金屬晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶課件

第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)。 自然界中的固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子、離子）的聚集狀態(tài)可分為晶體和非晶體兩大類。

C60金屬的晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)由原子組成。原子的晶體：原子（原子團(tuán)或離子）在三維空間按一定規(guī)則周期性重復(fù)排列的固體。如固態(tài)金屬、鉆石、冰等。晶體具有各向異性。非晶體：原子（原子團(tuán)或離子）在三維空間中無(wú)規(guī)則排列的物質(zhì)，也稱為玻璃態(tài)。如松香、玻璃、塑料等。金剛石晶格SiO2非晶態(tài)金屬的晶體結(jié)構(gòu)金剛石晶格SiO2非晶態(tài)金屬的晶體結(jié)構(gòu)石墨及其晶格金剛石及其晶格組成成分相同，但晶體結(jié)構(gòu)不同的兩種晶體，其性能不同！金屬的晶體結(jié)構(gòu)石墨及其晶格金剛石及其晶格組成成分相同，但晶體結(jié)構(gòu)不同的兩種SiO2的結(jié)構(gòu)

在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。金屬的晶體結(jié)構(gòu)SiO2的結(jié)構(gòu)在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。金屬的晶體能自發(fā)地形成多面體外形晶體有確定的熔點(diǎn)晶體是各向異性的晶體能對(duì)X射線產(chǎn)生衍射效應(yīng)。晶體的特征：

金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體能自發(fā)地形成多面體外形金屬的晶體結(jié)構(gòu)（一）金屬中原子的結(jié)合方式

在金屬晶體中，金屬原子失去價(jià)電子后成為正離子,所有價(jià)電子成為自由電子并為整個(gè)原子集團(tuán)所公有,所有自由電子圍繞所有原子核運(yùn)動(dòng)，形成電子云，金屬正離子沉浸在電子云中，并依靠與自由電子之間的靜電作用而使金屬原子結(jié)合起來(lái)形成金屬晶體。這種原子結(jié)合方式稱為金屬鍵。金屬的晶體結(jié)構(gòu)（一）金屬中原子的結(jié)合方式在金屬晶體中，金屬原子（二）晶體學(xué)基礎(chǔ)把晶體中每個(gè)原子抽象成一個(gè)點(diǎn)，用直線連接，構(gòu)成的空間格架稱為晶格。組成晶格的最小幾何組成單元是晶胞。a、b、c是晶格常數(shù)，單位是10-10m(?)；晶胞各邊夾角以a、b及g表示。caX

b

ba

YZ原子排列模型

晶格晶胞簡(jiǎn)單立方晶體金屬的晶體結(jié)構(gòu)（二）晶體學(xué)基礎(chǔ)把晶體中每個(gè)原子抽象成一個(gè)點(diǎn)，用直線連接，構(gòu)在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱為晶面，任意兩個(gè)原子之間連線所指的方向稱為晶向。為了確定晶向、晶面在晶體中的空間位向，就需要引入一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)則來(lái)標(biāo)志它們，這種統(tǒng)一的標(biāo)志，叫做晶向指數(shù)和晶面指數(shù)。國(guó)際上通用的是密勒（Miller）指數(shù)。（二）晶體學(xué)基礎(chǔ)金屬的晶體結(jié)構(gòu)在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱為晶面，任意兩個(gè)原子之間（三）常見(jiàn)的金屬晶格體心立方BCC(body-centercubic)面心立方

FCC(face-centeredcubic)密排六方HCP(hexagonalclose-packed)模型晶胞原子數(shù)密排面金屬的晶體結(jié)構(gòu)（三）常見(jiàn)的金屬晶格體心立方面心立方密排六方模型晶胞原子（1）體心立方晶格（BCC）晶格常數(shù)為a(a=b=c)，致密度為68%晶胞原子數(shù)為2屬于這種晶格類型的金屬有a-Fe（912℃以下純鐵）、鉻（Cr）、鎢（W）、鉬（Mo）、釩（V）等。

