1、第八章 金屬的結構和性質 在100多種化學元素中, 金屬約占80%. 它們有著許多相似的性質：不透明, 有金屬光澤, 能導電傳熱, 富有延展性. 金屬的這些性質是金屬內部電子結構及晶體結構的外在反映. 弄清金屬及合金晶體中化學鍵的本質及結構與性能之間的關系是材料科學的重大課題之一, 也是結構化學的重要任務. 外層價電子在整個金屬中運動, 類似于三維勢箱中運動的粒子. 其Schrodinger方程為： VEmxyz2222222()2V 0（自由電子模型）（自由電子模型） Emxyz2222222()2 第一節第一節 金屬鍵和金屬的一般性質金屬鍵和金屬的一般性質 8.1.1 金屬鍵的自由電子理論

2、模型金屬鍵的自由電子理論模型解此方程求得：解此方程求得： yxznynxnzx y zabcabc8( , , )sinsinsin abcl3/22()sinsinsinyxznynxnzllll22222()8xyzhEnnnml 電子由局限某個原子周圍運動擴展到整個金屬運動, 能量降低, 這就是金屬鍵的起源. 金屬鍵：在金屬晶體中，原子失去了外層電子而金屬鍵：在金屬晶體中，原子失去了外層電子而形成正離子，這些脫離了原子的價電子在各正離形成正離子，這些脫離了原子的價電子在各正離子之間運動，把這些正離子吸引在一起而結合成子之間運動，把這些正離子吸引在一起而結合成晶體，原子間的這種結合力稱為金

3、屬鍵。晶體，原子間的這種結合力稱為金屬鍵。 金屬鍵的強弱用摩爾氣化熱表示。金屬鍵的強弱用摩爾氣化熱表示。 金屬鍵實質上是由晶粒內所有原子都參加的一種特殊的多金屬鍵實質上是由晶粒內所有原子都參加的一種特殊的多原子共價鍵，或則說是一種特殊的離域共價鍵。原子共價鍵，或則說是一種特殊的離域共價鍵。金屬的通性：不透明，有金屬光澤，能導電傳熱，金屬的通性：不透明，有金屬光澤，能導電傳熱，富有延展性等。富有延展性等。金屬鍵的主要特征：金屬鍵的主要特征：（1成鍵軌道是高度離域的成鍵軌道是高度離域的 成鍵電子的活動范圍非常廣，即可在整個宏成鍵電子的活動范圍非常廣，即可在整個宏觀晶體的范圍內運動。有時我們把這種運

4、動非常自觀晶體的范圍內運動。有時我們把這種運動非常自由的電子叫做自由電子。金屬的許多特有的物理特由的電子叫做自由電子。金屬的許多特有的物理特性如導電性、導熱性、和金屬光澤和自由電子的存性如導電性、導熱性、和金屬光澤和自由電子的存在分不開。在分不開。（2金屬鍵沒有飽和性和方向性金屬鍵沒有飽和性和方向性 因為金屬原子的價電子層的因為金屬原子的價電子層的s電子云是球形對稱的，它可以電子云是球形對稱的，它可以在任意方向與任何數目的附近原子的價電子云重疊。因此金屬原在任意方向與任何數目的附近原子的價電子云重疊。因此金屬原子或正離子的排列不受飽和性和方向性的限制，只要把金屬正子或正離子的排列不受飽和性和方

5、向性的限制，只要把金屬正離子按最緊密的方式堆積起來，這樣價電子云就能得到最大程度離子按最緊密的方式堆積起來，這樣價電子云就能得到最大程度的重疊。這就是金屬采取最緊密堆積結構和高配位數的原因。的重疊。這就是金屬采取最緊密堆積結構和高配位數的原因。 8.1.2 金屬鍵的能帶理論金屬鍵的能帶理論 能帶理論可以看成是多原子分子軌道理論的極限情況能帶理論可以看成是多原子分子軌道理論的極限情況, , 由分子軌道的基本原理可以推知由分子軌道的基本原理可以推知, , 隨著參與組合的原子軌隨著參與組合的原子軌道數目的增多道數目的增多, , 能級間隔減小能級間隔減小, , 能級過渡到能帶能級過渡到能帶. . 將整

