金屬的晶體結構

章金屬的晶體結構

金屬材料通常都是一種晶體材料。金屬的晶體結構指的是金屬材料內部的原子排列的規(guī)律。它決定著材料的顯微組織和材料的宏觀性能。2021/5/91第一節(jié) 純金屬的晶體結構

一、基本知識晶體里面的原子(或)離子都是在它的平衡位置上不停振動著，但在討論晶體結構時可以假設它們是一些靜止不動的小球。各種晶體結構就可以看成是這些小球按一些的幾何方式緊密排列堆積而成的。圖2-1a是簡單的立方原子排列示意圖。2021/5/92(一)基本概念1.晶格：晶體結構的“小球”模型雖然很直觀，但仍然不便與表訴晶體內部原子排列順序規(guī)率的細節(jié)。我們可以把原子看成是一個幾何質點，把原子之間的相互作用假想為幾何直線，這樣一來晶體的結構就可以直接用幾何學來討論了。這種用于描述原子在晶體中排列的三維空間幾何點陣為晶格。圖2-1b是簡單立方晶格的的示意圖。晶格中直線的交點稱為結點。在運用晶格模型來討論晶體結構時，結點可以代表一個原子(或離子)，也可以代表一個分子或原子團的中心。2021/5/93(一)基本概念2晶胞：晶體中原子排列規(guī)律具有明顯的周期變化。因此在晶格中就存在一個能夠代表晶格特征的最小幾何單元，稱之為晶胞。圖2-1c是一個簡單的晶胞示意圖。晶胞在空間的重復排列就構成整個晶格。因此，晶胞的特征就可以反映出晶格和晶體的特征。3晶格參數與晶格常數：在晶體學中，用來描述晶胞大小有形狀的幾何參數稱為晶格參數。包括晶胞的三個棱邊的長度a,，b，c和三個棱邊夾角。α，β，γ共六個參數。其中決定晶胞大小的三個棱長又稱為晶格常數。圖2-1c2021/5/94(二)金屬中常見的晶格3密排六方晶格：密排六方晶格屬于六方角系。示意見圖2-4。晶格參數a=b！=c；α=β；γ=120

。每個六方晶胞中有六個原子，即1/6×12+1/2×2+3=6個。屬此晶格的金屬有：鎂、鋅、鈹、α鈦、鎘等。

1.體心立方體晶格：體心立方體晶格屬于立方晶系。示意圖見圖2-2。晶格的參數為a=b=c；α=β=γ=90

立方體八角上個有一個原子，體心處有一個原子。每個體心立方體晶胞中的原子個數為1/8×8+1=2個。屬此晶格的金屬有：鉻、鎢、鉬、釩、鐵、鈦、鈮等2.面心立方體晶格：面心立方體晶格也屬于立方晶系。示意見圖2-3。晶格參數為a=b=c；α=β=γ=90

。在晶胞的八個角上個又一個原子每個面心立方體晶胞個有四個原子，即1/8×8+1/2×6=4個。屬此晶格的金屬有：鐵、鋁、銅、鎳、金、銀、鉑、銠、鉛等2021/5/95(三)晶格的致密度

晶格的致密度定義是：每個晶胞中原子所占的總體積與晶胞的體積之比。是用來表示晶體中原子排列的緊密程度經過計算可知：體心立方體的致密度為0.68；面心立方體和密排六方晶格的致密度都是0.74。2021/5/96二純金屬的實際晶體結構(一)晶粒和亞晶粒在金屬體中，凡是晶格位向基本一致的區(qū)域，并有邊界與鄰區(qū)分開就稱之為一個晶粒。在顯微鏡下可以看到這些晶粒，其外形成不規(guī)則狀。。它們是些不規(guī)則的外形多面體，見圖2-8。相鄰晶體的晶粒間晶格的位向有明顯差別。晶粒之間的原子排列不規(guī)則的區(qū)域稱為晶界。實際上，晶界就是不同晶格位向的相臨晶粒在原子排列上的過度區(qū)。通常，晶粒尺寸很小，對于鋼鐵材料一般為10-1mm~10-3mm。對于有色金屬其晶粒尺寸一般都比鋼大一些，有的可用眼睛直接看到。如：鍍鋅鋼板表面的鍍鋅層的晶粒尺寸可達到幾毫米到幾十毫米。每個晶粒內部，晶格位向也并非完全一樣，而是存在著許多晶格位向差小于2

