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1、第二章金属与合金的晶体结构第1页，本讲稿共32页第一节金属的晶体结构一、一、晶体与非晶体晶体与非晶体1 1、晶体、晶体l l凡原子按一定规律排列的固态物质，称为凡原子按一定规律排列的固态物质，称为晶体晶体。(如如:金刚石、石墨和一切固态金属及其合金金刚石、石墨和一切固态金属及其合金)1 1）原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。）原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。2 2）有有固定的熔点固定的熔点如铁的熔点如铁的熔点15381538，铜的熔点，铜的熔点10831083。3 3）晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有）晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性各向异
2、性。2 2、非晶体及其特性、非晶体及其特性 (如如:塑料、玻璃、沥青塑料、玻璃、沥青)l l内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体。内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体。l l与与晶晶体体相相反反，没没有有固固定定的的熔熔点点；表表现现出出各各向向同同性性。晶晶体体与与非非晶晶体在一定条件下可互相转化体在一定条件下可互相转化。第2页，本讲稿共32页非晶体非晶体：蜂蜡、玻璃蜂蜡、玻璃 等。等。晶体晶体金刚石、金刚石、NaClNaCl、冰、冰 等。等。第3页，本讲稿共32页l原子（离子）的刚球模型第4页，本讲稿共32页二、晶体结构的基本知识二、晶体结构的基本知识1 1、晶格、晶格 假假设
3、设原原子子为为刚刚性性小小球球，利利用用假假想想的的几几何何线线条条连连接接起起来来构构成成一一个个空空间间格格架架，这这种种抽抽象象的的，用用于于描描述述原原子子在在晶晶体体中中排排列列形形式式的的几几何何空间格架就叫空间格架就叫晶格晶格晶格晶格。l l晶格中的每个点称为晶格中的每个点称为结点结点。晶格中各种不同方位的原子面称为。晶格中各种不同方位的原子面称为晶面晶面。2 2、晶胞、晶胞 组组成成晶晶格格的的最最基基本本几几何何单单元元称称为为晶晶胞胞。实实际际上上整整个个晶晶格格就就是是由由许许多多大大小小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的
4、。3 3、晶格常数、晶格常数 晶晶胞胞的的各各棱棱边边长长为为a a、b b、c c和和棱棱边边夹夹角角、。其其中中，棱棱边边长长度称为度称为晶格常数晶格常数。第5页，本讲稿共32页XYZabc晶格常数晶格常数a，b，c 第6页，本讲稿共32页三、金属特性和金属键三、金属特性和金属键1 1、金属特性、金属特性l l在在化学化学中，金属的特性表现在它与非金属元素发生化学反应并失去价电子；中，金属的特性表现在它与非金属元素发生化学反应并失去价电子；l l在在工工程程技技术术中中，金金属属特特性性表表现现在在他他具具有有金金属属光光泽泽，一一定定塑塑性性、良良好好的的导导电电性性与与导导热热性性以以
5、及及正正的的电电阻阻温温度度系系数数良良好好的的导导电电性性、导导热热性性、塑塑性性，具具有有金金属属光光泽泽，不不透透明明，正正的的电电阻阻温温度度系系数数。这这主主要要是是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关。2 2、金属键、金属键l l金金属属晶晶体体就就是是依依靠靠各各正正离离子子与与共共有有化化自自由由电电子子间间相相互互吸吸引引而而结结合合的方式称为的方式称为金属键金属键。第7页，本讲稿共32页金属键模型示意图第8页，本讲稿共32页l l金属特性的金属键理论解释金属特性的金属键理论解释（1 1）因为金属是金属键结合而成的，自由电子
6、在一定电位差下运动，就构成金属良好的导电性因为金属是金属键结合而成的，自由电子在一定电位差下运动，就构成金属良好的导电性 。（2 2）而这种运动又为金属所独有，同时已能传递热能，所以金属具有良好的导热性。而这种运动又为金属所独有，同时已能传递热能，所以金属具有良好的导热性。（3 3）当当金金属属原原子子相相对对位位移移时时，正正离离子子和和自自由由电电子子仍仍然然保保持持结结合合，因因而而金金属属可可变变形形而而不不破破坏坏，具有塑性。具有塑性。（4 4）金金属属中中的的自自由由电电子子容容易易吸吸收收可可见见光光而而被被激激发发到到较较高高的的能能级级，当当他他跳跳回回原原来来能能级级时时把
