第二章純金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)

1、第四節(jié)純金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第四節(jié)純金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)v純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)v合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)v金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)第一節(jié) 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一一.晶體與非晶體的基本概念晶體與非晶體的基本概念1.晶體晶體 ( crystal ) 的基本概念的基本概念: 物體內(nèi)部的原子物體內(nèi)部的原子 ( 或分子或分子 ) 在三維在三維 空間中空間中 , 按一定規(guī)律作周期性排列按一定規(guī)律作周期性排列的固的固 體。體。 晶體物質(zhì)所具有的性質(zhì)晶體物質(zhì)所具有的性質(zhì): 固定的熔固定的熔 點(diǎn)點(diǎn); 各向異性各向異性等。等。 例如例如 , 所有的金屬、所有的金屬、

2、食鹽等。食鹽等。2.非晶體非晶體 ( non- crystal )的基本概念的基本概念: 物體內(nèi)部的原子呈散亂分布物體內(nèi)部的原子呈散亂分布, ,其其物理和力學(xué)性能物理和力學(xué)性能各向同性各向同性。例如。例如, ,普普通玻璃、松香等。通玻璃、松香等。金屬的結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)構(gòu)晶晶 態(tài)態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)非晶態(tài)非晶態(tài)晶態(tài)晶態(tài)二二.晶體學(xué)晶體學(xué)(crystallography)的基本知識(shí)的基本知識(shí)1.晶格晶格(crystal lattice): 用以描述晶體中用以描述晶體中 原子排列規(guī)律的原子排列規(guī)律的空間點(diǎn)陣格架空間點(diǎn)陣格架。2.晶胞晶胞 ( unit cell ):能完全反映晶格特能完全反

3、映晶格特 征的征的最小幾何單元。最小幾何單元。3.晶格常數(shù)晶格常數(shù) ( lattice constant ) :cXZYOba4.晶系與布拉菲點(diǎn)陣晶系與布拉菲點(diǎn)陣 1855年年,法國(guó)學(xué)者布拉維法國(guó)學(xué)者布拉維(Bravais)用數(shù)學(xué)方法證明了空間點(diǎn)陣共有且只用數(shù)學(xué)方法證明了空間點(diǎn)陣共有且只 能有能有十四種十四種,并歸納為并歸納為七個(gè)晶系七個(gè)晶系:4.晶系與布拉菲點(diǎn)陣晶系與布拉菲點(diǎn)陣 1855年年,法國(guó)學(xué)者布拉維法國(guó)學(xué)者布拉維(Bravais)用數(shù)學(xué)方法證明了空間點(diǎn)陣共有且只用數(shù)學(xué)方法證明了空間點(diǎn)陣共有且只 能有能有十四種十四種,并歸納為并歸納為七個(gè)晶系七個(gè)晶系: 1). 三斜晶系三斜晶系 a =

4、 b = c , = = = 90; 2). 單斜晶系單斜晶系 a = b = c , = = 90 = ; 3). 正交晶系正交晶系 a = b = c , = = = 90 ; 4). 六方晶系六方晶系 a = b = c , = 90,=120; 5). 菱方晶系菱方晶系 a = b = c , = = = 90; 6). 正方晶系正方晶系 a = b = c , = = = 90; 7). 立方晶系立方晶系 a = b = c , = = = 90;布拉菲空間點(diǎn)陣晶胞布拉菲空間點(diǎn)陣晶胞5.晶面晶面(crystal face): 在晶格中由在晶格中由一系一系 列原子所構(gòu)成的平面列原子所構(gòu)

