工學(xué)3、金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)

物質(zhì)的聚集狀態(tài)：

氣態(tài)液態(tài)固態(tài)：晶體非晶體

金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)

晶體與非晶體

1、晶體：原子按一定的規(guī)律地排列。物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性。2、非晶體：原子在三維空間內(nèi)不規(guī)則排列。物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性。3、在自然界中除少數(shù)物質(zhì)（如普通玻璃、松香、石蠟等）是非晶體外，絕大多數(shù)都是晶體，如金屬、合金、硅酸鹽，大多數(shù)無機(jī)化合物和有機(jī)化合物，甚至植物纖維都是晶體。

硅表面原子排列碳表面原子排列

1、晶體的特點(diǎn)①原子在空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列。②具有一定的熔點(diǎn)，如鐵的熔點(diǎn)為1538℃，銅的熔點(diǎn)為1083℃。③單晶體的原子由于在不同方向上排列的形態(tài)不同，因而在性能上表現(xiàn)為各向異性。2、非晶體的特點(diǎn)是：①原子在三維空間呈不規(guī)則的排列。②沒有固定熔點(diǎn)，隨著溫度的升高將逐漸變軟，最終變?yōu)橛忻黠@流動(dòng)性的液體。如塑料、玻璃、瀝青等。③各個(gè)方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。

晶體與非晶體的轉(zhuǎn)變晶體與非晶體在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)變玻璃經(jīng)長時(shí)間加熱能變?yōu)榫B(tài)玻璃；金屬從高溫液態(tài)急冷，可變?yōu)榉蔷B(tài)金屬；非晶態(tài)金屬具有高的強(qiáng)度與韌性等一系列突出性能，近年來已為人們所重視。

一、金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)就是其內(nèi)部原子的排列方式和空間分布。金屬的性能是由其晶體結(jié)構(gòu)決定的，其中結(jié)構(gòu)可以通過外界條件加以改變。這樣為金屬材料性能的改善提供了可能

（一）

晶體結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)結(jié)構(gòu)：原字的排列方式和空間分布1、晶格與晶胞晶格：描述晶體中原子排列規(guī)律的空間格子稱之為晶格。晶胞

晶胞：可以代表晶格的最小的幾何單元稱之為晶胞，是構(gòu)成空間點(diǎn)陣的最基本單元。晶格參數(shù)：晶胞的棱長和夾角

用a,b,c及其夾角α,β,γ表示。晶格常數(shù)：晶胞棱邊的長度

在元素周期表一共約有110種元素，其中80多種是金屬，占2/3。而這80多種金屬的晶體結(jié)構(gòu)大多屬于三種典型的晶體結(jié)構(gòu)。它們分別是：

1、體心立方晶格

2、面心立方晶格

3、密排六方晶格（二）

常見金屬的晶格類型①體心立方晶格

每個(gè)晶胞原子數(shù)n=8×1/8+1=2(個(gè))屬于體心立方晶格類型的金屬有α-Fe（912℃以下的鈍鐵）、鉻、鉬、鎢等②面心立方晶格

每個(gè)晶胞中的原子數(shù)為n=8×1/8+6×1/2=4(個(gè))屬于面心立方晶格類型的金屬有γ-Fe（1394－912℃的鈍鐵）、鋁、銅、銀等。③密排六方晶格密排六方晶胞中的原子數(shù)n=12×1/6+2×1/2＋3=6(個(gè))典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征

體心立方晶格的晶胞中,八個(gè)原子處于立方體的角上,一個(gè)原子處于立方體的中心,角上八個(gè)原子與中心原子緊靠。

1、體心立方晶格

體心立方晶胞特征：

晶格常數(shù)：a=b=c,α=β=γ=90°具有體心立方晶格的金屬有：鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)、

α-鐵(α-Fe,<912℃)等。1、體心立方晶格2、面心立方晶胞的特征金屬原子分布在立方體的八個(gè)角上和六個(gè)面的中心。面中心的原子與該面四個(gè)角上的原子緊靠。面心立方晶胞的特征：晶格常數(shù)：a=b=c,α=β=γ=90°具有這種晶格的金屬有：鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、γ-鐵(