模型晶胞晶胞原子數(shù)金屬的晶體結(jié)構(gòu)（1）體心立方晶格（BCC）晶格常數(shù)為a(a=b=c)，

體心立方晶格的參數(shù)金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格的參數(shù)金屬的晶體結(jié)構(gòu)模型晶胞晶胞原子數(shù)晶格常數(shù)為a(a=b=c)，致密度為74%晶胞原子數(shù)為4屬于這類晶格的金屬有g(shù)-Fe（912~1394℃的純鐵）、銅（Cu）、鋁（Al）、鎳（Ni）等。

（2）面心立方晶格（FCC）金屬的晶體結(jié)構(gòu)模型晶胞

面心立方晶格的參數(shù)金屬的晶體結(jié)構(gòu)面心立方晶格的參數(shù)金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶胞是一個(gè)六方柱體，柱體的上下底面六個(gè)角及中心各有一個(gè)原子,柱體中心還有三個(gè)原子，致密度為74%晶胞原子數(shù)為6屬于這種晶格類型的金屬有鎂(Mg)、鋅(Zn)、鈹(Be)、鎘(Cd)等。模型晶胞晶胞原子數(shù)（3）密排六方晶格（HCP）金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶胞是一個(gè)六方柱體，柱體的上下底面六個(gè)角及中心各有一個(gè)原子,

密排六方晶格的參數(shù)12

的最近原子是12個(gè)金屬的晶體結(jié)構(gòu)密排六方晶格的參數(shù)12的最近原子是12個(gè)金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬中常見(jiàn)晶格類型的基本參數(shù)晶格類型體心立方（bcc）面心立方（fcc）密排六方（hcp）晶胞結(jié)構(gòu)晶胞常數(shù)晶胞內(nèi)原子數(shù)原子半徑致密度配位數(shù)典型金屬

a＝b＝cα＝β＝γ＝90°

a＝b＝c

α＝β＝γ＝90°

a＝bc/a＝1.633

α＝β＝90°

,γ＝120°0.680.740.7481212α-Fe、Mo、W、V、Cr、β-Tiγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、AgMg、Cd、Zn、Be、Ca、α-Ti金屬中常見(jiàn)晶格類型的基本參數(shù)晶格類型體心立方（bcc）面心立（四）單晶體與多晶體結(jié)晶方位完全一致的晶體，稱為單晶體。通常使用的金屬都是由很多小晶體組成的，這些小晶體內(nèi)部的晶格位向是均勻一致的，而它們之間，晶格位向卻彼此不同，這些外形不規(guī)則的顆粒狀小晶體稱為晶粒。每一個(gè)晶粒相當(dāng)于一個(gè)單晶體。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。這種由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。單晶體多晶體晶粒晶界金屬的晶體結(jié)構(gòu)（四）單晶體與多晶體結(jié)晶方位完全一致的晶體，稱為單晶體。單晶體舉例食鹽晶體單晶體舉例食鹽晶體天然水晶天然水晶雪花雪花單晶冰糖單晶冰糖多晶體舉例來(lái)自外太空的隕石多晶體舉例來(lái)自外太空的隕石沙子沙子金屬金屬陶瓷陶瓷

晶體中各晶面和晶向上的原子排列方式和密度不同，導(dǎo)致同一晶體的不同晶面和晶向上的各種性能也不同，這種現(xiàn)象稱為各向異性。[111]方向上，彈性模量E=290000Mpa；[001]方向上，彈性模量E=135000Mpaa-Fe單晶體，BCC（五）單晶體的各向異性金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體中各晶面和晶向上的原子排列方式和密度不同，導(dǎo)致同

單晶體具有各向異性的特征。但工業(yè)上實(shí)際應(yīng)用的金屬材料，因?yàn)閷儆诙嗑w，一般不具有各向異性的特征。如工業(yè)純鐵在任何方向上其彈性模量E均為2.1×105MPa。