7、把吸吸收收的的可见光又重新辐射出来，因而金属不透明，有光泽。可见光又重新辐射出来，因而金属不透明，有光泽。（5 5）金金属属中中正正离离子子是是以以某某一一固固定定位位置置为为中中心心作作热热振振动动，对对自自由由电电子子的的流流动动有有阻阻碍碍作作用用，就就是是金金属属具具有有电阻的原因电阻的原因 。（6 6）随随着着温温度度的的升升高高，正正离离子子振振动动的的振振幅幅要要加加大大，对对自自由由电电子子通通过过的的阻阻碍碍作作用用也也加加大大，因因而金属的电阻是随温度升高而增大，即具有正的电阻温度系数。而金属的电阻是随温度升高而增大，即具有正的电阻温度系数。第9页，本讲稿共32页1 1 1
8、 1、体心立方晶格、体心立方晶格、体心立方晶格、体心立方晶格 bcc bcc bcc bcc-Fe-Fe、W W、V V、Mo Mo 等等四、常见金属晶格类型第10页，本讲稿共32页体心立方体心立方体心立方体心立方晶胞晶胞晶胞晶胞晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c；=90=90 晶胞原子数：晶胞原子数：2 2原子半径：原子半径：致密度：致密度：0.680.68致密度致密度=Va/Vc=Va/Vc，其中，其中Vc:Vc:晶胞体积晶胞体积a a3 3Va:Va:原子总体积原子总体积2 2 4 4 r r3 3/3/3XYZabc2r2raa第11页，本讲稿共32页2 2 2 2、面心立方晶格
9、、面心立方晶格、面心立方晶格、面心立方晶格 fcc fcc fcc fcc-Fe-Fe、CuCu、NiNi、AlAl、AuAu、Ag Ag 等等第12页，本讲稿共32页面心立方面心立方面心立方面心立方晶胞晶胞晶胞晶胞晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c；=90=90 晶胞原子数：晶胞原子数：4 4原子半径：原子半径：致密度：致密度：0.740.74XYZabc密排方向密排方向第13页，本讲稿共32页3 3 3 3、密排六方晶格、密排六方晶格、密排六方晶格、密排六方晶格 hcp hcp hcp hcpC C（石墨）、（石墨）、MgMg、Zn Zn 等等晶格常数晶格常数底面边长底面边长a a底
10、面间距底面间距c c侧面间角侧面间角120120 侧面与底面夹角侧面与底面夹角9090 晶胞原子数：晶胞原子数：6 6原子半径：原子半径：a/2a/2致密度：致密度：0.740.74第14页，本讲稿共32页五、晶体结构致密度五、晶体结构致密度l l致密度致密度：是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。：是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。1、体心立方的致密度第15页，本讲稿共32页2、面心立方与密排六方的致密度、面心立方与密排六方的致密度l l 计算同体心立方，均为计算同体心立方，均为0.740.74。l l在在晶晶体体中中，致致密密度度越越大大，原原子子排排列列就就越越紧紧密密。所所以以
11、，当当 铁铁 在在 冷冷 却却 时时，由由 于于 晶晶 格格 致致 密密 度度 较较 大大（0.740.74）的的面面心心立立方方晶晶格格r-Fer-Fe转转变变为为晶晶格格致致密密度度较较小小（0.680.68）的的体体心心立立方方晶晶格格-Fe-Fe，就就会会发发生生体体积膨胀而引起应力和变形。积膨胀而引起应力和变形。第16页，本讲稿共32页六、金属晶体中的晶面和晶向六、金属晶体中的晶面和晶向六、金属晶体中的晶面和晶向六、金属晶体中的晶面和晶向XYZabc在金属晶体中各原子组成的平面，称为晶面。通过两个以上原子中心连线直线所指方向称为晶向。XYZabc第17页，本讲稿共32页立方晶格中不同
12、方向的晶面与晶面指数立方晶格中不同方向的晶面与晶面指数立方晶格中不同方向的晶面与晶面指数立方晶格中不同方向的晶面与晶面指数第18页，本讲稿共32页 具具具具有有有有一一一一定定定定晶晶晶晶格格格格类类类类型型型型金金金金属属属属，在在在在晶晶晶晶体体体体的的的的各各各各个个个个晶晶晶晶面面面面与与与与晶晶晶晶向向向向上上上上原原原原子子子子排排排排列列列列紧紧紧紧密密密密程程程程度度度度是是是是不不不不同同同同的的的的，原原原原子子子子间间间间相相相相互互互互作作作作用用用用也也也也就就就就不不不不同同同同，因因因因而而而而使使使使晶晶晶晶体体体体在在在在不不不不同同同同方方方方向向向向上上上
13、上性性性性能能能能就就就就有有有有差差差差异异异异，这这这这就就就就是是是是金金金金属属属属晶晶晶晶体体体体具具具具有有有有各各各各向向向向异异异异性性性性的的的的原原原原因。因。因。因。立方晶格中不同晶向与晶向指数立方晶格中不同晶向与晶向指数 第19页，本讲稿共32页第二节 合金的晶体结构一、合金的基本概念一、合金的基本概念l l合金：合金：两种或两种以上的金属或金属与非金属元素熔合而成，并具有金属特性的两种或两种以上的金属或金属与非金属元素熔合而成，并具有金属特性的物质。物质。l l组元：组元：组成合金的最基本的、独立的物质组成合金的最基本的、独立的物质 。例如：元素、稳定化合物。如，。例