、3

的更小的晶塊。這些小晶塊內部是完全相同的。這些小晶塊稱為亞晶粒，也稱嵌鑲塊。見圖2-9。亞晶粒間的過度區(qū)稱為亞晶界，也稱小角度晶界。它也是一種原子排列不太規(guī)則的區(qū)域。2021/5/97(二) 晶體中的缺陷

1.點缺陷：點缺陷是指以一個點為中心。在它的周圍造成原子排列的不規(guī)則，產生晶格的畸變和內應力的晶體缺陷。主要有間隙原子，置換原子，晶格空位三種，見圖2-10。在晶格的間隙處出現(xiàn)多余的晶體缺陷稱為間隙原子；在晶格的接點處出現(xiàn)缺少原子的晶體稱為晶體空格；在晶格的結點處出現(xiàn)的原子直徑不同的異類原子的晶體缺陷稱為置換原子。間隙原子和大徑的置換原子會引起一個以一個點為中心的晶格局部“撐開”現(xiàn)象，稱之為正畸變。而晶格空位和小直徑的置換原子會引起一個點為中心的晶格局部“靠攏”現(xiàn)象，稱之為負畸變。晶體中的點缺陷都是處在不斷的變化和運動中，其位置隨時在變。這是金屬原子擴散的一種主要方式，也是金屬在固態(tài)下“相變”和化學熱處理工藝的基礎。這里說的缺陷不是指晶體的宏觀缺陷，而是指晶體中局部原子排列不規(guī)則的區(qū)域。根據晶體缺陷的幾何特點和原子對排列不規(guī)則性的影響范圍可分為三大類。2021/5/98(二) 晶體中的缺陷2線缺陷：線缺陷主要是指各種形式的“位錯”。所謂位錯是指晶體中某一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。它引起的晶格錯線為中心軸的一個管狀區(qū)域。位錯有多種。最簡單直觀的一種稱為刃型位錯。它象一個刀刃的切入，故稱刃型位錯，見圖2-11。晶格中的位錯多少，可用位錯密度來表示。位錯密度是指單位體積內位錯的錯線長度，量綱為(cm-2)。晶體中的位錯首先是產生于晶體的結晶過程。晶體材料的內部的位錯在相應的條件下，可以產生滑移，增值，交割，纏結，攀移等行為。這對金屬的強度、塑性等力學性能有重要影響。金屬材料2021/5/99(二) 晶體中的缺陷

3.面缺陷：晶體的面缺陷，主要是指前述的晶界和亞晶界。面缺陷是由于受到其兩側的不同晶格位向的晶?；騺喚Я５挠绊懚乖映什灰?guī)則排列。原子的位置處于兩晶格的取向所能適應的折衷位置上。面缺陷是有一定厚度的原子排列不規(guī)則的過渡帶。其厚度重要取決于相鄰的兩晶粒或亞晶粒的晶格位向差的大小及晶格變化的純度。對于金屬，這個厚度通常在幾個原子間距或到幾百個原子間距大小的范圍內變化。面缺陷處的晶格畸變較大，界面處能量高，影響范圍也較大。因此，晶界具有與晶粒內部不同的特性。2021/5/910第二節(jié) 合金的晶體結構

在機械工程中，由于純金屬本身的力學性能很有限，滿足不了實際的需要。所以，很少使用純金屬制作零部件。而是將它們熔煉成合金，從而改善他們的力學性能，滿足使用需要。所以，在機械工程中大量使用的金屬材料絕大多數都是合金材料。如：鋼、鑄鐵、黃銅、青銅、硬鋁、鍛鋁等等。由于合金不只是一種化學元素，因此合金的晶體結構要比純金屬復雜許多。而且其顯微組織僅用晶粒、晶界來表示也遠為不足，必須引出一些新概念。2021/5/911一、基本概念5.顯微組織：是指在顯微鏡下看到的相和晶粒的形態(tài)，大小和分布。1.合金：合金是指由一種金屬元素與另外一種或多種金屬或非金屬元素，通過熔煉燒結的方法所形成的具有金屬性質的新金屬材料。2.組元：組元是指組成合金的最基本的，獨立存在的物質，簡稱元。組成合金的各種元素及各種化學元素都是組元。合金中有幾種組元就稱之為幾元合金。3.合金系：合金系是指有相同的組元，而成分比例不同的一系列合金。4.相：相是指在合金中，凡是化學成分相同，晶體結構相同并有界面與其他部分分隔開來的一個均勻區(qū)域。2021/5/912二合金的金相組織