γ-Fe,912℃～1394℃)等。3、密排六方晶格十二個(gè)金屬原子分布在六方體的十二個(gè)角上,在上下底面的中心各分布一個(gè)原子,上下底面之間均勻分布三個(gè)原子。具有這種晶格的金屬有鎂(Mg)、鎘(Cd)、鋅(Zn)、鈹(Be)等。

密排六方晶胞的特征：晶格常數(shù)：用底面正六邊形的邊長a和兩底面之間的距離c來表達(dá),兩相鄰側(cè)面之間的夾角為120°,側(cè)面與底面之間的夾角為90°。具有這種晶格的金屬有鎂(Mg)、鎘(Cd)、鋅(Zn)、鈹(Be)等單晶體與多晶體如果晶體中所有原子排列位向一致，這個(gè)晶體稱為單晶體，也就是說單晶體是由一個(gè)晶粒組成的。單晶體只有通過特殊的方法才能制取，如在電子行業(yè)中廣泛使用的硅或鍺單晶體。實(shí)際金屬多是由許多單晶體組成的多晶體，每一個(gè)單晶體稱為一個(gè)晶粒，其邊界稱為晶界。單晶體具有各向異性，而多晶體則具有各向同性。

1.單晶體與多晶體結(jié)晶方位完全一致的晶體稱為“單晶體”，單晶體在不同晶面和晶向的力學(xué)性能不同，這種現(xiàn)象稱為“各向異性”。（三）金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)

實(shí)際金屬晶體內(nèi)部包含了許多顆粒狀的小晶體，每個(gè)小晶體內(nèi)部晶格位向一致，而各小晶體之間晶格位向不同。小晶體稱為“晶粒”，晶粒與晶粒之間的界面稱為“晶界”。在晶界上原子排列是不規(guī)則的。這種由多晶粒構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)稱為“多晶體”，多晶體呈現(xiàn)各向同性。49圖1-15單晶體圖1-16實(shí)際金屬晶體

2、實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)的一個(gè)特點(diǎn)是多晶體（只有少數(shù)單晶體），即由許多晶格取向不同的小單晶體組成。每個(gè)小單晶體稱為晶粒。晶粒之間的界面稱為晶界。另一個(gè)特點(diǎn)是晶格中原子排列有缺陷，這些缺陷是：

點(diǎn)缺陷：（空位和間隙原子）

線缺陷：（成現(xiàn)狀分布的缺陷，如位錯(cuò)）

面缺陷：（由碎晶塊引起的缺陷）（四）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變某些金屬在固態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)是不固定的，而是隨著溫度、壓力等因素的變化而變化，如鐵、鈦等，這種現(xiàn)象稱為同素異晶轉(zhuǎn)變，也稱為重結(jié)晶。下面以鐵為例子來說明同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：

α-Fe---------γ-Fe-------------δ—Fe-----------L（912℃）（1492℃）金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變?yōu)槠錈崽幚硖峁┗A(chǔ)，鋼能夠進(jìn)行多種熱處理就是因?yàn)殍F能夠在固態(tài)下發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變。(五)金屬晶胞空間利用率計(jì)算體心立方結(jié)構(gòu)ABCAC2=2a2

AB2=AC2+a2=3a2=(4r)2ABCa=4r3一個(gè)晶胞的體積：V1=a3=643r39一個(gè)體心立方晶胞中含有的原子數(shù)目為2，總體積為：V2=2r343空間利用率==100%=68%

V2V1383金屬晶胞空間利用率計(jì)算面心立方晶胞：ACBAB=4rAC=BC=aaa2a2=(4r)2a=22r

一個(gè)晶胞的體積為：V2=4r343在一個(gè)面心立方晶胞中含有的原子數(shù)目為4，總體積為：V1=a3=162r3空間利用率==100%=74%

