金属与合金的晶体结构

1、 第二章第二章 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构 机械制造基础 第二章 教 学 要 求 通过学习，学生应了解和掌握金属与合金的晶体结构、晶体缺陷，以及合金的相结构为以后的学习奠定基础。 机械制造基础 第二章第一节第一节 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构第二节第二节 合金的晶体结构合金的晶体结构第三节第三节 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构主主 要要 内内 容容 机械制造基础 第二章本 章 重 点合金的相结构；合金的相结构；金属的晶体缺陷。金属的晶体缺陷。 机械制造基础 第二章 第一节第一节 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 一、晶体结构的基本知识一、晶体结构的基本知识1、晶体与非晶

2、体固态物质按原子（或分子）的聚集不同分为两类：晶晶 体体 原子具有规则排列的物质；原子具有规则排列的物质；非非 晶晶 体体 原子不具有规则排列的物质。原子不具有规则排列的物质。晶体的三个特征：晶体的三个特征：（1）晶体中的原子（或分子）在三维空间作有规则的周期性的重复排列，因此晶体具有规则的外形；（2）晶体具有固定的熔点（如铁为1538、铝为660 ）；（3）在不同的方向上具有不同的性能，即具有各向异性。 机械制造基础 第二章 二、金属的晶体缺陷二、金属的晶体缺陷 晶体缺陷晶体缺陷晶体内部由于结晶条件或加工等方面的影晶体内部由于结晶条件或加工等方面的影响，使原子排列规则受到破坏，表现出原子排列

3、的不完整性。响，使原子排列规则受到破坏，表现出原子排列的不完整性。按照缺陷的几何特征，可分为以下类：按照缺陷的几何特征，可分为以下类： 1 1、空位和、空位和间隙原子间隙原子（点缺陷）（点缺陷） 在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占有，在晶格中便出现了空的结点，这种空着的晶格结点称为晶格空位。同时，又有可能在个别晶格空隙处出现多余原子。这种不占据正常晶格位置而处在晶格空隙中的原子，称为间隙原子如图2-10所示。 机械制造基础 第二章 晶格晶格：把原子看成一个点，把原子看成一个点，用假想的线条把原子连接用假想的线条把原子连接起来构成的空间格子。起来构成的空间格子。晶胞晶胞：能反映晶

4、格特能反映晶格特征的最小几何单元体。征的最小几何单元体。 机械制造基础 第二章 二、金属中常见的晶格类型二、金属中常见的晶格类型 在已知的80余种金属元素中，大多数金属都具有比较简单的晶体结构。最常见的金属晶格有三种类型。 1 1、体心立方晶格体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在立方是一个立方体，在立方体的八个顶角上各有一体的八个顶角上各有一个原子，在立方体的中个原子，在立方体的中心还有一个原子。心还有一个原子。 具有体心立方晶格的具有体心立方晶格的金属有铬、钨、钼、钒金属有铬、钨、钼、钒及及铁等。铁等。 机械制造基础 第二章 2 2、面心立方晶格面心立方晶格 面

5、心立方晶格的晶胞也是一个立方体，在立方体的八个顶面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，在立方体的八个顶角各有一个原子，同时在立方体的六个面的中心又各有一个角各有一个原子，同时在立方体的六个面的中心又各有一个原子。具有这种晶格的金属有铜、铝、银、金、镍、原子。具有这种晶格的金属有铜、铝、银、金、镍、铁等。铁等。 3 3、密排六方晶格密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱体，在柱体的密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱体，在柱体的1212个顶角个顶角上各有一个原子，上下底面的中心也各有一个原子；晶胞内部上各有一个原子，上下底面的中心也各有一个原子；晶胞内部还有三个呈品字形排列的原子。具有这种晶格的

6、金属有铍、镁、还有三个呈品字形排列的原子。具有这种晶格的金属有铍、镁、锌和钛等。锌和钛等。 机械制造基础 第二章 第二节第二节 合金的晶体结构合金的晶体结构 一、合金的基本概念 1 1、合金、合金 由两种或两种以上的金属元素，或金属元素由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起，形成具有金属特性的物质与非金属元素熔合在一起，形成具有金属特性的物质。 例如，钢是由铁和碳组成的合金；普通黄铜是由铜和例如，钢是由铁和碳组成的合金；普通黄铜是由铜和锌组成的合金。锌组成的合金。 合金除有金属的基本特性外，还有优良的力学性能及某些合金除有金属的基本特性外，还有优良的力学性能及某些特殊的物