由于合金的各個相的晶體結構是不同的，所以，在合金中，不同的相所在的區(qū)域具有不同的晶體結構。絕大多數的合金在液相時各組元之間都能互相溶解形成單一的均勻液相。但是，在固相時各種組元之間相互作用不同，可以形成各種晶體結構和化學成分的相。通常分為固溶體和金屬化合物兩大類。2021/5/913(一) 固溶體

合金結晶成固態(tài)時，含量少的組元(溶質)原子分布在含量多的組元(溶劑)晶格中形成一種與溶劑有相同晶格的相，稱為固溶體?？梢姽倘荏w的重要標志是與溶劑有相同晶格。根據需要固溶體有很多種分類方法。最常用的是按溶質固溶體原子在溶劑晶格中的分布位置來分類。有間隙固溶體和置換(代位)固溶體兩大類。見圖2-12和圖2-13。2021/5/9141．間隙固溶體：

溶質原子分布于溶劑的晶格間隙中所形成的固溶體，稱為間隙固溶體。由于晶格的間隙通常都是很小的，所以，一般都是由原子半徑較小的(＜0.1nm)非金屬元素(如：C、N、B、O等)溶入過渡族金屬中，形成間隙固溶體。例如：鋼中的奧氏作就是C原子團溶到γ-Fe晶格的間隙中形成的固溶體。間隙固溶體對溶質溶解都是有限的，所以都是有限固溶體。間隙固溶體中，溶質原子的排列是無秩序的，所以也都是無序固濟體。2021/5/9152．置換固溶體

溶質原子代替溶劑原子占據著溶劑晶格結點位置，而形成的固溶體，稱為置換固溶體。在有色金屬合金中和合金鋼中都存在著置換固溶體。置換固溶體又可分為有限固溶體和無限固溶體兩類。所謂無限固溶體是指固溶體的溶解及是無限的。組成固溶體的兩種元素隨比例不同可以互為溶質或溶劑。例如：金一銀合金系就是一種單相的無限的置換固溶體合金。置換固溶體中溶質原子的分布一般也是無序分布的，通常也都是無序固溶體。但是，在一定條件下也會出現(xiàn)有序分布。這種固溶體稱為有序固溶體(也稱超結構)。例如：銅一金合金系中當銅原子數與金原子數的比例為1比1或3比1并緩慢冷至室溫時就會出現(xiàn)CuAu或Cu3Au的有序固溶體其晶格結構，見圖2一142021/5/916

有序固溶體，雖然化學元素成比例，但不是化合物。當把它加熱到一定溫度時就會變成無序固溶體。若是把它再緩慢地冷到這個溫度之下又可變?yōu)橛行虻?。這個無序到有序的轉變過程稱固溶體的有序化。固溶體的有序化也會變化。如：硬度和脆性增加，塑性和電阻率下降等。

2021/5/9173.固溶體的溶解度

溶質原子溶于固溶體中的量稱為固溶體的濃度。港質在固溶作中的體中的溶解度。不同固溶體的溶解度不相同。同一種固溶體隨溫度溶解度也增加，反之下降。

2021/5/9184．影響因溶體的晶體結構和溶解度主要因素目前已被公認的主要因素有：

(1)原子直徑因素：當溶質與溶劑的原子直徑相差較小時易形成置換固溶體，而且直徑差愈小，其溶解度也會愈大。這是因為，原子直徑差會引起晶格的畸變，使晶格的畸變能增加。原子直徑差愈大，畸變能增加愈劇。隨著畸變能的增加將使這種固溶體晶格結構的穩(wěn)定性下降。自然這種固溶體本身的存在也就不穩(wěn)定了，這將會導致其它相的形成。但是，若兩種原子直徑差愈小，畸變能增加也愈小，盡管固溶體濃度不斷增加，也不致于因畸變能的原因而引起其晶格結構的改變。這就有可能形成無限固溶體。當溶質與溶劑的原子直徑差很大時是不能形成置換回溶體的。但是，卻可以形成間隙固溶體。間隙固溶體的溶解度較小。2021/5/919(2)負電性因素：所謂負電性是指某元素的原子從其它元素原子奪取電子而變成負離子的能力。在元素周期表中，兩種元素的位置距離愈遠，則其負電性差也愈大。兩元素負電性愈大，則化學親合的能力也愈大。它們之間就易于形成化合物，而不利于形成固溶體，即使形成固溶體其溶解度也很小。2021/5/920(3)電子濃度因素：在合金中，價電子數目否與原子數目n之比稱為電子濃度。對于固溶體來講，當溶質原子與溶劑原子的價電子數不相同時，隨著溶質原子的進入，將使固溶體晶格中的電子濃度以及電子云的分布有所改變。并且，隨著溶入的溶質數量愈多，電子濃度改變愈大。直至達到某一個極限電子濃度時，此固溶體的晶格結構就不穩(wěn)定了。將會出現(xiàn)新的相?？梢姡糠N固港體只能穩(wěn)定的存在于一定的電子濃度范圍之內。例如：對于溶劑是一價的，而溶質是高于一份的固溶體，若晶格結構是面心立方，其電子濃度的極限值為l.36。若固溶體具有體心立方晶格則電子濃度的極限值為1.48。2021/5/921(5)溫度因素：在一般情況下，固溶體隨溫度升高其溶解度也增加這可能與固溶體晶格上原子的熱振動有關。