6、塊金屬當作一個巨大的超分子體系將整塊金屬當作一個巨大的超分子體系, , 晶體中晶體中N N個個原子的每一種能量相等的原子軌道原子的每一種能量相等的原子軌道, , 通過線性組合通過線性組合, , 得到得到N N個分子軌道個分子軌道. .它是擴展到整塊金屬的離域軌道它是擴展到整塊金屬的離域軌道. .由于由于N N 的的數值很大（數值很大（10231023數量級）數量級）, ,得到的分子軌道間的能級間得到的分子軌道間的能級間隔極小隔極小, , 形成一個能帶形成一個能帶. . VEmxyz2222222()2 每個能帶在固定的能量范圍每個能帶在固定的能量范圍, , 內層原子軌道形成的內層原子軌道形成的

7、能帶較窄能帶較窄, , 外層原子軌道形成的能帶較寬外層原子軌道形成的能帶較寬, , 各個能帶按各個能帶按能級高低排列起來能級高低排列起來, , 成為能帶結構。成為能帶結構。 能帶的范圍是允許電子存在的區域, 而能帶間的間隔, 是電子不能存在的區域, 稱為禁帶。 已填滿電子的能帶已填滿電子的能帶, 稱為滿帶；稱為滿帶；無填充電子的能帶無填充電子的能帶, 成為空帶。成為空帶。有電子但未填滿的能帶稱為導帶。有電子但未填滿的能帶稱為導帶。 導體的能帶結構特征是具有導帶。絕緣體的能帶特征是只有滿帶和空帶, 而且滿帶和空帶之間的禁帶較寬(E5eV)。 一般電場條件下,難以將滿帶電子激發入空帶, 不能形成導

8、帶。半導體的特征, 也是只有滿帶和空帶, 但滿帶與空帶之間的禁帶較窄(E3eV), 在電場條件下滿帶的電子激發到空帶, 形成導帶, 即可導電。 圖圖8-1 8-1 導體、絕緣體和半導體的能帶結構特征導體、絕緣體和半導體的能帶結構特征 導體導體絕緣體絕緣體半導體半導體g gE E5eV5eV3eVg gE E 由于金屬原子間的結合力沒有方向性，每個原子中電由于金屬原子間的結合力沒有方向性，每個原子中電子的分布基本上是球形對稱的，因此在金屬單質中可以把子的分布基本上是球形對稱的，因此在金屬單質中可以把金屬原子看成是一個個半徑相等的圓球，只要把金屬正離金屬原子看成是一個個半徑相等的圓球，只要把金屬正

9、離子按最緊密的方式堆積起來，這樣價電子云就能得到最大子按最緊密的方式堆積起來，這樣價電子云就能得到最大程度的重疊，達到最大程度降低金屬體系的能量。可以把程度的重疊，達到最大程度降低金屬體系的能量。可以把金屬單質的結構形式問題歸結為一個等徑圓球的密堆積問金屬單質的結構形式問題歸結為一個等徑圓球的密堆積問題。題。 第二節第二節 等徑圓球的密堆積和金屬單質的結構等徑圓球的密堆積和金屬單質的結構 大多數金屬元素按照等徑圓球密堆積的幾何方式構成金屬單大多數金屬元素按照等徑圓球密堆積的幾何方式構成金屬單質晶體，主要有立方面心最密堆積質晶體，主要有立方面心最密堆積A1）、六方最密堆積）、六方最密堆積A3）和

10、立方體心密堆積和立方體心密堆積A2三種類型三種類型. 等徑圓球以最密集的方式排成一列密置列），進等徑圓球以最密集的方式排成一列密置列），進而并置成一層密置層），再疊成兩層密置雙層）。而并置成一層密置層），再疊成兩層密置雙層）。 8.2.1 等徑圓球最密堆積等徑圓球最密堆積（1密置列：沿直線方向伸展的等徑圓球密堆積的唯一密置列：沿直線方向伸展的等徑圓球密堆積的唯一 的一種排列方式。的一種排列方式。 一、等徑圓球密堆積一、等徑圓球密堆積 （2密置單層：沿二維空間伸展的等徑圓球密堆積唯一的一種密置單層：沿二維空間伸展的等徑圓球密堆積唯一的一種 排列方式。排列方式。 特點：（特點：（1配位數：配位數：