7、理和化学性能，如高强度、强磁性、耐热性及耐蚀性特殊的物理和化学性能，如高强度、强磁性、耐热性及耐蚀性等。等。 2 2、组元、组元 组成合金的独立的、最基本的单元组成合金的独立的、最基本的单元称为组元。称为组元。合合金的组元通常是纯元素金的组元通常是纯元素，但也可以是在所研究的范围内既不分但也可以是在所研究的范围内既不分解也不发生任何反应的稳定化合物。解也不发生任何反应的稳定化合物。 根据合金组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合根据合金组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。金和多元合金。 机械制造基础 第二章 3 3、合金系、合金系 由二个或二个以上的组元按不同的含量配由

8、二个或二个以上的组元按不同的含量配制的一系列不同成分的合金，称为一个合金系，简称系制的一系列不同成分的合金，称为一个合金系，简称系。如如Cu - ZnCu - Zn系、系、PbPb - - SnSn系、系、Fe - CFe - C系等。系等。 4 4、相、相 合金中凡是结构、成分和性能相同并且与其它部合金中凡是结构、成分和性能相同并且与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为相分有界面分开的均匀组成部分称为相。液态物质称为液相，。液态物质称为液相，固态物质称为固相。在固态下，物质可以是单相的，也可以固态物质称为固相。在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。我们后面将要提到是多相的。我们后面将要

9、提到“组织组织”这个名词，这是一个这个名词，这是一个与与“相相”最易混淆的概念。最易混淆的概念。 所谓所谓组织组织，是指，是指用肉眼或借助显微镜观察到的具有某种用肉眼或借助显微镜观察到的具有某种形态特征的合金组成物形态特征的合金组成物。实质上它是一种或多种相按一定的。实质上它是一种或多种相按一定的方式相互结合所构成的整体的总称。它直接决定着合金的性方式相互结合所构成的整体的总称。它直接决定着合金的性能。能。 机械制造基础 第二章 二、合金的相结构二、合金的相结构 根据组元间相互作用不同，根据组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两基本类型溶体和金属

10、化合物两基本类型。 （一）（一）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。为固溶体。 固溶体的晶格类型与其中某一组元的晶格类型相同固溶体的晶格类型与其中某一组元的晶格类型相同。能保。能保留晶格形式的组元称为固溶体的留晶格形式的组元称为固溶体的溶剂溶剂，其它组元称为，其它组元称为溶质溶质。 根据溶质原子在溶剂晶格结点所占据的位置，可将固溶根据溶质原子在溶剂晶格结点所占据的位置，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种基本类型，如图体分为置换固溶体和间隙固溶体两种基本类型，如图2-72-7所所示。示。 机械制造基础

11、第二章 1 1、置换固溶体置换固溶体 溶质原子占据了部分溶剂晶格的结点溶质原子占据了部分溶剂晶格的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体位置而形成的固溶体称置换固溶体 。 根据固溶体中溶质原子的溶解情况，置换固溶体又分为根据固溶体中溶质原子的溶解情况，置换固溶体又分为有限固溶体和无限固溶体。有限固溶体和无限固溶体。 有限固溶体有限固溶体溶质原子在溶剂溶质原子在溶剂中的溶解量受到限制，只能部分中的溶解量受到限制，只能部分占据溶剂晶格的结点位置，则称占据溶剂晶格的结点位置，则称为有限固溶体为有限固溶体 。 无限固溶体无限固溶体 若两组元可以若两组元可以按任意比例相互溶解，即溶质原按任意比例相互溶解，即

