金属与合金的晶体结构与结晶

1、第二章金属与合金的晶体结构第二章金属与合金的晶体结构第三章金属与合金的结晶第三章金属与合金的结晶金属与非金属相比，不仅具有良好的力学性能、化学性能，金属与非金属相比，不仅具有良好的力学性能、化学性能，而且还具有较优良的工艺性能。即使金属材料，不同金属、不而且还具有较优良的工艺性能。即使金属材料，不同金属、不同状态、不同成分也会有很大的差异。同状态、不同成分也会有很大的差异。2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构晶体晶体 ：非晶体非晶体 ：固态下原子在物质内部作固态下原子在物质内部作有规则有规则排列即为晶体。排列即为晶体。固态下物质内部原子呈现固态下物质内部原子呈现无序无序堆积状况的，称为堆积状况

2、的，称为非晶体。非晶体。思考：晶体与非思考：晶体与非晶体两者性能上晶体两者性能上的差异？的差异？2.1.1、晶体结构的基本知识、晶体结构的基本知识 空间点阵：把构成固体的基本质点看成空间的几何点，这空间点阵：把构成固体的基本质点看成空间的几何点，这 些点的空间排列阵容即为空间点阵。些点的空间排列阵容即为空间点阵。 晶格：用一些假想线条将点阵中的质点连结起来所构成的晶格：用一些假想线条将点阵中的质点连结起来所构成的 空间格架称为晶格。空间格架称为晶格。 晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小几何单元。晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小几何单元。 晶胞各边的尺晶胞各边的尺寸寸a、b、c称晶格称

3、晶格常数，其大小以常数，其大小以 表示；其棱边表示；其棱边夹角用夹角用、表表示。示。0原子半径原子半径 ：原子在某种晶格中的原子半径，等于晶胞中：原子在某种晶格中的原子半径，等于晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子的中心之间距离的一半原子密度最大的方向上相邻两原子的中心之间距离的一半。致密度：把原子看成刚性小球，原子所占体积与晶胞体积之致密度：把原子看成刚性小球，原子所占体积与晶胞体积之比比K。用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。晶格尺寸：用晶格常数表示。立方晶格中晶格尺寸：用晶格常数表示。立方晶格中a=b=c，用一个，用一个常数常数a表示即可。表示即可。晶

4、面晶向晶晶 格格晶晶 面面晶晶 向向晶晶 胞胞体心立方晶格体心立方晶格1、体心立方晶格、体心立方晶格体心立方晶格中：体心立方晶格中： 原子半径原子半径 ; 原子数为原子数为 个；个； 致密度致密度 。 属这类晶格的属这类晶格的金属有金属有-Fe、-Fe、Cr、Mo、W、V、Na等。等。ar)4/3(2188168. 034233arK2面心立方晶格面心立方晶格 面心立方晶胞中：面心立方晶胞中： 原子半径为原子半径为 ； 原子数为原子数为 ； 致密度为致密度为0.74 。 属这类晶格的金属有属这类晶格的金属有-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等。等。ar424621881面心立方晶格面心立方晶

5、格3密排六方晶格密排六方晶格 晶格常数用晶格常数用a、c表示，表示，两者比值两者比值c/a1.633 ； 原子数为原子数为 ； 原子半径原子半径 ； 致密度为致密度为0.74 。 属这类晶格的属这类晶格的 金属有金属有Mg、Zn、Be、Cu等。等。632211261ar21密排六方晶格密排六方晶格计算密排六方计算密排六方晶体原子数晶体原子数晶体晶体类型类型晶格晶格常数常数晶胞晶胞原子原子数数原子原子半径半径致密致密度度配位配位数数举例举例说明说明体心体心立方立方a20.688a-Fe、W、V面心面心立方立方a40.7412Al、Cu密排密排六方六方a、c6a/20.7412Zn、Mg、Be密排

6、面密排面数量数量密排方向密排方向数量数量体心立方晶格体心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1底面对角线底面对角线32.1.3、实际金属的晶体结构、实际金属的晶体结构1单晶体与多晶体单晶体与多晶体 1）单晶体：把晶体看成是原子按一定几何规律作周期性排列）单晶体：把晶体看成是原子按一定几何规律作周期性排列而成，即晶体内部的晶格位向是一致的。而成，即晶体内部的晶格位向是一致的。 2）多晶体）多晶体 位向不同的小晶体称为晶粒；位向不同的小晶体称为晶粒； 晶粒与晶粒之间的交界称为晶界。晶粒与晶粒之间的交界称为晶界。晶粒晶界金属晶体中，原子排列或多