(4)晶體結構因素：在多數的情況下，晶格類型相同的元素之間溶解度較大。晶格類型不同的元素之間溶解度較小。無限固溶作只能產生于相同晶格結構的元素之間。

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上述五種因素的綜合作用決定了固溶體的種類及其溶解度的大小。如：鋼鐵中常見的五元素(C、Si、Mn、S、P)與鐵元素的關系。C原子半徑較小(0.077nm)與過渡族元素Fe在一定的條件下能形成間隙固溶體。C固溶到體心立方的

-Fe中形成的間隙固溶體(鐵素體)，室溫時的溶解度很小(0.0008%)近于零。當溫度升高到727°C時獲得最大溶解度為0.02%。C固溶到面心立方的

-Fe中所形成的間隙固溶體(奧氏體)最大溶解度可達2.11%。Si、Mn、S、P的原子直徑遠大于C原子的。因而與Fe只能形成置換固溶體。其中Si、Mn與Fe的負電性差及原子尺寸差均較S、P的小，所以，Si、Mn在Fe中的溶解度較大而S、P在Fe中的溶解度較小。尤其是S，它的原子直徑與Fe原子直徑差約為18%，既不非常大，也不非常小，再加上負電性相差也很大，所以，S幾乎不溶于Fe，但與Fe易形成有害化合物FeS。

小結2021/5/9235．固溶體的性能

當溶質含量極少時，固溶體的性能與溶劑金屬基本相同。隨著溶質含量的升高，通常都會使固溶體的強度、硬度升高；塑性、韌性下降；電阻率、磁矯頑力升高。通常把溶入溶質元素形成固溶體而使金屬的強度、硬度升高的現(xiàn)象稱之為固溶強化。固溶強化是金屬材料的一種重要的強化途徑。如果適當控制港質的濃度，可以在顯著提高金屬材料強度和硬度的同時，仍可以保持相當好的塑性和韌性。工業(yè)上使用的金屬材料多數都是單相固溶體合金和以固溶體為基體的多相合金。2021/5/924

當然僅靠固溶強化來提高金屬材料的強度和硬度還是很有限的。但是可以在固溶強化工基礎上再適當配合其它強化手段，就會使金屬材料起到所需的各種強韌巨。其它強化方法要還有：細晶強化、第二相彌散強化、熱處理相變強化、加工硬化等。這些強化方法將教材后面的內容中陸續(xù)介紹。

2021/5/925(二)金屬化合物

在合金中，當溶質組元的質量分數超過固溶體的溶解度將會產生新相。這個新相可能以另一組元為溶劑的另一種固溶體。也可能產生一種晶格結構不同于任一組元的化合物。如鋼中的Fe3C、FeS、MnS；黃銅中的

相(CuZn)等。若化合物的結合鍵中有一定程度的金屬鍵，則該化合物就具有一定的金屬性質。這種具有金屬性質的化合物被稱之為金屬化合物。如：Fe3C、CuZn就是金屬化合物。而FeS、MnS主要是離子鍵結合，沒有金屬性質稱為非金屬化合物。在合金中，金屬化合物若以細小的粒狀均勻分布在固溶體相的基體上會使合金的強度、硬度進一步提高，這種現(xiàn)象稱為第二相彌散強化。非金屬化合物在合金中通常都會降低合金的性能，它們的存在愈少愈好。非金屬化合物常被稱為非金屬夾雜物，簡稱夾雜。2021/5/926