V2V1

32二、合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶(一)合金的基本概念1、合金

合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。液態(tài)下，組元間相互融合擴(kuò)散成均勻體，凝固時(shí)相互作用，形成不同的晶體結(jié)構(gòu)，比純金屬復(fù)雜。2、組元組成合金的能獨(dú)立存在的、化學(xué)性能穩(wěn)定的基本的物質(zhì)（如一元、二元、三元合金〕，可以是元素，也可以是化合物3、合金系給定組元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，構(gòu)成一個(gè)合金系。4、相

相是指在金屬組織中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能相同的組分,以界面分開的均勻部分。5、組織組織泛指用金相觀察方法看到的由形態(tài)、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構(gòu)成的總體。（1）相：材料中聚集狀態(tài)、成分、結(jié)構(gòu)均相同的，。（2）組織：觀察到的材料內(nèi)部相的種類、分布、形態(tài)的圖像。由不同形態(tài)、大小、數(shù)量和分布的相組成的綜合體。如單相、兩相、多相合金。用顯微鏡才能看到，所以常稱顯微組織。

固態(tài)合金中的相，按其組元原子存在的方式，可分為固溶體和金屬化合物。

1、固溶體：溶質(zhì)原子溶入溶劑中并保持熔劑晶體類型的合金相。它具有與其中某一組元相同的相，是單一均勻的物質(zhì)，在顯微鏡下難以區(qū)別。

2、金屬化合物：合金元素間相互作用形成的，具有金屬性質(zhì)的新相。組成原子有固定比例，其晶格結(jié)構(gòu)不相于組成元素。機(jī)械混合物，是合金中的一類復(fù)相混合物組織，不同的相均可互相組合形成機(jī)械混合物。（二）相的分類1、固溶體

合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體。與固溶體晶格相同的組元為溶劑，一般在合金中含量較多；另一組元為溶質(zhì)，含量較少。（1）

固溶體分類

按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置,固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種。按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度，固溶體可分為有限固溶體和無限固溶體兩種。

置換固溶體（1）置換固溶體：溶質(zhì)原子位于晶格點(diǎn)陣位置的固溶體。（2）影響置換固溶體溶解度的因素：原子尺寸原子尺寸差越小，越易形成置換固溶體，且溶解度越大。

間隙固溶體

（1）組成：原子半徑較?。ㄐ∮?.1nm)的非金屬元素溶入金屬晶體的間隙。（2）影響因素：原子半徑和溶劑結(jié)構(gòu)。（3）溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶體。

（2）固溶體的性能

固溶體的強(qiáng)度和硬度高于純組元，塑性則較低。（1）固溶強(qiáng)化：晶格畸變增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。這種通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。

固溶強(qiáng)化是金屬強(qiáng)化的一種重要形式。在溶質(zhì)含量適當(dāng)時(shí)，可顯著提高材料的強(qiáng)度和硬度，而塑性和韌性沒有明顯降低。

純銅的σb

為220MPa,硬度為40HBS,斷面收縮率ψ為70%。當(dāng)加入1%鎳形成單相固溶體后,強(qiáng)度升高到390MPa,硬度升高到70HB,而斷面收縮率仍有50%。所以固溶體的綜合機(jī)械性能很好,常常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。固溶體與純金屬相比,物理性能有較大的變化,如電阻率上升,導(dǎo)電率下降,磁矯頑力增大。2、金屬間化合物

如碳鋼中的Fe3C，黃銅中的β相（CuZn）以及各種鋼中都有的FeS、MnS等等，都是化合物由金屬與金屬，或金屬與類金屬元素之間形成的晶格結(jié)構(gòu)不同于任一組成元素的新相。這些化合物結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，而且具有金屬特性，所以也稱為金屬間化合物。包括：正常價(jià)化合物、電子化合物（電子相）、間隙化合物。金屬化合物化合物在合金中，金屬化合物可以成為合金材料的基本組成相，而非金屬化合物是合金原料或熔煉過程帶來的，數(shù)量少且對(duì)合金性能影響很