11、6 每個球與六個球相鄰接。每個球與六個球相鄰接。（2空隙：每個球周圍有空隙：每個球周圍有6個空隙，每個空隙有三個球圍成。個空隙，每個空隙有三個球圍成。 這些三角形空隙的頂點朝向有一半和另一半相反。這些三角形空隙的頂點朝向有一半和另一半相反。 球數：空隙數球數：空隙數=1：2（3對稱性：存在對稱性：存在6，可劃分出平面六方格子，每個格子包含，可劃分出平面六方格子，每個格子包含 一個球和兩個空隙。一個球和兩個空隙。 （3 3等徑圓球密置雙層等徑圓球密置雙層: : 第二層球堆上去第二層球堆上去, , 為了保持最密堆積為了保持最密堆積, , 應應放在第一層的空隙上。每個球周圍有放在第一層的空隙上。每個

12、球周圍有 6 6 個空隙個空隙, , 只可能有只可能有3 3個空隙被第二層球占用。個空隙被第二層球占用。結構特點：結構特點：（1空隙種類：空隙種類： （a）、正四面體空隙）、正四面體空隙 （b）、正八面體空隙）、正八面體空隙 （2密置雙層本身是個立體結構，但由密置雙層中抽取密置雙層本身是個立體結構，但由密置雙層中抽取 出來的點陣仍為平面點陣。出來的點陣仍為平面點陣。 密置雙層中有兩種空隙密置雙層中有兩種空隙: 正八面體空隙正八面體空隙(由由3A+3B構成構成)正四面體空隙正四面體空隙(由由3A+1B或或1A+3B構成構成) 密置雙層密置雙層 一個晶胞一個晶胞密置雙層的晶胞中含密置雙層的晶胞中含

13、1個正八面體空隙和個正八面體空隙和2個正四面體空隙個正四面體空隙. 球數球數: 正八面體空隙數正八面體空隙數:正四面體空隙數正四面體空隙數=2:1:2（4 4等徑圓球密置三層等徑圓球密置三層: : 第三層球有兩種放法：第一種是每個球正對第三層球有兩種放法：第一種是每個球正對第一層：若第一層為第一層：若第一層為A, A, 第二層為第二層為B, B, 以后的堆積以后的堆積按按ABABABAB重復下去。重復下去。 這樣形成的堆積稱為六這樣形成的堆積稱為六方最密堆積方最密堆積hexagoal closest packing, hexagoal closest packing, 簡稱簡稱為為 hcp h

14、cp 或或 A3 A3 型）。型）。 第二種放法第二種放法, , 將第三層球放在第一層未被覆蓋的空將第三層球放在第一層未被覆蓋的空隙上隙上, , 形成形成 C C 層層, , 以后堆積按以后堆積按 ABCABC ABCABC重復下去。重復下去。這種堆積稱為立方最密堆積這種堆積稱為立方最密堆積(cubic closest packing,(cubic closest packing,簡簡稱稱ccp, ccp, 或或 A1 A1 型型) )。 這兩種最密堆積是金屬單質晶這兩種最密堆積是金屬單質晶體的典型體的典型 構造構造.這兩種堆積方式這兩種堆積方式, 每每個球在同一層與個球在同一層與6個球相切個

15、球相切, 上下層上下層各與各與3個球接觸個球接觸, 配位數均為配位數均為12。 （2ABABAB, 即每即每兩層重復一次兩層重復一次, 稱為稱為A3 (或或A3)型型, 從中可取出六方晶胞。從中可取出六方晶胞。 （1ABCABC, 即即每三層重復一次每三層重復一次, 這種結構這種結構稱為稱為A1 (或或A1)型型, 從中可以從中可以取出立方面心晶胞取出立方面心晶胞; (1) A1型立方最密堆積）型立方最密堆積）: ABCABC 紅、綠、藍球是同一種原子，使用三種色球只是為了看清三層的關系紅、綠、藍球是同一種原子，使用三種色球只是為了看清三層的關系 。二、金屬單質的三種典型結構二、金屬單質的三種

