金屬與合金的晶體結構

1、第二章 金屬與合金的晶體結構 金屬的特性和金屬鍵 金屬鍵metallic bond： 金屬材料內部，呈一定 規(guī)律排列的正離子與公 有化的自由電子靠庫侖 力（coulomb force）結 合起來，這種結合力即 為金屬鍵。 由金屬鍵結合起來的晶 體叫金屬晶體。 特點： 無飽和性和方向性。 金屬的特性和金屬鍵 金屬的特性： 良好的導電性和導熱性 不透明，具有良好的反射性，形成金屬光澤 一般具有較高的強度和良好的塑性 常溫下均為固體（汞除外），能相互熔合 有正的溫度系數(shù)，很多金屬在極低溫下具有超 導性 第一節(jié)晶體的基本知識 晶體與非晶體 晶體crystal： 內部原子或分子呈規(guī)則 排列的物質。 特點

2、： 具有固定的熔點 具有規(guī)則的幾何外形 各向異性。 自然界中絕大部分固 態(tài)物質都是晶體。 所有固態(tài)金屬都是晶 體。 晶體與非晶體 非晶體noncrystal： 內部原子或分子呈無規(guī)則排列的物質。 特點： 沒有固定的熔點 各向同性 如：松香、玻璃、瀝青、石蠟等都是非晶 體。 單晶體與多晶體 單晶體monocrystal： 是原子在三維空間中呈規(guī)則、周期排列的晶體。 由一顆晶粒發(fā)育而成。 如：單晶硅。 自然結晶的物質都不是單晶體。 多晶體polycrystal： 由兩顆以上晶粒組成的晶體。 金屬晶體都是多晶體。 晶格、晶胞和晶格常數(shù) 晶格crystal lattice： 又稱為晶體點陣。 是描述晶

3、體中原子排列 規(guī)律的空間格架（點 陣）。 晶格、晶胞和晶格常數(shù) 晶胞unit lattice ： 能代表晶格特征的最小 基本單元。 是晶體的基本結構單位。 晶格、晶胞和晶格常數(shù) 晶格常數(shù) crystallographic lattice constant： 用來描述晶胞大小與形 狀的幾何參數(shù)三條 棱長： a、b、c，單位為 （=10-8cm） 三條棱的夾角： 、 第二節(jié) 金屬的晶體結構 金屬中常見的晶格 金屬中常見的晶格主要有： 體心立方晶格（bcc） 面心立方晶格（fcc） 密排六方晶格（hcp） 體心立方晶格（bcc） 晶格常數(shù)： a = b = c； = 90 密排方向（原子排列最 緊密

4、的方向） ： 立方體的對角線方向。 原子半徑： ar 4 3 體心立方晶格（bcc） 晶胞原子數(shù)（一個 晶胞內所擁有的原 子個數(shù)）： 81/8+1=2 具有體心立方結構的 金屬有： -fe、 cr、v、mo、 w等約30多種。 面心立方晶格（fcc） 晶格常數(shù)： a = b = c； = 90 密排方向： 立方體表面的對角 線方向 原子半徑： ar 4 2 面心立方晶格（fcc） 晶胞原子數(shù)： 81/8+61/2=4 屬于fcc晶格的金屬主 要有： -fe、cu、al、au、 ag、pb、ni等20多種。 密排六方晶格（hcp） 晶格常數(shù)： a = b c c / a（軸比） =1.633 =

5、 90 = 120 密排方向： 頂面的對角線方向 原子半徑：2/ar 密排六方晶格（hcp） 晶胞原子數(shù)： 1/612+1/22+3=6 屬于hcp晶格的金屬主 要有： mg、zn、be等。 晶體結構的致密度與配位數(shù) 描述晶格中原子排列緊密程度的參數(shù)： 晶體結構的致密度 配位數(shù) 晶體結構的致密度 晶體結構的致密度： 晶胞中原子所占的體積與晶胞體積之比。 k=nv/v k致密度； n一個晶胞實際包含的原子數(shù)； v一個原子的體積； v晶胞的體積 致密度越大，原子排列的緊密程度越高。 晶體結構的致密度 bcc: fcc: hcp: 68. 0 ) 4 3 ( 3 4 2 3 3 a a k 74.0

6、 ) 4 2 ( 3 4 4 3 3 a a k 74. 0 633. 1)60sin(6 ) 2 ( 3 4 6 2 2 1 3 aa a k 配位數(shù) 配位數(shù) 晶格中與任一原子緊靠，且距離相等的原子的個數(shù)， 稱為配位數(shù)。 配位數(shù)越大，原子排列的緊密程度越高。 bcc: 配位數(shù)為8個； fcc: 配位數(shù)為12個； hcp: 配位數(shù)為12個； 晶面與晶向 晶面crystal face： 晶體中由一系列原子中心構成的平面。 晶面指數(shù)indices of crystallographic plane： 用于表明晶面在晶格中位置的一系列參數(shù)。 晶面指數(shù)的確定方法 沿晶胞的棱邊設定坐標系（坐標系的原點應