（五）單晶體的各向異性金屬的晶體結(jié)構(gòu)單晶體具有各向異性的特征。但工業(yè)上實(shí)際應(yīng)用的金屬材通常使用的金屬都是由很多小晶體組成的，這些小晶體內(nèi)部的晶格位向是均勻一致的，而它們之間，晶格位向卻彼此不同，這些外形不規(guī)則的顆粒狀小晶體稱為晶粒。每一個(gè)晶粒相當(dāng)于一個(gè)單晶體。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。這種由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。多晶體結(jié)構(gòu)單晶體多晶體晶粒晶界（六）實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)通常使用的金屬都是由很多小晶體組成的，這些小晶體內(nèi)部純鐵的顯微組織照片多晶體示意圖多晶體金屬中的各晶粒位向紊亂，其各向異性顯示不出來(lái)，使多晶體呈現(xiàn)各向同性，這種狀態(tài)也稱為“偽同向性”。在顯微鏡下觀察到的各種晶粒的形態(tài)、大小和分布情況，稱為“顯微組織”。晶粒大小對(duì)材料性能影響很大。常溫下，晶粒越小，材料的強(qiáng)度越高，塑性、韌性越好。多晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)純鐵的顯微組織照片多晶體示意圖多晶體金屬中的各晶粒位向紊亂，晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即點(diǎn)、線、面缺陷。晶體缺陷（六）實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶格的不完整部位稱晶體缺陷。晶體缺陷（六）實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)金屬點(diǎn)缺陷是指在晶體空間中，其長(zhǎng)、寬、高尺寸都很?。ㄏ喈?dāng)于原子尺寸）的一種缺陷。晶體的點(diǎn)缺陷主要包括三種形式：空位、置換原子和間隙原子。（1）點(diǎn)缺陷金屬的晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)缺陷是指在晶體空間中，其長(zhǎng)、寬、高尺寸都很?。ㄏ喈?dāng)于原子尺點(diǎn)缺陷可促使周圍原子發(fā)生靠攏或撐開(kāi)的現(xiàn)象，從而造成晶格畸變?？瘴婚g隙原子小置換原子大置換原子

（1）點(diǎn)缺陷―

晶格畸變金屬的晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)缺陷可促使周圍原子發(fā)生靠攏或撐開(kāi)的現(xiàn)象，從而造成晶格畸變。線缺陷是晶體中呈線狀分布的缺陷，具體形式是各種類型的位錯(cuò)。最簡(jiǎn)單的類型是刃型位錯(cuò)，也就是一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)（2）線缺陷

金屬的晶體結(jié)構(gòu)線缺陷是晶體中呈線狀分布的缺陷，具體形式是各種類型的位錯(cuò)。刃晶體中位錯(cuò)的量可用位錯(cuò)線長(zhǎng)度來(lái)表示。位錯(cuò)密度是指單位體積中位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度，單位為cm/cm3或

cm-2。退火金屬中位錯(cuò)密度一般為106~108cm-2

左右。透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線)高分辨率電鏡下的刃型位錯(cuò)（白點(diǎn)為原子）（2）線缺陷—位錯(cuò)密度金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體中位錯(cuò)的量可用位錯(cuò)線長(zhǎng)度來(lái)表示。透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)面缺陷主要指金屬中的晶界、亞晶界等。晶界是相鄰兩晶粒間不同晶格方位的過(guò)渡區(qū)，使該區(qū)域內(nèi)原子排列不整齊，偏離其平衡位置，產(chǎn)生晶格畸變。金屬晶體中多數(shù)晶粒間位向差在30~40

之間。晶界示意圖1Cr17不銹鋼的多晶體（3）面缺陷—晶界金屬的晶體結(jié)構(gòu)面缺陷主要指金屬中的晶界、亞晶界等。晶界示意圖1Cr17不亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(1

~2

)的小晶塊（或稱“亞結(jié)構(gòu)”）。亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界的原子排列也不規(guī)則，也產(chǎn)生晶格畸變。亞晶界示意圖Cu-Ni合金中的亞結(jié)構(gòu)（3）面缺陷—亞晶界金屬的晶體結(jié)構(gòu)亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(1~2)的小晶體缺陷對(duì)性能的影響①使實(shí)際金屬的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理想金屬②晶界處位錯(cuò)密度高，使其局部強(qiáng)度硬度③對(duì)實(shí)際金屬來(lái)說(shuō)，晶體缺陷越多（尤其位錯(cuò)）強(qiáng)度硬度塑性韌性