16、典型結構 A1最密堆積形成立方面心最密堆積形成立方面心(cF)晶胞晶胞 ABCABC堆積怎么會形成立方面心晶胞堆積怎么會形成立方面心晶胞? 請來個逆向思維請來個逆向思維: 從逆向思維你已明白，立方面心晶胞確實滿足ABCABC堆積。 那么, 再把思路正過來: ABCABC堆積形成立方面心晶胞也容易理解吧?取一個立方面心晶胞：取一個立方面心晶胞：體對角線垂直方向就是密置層體對角線垂直方向就是密置層, 將它們設成將它們設成3種色彩種色彩:將視線逐步移向體對角線，將視線逐步移向體對角線，沿此線觀察沿此線觀察:你看到的正是你看到的正是ABCABC堆積！堆積！%05.7423216316434222442

17、3333 cellatomsocellatomsVVPraVrrVrrara（4球數與空隙數之比：球數與空隙數之比： 球數：八面體空隙數：四面體空隙數球數：八面體空隙數：四面體空隙數=1=1：1 1：2 2A1型立方最密堆積特點型立方最密堆積特點 （1）、堆積方式：）、堆積方式：ABCABC 分數坐標為分數坐標為: (0,0,0), (1/2,1/2,0), (1/2,0,1/2), (0,1/2,1/2) : (0,0,0), (1/2,1/2,0), (1/2,0,1/2), (0,1/2,1/2) （2）、晶胞：面心立方晶胞，晶胞中原子數）、晶胞：面心立方晶胞，晶胞中原子數 4 ，密置面

18、為，密置面為(111)面。面。（3）、配位數：）、配位數：12 。 （5）、空隙占有率：）、空隙占有率：74.05% A1 空間利用率的計算空間利用率的計算 這是等徑圓球密堆積所能達這是等徑圓球密堆積所能達到的最高利用率，所以到的最高利用率，所以A1堆積堆積是最密堆積是最密堆積.空間占有率空間占有率=晶胞中原子總體積晶胞中原子總體積 / 晶胞體積晶胞體積用公式表示用公式表示: P0=Vatoms/Vcella A3最密堆積形成后最密堆積形成后, 從中可以劃分從中可以劃分出什么晶胞出什么晶胞? 六方晶胞六方晶胞.b請點擊按鈕打開晶體模型請點擊按鈕打開晶體模型（2）、）、A3型六方最密堆積）型六方

19、最密堆積） 每個晶胞含每個晶胞含2個原子個原子(即即81/8+1), 組成一個結構基元組成一個結構基元. 可抽象成六方簡單格子可抽象成六方簡單格子. 六方晶胞的六方晶胞的c軸垂直于密置層軸垂直于密置層:cb13b23aACDBOh E六方晶胞中的圓球位置六方晶胞中的圓球位置（4球數與空隙數之比：球數與空隙數之比： 球數：八面體空隙數：四面體空隙數球數：八面體空隙數：四面體空隙數=1=1：1 1：2 2A3型六方最密堆積特點：型六方最密堆積特點： （1）、堆積方式：）、堆積方式：ABAB （2）、晶胞：六方晶胞，晶胞中原子數）、晶胞：六方晶胞，晶胞中原子數 2 ，密置面為，密置面為(001)面。

20、面。（3）、配位數：）、配位數：12 。 （5）、空隙占有率：）、空隙占有率：74.05% 分數數坐標為分數數坐標為(0, 0, 0), (2/3,1/3,1/2) 或或 (0, 0, 0), (1/3,2/3,1/2)RRRAOAEOEhRADAORRaSinAD322)332()2(33232322360222202203 2234602 2RRRSinRS A3 空間利用率的計算空間利用率的計算322 83243 2RRRV晶胞六方晶胞六方晶胞 a=b=2R 3338342RRV球%05.7423283833RRVV晶胞球空間占有率%02.68833364)34(382343443333

21、33 cellatomsocellatomsVVPrraVrrVrara(3) A2 型密堆積體心立方密堆積型密堆積體心立方密堆積 ） A2 A2型每個金屬原子最近鄰有型每個金屬原子最近鄰有8 8個金屬原子個金屬原子, ,次近鄰有次近鄰有6 6個金屬個金屬原子原子( (距離較直接接觸大距離較直接接觸大15.5%),15.5%),不是最密堆積。體心立方密堆不是最密堆積。體心立方密堆積積(body cubic packing, (body cubic packing, 簡稱簡稱bcp,bcp,或或 A2) A2)。 除了除了A1和和A3兩種最密堆積構型外，還有一種密堆積方式，兩種最密堆積構型外，還