7、于晶面之 外）； 求晶面在各棱邊上的截距：a 2a 將各截距值得取倒數(shù)：1/a 1/2a 0 化為最小整數(shù)比，各數(shù)之間用空格空格分開：2 1 0 將各整數(shù)列入圓括號（）：（2 1 0） 晶面與晶向 晶向orientation： 晶體中任意兩個原子的中心連線所指的方向。 晶向指數(shù)orientation index： 確定某一晶向在晶格中方位的參數(shù)。 晶向指數(shù)的確定方法 設定坐標系： 坐標系的原點應位于晶 向矢量的箭尾； 在晶向上任取一點， 求該點的坐標值； 化為最小整數(shù)比，各 數(shù)之間用空格分開； 將各整數(shù)列入方括號 。 晶體的各向異性晶體的各向異性 與實際金屬的各向同性與實際金屬的各向同性 在單

8、晶體中，由于不同晶面或晶向上原子 排列的緊密程度不同，原子間的作用力也 不相同，故晶體在不同方向上就表現(xiàn)出不 同的力學性能和理化性能 晶體的 “各各 向異性向異性” 。 晶體的各向異性晶體的各向異性 與實際金屬的各向同性與實際金屬的各向同性 實際金屬材料一般都是多晶體，內部包含 許多小晶體（晶粒），各個小晶體（晶粒） 的位向各不相同。從宏觀上看，它們的 “各向異性”被相互抵消了，因此金屬材 料的性能的宏觀表現(xiàn)仍為各向同性。各向同性。 第三節(jié) 合金的晶體結構 合金的基本概念 合金alloy： 由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非 金屬元素組成的，具有金屬特性的物質。 例如： 黃銅(cu+zn

9、) 碳鋼(fe+c) 合金的基本概念 組元group component： 組成合金的最基本的、獨立的物質。 組元通常是純元素，也可以是穩(wěn)定的化合 物。 按組成合金的組元數(shù)目，合金可分為： 二元合金 三元合金 多元合金 合金的基本概念 合金系alloy system： 組元相同，但配制比例不同的所有合金系列。 按組成合金的組員數(shù)目，合金系也可分類 為： 二元系 三元系 多元系 合金的基本概念 相phase： 合金中具有同一化學成分且結構相同的均勻部 分。 合金中的相與相之間有明顯的分界面 相界。 液態(tài)合金通常都是單相合金。 固態(tài)合金： 單相合金：由一個固相組成 多相合金：有兩個以上的固相 合金

10、的基本概念 組織texture： 合金材料的微觀形貌。 包括：各相成分、結構、形態(tài)及各相組合情況。 合金的相結構 固態(tài)合金的相結構： 固溶體solid solution 金屬化合物metallic compound 固溶體solid solution 固溶體solid solution： 固態(tài)下，組元間相互溶解而形成的均勻相。 固溶體的晶格結構與其中某一組元的晶格 結構相同，該組元稱為溶劑。 其它組元為溶質。 在固溶體中，一般溶劑含量較多，而溶質 含量較少。 固溶體solid solution 固溶體的分類： 間隙固溶體interstitial solid solution 置換固溶體subs

11、titutional solid solution 固溶體solid solution 間隙固溶體interstitial solid solution： 溶質占據(jù)溶劑晶格中的 間隙位置。 又稱插入固溶體、嵌入 固溶體。 固溶體solid solution 間隙固溶體的特點： 溶質為非金屬 溶質在溶劑中的溶解度 是有限的有限固溶 體。 間隙固溶體的形成條 件： 溶質原子與溶劑原子直 徑的比值 d質/d劑0.59 固溶體solid solution 置換固溶體 substitutional solid solution： 溶質占據(jù)溶劑晶格中的 結點位置。 又稱取代固溶體。 固溶體solid so

12、lution 置換固溶體的特點： 溶質原子與溶劑原子的原子直徑差別越小 （d質/d劑=0.851.15），溶解度越大； 溶質元素與溶劑元素在元素周期表中的位置越 靠近，溶解度越大。 溫度越高溶解度越大。 固溶體solid solution 置換固溶體按溶解度分 為： 有限固溶體在一定 條件下，溶質原子在溶 劑晶格當中溶解到一定 程度時，就不能再溶解 了。如： cu-zn、cu-sn 無限固溶體溶質能 以任何比例溶入溶劑。 如： fe-cr、cu-ni 固溶體solid solution 固溶強化solid solution strengthening： 在固溶體中，隨著溶質的加入，導致固溶體的

13、晶格發(fā) 生畸變， （晶格畸變會阻礙位錯移動），使塑性變形 的抗力增大，結果使金屬材料的強度、硬度提高。 固溶體solid solution 適當?shù)墓倘軓娀陲@著提高金屬材料的強 度、硬度的同時，仍能保持較高的塑性和 韌性，因此是強化金屬材料的重要途徑之 一。 由于固溶體具有較好的力學性能，結構性 材料都是以固溶體作為基體相的。 金屬化合物metallic compound 金屬化合物metallic compound： 合金組元間發(fā)生相互作用而形成一種具有自己 獨特的晶體結構的新相。 也稱為中間相。 金屬化合物metallic compound 特點： 晶格類型和性能均不同于任一組元，一般可以