7、或少地存在局部遭到破坏金属晶体中，原子排列或多或少地存在局部遭到破坏呈现不完整或者偏离理想结构的区域，这一区域称为晶体缺呈现不完整或者偏离理想结构的区域，这一区域称为晶体缺陷。陷。2晶体缺陷晶体缺陷注：注：这些缺陷对金属的很多这些缺陷对金属的很多性能有着极其重要的影响。性能有着极其重要的影响。根据缺陷的几何形状，可分为：1、点缺陷2、线缺陷3、面缺陷间隙原子晶格空位1）点缺陷：）点缺陷： 晶体中存在空位、间隙原子、置换原子都是晶格晶体中存在空位、间隙原子、置换原子都是晶格的点缺陷，它们会导致的点缺陷，它们会导致“晶格畸变晶格畸变”的现象，如图所示。的现象，如图所示。 点缺陷可提高材料的强度和硬

8、度点缺陷可提高材料的强度和硬度。BACK2）线缺陷）线缺陷 线缺陷就是晶格中的位错现象。常见的位错类型有刃型线缺陷就是晶格中的位错现象。常见的位错类型有刃型位错、螺型位错等。如图所示。位错、螺型位错等。如图所示。 位错也引起晶格畸变。金属强度与位错位错也引起晶格畸变。金属强度与位错密度的关系是：位错的存在可降低理想晶密度的关系是：位错的存在可降低理想晶体的强度，大量的位错又可使其强度提高。体的强度，大量的位错又可使其强度提高。 生产中一般采用增加位错的办法提高生产中一般采用增加位错的办法提高材料的强度。如材料的强度。如加工硬化。加工硬化。ABEHGF透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中

9、的位错线(黑线黑线)BACK3）面缺陷）面缺陷晶界、亚晶界是晶体缺陷中的面缺陷，如图所示。晶界、亚晶界是晶体缺陷中的面缺陷，如图所示。 晶界：指晶粒之间必然形成的交界面。晶界：指晶粒之间必然形成的交界面。 亚晶界：指亚晶粒之间形成的交界面。亚晶粒是由被称为亚晶界：指亚晶粒之间形成的交界面。亚晶粒是由被称为 镶嵌块的小晶粒组成的。镶嵌块的小晶粒组成的。 面缺陷能提高金属材料的强度和塑性。面缺陷能提高金属材料的强度和塑性。总之，总之， Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜单相单相合金合金两相两相合金合金 相称相称固溶体固溶体。习惯以。习惯以 、 、 表示。表示。l与合金晶体结构相同的元素称与合金晶体

10、结构相同的元素称溶剂。溶剂。其它元素称其它元素称溶质。溶质。l固溶体是合金的重要组成相，固溶体是合金的重要组成相，实际合实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。基的合金。l按溶质原子所处位置分为按溶质原子所处位置分为置换固溶体置换固溶体和间隙固溶体。和间隙固溶体。l1.1.固溶体的分类固溶体的分类Cu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-C间隙固溶体间隙固溶体黄铜置换固溶体组织黄铜置换固溶体组织 属元素，如属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般等，而溶剂元素一般是过渡族元素。是过渡族元素。l形成间隙固溶体的一形成间隙固溶体的一般规律为般规律为r质质/r剂剂0.

11、59。l间隙固溶体都是无序间隙固溶体都是无序固溶体。固溶体。Cu-Ni无限固溶体无限固溶体Cu-Zn有限固溶体有限固溶体固溶体固溶体化合物化合物l与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。和韧性则要高得多。铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3Cl当合金中出现金属化合物当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。和耐磨性，但降低塑性。l金属化合物也是合金的重金属化合物也是合金的重要组成相。要组成相。l1.金属化合物的分类金属化合物的分类Al-Mg-Si合金中的合金中的Mg2SiPbPb基轴承合金中的电子化合物基轴承合金中的电子化合物VC的的结构结构Fe3C的晶格的晶格高温合金中的高温合金中的Cr23C62 2. .金属化合物的性能金属化合物的性能 （1 1）金属化合物的熔点一般较高，性能硬而脆。）金属化合物的熔点一般较高，性能硬而脆。 （2 2）呈细小颗粒均