5、成的平面稱為晶面。稱為晶面。6.晶面指數(shù)晶面指數(shù)(indices of crystallographic plane):用密勒用密勒(Miller)指數(shù)對(duì)晶格中指數(shù)對(duì)晶格中 某一晶面進(jìn)行標(biāo)定。某一晶面進(jìn)行標(biāo)定。使用方法使用方法: 設(shè)置坐標(biāo)設(shè)置坐標(biāo);求截距求截距;取倒數(shù)。取倒數(shù)。7.晶向晶向(crystal direction): 在晶格中在晶格中,任任 意意兩原子之間的連線所指的方向。兩原子之間的連線所指的方向。8.晶向指數(shù)晶向指數(shù): 用密勒用密勒(Miller)指數(shù)對(duì)晶格指數(shù)對(duì)晶格 中某一原子排列在空間的位向進(jìn)行標(biāo)中某一原子排列在空間的位向進(jìn)行標(biāo) 定。定。使用方法使用方法:設(shè)置坐標(biāo)設(shè)置坐標(biāo);

6、求截距求截距;取最小整數(shù)。取最小整數(shù)。三三. .常見的三種晶體結(jié)構(gòu)常見的三種晶體結(jié)構(gòu) 1.體心立方晶格體心立方晶格 ( body-center cubic lattice )*晶胞中的原子數(shù)晶胞中的原子數(shù): n= 8 181= 2個(gè)個(gè)*晶胞的特征參數(shù)晶胞的特征參數(shù): a = b = c , = = = 90 ;*原子的體積原子的體積: v = 4R33*致密度致密度:K= nV原子原子V晶體晶體= 0.68 = 68 %*配位數(shù)配位數(shù) ( N ) 是指晶格中與任一原子處于相是指晶格中與任一原子處于相 等距離并相距最近的原子數(shù)目。等距離并相距最近的原子數(shù)目。*原子的半徑原子的半徑: R = 3

7、a4N= 8 ( 原子間的最近距離原子間的最近距離d=3 a2 )屬于體心立方晶格的金屬有屬于體心立方晶格的金屬有:鈉鈉 ( Na ) ; 鉀鉀 ( K ) ; 鉻鉻 ( Cr ) ;鉬鉬 ( Mo ) ; 鎢鎢 ( W ) ; 釩釩 ( V ) ;鉭鉭 ( Ta ) ; 鈮鈮 ( Nb ) ; -鐵鐵 ( -Fe ) 等等 。2.面心立方晶格面心立方晶格 ( face-center cubic lattice )*晶胞中的原子數(shù)晶胞中的原子數(shù): n=81/8+61/2= 4個(gè)個(gè)*晶胞的特征參數(shù)晶胞的特征參數(shù): a = b = c , = = = 90 ;*原子的體積原子的體積: v = 4R

8、33*致密度致密度:K= nV原子原子V晶體晶體= 0.74 = 74 %*配位數(shù)配位數(shù) ( N ) 是指晶格中與任一原子處于相是指晶格中與任一原子處于相 等距離并相距最近的原子數(shù)目。等距離并相距最近的原子數(shù)目。*原子的半徑原子的半徑: R = 2 a4N=12 ( 原子間的最近距離原子間的最近距離d=2 a2 )屬于面心立方晶格的金屬有屬于面心立方晶格的金屬有:金金 ( Au ) ; 銀銀 ( Ag ) ; 銅銅 ( Cu ) ;鋁鋁 ( Al ) ; 鎳鎳 ( Ni ) ; 鉑鉑 ( Pt ) ;鉛鉛 ( Pb ) ; -鐵鐵 ( -Fe ) 等。等。3.密排六方晶格密排六方晶格 ( c/

9、a = 1.633 ) ( close-packed hexagonal lattice )*晶胞中的原子數(shù)晶胞中的原子數(shù): n=121/6+21/2+3 =6個(gè)個(gè)*晶胞的特征參數(shù)晶胞的特征參數(shù):*原子的體積原子的體積: v = 4R33*致密度致密度:K= nV原子原子V晶體晶體= 0.74 = 74 %*配位數(shù)配位數(shù) ( N ) 是指晶格中與任一原子處于相是指晶格中與任一原子處于相 等距離并相距最近的原子數(shù)目。等距離并相距最近的原子數(shù)目。*原子的半徑原子的半徑: R = a / 2 N= 12 ( 原子間的最近距離原子間的最近距離d = a )a = b = c, = = 90, = 12