14、 用分子式大致表示其組成。 例如：鋼中滲碳 體（fe3c）。 一般具有復雜的晶格結構。 性能特點是熔點高、硬而脆，可提高材料的強 度、硬度和耐磨性，但是會降低塑性和韌性。 因此，在金屬材料中，一般不作為基體相，而 是作為第二相（強化相）存在。 金屬化合物metallic compound 分類： 正常價化合物 電子化合物 間隙化合物 金屬化合物metallic compound 彌散強化dispersion strengthening： 又稱為第二相強化/析出強化 是指在合金中，當金屬化合物以細小的顆粒狀 形式均勻地分布（彌散分布）在固溶體基體上 時，將導致合金材料的強度、硬度和耐磨性明 顯提

15、高，但塑性和韌性會有所下降的現(xiàn)象。 結論 在實際生產中，通過調整合金中固溶體的 溶質含量和金屬化合物的數(shù)量、大小、形 態(tài)及分布狀況（即改變材料的內部組織結 構），可使合金的力學性能發(fā)生改變，以 滿足工程中的不同使用要求。 第四節(jié) 實際金屬的晶體結構 金屬的顯微組織 金屬的顯微組織通常被稱為金相組織 metallurgical structure。 是在金相顯微鏡下才能被觀察到的金屬內部組 織結構。 多晶體與亞組織 晶粒crystal grain： 存在于多晶體內部的外 形不規(guī)則的小晶體。 特點： 晶粒內部的晶格位向是 一致的 各個晶粒的位向都是不 同的。 晶界 crystal boundary

16、 ： 晶粒與晶粒之間的接觸 界面。 多晶體與亞組織 亞組織/亞晶粒： 存在于實際金屬晶體的 單個晶粒內部的尺寸更 小、位相差也很小的小 晶塊。 特點： 內部的晶格位向一致。 亞晶界： 兩相鄰亞晶粒之間的界 面。 晶體的缺陷 晶體的缺陷分為： 點缺陷三個方向上的尺寸都很小，相當于 原子的尺寸。如：空位、間隙原子。 線缺陷在兩個方向上的尺寸很小，另一根 方向上的尺寸相對很大主要指位錯。 面缺陷在一個方向上尺寸很小另兩個方向 上的尺寸相對較大。如：晶界、亞晶界。 體缺陷第二相。 晶體的缺陷 點缺陷空位、間隙原子與置換原子： 在點缺陷的附近，周圍原子偏離了原來的平衡位置， 產生了晶格畸變。 由于晶格畸

17、變會阻礙位錯移動，導致晶體的強度、硬 度提高固溶強化。 晶體的缺陷 線缺陷位錯dislocation： 在晶體中的某處，一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的 錯排現(xiàn)象。 可視為晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線。 晶體的缺陷 位錯密度（cm/cm3） 單位體積中位錯線的總長度。 v晶體的體積 s體積為v的晶體中位錯線的總長度 v s 位錯對金屬性能的影響 位錯密度與金屬的強 度的關系： 當金屬處于退火狀態(tài)時 強度是最低的； 理想晶體（無位錯）的 強度很高； 金屬產生冷加工變形時， 由于位錯密度提高，使 金屬的強度和硬度提 高加工硬化/形變 強化。 位錯對金屬性能的影響 金屬材料的塑性變形實際上是通

18、過位錯的運動來實現(xiàn)的 在位錯移動時，由于不需整個晶體上下兩部分的原子同時發(fā)生相 對移動，而每次只需位錯中心附近的少數(shù)原子作微量運動，那么 位錯移動所需臨界切應力很小，因此實際金屬的強度比理想晶體 （無位錯）的強度要低很多“位錯易動性”。 晶體的缺陷 面缺陷晶界和亞晶界： 在多晶體中，由于晶界位于 兩晶粒間的過渡帶，原子排 列不規(guī)則，產生晶格畸變， 阻礙位錯移動，使材料的塑 性變形抗力增大。 細化材料的晶粒，可以使材 料的晶界面積顯著提高，從 而提高材料的強度和硬度 細晶強化。 由于晶界處原子排列不規(guī)則， 原子間隙較大，所以晶界處 原子能量較高，雜質容易聚 集，導致晶界處容易被腐蝕； 晶界處的熔點較低等等。 奧氏體 鐵素體 晶體的缺陷 體缺陷第二相 在合金材料的結晶過程中，隨著溫度的 降低，固溶體的溶解度發(fā)生變化，會沉 淀析出第二相。 如果第二相以彌散的小顆粒狀方式分布 在第一相基體上，也會阻礙位錯移動， 從而提高材料的強度和硬度彌散強 化/第二相強化/析出強化。 晶體的缺陷 例如：改性高錳鋼