固溶强化固溶强化。l产生固溶强化的产生固溶强化的原因：原因：溶质原子使溶质原子使晶格发生畸变晶格发生畸变及对位错的及对位错的钉扎作用钉扎作用。l与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，固溶体的硬度要低得多，而塑性和韧性低。但与化合物相比，固溶体的硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得

14、多。性则要高得多。l（2） 金属化合物金属化合物l合合金中，当固相的晶金中，当固相的晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同体结构与组成元素的晶体结构均不相同时，称为时，称为金金属化合物属化合物。性能特点：有性能特点：有较高的熔点、较高的熔点、硬度和脆性硬度和脆性，并，并可用分子式表示可用分子式表示其组成。其组成。正常价化合物正常价化合物符合正常原子价规律。如符合正常原子价规律。如Mg2Si2) 电子化合物电子化合物符合电子浓度规律。如符合电子浓度规律。如Cu3Sn。 电子浓度电子浓度为价电子数与原子数的比值。为价电子数与原子数的比值。3) 间隙化合物间隙化合物由过渡族元素与由过渡族元素与C、N、B、H等小原等小原子半径的非金属元素组成子半径的非金属元素组成。有两种情况有两种情况：la. 间隙间隙相：相：lr非非/r金金 0.59时，形成具时，形成具有简单晶格结有简单晶格结构的间隙化合物。构的间隙