22、有一種密堆積方式，這種堆積是按正方形排列的，記為這種堆積是按正方形排列的，記為A2。A2 型密堆積體心立方密堆積型密堆積體心立方密堆積 ）特點）特點（1）、晶胞：立方體心，晶胞中原子數）、晶胞：立方體心，晶胞中原子數 2 分數坐標分數坐標0，0，0），（），（1/2，1/2，1/2）。）。（2）、配位數：）、配位數：8 。 每個球都與每個球都與8個球心占據立方體頂角的球相接觸，另外個球心占據立方體頂角的球相接觸，另外 還與距離比最近配位原子僅大還與距離比最近配位原子僅大15%的的6個原子相接近，個原子相接近， 所以實際配位數在所以實際配位數在8與與14之間之間 。（3A2型堆積中型堆積中, 存

23、在三類空隙：存在三類空隙： 變形八面體變形八面體, 變形四面體和三角形空隙變形四面體和三角形空隙.球數：變形八面體空隙數：變形四面體空隙數球數：變形八面體空隙數：變形四面體空隙數 =2：6：12=1：3：6（4）、空間占有率：）、空間占有率：68.02% 。 A2 空間利用率的空間利用率的計算計算 非最密堆積方式中最重要的是立方體心堆積非最密堆積方式中最重要的是立方體心堆積A2 , 還有還有A4和少數的和少數的A6、A7、A10、A11、A12等等. 三、非最密堆積結構三、非最密堆積結構A4 金剛石型結構金剛石型結構%01.3416333512)38(332834388333333 cella

24、tomsocellatomsVVPrraVrrVrara22 211133( )( )(0 ) 3 5 6 . 7 1 5 4 . 444444C Craa p m A4 型堆積的配位數為 4，堆積密度只有34.01%，不屬于密堆積結構. 晶胞中有 8 個C， 屬立方面心點陣， 1 個結構基元代表 2個C。 A4 空間利用率的計算空間利用率的計算4 2r a%01.3416333512)38(332834388333333 cellatomsocellatomsVVPrraVrrVrara24ra 鍵長鍵長: 所以所以, C原子的共價半徑為原子的共價半徑為154.4/2=77.2pm2 r a

25、 小結小結: : 幾種典型的金屬單質晶體結構幾種典型的金屬單質晶體結構由于溫度和壓力等外界條件的改變，有些金屬有多種同素異構體。由于溫度和壓力等外界條件的改變，有些金屬有多種同素異構體。如如-Fe為為A2，-Fe為為A1。 第三節第三節 金屬原子的半徑金屬原子的半徑 確定金屬單質的結構型式與晶胞參數后, 就可求得金屬原子的半徑 r. 半徑r與晶胞參數a的關系如下:A1型型: 2ar(體對角線體對角線); 43raA3型型: 34ra8 3r aA2型: 38raC u21 2 7 .8 p m4ra A4型型: a a例如例如: 對對A1型型 Cu, a = 361.4 pm(面對角線面對角線

26、); (體對角線體對角線); (邊線邊線); 金屬半徑：金屬單質中兩個最鄰近原子距離的一半。金屬半徑：金屬單質中兩個最鄰近原子距離的一半。 配位數與半徑的關系配位數與半徑的關系: 當配位數由12減小到4時, 實際上鍵型也由金屬鍵過渡到共價鍵. 配位數降低, 金屬原子的半徑減小. 換算系數如下：配位數配位數 12 8 6 4 相對半徑比相對半徑比 1.00 0.97 0.96 0.88 金屬半徑在周期表中變化趨勢：金屬半徑在周期表中變化趨勢： （1同一族中隨原子序數的增加而增加；同一族中隨原子序數的增加而增加； （2同一周期中隨原子序數的增加而下降；同一周期中隨原子序數的增加而下降； （3）“鑭

27、系收縮效應：鑭系收縮效應： （4同一周期過渡金屬的半徑變化不大。同一周期過渡金屬的半徑變化不大。 由于鑭系元素在隨原子序數遞增時，電子是在價電由于鑭系元素在隨原子序數遞增時，電子是在價電子層中藏得較深的子層中藏得較深的f軌道上填充，不能屏蔽全部所增加的軌道上填充，不能屏蔽全部所增加的核電荷，因而半徑不明顯增長。核電荷，因而半徑不明顯增長。 一方面當原子序數增加時由于核電荷增加而使半徑下一方面當原子序數增加時由于核電荷增加而使半徑下降的因素，另一方面由于降的因素，另一方面由于d電子的填充，增強了電子的填充，增強了d電子對電子對s電子的屏蔽效應從而使半徑增加的因素。這兩個因素產生電子的屏蔽效應從而

