金属的晶体结构

1、第二讲 金属的晶体结构一、金属与合金的晶体结构一、金属与合金的晶体结构 内容: 金属的晶体结构金属的晶体结构 合金的晶体结构合金的晶体结构 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构 目的: 掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备一、晶体的基本知识一、晶体的基本知识 （一）、晶体与非晶体（一）、晶体与非晶体 固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体晶体和和非晶体非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按

2、一定两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列的几何规律作周期性地排列 。非晶体中原子（或分子）非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青） （二）、晶格、晶胞、晶格常数（二）、晶格、晶胞、晶格常数 1、晶格晶格 为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在

3、格架的几个结点上，这种抽象的、用于描的中心就处在格架的几个结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格晶格。 2、晶胞晶胞 由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为了便于讨论为了便于讨论 通常只从晶格中，选取一个能够完全反通常只从晶格中，选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞晶胞 ，整个晶，整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重

4、格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。复堆积而成的。 3 3、晶格常数晶格常数 在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴其三条棱边作三个坐标轴X X、Y Y、Z Z，并称之为晶轴，而，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以棱边长度为反方向，并以棱边长度 和棱面夹角和棱面夹角 来表示晶胞的形状和大小来表示晶胞的形状和大小 。cb、ar、（三）、金属中常见晶格（三）、金属中常见晶格 由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于

5、紧密排列由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。 1、体心立方晶格体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中心在晶胞的中心和八个角上各有一个原子和八个角上各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1 18 8个原子。而个原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数实际原子数为为8 81 18 81 12 2（个）（个）。具有体心

6、立方晶格的金属。具有体心立方晶格的金属有有 、 等。等。 eFarC 2、面心立方晶格面心立方晶格 面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为8 81 18 86 61 12 24 4（个）。（个）。 具有面心立方晶格的金属有具有面心立方晶格的金属有 、 等。等。eFr Al 3、密排

7、六方晶格密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数表示。和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数表示。一个是柱体的高度一个是柱体的高度c c，另一个是六边形的边长，另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角在晶胞的每个角上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子个原子。 密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、下底面中心

8、的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞独有。所以，密排六方晶胞中原子数为独有。所以，密排六方晶胞中原子数为12121 16 62 21 12 23 36 6（个）。（个）。具有密排六方晶格的金属有具有密排六方晶格的金属有Mg Mg 、ZnZn 。 （四）、晶体结构的致密度致密度 晶体结构的晶体结构的致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比，可用来比，可用来原子排列的紧密程度进行定量比较。原子排列的紧密程度进行定量比较。 在体心立方晶胞中，含有在体心立方晶胞中，含有2 2个原子。这个原子。这2

9、 2个原子的体积为个原子的体积为2 2（4 43 3）rr3 3，式中式中r r为原子半径为原子半径 。故体心立方晶格的致密度为：故体心立方晶格的致密度为： 2 2个原子的体积与晶胞体积之比等于个原子的体积与晶胞体积之比等于0.68 0.68 。 这表明在体心立方晶格中，有这表明在体心立方晶格中，有6868的体积被所占据，其余为空的体积被所占据，其余为空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为0.74 0.74 。显然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，显然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，当铁由面心当铁由面心立方晶格变为体

10、心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀立方晶格变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀。 （五）、晶面指数和晶向指数晶面指数和晶向指数晶面指数：晶面指数：取晶面与坐标轴截距的倒数，并化取晶面与坐标轴截距的倒数，并化 简为最小整数，用圆括号顺序表示。简为最小整数，用圆括号顺序表示。 （x y zx y z） 晶面族晶面族: x y z: x y z晶向指数：晶向指数：通过原点直线上某点的坐标，用方括通过原点直线上某点的坐标，用方括 号顺序表示。号顺序表示。 x y zx y z 晶向族晶向族: : 密排面：密排面：密排方向：密排方向： Fig 铁的单晶体（晶胞）及其各方铁的单晶体（晶胞）

11、及其各方 向上弹性模量（向上弹性模量（E）示意图）示意图二、实际金属的晶体结构二、实际金属的晶体结构 （一）、金属材料都是多晶体（一）、金属材料都是多晶体 我们把晶格位向完全一致的晶体叫做我们把晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体单晶体。单晶体只有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用单晶体只有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起构成，叫的小单晶体组合在一起构成，叫多晶体多晶体。这些小晶这些小晶体就

12、是晶粒，它们之间的交界即为体就是晶粒，它们之间的交界即为晶界晶界。在一个晶在一个晶粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为这些小晶块称为亚晶粒亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶粒之间的界面称为亚亚晶界晶界。 多晶体示意图 不同含碳量钢的显微组织 （二）、（二）、晶体缺陷晶体缺陷 晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。

13、把这些区域称为整。把这些区域称为晶体缺陷晶体缺陷。这些缺陷的。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性，机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。用力计算所得数值。 根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：为以下三类： 点缺陷点缺陷 线缺陷线缺陷 面缺陷面缺陷 1 1、点缺陷、点缺陷空位和间隙原子空位和间隙原子 在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原在实际晶体

14、结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。 由于空位、置换原子和间隙原子的存在由于空位、置换原子和间隙原子的存在 ，使晶体发生了使晶体发生了晶格畸变晶格畸变，晶体性能发生改变，晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻增加。如强度、硬度和电阻增加。 晶体中的空位和间隙原子晶体中的空位和间隙原子处于不断地运动处于不断地运动和变化之中和变化之中

15、，在一定温度下，晶体内存在一定，在一定温度下，晶体内存在一定平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金属材料的热处理过程极为重要。属材料的热处理过程极为重要。2 2、线缺陷、线缺陷位错位错 晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为排现象，称为位错位错。其特征是在一个方向上的尺寸很。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通常用位错密度表示，常