14、如：元素、稳定化合物。如，Fe-CFe-C合金中，合金中，FeFe、C C均为组元。均为组元。l l相：相：是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间有明显的是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间有明显的界面界面 。合金中有两类基本相合金中有两类基本相 固溶体固溶体 和和 化合物化合物二、合金的相结构二、合金的相结构1 1、固溶体、固溶体 合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为固溶体固溶体。形成固溶体后，晶格保持不变的组元称形成固溶体后，晶格保持不变的组元称溶剂溶剂，晶格消失的组元称，晶格消失的组元称溶质溶质。固
15、溶体的晶格类型与溶剂组元相同。固溶体的晶格类型与溶剂组元相同。如，如，Fe(C)Fe(C)固溶体。固溶体。（1 1）固溶体的分类）固溶体的分类1 1）置换固溶体：）置换固溶体：若溶质原子代替一部分溶剂原子而占据溶剂中的某些结点位置，称若溶质原子代替一部分溶剂原子而占据溶剂中的某些结点位置，称为置换固溶体为置换固溶体 。2 2）间隙固溶体：）间隙固溶体：溶质原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点的位置，而是在结点溶质原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点的位置，而是在结点间的空隙中，这种形式的固溶体称为间隙固溶体。间的空隙中，这种形式的固溶体称为间隙固溶体。第20页，本讲稿共32页固溶体分类固溶体分类固溶体
16、分类固溶体分类ZXY间隙原子间隙原子间间隙隙固固溶溶体体置置换换固固溶溶体体置换原子置换原子YXZ第21页，本讲稿共32页（2 2）固溶体的性能）固溶体的性能l l由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，变形抗力由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，变形抗力增大，使金属的强度硬度升高的现象称为增大，使金属的强度硬度升高的现象称为固溶强化固溶强化 。l l当溶质的质量分数适当时，固溶体不仅有着较纯金属高的强度和硬度，当溶质的质量分数适当时，固溶体不仅有着较纯金属高的强度和硬度，而且有着好的塑性和韧性。而且有着好的塑性和韧性。固溶强化固溶强化固溶强化固溶强化形成固溶体使金属强度和硬度提高
17、的现象正常晶格正常晶格晶格畸变晶格畸变第22页，本讲稿共32页晶格畸变晶格畸变晶格畸变晶格畸变小原子置换引起的小原子置换引起的晶格畸变晶格畸变间隙原子引起的间隙原子引起的晶格畸变晶格畸变第23页，本讲稿共32页2、金属化合物l l金属化合物金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，其晶格类型和是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任一组元，因此性能也不同于组元。性能不同于其中任一组元，因此性能也不同于组元。（1 1）金属化合物的分类）金属化合物的分类 1 1）正常价化合物正常价化合物 这类金属化合物通常由金属元素与周期表中第这类金属化合物通常由金属元素与
18、周期表中第IVIV、V V、族的元素组成的。例如族的元素组成的。例如MgSMgS、MnSMnS、Mg2SiMg2Si等，其分子式符等，其分子式符合原子价规律，并且成分是固定不变的。合原子价规律，并且成分是固定不变的。2)2)电子化合物电子化合物 这类金属化合物是按一定电子浓度组成的具有一定晶这类金属化合物是按一定电子浓度组成的具有一定晶格类型的化合物格类型的化合物 。电子浓度电子浓度C C为化合物中的价电子数与原子数之间的比值，即：为化合物中的价电子数与原子数之间的比值，即：C C电电=价电子数价电子数/原子数原子数 3)3)间隙化合物间隙化合物 间隙化合物一般是由原子直径较大的过渡族金属元间
19、隙化合物一般是由原子直径较大的过渡族金属元素（素（FeFe、CrCr、MoMo、WW、V V等）与原子直径较小的非金属元素（等）与原子直径较小的非金属元素（H H、C C、N N、B B等）组成等）组成 。第24页，本讲稿共32页 间隙化合物桑中分为两类，一类是具有简单晶格形式的间隙化合间隙化合物桑中分为两类，一类是具有简单晶格形式的间隙化合物。如物。如VCVC、WCWC、TICTIC等。等。另一类是具有复杂结构的间隙化合物，如另一类是具有复杂结构的间隙化合物，如FeFe3 3C C、CrCr2323C C6 6、CrCr7 7C C3 3、FeFe4 4WW2 2C C等等 。VCVC的晶体
