關于純金屬與合金的晶體結構第一節純金屬的晶體結構一、晶體與非晶體固態物質按其原子的排列特征可分為晶體與非晶體。凡原子按一定規律排列的固態物質，稱為晶體。如金剛石、石墨及固態金屬與合金。而少數固態物質，如松香、瀝青、玻璃、塑料等是非晶體。對兩者比較可以看出，晶體具有如下特點：（１）原子在三維空間呈規則、周期性重復排列，如圖２-１（ａ）所示；（２）具有一定的熔點，如純鐵的熔點為１５３８℃，鋁的熔點為６６０℃；（３）晶體的性能隨著原子的排列方位而改變，即單晶體具有各向異性。下一頁返回第2頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第一節純金屬的晶體結構

金屬晶體除具有上述晶體所共有的特征外，還具有金屬光澤、良好的導電性、導熱性和延展性，尤其是金屬晶體還具有正的電阻溫度系數，這是金屬晶體與非金屬晶體的根本區別。上一頁下一頁返回第3頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第一節純金屬的晶體結構二、晶體結構的基本知識１晶格為了形象描述晶體內部原子排列的規律，可將原子抽象為幾何點，并用一些假想線條將幾何點在三維方向連接起來，這樣構成的空間格子稱為晶格，如圖２-１（ｂ）所示。晶格中的每一個點稱為結點。２晶胞由于晶體中原子排列具有周期性變化的特點，因此，可以從晶格中選取一個能夠完整反映晶格特征的最小幾何單元，從中找出晶體特征及原子排列規律。這個組成晶格的最基本幾何單元稱為晶胞，如圖２-１（ｃ）所示。實際上整個晶格就是由許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復堆積而成的。上一頁下一頁返回第4頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第一節純金屬的晶體結構３晶格常數不同元素結構不同，晶胞的大小和形狀也有差異。結晶學中規定，晶胞的大小以其各棱邊尺寸a、b、c表示，稱為晶格常數，單位為。４致密度金屬晶胞中原子所占的體積與該晶胞所占體積的百分比，用來表示原子在晶格中排列的緊密程度。三、金屬中常見的晶格類型各種晶體由于其晶格類型和晶格常數不同，故呈現出不同的物理、化學及力學性能。除少數金屬具有復雜晶格外，大多數金屬的晶體結構都比較簡單，其中常見的有以下３種：上一頁下一頁返回第5頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第一節純金屬的晶體結構１體心立方晶格體心立方晶格的晶胞是一個立方體，原子分布在立方體的８個結點及中心處，如圖２-２所示。２面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一個立方體，原子分布在立方體的８個結點及各面的中心處，如圖２-３所示。３密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一個正六棱柱體，晶胞的３個棱邊長度犪＝犫＝犮，晶胞棱邊夾角α＝β＝９０°、γ＝１２０°，其晶格常數用正六邊形底面的邊長犪和晶胞的高度犮表示。在密排六方晶胞的１２個結點上和上、下底面的中心處各排列有一個原子，此外柱體中心處還包含著３個原子，如圖２-４所示。上一頁返回第6頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第二節金屬的實際晶體結構一、單晶體與多晶體晶體內部晶格位向完全一致的晶體稱為單晶體，單晶體具有各向異性的特征。在工業生產中，只有通過特殊制作才能獲得單晶體，如半導體元件、磁性材料、高溫合金材料等。實際使用的工業金屬材料，即使體積很小，其內部仍包含了許多顆粒狀的小晶體。每個小晶體的內部，晶格方位都是基本一致的，而各個小晶體之間彼此的方位都不相同的，如圖２-５所示。每個小晶體的外形多為不規則的顆粒，通常稱為晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。這種實際上由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。一般金屬材料都是多晶體。下一頁返回第7頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第二節金屬的實際晶體結構二、晶體中的缺陷晶體中原子完全為規則排列時，稱為理想晶體。實際上，金屬由于許多因素（如結晶條件、原子熱運動及加工條件等）的影響，使某些區域的原子排列受到干擾和破壞，內部總是存在著大量缺陷。根據晶體缺陷的幾何特征，可將其分為以下３類：１點缺陷點缺陷是指在長、寬、高三個方向上尺寸都很小的一種缺陷，最常見的是空位和間隙原子，如圖２-６所示。上一頁下一頁返回第8頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第二節金屬的實際晶體結構２線缺陷線缺陷是指在晶體中呈線狀分布，即一個方向上尺寸很大，而另兩個方向上很小的缺陷。常見的線缺陷是各種類型的位錯。所謂位錯，就是在晶體中某處有一列或若干列原子發生了某種有規律的錯排現象。金屬晶體內存有大量的各種類型位錯，其中“刃型位錯”是一種比較簡單的位錯，如圖２-７。晶體中位錯的多少可用單位體積中所包括的位錯線的總長度表示，稱為位錯密度，即上一頁下一頁返回第9頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第二節金屬的實際晶體結構３面缺陷面缺陷是指呈面狀分布，即在兩個方向上的尺寸很大，而在第三個方向上尺寸很小的缺陷。