16、用位错密度表示，位错密度位错密度是指单位体积是指单位体积内内，位，位错线的总长度。错线的总长度。 位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（了强度提高的现象（加工硬化加工硬化），就是由于位错密），就是由于位错密度的增加所致。度的增加所致。3 3、面缺陷、面缺陷晶界和亚晶界 实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界晶界和亚晶界。晶

17、界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域（如图223、224），该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。 晶界的过渡结构示意图 亚晶界结构示意图 三、合金的晶体结构三、合金的晶体结构（一）、合金合金的基本概念 由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质，称为元素组成的具有金属特性的物质，称为合金合金。 组成合金的最基本的、独立的物质叫做组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元组元。纯元。纯元素，稳定的化合物。素，稳定的化合物。 根据组成合金组元数目的多少，合

18、金可以分为二元根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。合金、三元合金和多元合金。 合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做叫做相相。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。 合金的性能合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、一般都是由组成合金的各相成分、结构、形态、性能和各相的组合情况形态、性

19、能和各相的组合情况组织组织所决定的。所决定的。 （二）、合金的相结构（二）、合金的相结构 由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。分为固溶体和金属化合物两大类。 1 1、固溶体、固溶体 合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为相称为固溶体固溶体。 溶解度概念溶解度概念ZXY固溶体类型固溶体类型间隙原子间隙原子间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体置换原子置换原子YXZ 不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变晶格发生畸变，使塑性变

20、形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化固溶强化。 固溶体中的晶格畸变示意图 a)间隙固溶体 b)置换固溶体 当当d/D0.59时：时：间隙固溶体间隙固溶体 固溶强化：固溶强化：是提高金属材料力学性能的重要途径之是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结构的塑性和韧性。因此，对综合力学性

21、能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。材料，都是以固溶体为基体的合金。2 2、金属化合物：、金属化合物： 金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为象称为弥散强化弥散强化。金属化合物在合金中常作为强化相存。金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。相。 化

22、合物类型：化合物类型：正常价化合物正常价化合物 按化合价规律形成，如，按化合价规律形成，如，MgMg2 2Si Si 。间隙化合物间隙化合物 过渡金属过渡金属+ +小半径非金属元素小半径非金属元素电子化合物电子化合物 按电子浓度规律形成，如，按电子浓度规律形成，如，CuCu3 3Al Al 。间隙相间隙相 r r非非/r/r金金 0.590.59，如：，如：WCWC、 TiCTiC、 VCVC复杂结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物 r r非非/r/r金金 0.590.59如，如，FeFe3 3C C、CrCr2323C C6 6间隙化合物间隙化合物 熔点高、硬度高，脆性大。熔点高、硬度高，脆

23、性大。 金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。它具有复杂的晶格形式、熔点高、硬而脆。 钢中渗碳体（Fe3C）就是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它使材料强度、硬度提高，塑性、韧度下降。 合金中有两类基本相两类基本相 ： 固溶体固溶体 和和 化合物化合物3、绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的机械混合物机械混合物，其性质取决于固溶体与金属化合物的数量、大小、形态和分布状况。 总总 结结 1、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到另一密排六方结构，由

24、于致密度的不同，从一种晶格到另一种的变化会引起体积的变化。种的变化会引起体积的变化。 2、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化和、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金化固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金化是提高金属性能的方法之一。是提高金属性能的方法之一。 3、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷对金属材料的热对金属材料的热处理过程极为重要。处理过程极为重要。位错的存在以及位错密度的变化，位错的存在以及位错密度的变化，

25、对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。金属冷变形加工后的加工硬化，就是由于位错密度的增金属冷变形加工后的加工硬化，就是由于位错密度的增加所致。点缺陷、加所致。点缺陷、晶界和亚晶界晶界和亚晶界也与材料的力学性能有也与材料的力学性能有关。注意：关。注意：晶体的晶体的“缺陷缺陷”不等于常说的不等于常说的“缺点缺点”。铸态组织与冶金缺陷 表面细晶粒层：综合性能好 柱状晶粒层：各向异性 中心粗大等轴晶粒层： 问题： 缩孔 缩松 偏析 气泡 裂纹 偏析 纯铁的纯铁的同素异晶转变同素异晶转变反应式反应式:四、四、 金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变1

26、394 C912 Cbccfccbcc- Fe - Fe - Fe同素异晶转变：同素异晶转变：金属在固态下晶体结构随温度的改变而金属在固态下晶体结构随温度的改变而 发生变化的现象。发生变化的现象。 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线1394153810006008001200温度时间16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线TFe，bcc-Fe，bcc-Fe，fccCooling curve770铁磁性思考题思考题1. 为什么要生产合金？与纯金属相比，合金有哪些优越性？2. 固溶体中，溶质元素含量增加时，其晶体结构和性能会发 生什么变化？作业作业: :1) 1) 同非金属相比，金属的主要特性是同非金属相比，金属的主要特性是 2) 2) 晶体与非晶体结构上的最根本的区别是晶体与非晶体结构上的最根本的区别是3) 3) -Fe-Fe的一个晶胞原子数为：的一个晶胞原子数为：4 4 4) 4)晶体中的位错属于：晶体中的位错属于：a. a. 体缺陷体缺陷 b. b. 面缺陷面缺陷c. c. 线缺陷线缺陷d. d. 点缺陷点缺陷 热和电的良导体热和电的良导体 正的电阻温度系数正的电阻温度系数 不透明、有金属光泽不透明、有金属光泽 塑性高、强韧性好塑性高、强韧性好晶体内原子排列是