金屬與合金的晶體結構第二章 金屬與合金的晶體結構硅表面原子排列碳表面原子排列第一節 晶體的基本知識金屬的性能是由其組織結構決定的，其 中結構指的就是晶體結構。金屬的晶體 結構就是其內部原子的排列方式，因為 金屬是晶體，所以稱為晶體結構。一、晶體與非晶體1、晶體：原子在三維空間內的周期性規則排列。 長程有序，各向異性。 2、非晶體：原子在三維空間內不規則排列。 長程無序，各向同性。 3、在自然界中除少數物質（如普通玻璃、松香、石蠟 等）是非晶體外，絕大多數都是晶體，如金屬、合 金、硅酸鹽，大多數無機化合物和有機化合物，甚 至植物纖維都是晶體。一、晶體與非晶體金屬晶體模型晶體與非晶體的性能區別? 有些晶體具有規 則的多面體外形， 如水晶；有些則 沒有規則整齊的 外形，如金屬。? 晶體有固定的 熔點，而非晶體 則沒有。晶體與非晶體的轉變? 1. 2. 3. 晶體與非晶體在一定條件下可以相互轉變 玻璃經長時間加熱能變為晶態玻璃； 金屬從高溫液態急冷，可變為非晶態金屬； 非晶態金屬具有高的強度與韌性等一系列突出 性能，近年來已為人們所重視。二、金屬鍵? 金屬原子結合方式1. 金屬鍵：依靠正離子與構成電子氣的自由電子之 間的靜電引力而使諸原子結合到一起的方式。 2. 特點：電子逸出共有，結合力較大，無方向性和 飽和性； 3. 金屬特性：導電性、導熱性、延展性好，熔點較 高。如金屬。金屬鍵三、金屬晶體結構基礎知識?晶格、晶胞和晶格常數?晶體： ?空間點陣：由幾何點做周期性的規則排列所形成的三維陣列。 空間點陣中的點陣點。它是純粹的幾何點，各點周圍環境相 同。 ?晶格：描述晶體中原子排列規律的空間格架稱之為晶格。?晶胞：空間點陣中能代表原子排列 規律的最小的幾何單元稱之為晶胞， 是構成空間點陣的最基本單元。 選取原則： 能夠充分反映空間點陣的對稱性； 相等的棱和角的數目最多； 具有盡可能多的直角； 體積最小。 晶格常數 三個棱邊的長度a,b,c及其夾角, 表示。? 1. 2. 3. 4. ?第二節 金屬的晶體結構?布拉菲點陣7個晶系， 14種點陣。?大 部 分 （2/3） 的 金屬屬于三種典型 的晶體結構。一、 典型晶體結構及其幾何特征? 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 的晶體結構大多屬于三種典型的晶體結 構。它們分別是： 1、體心立方晶格（BCC） 2、面心立方晶格（FCC） 3、密排六方晶格（HCP）1、體心立方晶格（ BCC）? ? ? ? ? ? ?原子排列方式 常見金屬 原子個數 原子半徑 配位數 致密度 間隙半徑? 體心立方晶格的晶胞中,八個原子處于立方 體的角上,一個原子處于立方體的中心, 角 上八個原子與中心原子緊靠。 ? 體心立方晶胞特征： 晶格常數：a=b=c, =90原子排列方式常見金屬? 具有體心立方晶格的金屬有： 鉬(Mo)、鎢(g)、鎘 (Cd)、鋅(Zn)、鈹(Be)等。 ? 密排六方晶胞的特征： 晶格常數：用底面正六邊形的邊長a和兩底面之間的 距離c來表達, 兩相鄰側面之間的夾角為120, 側面 與底面之間的夾角為90。常見金屬? 具有這種晶格的金屬有鎂(Mg)、鎘(Cd)、 鋅(Zn)、鈹(Be)等。原子個數? 晶胞原子數：6原子半徑? 原子半徑： R=a/2? 致密度：0.74 (74%) ? 配位數：12 ? 空隙半徑： 四面體空隙 其半徑為: r四=0.225r原子 八面體空隙 其半徑為: r八=0.414r原子二、晶面指數和晶向指數的標定1、晶向指數與晶面指數?晶向：空間點陣中各陣點列的方 向。?晶面：通過空間點陣中任意一組 陣點的平面。?