金屬化合物一般都具有復雜的晶格結構、熔點高、硬而脆。在合金中金屬化合物的多少。形態(tài)、大小、分布的方式等對合金的性能有不同的影響。若彌散均勻分布可提高合金的強度，硬度和耐磨性，但會降低合金的塑性和韌性。若以網狀或大塊條狀分布，則會嚴重降低合金的各種力學性能。通過熱處理及鍛造可以改變金屬化合物在合金中的分布狀況。按照金屬化合物形成的條件可分為三大類：2021/5/9271．正常價化合物

這是一種符合化合物原子價規(guī)律，成分固定并有嚴格分子式的金屬化合物。通常由在元素周期表上相距較遠、電化學性質相差很大的兩種元素化合而成。例如：強金屬元素與非金屬或類金屬元素(Sb、Bi、Sn、Ph等)形成的化合物Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb等。正常價化合物化學成分固定，一般不會形成以化合物為基的固溶體。它常被用作鋁合金、青銅等材料的強化相。2021/5/928

2.電子化合物

這是一類不遵守原子價規(guī)律而服從電子濃度規(guī)律的化合而成。當電子濃度為21／14、21／13、21／12時，則分別形成體心立方的電子化合物(β相)、復雜體心立方的電子化合物(

相)，密排立方體(ε相)。見表2-2。電子化合物的晶體結構主要取決于電子濃度。但是，元素的原子直徑和電化學性質等因素也對晶格結構類型有影響。例如：當組成電子化合物的兩元素的原子直徑差很小時，電子濃度為21／14的電子化合物的晶格結構除體心立方外，還可能是密排六方結構。2021/5/929

電子化合物雖然可以用化學式來表示，然而其化學成分通常并不是一個固定值，而是可以在一定范圍內變化的。例如：電子化合物CuZn中Zn的質量分數可以變化的范圍是由36.8%到56.5%。這種化學成分不是化學式中標稱值的電子化合物，被稱為是以這種電子化合物為基的固溶體。其性能與相應的電子化合物相同。電子化合物及其固溶體都是金屬鍵結合，具有明顯的金屬特性，并且溶點、硬度均較高，塑性很低。在合金中一般不作為基體相，而是以彌散分布的第二相形式來強化合金。在有色金屬合金中，它常作為一種強化相與基體的固溶體相相互配合來調整合金的性能。電子化合物晶格中，各組成元素的原子間多呈無序分布狀態(tài)。但有些電子化合物在緩慢冷卻時也可變成有序分布，出現(xiàn)有序化轉變現(xiàn)象。

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這是一種以原子直徑較大的過渡族金屬與原子直徑很小的非金屬原子組成的化合物。非金屬原子有規(guī)則的嵌入金屬元素晶格的間隙中，所以稱為間隙化合物。3．間隙化合物它可分為兩類：

2021/5/931(1)間隙相當非金屬原子直徑與金屬原子直徑比值小于0.59時，形成簡單晶格的間隙化合物，稱間隙相。從表2－1中可見非金屬元素碳的原子直徑為0.154nm，而金屬元素鈦的原子直徑為0.293nm。它們的比值小于0.59，所以形成的間隙化合物TiC就是一種間隙相。其晶格結構見圖2－15。從圖上可見Ti原子處與面心立方體的結點上，而C原子處于晶格的間隙中。過渡族金屬的氮化物，氫化物及部分化物都是間隙相。如：W2C，TiC，TiN，F(xiàn)e4N，Nb4C，F(xiàn)e2N，Ti，TiH2。2021/5/932

間隙相都可以寫成固定原子比的化學式形式：M4X、M2X、MX、MX2，M代表過渡族金屬元素，X代表非金屬元素C、N、H。但是，在間隙相中兩種元素的原子數量之比實際上可從在一定范圍內變化。例如：TiC中的金屬Ti的原子數量與非金屬C的原子數量比可由Ti2C到TiC之間變化形成間隙缺位固溶體。間隙相中除MX型中的氮化物是體心立方體晶格，WC，MoN是簡單六方晶格及M2X型多是密排六方晶格，其余都是面心立方晶格。2021/5/933(2)復雜結構的間隙化合物當非金屬原子直徑與金晶原子直徑之比大于0.59則不能產生間隙相，而產生復雜晶格結構的間隙化合物。過渡族金屬的硼化物及部分碳化物都是復雜結構的間隙化合物。在鋼鐵材料中，常見的復雜結構的間隙化合物有Fe3C、FeB、Cr23C6、Cr7C3等。Fe3C是碳素鋼中重要的強化相。其晶格結構，見圖2－1