20、结构的晶体结构FeFe3 3C C的晶体结构的晶体结构Fe3C是铁碳合金是铁碳合金中的一种重要间中的一种重要间隙化合物，其碳隙化合物，其碳原子与铁原子的原子与铁原子的半径之比为半径之比为0.63。第25页，本讲稿共32页（2）金属化合物的性能l金属化合物的熔点一般较高，具有较高硬度，但脆性较大。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度及耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。因此，金属化合物在合金中作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。第26页，本讲稿共32页第三节金属的实际晶体结构一、单晶体与多晶体单晶体：单晶体：晶体内部的晶格方位完全一致，这晶体
21、称为单晶体。晶体内部的晶格方位完全一致，这晶体称为单晶体。如单如单晶晶SiSi半导体。半导体。多晶体：多晶体：这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。其中每个小晶体的外形其中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒，通多为不规则的颗粒，通常称为常称为晶粒晶粒。晶粒与晶粒之间的界面晶粒与晶粒之间的界面称为称为晶界。晶界。晶粒（单晶体）晶粒（单晶体）第27页，本讲稿共32页二、晶体的缺陷 晶体中原子完全为规则排列时，称为晶体中原子完全为规则排列时，称为理想晶体理想晶体。实际上，金属由于多种原因的影响，内部总是存在着大量缺陷。实际上，金属由于多种原因的影响，内部总
22、是存在着大量缺陷。根据晶体缺陷的几何特点，常分为根据晶体缺陷的几何特点，常分为：点缺陷：空位、间隙原子、异类原子点缺陷：空位、间隙原子、异类原子线缺陷：位错线缺陷：位错面缺陷：晶界与亚晶界面缺陷：晶界与亚晶界1 1、点缺陷：、点缺陷：点缺陷点缺陷是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。常见的是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。常见的点缺陷是空位和间隙原子。点缺陷是空位和间隙原子。第28页，本讲稿共32页 如果间隙原子是其它元素就称为如果间隙原子是其它元素就称为:异类原子异类原子 （杂质原子）（杂质原子）空位空位 间隙原子间隙原子置换原子置换原子在空位和间隙原子附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使周围原子
23、发生靠拢或撑开，因在空位和间隙原子附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使周围原子发生靠拢或撑开，因此，发生晶格畸变，使金属的强度提高，塑性下降此，发生晶格畸变，使金属的强度提高，塑性下降。第29页，本讲稿共32页正刃位错正刃位错 负刃位错负刃位错 2 2 2 2、线缺陷、线缺陷、线缺陷、线缺陷刃型位错刃型位错刃型位错刃型位错线缺陷线缺陷是在空间的一个方向上尺寸很大，其余两个方向上尺寸很小的缺陷。是在空间的一个方向上尺寸很大，其余两个方向上尺寸很小的缺陷。晶体中的线缺陷通常是指各种类型的位错。晶体中的线缺陷通常是指各种类型的位错。位错位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现
24、象。就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。第30页，本讲稿共32页3、面缺陷l l面缺陷面缺陷是在两个方向的尺寸很大，第三个方向的尺寸很小而呈面状的缺陷，是在两个方向的尺寸很大，第三个方向的尺寸很小而呈面状的缺陷，这类缺陷主要指这类缺陷主要指晶界晶界与与亚晶界亚晶界。（1 1）晶界）晶界 晶界晶界处实际上是原子排列逐渐从一种位向过渡到另一种位向的过渡层。处实际上是原子排列逐渐从一种位向过渡到另一种位向的过渡层。l l晶粒越细小，晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、晶粒越细小，晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度也就越高。硬度也就越高。晶粒（单晶体）晶粒（单晶体）晶界晶界第31页，本讲稿共32页亚晶界亚晶界（2）亚晶界 亚晶界亚晶界实际上是由一系列刃型位错所组成的实际上是由一系列刃型位错所组成的小角度晶界。小角度晶界。亚晶界作用与晶界相似，对金属强度也有着重要影亚晶界作用与晶界相似，对金属强度也有着重要影响，亚晶界越多，强度也越高。响，亚晶界越多，强度也越高。第32页，本讲稿共32页