國際上通用米勒指數標定晶向和 晶面。二、晶面指數和晶向指數的標定（1）晶向指數的標定a 建立坐標系。確定原點（陣點）、坐標軸和度量單位（棱邊）。 b 求坐標。u,v,)的非 金屬元素溶入金屬晶體的間隙。 （2）影響因素：原子半徑和溶劑結構。 （3）溶解度：一般都很小，只能形成有限固 溶體。二、固溶體5、 固溶體的性能 無論置換固溶體，還是間隙固溶體，由于溶質原 子的存在都會使晶格發生畸變，使其性能不同于 原純金屬。二、固溶體6、 固溶體的性能當溶質元素的含量極少時，固溶體的性能與溶劑金屬基本 相同。隨溶質含量的升高，固溶體的性能將發生明顯改變，其 一般情況下，強度、硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降， 電阻率升高，導電性逐漸下降等。 這種通過形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現象稱為固 溶強化。 固溶強化是金屬強化的一種重要形式。在溶質含量適當時， 可顯著提高材料的強度和硬度，而塑性和韌性沒有明顯降低。二、固溶體? 純銅的 b 為220MPa, 硬度為40HBS, 斷面收縮率 為70%。當加入1%鎳形成單相固溶體后, 強度 升高到390MPa, 硬度升高到70HBS, 而斷面收縮 率仍有50%。所以固溶體的綜合機械性能很好, 常常作為合金的基體相。 ? 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, 導電率下降, 磁矯頑力增大。三、 金屬化合物?若新相的晶體結構不同于任一組成元素，則新 相是組成元素間相互作用而生成的一種新物質， 屬于化合物，如碳鋼中的Fe3C，黃銅中的 相 （CuZn）以及各種鋼中都有的FeS、MnS等等。 ?在這些化合物中，Fe3C和相均具有相當程度的 金屬鍵及一定的金屬性質，是一種金屬物質，稱 為金屬化合物。三、 金屬化合物? 而FeS、MnS具有離子鍵，沒有金屬性質，屬于 一般的化合物，因而又稱為非金屬化合物。 ? 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，數量少且對合金性能影響很壞，因而一 般稱為非金屬夾雜。三、 金屬化合物? 包括：正常價化合物、電子化合物（電子 相）、 間隙化合物 。三、金屬化合物1 正常價化合物 （1）形成：電負性差起主要作用，符合原子 價規則。 （2）鍵型：隨電負性差的減小，分別形成離 子鍵、共價鍵、金屬鍵。 （3）組成：AB或AB2。三、金屬化合物? 2 電子化合物（電子相） ? （1）形成：電子濃度起主要作用，不符合原子 價規則。 ? （2）鍵型：金屬鍵（金屬金屬）。 ? （3）組成：電子濃度對應晶體結構，可用化學 式表示，可形成以化合物為基的固溶體。三、金屬化合物3 間隙化合物 （1）形成：尺寸因素起主要作用。 （2）結構： ?間隙化合物：具有復雜結構，主要是鐵、鈷、鉻、錳的化 合物，結構復雜。如Fe3C。 ?間隙化合物（間隙相）：晶體結構簡單，金屬原子呈現新 結構，非金屬原子位于其間隙，結構簡單。如面心立方VC。 （3）組成：可用化學式表示，可形成固溶體，復雜間 隙化合物的金屬元素可被置換。三、 金屬化合物4 金屬化合物的特性 （1）力學性能：金屬化合物一般具有復雜的晶體 結構，熔點高，高硬度、低塑性，硬而脆。當合金 中出現金屬化合物時，通常能提高合金的強度、硬 度和耐磨性。金屬化合物是工具鋼、高速鋼等鋼中 的重要組成相。 （2）物化性能：具有電學、磁學、聲學性質等，可 用于半導體材料、形狀記憶材料、儲氫材料等。