10、0;屬于密排六方晶格的金屬有屬于密排六方晶格的金屬有:鎂鎂 ( Mg ) ; 鋅鋅 ( Zn ) ; 鎘鎘 ( Cd ) ; 鈦鈦 ( Ti ) ; 鈹鈹 ( Be ) 等等 。四四. .純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與特性純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與特性1.金屬鍵金屬鍵-金屬原子間的結(jié)合鍵。金屬原子間的結(jié)合鍵。2.金屬鍵的基本特點(diǎn)金屬鍵的基本特點(diǎn)是是電子公有化電子公有化。3.電子氣電子氣-當(dāng)金屬原子結(jié)合成晶體時(shí)當(dāng)金屬原子結(jié)合成晶體時(shí), ,價(jià)電價(jià)電子不再被束縛在各個(gè)原子上子不再被束縛在各個(gè)原子上, ,而是在整個(gè)而是在整個(gè)晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng), ,從而形成電子氣。從而形成電子氣。4.金屬晶體金屬晶體-失去價(jià)電子的金屬正

11、離子與失去價(jià)電子的金屬正離子與組成電子氣的自由電子之間產(chǎn)生的靜電引組成電子氣的自由電子之間產(chǎn)生的靜電引力使金屬原子結(jié)合在一起力使金屬原子結(jié)合在一起, ,從而形成了金從而形成了金屬晶體。屬晶體。 第二節(jié)第二節(jié) 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)一一. .合金的基本概念合金的基本概念由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬組成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)稱為合金合金。組成合金最基本、最獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元組元。一般來(lái)說(shuō)，組元就是組成合金的化學(xué)元素，或是穩(wěn)定的化合物。由兩種組元組成的合金稱為二元合金。 液態(tài)合金結(jié)晶時(shí)，組元間相互作用，形成一定結(jié)構(gòu)和成分的相。相相是指合金中成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分以界面分開的均勻

12、組成部分。 一種或多種相按一定方式相互結(jié)合所構(gòu)成的整體稱為組織組織。相的相對(duì)數(shù)量、形狀、尺寸和分布的不同，形成了不同的組織，不同的組織使合金具有不同的力學(xué)性能。 固態(tài)合金中的相，按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性，可分為固溶體固溶體和金屬化合物金屬化合物兩類。二、二、合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 1. 固溶體固溶體 合金在固態(tài)下，組元間互相溶解而形成的均勻相，稱為固溶體固溶體。 晶格與固溶體相同的組元稱為固溶體的溶劑，其它組元稱為固溶體的溶質(zhì)。溶質(zhì)以原子狀態(tài)分布在溶劑的晶格中。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占的位置，固溶體可分為間隙固溶體和置換固溶體。1）間隙固溶體）間隙固溶體A 溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格各結(jié)點(diǎn)間的間

13、隙中形成的固溶體，稱為間隙固溶體間隙固溶體，如圖所示。溶質(zhì)原子直徑與溶劑原子直徑的比值小于0.59時(shí)，才能形成間隙固溶體。由一些原子半徑小于1 的非金屬元素，如H、O、C、B、N，溶入過(guò)渡族金屬而形成。在一定條件下，溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度，稱為溶質(zhì)原子在固溶體的溶解度。間隙固溶體的溶解度與溶質(zhì)原子半徑及溶劑的晶格類型有關(guān)。溶質(zhì)原子半徑愈小，溶解度愈大。2) 置換固溶體 溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格，并占據(jù)溶劑原子的某些晶格結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體，稱為置換固溶體，置換固溶體中，如果溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度有一定限度，則稱為有限互溶，形成有限置換固溶體；如果合金組元可以以任何比例相互溶解，如Cu