這類缺陷主要有晶界和亞晶界。（１）晶界。工業上使用的金屬材料一般都是多晶體。多晶體中兩個相鄰晶粒之間的位向不同，所以晶界處實際上是原子排列逐漸從一種位向過渡到另一種位向的過渡層，該過渡層的原子排列是不規則的。相鄰晶粒的位向差一般為３０°～４０°，晶界寬度為５～１０個原子間距，如圖２-８所示。上一頁下一頁返回第10頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第二節金屬的實際晶體結構（２）亞晶界。在每個晶粒內，其晶格位向并不像理想晶體那樣完全一致，而是存在許多尺寸很小，位向差也很小（一般２°～３°）的小晶塊，這些小晶塊稱為“亞晶粒”，兩相鄰亞晶粒的界面稱為“亞晶界”。亞晶界實際上是由一系列刃型位錯所組成的小角度晶界，如圖２-９所示。上一頁返回第11頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三節合金的晶體結構一、合金的基本概念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，具有金屬特性的新物質。組成合金最基本的、獨立的物質稱為組元（簡稱元）。通常組元是指組成合金的元素，例如普通黃銅的組元是銅和鋅，鐵碳合金的組元是鐵和碳。一般來說，穩定的化合物也可以作為組成合金的組元。按組元數目，合金分為二元合金、三元合金和多元合金等。可以由給定組元按不同比例配制出一系列不同成分的合金，這一系列合金就構成了合金系。例如各種牌號的碳鋼就是由不同鐵、碳含量的合金所構成的鐵碳合金系。下一頁返回第12頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三節合金的晶體結構二、合金的相結構根據構成合金的各組元之間相互作用的不同，固態合金的相結構可分為固溶體和金屬化合物兩大類。１固溶體合金在固態下，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相，稱為固溶體。形成固溶體后，晶格類型保持不變的組元稱溶劑，晶格消失的組元稱溶質。固溶體的晶格類型與溶劑組元相同。根據溶質原子在溶劑晶格中所占據位置的不同，可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。上一頁下一頁返回第13頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三節合金的晶體結構（１）置換固溶體。若溶質原子代替一部分溶劑原子而占據溶劑晶格中的某些結點位置，稱為置換固溶體，如圖２-１０（ａ）所示。（２）間隙固溶體。溶質原子在溶劑晶格中并不占據晶格結點的位置，而是在結點間的空隙中，這種形式的固溶體稱為間隙固溶體，如圖２-１０（ｂ）所示。（３）固溶體的性能。由于溶質原子的溶入，使固溶體的晶格畸變（如圖２-１１所示），變形抗力增大，使金屬的強度、硬度升高的現象稱為固溶強化。它是強化金屬材料的重要途徑之一。上一頁下一頁返回第14頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三節合金的晶體結構２金屬化合物金屬化合物是指合金組元間發生相互作用而形成的具有金屬特性的一種新相，它的組成一般可用分子式表示。根據形成條件及結構特點，常見的金屬化合物有三種類型。（１）正常價化合物。正常價化合物是指嚴格遵守原子價規律的化合物，它們是由元素周期表中相距較遠，電化學性質相差較大的元素組成的。（２）電子化合物。電子化合物是指不遵守原子價規律，但是有一定的電子濃度（化合物中總價電子數與總原子數之比）的化合物。電子化合物的晶體結構與電子濃度有一定的對應關系。上一頁下一頁返回第15頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三節合金的晶體結構（３）間隙化合物。間隙化合物是指由過渡族金屬元素與原子半徑較小的碳、氮、氫、硼等非金屬元素形成的化合物。尺寸較大金屬元素原子占據晶格的結點位置，尺寸較小的非金屬元素的原子則有規律地嵌入晶格的間隙中。按結構特點，間隙化合物分為以下兩種：①間隙相。②復雜晶體結構的間隙化合物。上一頁返回第16頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-１晶體結構示意圖返回第17頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-１晶體結構示意圖返回第18頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-２體心立方晶格返回第19頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-３面心立方晶格返回第20頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-４密排六方晶格返回第21頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-５金屬的多晶體結構示意圖返回第22頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-６空位和間隙原子示意圖返回第23頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-７刃型位錯示意圖返回第24頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-８晶界的過渡結構示意圖返回第