第四節 金屬的晶體缺陷在晶體內部原子排列并不是完全規則的，在局部 一定尺寸范圍內原子排列不規則的現象稱為晶體 缺陷，晶體缺陷在材料組織控制（如擴散、相變） 和性能控制（如材料強化）中具有重要作用。就好象維納斯“無臂” 之美更深入人心 晶體 缺陷賦予材料豐富內容 入晶體缺陷按其作用范圍可分為：點缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、間隙原子、異類原子等。線缺陷：在兩個方向上尺寸很小，而另一個方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯。面缺陷：在一個方向上尺寸很小，在另外兩個方向上尺寸較大的缺陷。如晶界、相界、表面等。一 、點缺陷 由于原子熱振動造成的。 1、 點缺陷的類型（1）空位：肖脫基空位離位原子進入其它空位或遷移至晶界或 表面。弗蘭克爾空位離位原子進入晶體間隙。（2）間隙原子：位于晶體點陣間隙的原子。 （3）置換原子：位于晶體點陣位置的異類原子。置換原子一 點缺陷肖脫基空位 弗蘭克爾空位3 點缺陷的產生及其運動 （1）點缺陷的產生 平衡點缺陷：熱振動中的能力起伏。 過飽和點缺陷：外來作用，如高溫淬火、輻照、冷加工等。 （2）點缺陷的運動 （遷移、復合濃度降低；聚集濃度升高塌陷）4 、點缺陷與材料行為（1）結構變化：晶格畸變（如空位引起晶格收 縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收 縮或膨脹。） （2）性能變化：物理性能（如電阻率增大，密 度減小。）力學性能（屈服強度提高。）二、 線缺陷（位錯）位錯：晶體中某處一列或若干列原子有規律的錯排。 意義：（對材料的力學行為如塑性變形、強度、斷裂等起著決定性的 作用，對材料的擴散、相變過程有較大影響。） 位錯的提出：1926年，弗蘭克爾發現理論晶體模型剛性切變強度與與 實測臨界切應力的巨大差異（24個數量級）。 1934年，泰勒、波朗依、奧羅萬幾乎同時提出位錯的概念。 1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位錯。 1947年，柯垂耳提出溶質原子與位錯的交互作用。 1950年，弗蘭克和瑞德同時提出位錯增殖機制。 之后，用TEM直接觀察到了晶體中的位錯。1、 位錯的基本類型 （1）刃型位錯 模型：滑移面/半原子面/位錯線 （位錯線晶體滑移方向， 位錯線位錯運動方向，晶體滑移方向/位錯運動方向。） 分類：正刃型位錯（）；負刃型位錯（）。 產生：空位塌陷；局部滑移。4 、位錯密度（1）單位體積中位錯線的總長度， L / V 式中： 為位錯密度, 單位為m-2，L 為位錯 線總長度, 單位為m, V為體積, 單位為m3。 （2）晶體強度與位錯密度的關系（3）位錯觀察：浸蝕法、電境法。不銹鋼中的位錯線強度與位錯密度的關系（-圖）。?退火金屬中位錯密度一般為 101012m-2 左右。位錯的存在極大地影響金屬的機械 性能。當金屬為理想晶體或僅含極少量位 錯時, 金屬的屈服強度 s 很高, 當含有一 定量的位錯時, 強度降低。當進行形變加 工時, 位錯密度增加, s 將會增高。三 面缺陷面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它們對材料的力 學和物理化學性能具有重要影響。三 面缺陷1 晶界（1）晶界：兩個空間位 向不同的相鄰晶粒之間 的界面。三、 面缺陷（2）分類 大角度晶界： 晶 粒 位 向 差 大 于 10 度 的晶界。 其