第二章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)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一.晶體與非晶體的基本概念1.晶體(crystal)的基本概念:

物體內(nèi)部的原子(或分子)在三維空間中,按一定規(guī)律作周期性排列的固體。

晶體物質(zhì)所具有的性質(zhì):

固定的熔點(diǎn);各向異性等。

例如,所有的金屬、食鹽等。2.非晶體(non-crystal)的基本概念:

物體內(nèi)部的原子呈散亂分布,其物理和力學(xué)性能各向同性。例如,普通玻璃、松香等。金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)非晶態(tài)晶態(tài)二.晶體學(xué)(crystallography)的基本知識1.晶格(crystallattice):用以描述晶體中原子排列規(guī)律的空間點(diǎn)陣格架。2.晶胞(unitcell):能完全反映晶格特

征的最小幾何單元。3.晶格常數(shù)(latticeconstant):cXZYOαβγba4.晶系與布拉菲點(diǎn)陣

1855年,法國學(xué)者布拉維(Bravais)用數(shù)學(xué)方法證明了空間點(diǎn)陣共有且只能有十四種,并歸納為七個(gè)晶系:4.晶系與布拉菲點(diǎn)陣

1855年,法國學(xué)者布拉維(Bravais)用數(shù)學(xué)方法證明了空間點(diǎn)陣共有且只能有十四種,并歸納為七個(gè)晶系:

1).三斜晶系a=b=c,α=β=γ=90°;

2).單斜晶系a=b=c,α=

γ=90°=β;

3).正交晶系a=b=c,α=β=γ=90°;

4).六方晶系a=b=c,α=β=90°,γ=120°;

5).菱方晶系a=b=c,α=β=γ=90°;

6).正方晶系a=b=c,α=β=γ=90°;

7).立方晶系a=b=c,α=β=γ=90°;布拉菲空間點(diǎn)陣晶胞5.晶面(crystalface):

在晶格中由一系

列原子所構(gòu)成的平面稱為晶面。6.晶面指數(shù)(indicesofcrystallographic

plane):用密勒(Miller)指數(shù)對晶格中

某一晶面進(jìn)行標(biāo)定。使用方法:

設(shè)置坐標(biāo);求截距;取倒數(shù)。7.晶向(crystaldirection):

在晶格中,任

意兩原子之間的連線所指的方向。8.晶向指數(shù):

用密勒(Miller)指數(shù)對晶格

中某一原子排列在空間的位向進(jìn)行標(biāo)

定。使用方法:設(shè)置坐標(biāo);求截距;取最小整數(shù)。三.常見的三種晶體結(jié)構(gòu)

1.體心立方晶格

(body-centercubiclattice)*晶胞中的原子數(shù):

n=8×1／8＋1=2個(gè)*晶胞的特征參數(shù):a=b=c,α=β=γ=90°;*原子的體積:v=4πR3／3*致密度:K=nV原子／V晶體=0.68=68%*配位數(shù)(N)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。*原子的半徑:R=√3×a／4N=8(原子間的最近距離d=√3×a／2)屬于體心立方晶格的金屬有:鈉(Na);鉀(K);鉻(Cr);鉬(Mo);鎢(W);釩(V);鉭(Ta);鈮(Nb);α-鐵(α-Fe)等。2.面心立方晶格

(face-centercubiclattice)*晶胞中的原子數(shù):

n=8×1/8+6×1/2=4個(gè)*晶胞的特征參數(shù):a=b=c,α=β=γ=90°;*原子的體積:v=4πR3／3*致密度:K=nV原子／V晶體=0.74=74%*配位數(shù)(N)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。*原子的半徑:R=√2×a／4N=12(原子間的最近距離d=√2×a／2)屬于面心立方晶格的金屬有:金(Au);銀(Ag);銅(Cu);鋁(Al);鎳(Ni);鉑(Pt);鉛(Pb);γ-鐵(γ-Fe)等。3.密排六方晶格

(c/a=1.633)

(close-packed

hexagonallattice)*晶胞中的原子數(shù):

n=12×1/6+2×1/2+3=6個(gè)*晶胞的特征參數(shù):*原子的體積:v=4πR3／3*致密度:K=nV原子／V晶體=0.74=74%*配位數(shù)(N)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。*原子的半徑:R=a/2N=12(原子間的最近距離d=a)a=b=c,α=β=90°,γ=120°;屬于密排六方晶格的金屬有:鎂(Mg);鋅(Zn);鎘(Cd);α–鈦(α–Ti);鈹(Be)等。四.純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與特性1.金屬鍵---金屬原子間的結(jié)合鍵。2.金屬鍵的基本特點(diǎn)是電子公有化。3.電子氣---當(dāng)金屬原子結(jié)合成晶體時(shí),價(jià)電子不再被束縛在各個(gè)原子上,而是在整個(gè)晶體內(nèi)運(yùn)動,從而形成電子氣。4.金屬晶體---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)生的靜電引力使金屬原子結(jié)合在一起,從而形成了金屬晶體。

第二節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)一.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。組成合金最基本、最獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。一般來說，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。相的相對數(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，可分為固溶體和金屬化合物兩類。二、合金的相結(jié)構(gòu)

1.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。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）間隙固溶體溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格各結(jié)點(diǎn)間的間隙中形成的固溶體，稱為間隙固溶體，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-Ni

合金，這稱為無限互溶，形成無限置換固溶體。形成無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)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)中不會像多相固溶體那樣構(gòu)成微電池，故單相固溶體合金的耐蝕性較高。2.金屬化合物

合金中，當(dāng)溶質(zhì)含量超過固溶體的溶解度時(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)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)一.單晶體與多晶體的基本概念

1.單晶體(singlecrystal)的特征:

*晶體由一個(gè)晶格排列方位完全一致的晶粒組成。

*晶體具有各向異性(aeolotropy)。

例如:單晶硅、單晶鍺等。單晶體結(jié)構(gòu)示意圖

2.多晶體(polycrystal)的特征

*晶體是由許多顆晶格排列方位不相同的晶粒組成。

*晶體具有各向同性(isotropy)。

例如:常用的金屬等。多晶體結(jié)構(gòu)示意圖二.晶體缺陷(crystaldefect)點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷1.點(diǎn)缺陷(pointdefect)空位(vacancy)間隙原子(gapatom)置換原子(substitutionalatom)

點(diǎn)缺陷示意圖間隙原子晶格空位置換原子

2.線缺陷(linedefect)

----位錯(dislocation)螺旋型位錯(screwdislocation)刃型位錯(bladedislocation)螺旋型位錯示意圖刃型位錯示意圖刃型位錯示意圖正刃型位錯負(fù)刃型位錯3.面缺陷(surface-defect)晶界(grainboundary):

晶粒與