28、使半徑增加的因素。這兩個因素產生的效應是相反的。的效應是相反的。 第四節第四節 實際金屬的結構實際金屬的結構4.14.1多晶體多晶體 內部晶格位向完全一致的晶體稱為內部晶格位向完全一致的晶體稱為單晶體。理想的幾何單晶體，在自然單晶體。理想的幾何單晶體，在自然界中幾乎是不存在的。界中幾乎是不存在的。 我們所應用的金屬由于它們受結我們所應用的金屬由于它們受結晶條件和許多其他因素的限制，其結晶條件和許多其他因素的限制，其結構都是由許多尺寸很小的，各自結晶構都是由許多尺寸很小的，各自結晶方位都不同的小單晶體組合在一起的方位都不同的小單晶體組合在一起的多晶體構成。多晶體構成。 由于其中每個小晶體的外形多

29、為不由于其中每個小晶體的外形多為不規則的顆粒狀，故通常稱為晶粒規則的顆粒狀，故通常稱為晶粒(grain)(grain)。晶粒與晶粒之間的交界稱為。晶粒與晶粒之間的交界稱為晶粒間界，簡稱晶界晶粒間界，簡稱晶界(grain (grain boundary)boundary)。由多晶粒組成的晶體結構。由多晶粒組成的晶體結構稱為多晶體稱為多晶體(poly crystal) (poly crystal) 。晶粒的尺寸，在鋼鐵材料中，一晶粒的尺寸，在鋼鐵材料中，一般在般在101103mm左右，必左右，必須在顯微鏡下才能看見。在顯微須在顯微鏡下才能看見。在顯微鏡了所觀察到的金屬中的各種晶鏡了所觀察到的金屬中

30、的各種晶粒的大小、形態和分布稱為顯微粒的大小、形態和分布稱為顯微組織組織(microscopic structure) 實際上每個晶粒內部的晶格位向實際上每個晶粒內部的晶格位向在不同區域上還有微小的差別，在不同區域上還有微小的差別，一般僅一般僅1020左右，最多達左右，最多達12。這些在晶格位向上彼此有微小差這些在晶格位向上彼此有微小差別的晶內小區域稱為亞晶或嵌鑲別的晶內小區域稱為亞晶或嵌鑲塊，如下圖。因其尺寸較小，故塊，如下圖。因其尺寸較小，故常須在高倍顯微鏡或電子顯微鏡常須在高倍顯微鏡或電子顯微鏡下才能觀察得到。下才能觀察得到。 這里說的缺陷不是指晶體的宏觀缺陷，而這里說的缺陷不是指晶體的

31、宏觀缺陷，而是指晶體中局部原子排列不規則的區域。實是指晶體中局部原子排列不規則的區域。實際上，金屬由于結晶及其它加工等條件的影際上，金屬由于結晶及其它加工等條件的影響，而使得晶粒內部也存在著大量的缺陷，響，而使得晶粒內部也存在著大量的缺陷，更不要說晶界了。這些缺陷的存在，對金屬更不要說晶界了。這些缺陷的存在，對金屬的性能的性能( (物理性能、化學性能、特別是機械性物理性能、化學性能、特別是機械性能能) )都將發生顯著的影響。都將發生顯著的影響。 根據晶體缺陷根據晶體缺陷(crystal defects)(crystal defects)存在形存在形式的幾何特點，通常將它們分為：點缺陷、式的幾何

32、特點，通常將它們分為：點缺陷、線缺陷以及面缺陷三大類。線缺陷以及面缺陷三大類。 4.2 4.2晶格缺陷晶格缺陷 是指晶體空間中，在是指晶體空間中，在長、寬、高三維尺度上長、寬、高三維尺度上都很小的，不超過幾個都很小的，不超過幾個原子直徑的缺陷原子直徑的缺陷 是指以一個點為中心。是指以一個點為中心。在它的周圍造成原子排在它的周圍造成原子排列的不規則，產生晶格列的不規則，產生晶格的畸變和內應力的晶體的畸變和內應力的晶體缺陷。缺陷。 主要有間隙原子，置主要有間隙原子，置換原子，晶格空位三種。換原子，晶格空位三種。1.點缺陷：點缺陷： 線缺陷線缺陷(line defect)是在晶體的某一平面上，沿著某