14、-Ni 合金，這稱為無(wú)限互溶，形成無(wú)限置換固溶體。形成無(wú)限置換固溶體必須滿足：溶質(zhì)與溶劑晶格類型相同；溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑相近；溶質(zhì)原子與溶劑原子電負(fù)性相接近。此外，溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度還與溫度有關(guān)，溫度愈高，溶解度愈大。3) 固溶體的性能 當(dāng)溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格，使溶劑晶格發(fā)生畸變，導(dǎo)致固溶體強(qiáng)度、硬度提高，塑性和韌性略有下降的現(xiàn)象，稱為固溶強(qiáng)固溶強(qiáng)化化。如果溶質(zhì)濃度適當(dāng)，固溶體亦具有良好的塑性和韌性，所以，成分得當(dāng)?shù)墓倘荏w合金具有很好的綜合力學(xué)性能。溶劑晶格畸變亦使其電阻增大，所以，高電阻合金都是固溶體合金。單相固溶體在電解質(zhì)中不會(huì)像多相固溶體那樣構(gòu)成微電池，故單相固溶體合金的耐

15、蝕性較高。 2. 金屬化合物金屬化合物 合金中，當(dāng)溶質(zhì)含量超過(guò)固溶體的溶解度時(shí)，將析出新相。若新相的晶格結(jié)構(gòu)與合金的另一組元相同，則新相為以另一組元為溶劑的固溶體。若新相的晶格類型和性能完全不同于任一組元，并具有一定的金屬特性，則新相是合金組元相互作用形成的一種新物質(zhì)金屬化合物。 Fe3C是鐵碳合金中最重要的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，碳原子直徑與鐵原子直徑之比為0.61。Fe3C又稱滲碳體，具有復(fù)雜斜方晶格。Fe3C中Fe原子可以部分地被其它金屬原子置換，形成以滲碳體為基的固溶體，如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C等，稱為合金滲碳體。 第三節(jié)第三節(jié) 金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)一

16、一. .單晶體與多晶體的基本概念單晶體與多晶體的基本概念 1.單晶體單晶體( single crystal )的特征的特征: : * * 晶體由一個(gè)晶格晶體由一個(gè)晶格排列方位完全一排列方位完全一 致致的晶粒組成。的晶粒組成。 * * 晶體具有晶體具有各向異性各向異性( aeolotropy )。 例如例如: :單晶硅、單晶鍺等。單晶硅、單晶鍺等。 單晶體結(jié)構(gòu)示意圖單晶體結(jié)構(gòu)示意圖 2.多晶體多晶體( polycrystal )的特征的特征 * *晶體是由許多顆晶格晶體是由許多顆晶格排列方位不排列方位不 相同相同的晶粒組成。的晶粒組成。 * *晶體具有晶體具有各向同性各向同性( isotropy

17、 )。 例如例如: : 常用的金屬等。常用的金屬等。 多晶體結(jié)構(gòu)示意圖多晶體結(jié)構(gòu)示意圖二二. 晶體缺陷晶體缺陷( crystal defect )點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷線缺陷面缺陷面缺陷1.點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷( point defect )空位空位( vacancy )間隙原子間隙原子( gap atom )置換原子置換原子( substitutional atom ) 點(diǎn)缺陷示意圖點(diǎn)缺陷示意圖間隙原子間隙原子晶格空位晶格空位置換原子置換原子 2. 線缺陷線缺陷( line defect ) -位錯(cuò)位錯(cuò)( dislocation ) 螺旋型位錯(cuò)螺旋型位錯(cuò)( screw dislocation )刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)( blade dislocation ) 螺旋型位錯(cuò)示意圖螺旋型位錯(cuò)示意圖 刃型位錯(cuò)示意圖刃型位錯(cuò)示意圖 刃型位錯(cuò)示意圖刃型位錯(cuò)示意圖正刃型位錯(cuò)正刃型位錯(cuò)負(fù)刃型位錯(cuò)負(fù)刃型位錯(cuò)3.面缺陷面缺陷( surface-defect )晶界晶界( grain boundary ) : : 晶粒與晶粒之間的界面。晶粒與晶粒之間的界面。亞晶界亞晶界( sub-boundary ) : : 相鄰晶粒位向很小相鄰