金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷對(duì)性能的影響①使實(shí)際金屬的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理想金屬金屬晶體缺陷對(duì)塑性變形的影響滑移的實(shí)質(zhì)：位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下運(yùn)動(dòng)的結(jié)果金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷對(duì)塑性變形的影響滑移的實(shí)質(zhì)：位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下運(yùn)動(dòng)物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱為凝固。如果凝固后得到晶體，這種凝固過(guò)程就稱為結(jié)晶。玻璃制品水晶一、結(jié)晶的概念

第二節(jié)金屬的結(jié)晶物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱為凝固。玻璃制品水晶一、結(jié)晶的概一、結(jié)晶的概念—冷卻曲線通過(guò)熱分析法，將液態(tài)金屬放在坩堝中及其緩慢冷卻，可得到金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線，稱為冷卻曲線。金屬的結(jié)晶金屬冷卻曲線的測(cè)定一、結(jié)晶的概念—冷卻曲線通過(guò)熱分析法，將液態(tài)金屬放在坩堝中及一、結(jié)晶的概念—理論結(jié)晶溫度曲線上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱補(bǔ)償了冷卻時(shí)散失的熱量引起的，即結(jié)晶在恒溫下進(jìn)行。純金屬都有一個(gè)理論結(jié)晶溫度Tm（熔點(diǎn)或平衡結(jié)晶溫度）。在該溫度下,液體和晶體處于動(dòng)平衡狀態(tài)。結(jié)晶只有在Tm以下的實(shí)際結(jié)晶溫度下Tn才能進(jìn)行。時(shí)間ΔTTmTn溫度一、結(jié)晶的概念—理論結(jié)晶溫度曲線上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)一、結(jié)晶的概念—過(guò)冷液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開(kāi)始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過(guò)冷。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差

T稱為過(guò)冷度

T=Tm–Tn過(guò)冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過(guò)冷度越大。過(guò)冷是金屬結(jié)晶的必要條件。Tm一、結(jié)晶的概念—過(guò)冷液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開(kāi)始結(jié)晶的現(xiàn)象二、金屬的結(jié)晶過(guò)程金屬的結(jié)晶包括兩個(gè)基本過(guò)程：形核與長(zhǎng)大。結(jié)晶過(guò)程示意圖

由于有序原子集團(tuán)的尺寸很小，所以把液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)概括為近程有序。溫度降低，這些近程有序的原子集團(tuán)（又稱為晶胚）尺寸會(huì)增大；當(dāng)具備結(jié)晶條件時(shí)，大于一定尺寸的晶胚就會(huì)成為晶核。晶核的出現(xiàn)就意味著結(jié)晶開(kāi)始了。

氣態(tài)結(jié)構(gòu)液態(tài)結(jié)構(gòu)固態(tài)結(jié)構(gòu)二、金屬的結(jié)晶過(guò)程金屬的結(jié)晶包括兩個(gè)基本過(guò)程：形核與長(zhǎng)大。金屬結(jié)晶的微觀過(guò)程:金屬結(jié)晶的微觀過(guò)程:金屬結(jié)晶的微觀過(guò)程（1）形核

從液體中形成具有一定臨界尺寸的小晶體(晶核)的過(guò)程（2）長(zhǎng)大晶核由小變大長(zhǎng)成晶粒的過(guò)程

——實(shí)際金屬最終形成多晶體注：?jiǎn)蝹€(gè)晶粒由形核→長(zhǎng)大多個(gè)晶粒形核與長(zhǎng)大交錯(cuò)重疊

**當(dāng)只有一個(gè)晶核時(shí)→單晶體

**晶核越多，最終晶粒越細(xì)金屬結(jié)晶的微觀過(guò)程（1）形核

形核方式分為：①均勻形核(自發(fā)形核、均質(zhì)形核)：依靠穩(wěn)定的原子集團(tuán)——相起伏②非均勻形核(非自發(fā)形核、異質(zhì)形核)：晶核依附于液態(tài)金屬中現(xiàn)成的微小固相雜質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的表面形成。二、金屬的結(jié)晶過(guò)程二、金屬的結(jié)晶過(guò)程形核方式自發(fā)形核（均質(zhì)形核）非自發(fā)形核（非均質(zhì)形核）金屬的結(jié)晶形核方式自發(fā)形核（均質(zhì)形核）非自發(fā)形核（非均質(zhì)形核）金屬的液固界面類型小平面界面非小平面界面光滑界面:液固界面截然分開(kāi)粗糙界面:

液固界面犬牙交錯(cuò)

——金屬多為粗糙界面液固界面類型小平面界面非小平面界面光滑界面:粗糙界面:光滑界面有兩種機(jī)制：（1）二維晶核長(zhǎng)大機(jī)制

——速度很慢（2）晶體缺陷長(zhǎng)大機(jī)制

——結(jié)構(gòu)上存在臺(tái)階時(shí)如螺型位錯(cuò)——速度較（1）快二、金屬的結(jié)晶過(guò)程晶核長(zhǎng)大的機(jī)制光滑界面有兩種機(jī)制：（2）晶體缺陷長(zhǎng)大機(jī)制二、金屬的結(jié)晶過(guò)程

粗糙界面主要有一種機(jī)制：（3）垂直長(zhǎng)大機(jī)制（連續(xù)長(zhǎng)大）界面上所有位置均為生長(zhǎng)點(diǎn)：

——垂直界面連續(xù)長(zhǎng)大；

——長(zhǎng)大速度遠(yuǎn)較(1)、(2)快；

——金屬晶體長(zhǎng)大的主要方式二、金屬的結(jié)晶過(guò)程晶核長(zhǎng)大的機(jī)制粗糙界面主要有一種機(jī)制：二、金屬的結(jié)晶過(guò)程晶核二、金屬的結(jié)晶過(guò)程—枝晶實(shí)際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長(zhǎng)大.這是由于晶核棱角處的散熱條件好，且缺陷多，易于固定轉(zhuǎn)移來(lái)的原子，所以生長(zhǎng)快，先形成一次軸，一次軸又會(huì)產(chǎn)生二次軸…，樹枝間最后被填充。二、金屬的結(jié)晶過(guò)程—枝晶實(shí)際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長(zhǎng)大.三、影響生核與長(zhǎng)大的因素晶粒的大小取決于晶核的形成速度和長(zhǎng)大速度。單位時(shí)間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫形核率(N)。單位時(shí)間內(nèi)晶核生長(zhǎng)的長(zhǎng)度叫長(zhǎng)大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越細(xì)小。因此，凡是促進(jìn)形核、抑制長(zhǎng)大的因素，都能細(xì)化晶粒.三、影響生核與長(zhǎng)大的因素晶粒的大小取決于晶核的形成速度和長(zhǎng)大三、影響生核與長(zhǎng)大的因素隨著過(guò)冷度增加,形核速率和長(zhǎng)大速度均會(huì)增大。但當(dāng)過(guò)冷度超過(guò)一定值后，成核速率和長(zhǎng)大速度都會(huì)下降。這是由于液體金屬結(jié)晶時(shí)的成核和長(zhǎng)大，均需原子擴(kuò)散才能進(jìn)行。當(dāng)溫度太低時(shí)，原子擴(kuò)散能力減弱，所以，成核速率和長(zhǎng)大速度下降。實(shí)際應(yīng)用中，ΔT達(dá)不到極值，ΔT較小時(shí)，長(zhǎng)大速度快于形核；ΔT較大時(shí)，形核速度快于長(zhǎng)大。（一）過(guò)冷度的影響三、影響生核與長(zhǎng)大的因素隨著過(guò)冷度增加,形核速率和長(zhǎng)大速度高熔點(diǎn)雜質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)與金屬的晶體結(jié)構(gòu)相似時(shí)，將強(qiáng)烈促使非自發(fā)形核，提高形核率。三、影響生核與長(zhǎng)大的因素（二）難熔雜質(zhì)的影響高熔點(diǎn)雜質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)與金屬的晶體結(jié)構(gòu)相似時(shí)，將強(qiáng)烈促使非自發(fā)晶粒度：是晶粒大小的量度，用單位體積中晶粒的數(shù)目ZV，或者單位面積上晶粒的數(shù)目ZS表示，影