33、是在晶體的某一平面上，沿著某一方向，伸展開來呈線狀分布的一種缺陷。這種缺陷的一方向，伸展開來呈線狀分布的一種缺陷。這種缺陷的特征是，在一個方向上的尺寸很長，而另兩個方向的尺特征是，在一個方向上的尺寸很長，而另兩個方向的尺寸則很短。這種缺陷的主要形式就是各種類型的位錯寸則很短。這種缺陷的主要形式就是各種類型的位錯(dislocation)。 簡單說就是指晶體中某一列或若干列原子發生有規簡單說就是指晶體中某一列或若干列原子發生有規律的錯排現象。它引起的晶格錯線為中心軸的一個管狀律的錯排現象。它引起的晶格錯線為中心軸的一個管狀區域。區域。(2)線缺陷線缺陷 主要是指晶界和亞晶界。主要是指晶界和亞晶界

34、。 面缺陷是由于受到其兩側的不同晶格位向的晶粒或面缺陷是由于受到其兩側的不同晶格位向的晶粒或亞晶粒的影響而使原子呈不規則排列。原子的位置處于亞晶粒的影響而使原子呈不規則排列。原子的位置處于兩晶格的取向所能適應的折衷位置上。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則的過渡帶。面缺陷是有一定厚度的原子排列不規則的過渡帶。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。的大小及晶格變化的純度。 通過上述討論可見，凡晶格缺陷處及其附近，均有明顯通過上述討論可見，凡晶格缺陷處及其附近，均有明顯的晶格畸變，

35、因而會引起晶格能量的提高，并使金屬的物的晶格畸變，因而會引起晶格能量的提高，并使金屬的物理、化學和機械性能發生顯著的變化。理、化學和機械性能發生顯著的變化。 那么，金屬中的多晶結構和晶格缺陷是怎樣形成的呢？那么，金屬中的多晶結構和晶格缺陷是怎樣形成的呢？為此就必須從金屬凝固時的結晶過程談起。為此就必須從金屬凝固時的結晶過程談起。3.面缺陷：面缺陷：為什么要了解金屬的結晶規律呢？為什么要了解金屬的結晶規律呢？ 第五節第五節 金屬的結晶與同素異構轉變金屬的結晶與同素異構轉變 因為金屬的組織與結晶過程有密切關因為金屬的組織與結晶過程有密切關系，金屬一般都要經過熔煉、澆注成形、系，金屬一般都要經過熔煉

36、、澆注成形、或澆注成鑄錠再經冷熱加工成形。這樣結或澆注成鑄錠再經冷熱加工成形。這樣結晶形成的組織，直接影響金屬內部的組織晶形成的組織，直接影響金屬內部的組織與性能。與性能。 物質從液體狀態轉變為固態晶體的過程稱為結物質從液體狀態轉變為固態晶體的過程稱為結晶晶(crystallize)。 從物質的內部結構從物質的內部結構(指內部原子排列情況指內部原子排列情況)來看，來看，結晶就是從原子不規則排列狀態結晶就是從原子不規則排列狀態(液態液態)過渡到規則排過渡到規則排列狀態列狀態(晶體狀態晶體狀態)的過程。實際上，液體狀態下原子的過程。實際上，液體狀態下原子的排列并非完全沒有規則，而是存在著所謂近程有

37、的排列并非完全沒有規則，而是存在著所謂近程有序，但這些排列是不穩定的，每一個規則排列的原序，但這些排列是不穩定的，每一個規則排列的原子集團只在一瞬間產生，接著就消失。但對整個宏子集團只在一瞬間產生，接著就消失。但對整個宏觀體積的液體金屬來說，在每一瞬間都存在著許多觀體積的液體金屬來說，在每一瞬間都存在著許多近程有序的原子集團。近程有序的原子集團。 5.1 5.1 純金屬的結晶純金屬的結晶(1)冷卻曲線與過冷度冷卻曲線與過冷度 對于每種金屬，存在著一定的平衡結晶溫度對于每種金屬，存在著一定的平衡結晶溫度(用用T0或或Tm表示表示)，當液態金屬冷卻到低于這一溫度時即，當液態金屬冷卻到低于這一溫度時

38、即開始結晶。如水冷卻到開始結晶。如水冷卻到0以下就要結冰一樣。以下就要結冰一樣。 在平衡結晶溫度下，液態金屬與其晶體處于平衡在平衡結晶溫度下，液態金屬與其晶體處于平衡狀態。為什么呢？狀態。為什么呢？ 因為這時液體中的原子結晶到晶體上的速度與晶因為這時液體中的原子結晶到晶體上的速度與晶體上的原子熔入液體中的速度相等。體上的原子熔入液體中的速度相等。 從宏觀的范圍看，這時既不結晶也不熔化，晶從宏觀的范圍看，這時既不結晶也不熔化，晶體與液體處于平衡狀態。只有冷卻到低于平衡結晶溫體與液體處于平衡狀態。只有冷卻到低于平衡結晶溫度才能有效地進行結晶。度才能有效地進行結晶。 純金屬的結晶是在恒溫下進行的，結

39、晶過程可用冷卻純金屬的結晶是在恒溫下進行的，結晶過程可用冷卻曲線來描述。曲線來描述。NoImage金屬的結晶溫度可以用熱金屬的結晶溫度可以用熱分析法測定。分析法測定。 熱分析的大概的過程如熱分析的大概的過程如下：先將金屬加熱到熔點下：先將金屬加熱到熔點溫度以上熔化呈液態，然溫度以上熔化呈液態，然后以非常緩慢的冷卻速度后以非常緩慢的冷卻速度冷卻到室溫，每隔一定的冷卻到室溫，每隔一定的時間記錄一次溫度值直到時間記錄一次溫度值直到室溫。于是就建立起溫度室溫。于是就建立起溫度時間的關系曲線，即冷時間的關系曲線，即冷卻曲線，如下圖。卻曲線，如下圖。 當金屬開始結晶時，由于放出結晶潛熱，在冷卻曲線上就出當

40、金屬開始結晶時，由于放出結晶潛熱，在冷卻曲線上就出現一段水平線現一段水平線(溫度不變溫度不變)，這段水平線所對應的溫度就是實，這段水平線所對應的溫度就是實際結晶溫度際結晶溫度(用用Tn表示表示)。實際結晶溫度總是低于平衡結晶溫。實際結晶溫度總是低于平衡結晶溫度，兩者之差稱為過冷度，用度，兩者之差稱為過冷度，用T表示。表示。 T與冷卻速度、金屬純度等因素有關。冷卻速度愈快，與冷卻速度、金屬純度等因素有關。冷卻速度愈快，過冷度愈大。實際金屬的結晶總是在過冷的條件下才能進過冷度愈大。實際金屬的結晶總是在過冷的條件下才能進行。行。 純金屬結晶時，首先在液態金屬中形成細小的純金屬結晶時，首先在液態金屬中

41、形成細小的小晶體，稱為晶核小晶體，稱為晶核(crystal nucleus)。它不斷吸附周。它不斷吸附周圍原子而長大。同時在液態金屬中又會產生新的晶圍原子而長大。同時在液態金屬中又會產生新的晶核，直到全部液態金屬結晶完畢，最后形成許許多核，直到全部液態金屬結晶完畢，最后形成許許多多不規則、尺寸大小不等的小晶體。因而，液態金多不規則、尺寸大小不等的小晶體。因而，液態金屬的結晶過程包括晶核的形成與長大這相互聯系、屬的結晶過程包括晶核的形成與長大這相互聯系、相互重疊的兩個過程，如下圖。相互重疊的兩個過程，如下圖。NoImage成核分為自發成核和非自發成核成核分為自發成核和非自發成核 。2.結晶過程結晶過程為什么在一定的溫度條件下為什么在一定的溫度條件下(低于平衡結晶溫度低于平衡結晶溫度)，就，就會發生液態向固態的轉化呢？會發生液態向固態的轉化呢？ 3.結晶的條件結晶的條件 達到了結晶開始溫度，同種化學成分金屬其固態的達到了結晶開始溫度，同種化學