12、溶质原子能无限制地占据溶剂晶格的结子能无限制地占据溶剂晶格的结点，则形成无限固溶体。点，则形成无限固溶体。 如铁和铬、铜和镍如铁和铬、铜和镍 就能形成无就能形成无限固溶体。限固溶体。 机械制造基础 第二章 提问：提问：在什么情况下会形成无限固溶体？在什么情况下会形成无限固溶体？ 2 2、间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子分布在溶质原子分布在溶剂晶格的间隙中溶剂晶格的间隙中形成的形成的固溶体叫做间隙固溶体。固溶体叫做间隙固溶体。 由于溶剂晶格的间隙很小，所以只有溶质原子与溶剂原子由于溶剂晶格的间隙很小，所以只有溶质原子与溶剂原子半径之比较小时半径之比较小时 ( (小于小于0.59) 0.59) 才能

13、形成间隙固溶体。才能形成间隙固溶体。 由于溶剂晶格中的间隙总是有限的，所以由于溶剂晶格中的间隙总是有限的，所以间隙固溶体都是间隙固溶体都是有限固溶体。有限固溶体。 3 3、固溶体的性能固溶体的性能 由于溶质原子溶人溶剂晶格后，不论是形成间隙固溶体，由于溶质原子溶人溶剂晶格后，不论是形成间隙固溶体，还是形成置换固溶体，都将引起晶格畸变，使其塑性变形的抗还是形成置换固溶体，都将引起晶格畸变，使其塑性变形的抗力增大，因而使得合金的强度、硬度升高，这种现象称为力增大，因而使得合金的强度、硬度升高，这种现象称为固溶固溶强化强化。 机械制造基础 第二章 当材料的强度、硬度提高时，其塑性和韧性有下降的趋势，

14、当材料的强度、硬度提高时，其塑性和韧性有下降的趋势，但只要其固溶度控制得当，塑性和韧性仍可保持良好。因此固但只要其固溶度控制得当，塑性和韧性仍可保持良好。因此固溶体合金常具有比较好的综合力学性能。溶体合金常具有比较好的综合力学性能。 另外，固溶体内晶格的畸变还会使固溶体合金某些物理性另外，固溶体内晶格的畸变还会使固溶体合金某些物理性能发生变化，如降低导电性、导热性等。如果是单相固溶体合能发生变化，如降低导电性、导热性等。如果是单相固溶体合金，则在电解质中不会像两相合金那样构成微电池，故单相固金，则在电解质中不会像两相合金那样构成微电池，故单相固溶体合金的耐蚀性较高，某些不锈钢就是利用了这一原理

15、。溶体合金的耐蚀性较高，某些不锈钢就是利用了这一原理。（二）（二）金属化合物金属化合物 金属化合物是各组元的原子按一定的比例相互作用生成的金属化合物是各组元的原子按一定的比例相互作用生成的晶格类型和性能完全不同于任一组元，并且有一定金属性质的晶格类型和性能完全不同于任一组元，并且有一定金属性质的新相。新相。 例如，钢中渗碳体例如，钢中渗碳体 ( Fe3C ) ( Fe3C ) 是是铁原子和碳原子铁原子和碳原子所组成的金所组成的金属化合物，它具有如图属化合物，它具有如图2-82-8所示的复杂晶格结构。所示的复杂晶格结构。 机械制造基础 第二章 金属化合物的熔点较高，性能硬而金属化合物的熔点较高，

16、性能硬而脆。当合金中出现金属化合物时，通常脆。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。会降低塑性和韧性。 金属化合物是各类合金钢硬质合金金属化合物是各类合金钢硬质合金和许多有色金属的重要组成相，常作为和许多有色金属的重要组成相，常作为强化相来发挥作用。强化相来发挥作用。 实际合金的组织可能是由单一的固实际合金的组织可能是由单一的固溶体或金属化合物组成的，也可能是由溶体或金属化合物组成的，也可能是由几种成分和性能不同的固溶体，或固溶几种成分和性能不同的固溶体，或固溶体与金属化合物所组成的。体与金属化合物所组成的。 机械制

17、造基础 第二章 第三节第三节 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构一、实际金属的多晶体结构一、实际金属的多晶体结构 单晶体是指具有一致结晶位向的晶体单晶体是指具有一致结晶位向的晶体 ( (图图2-9a ) 2-9a ) ，表现出，表现出各向各向异性异性。实际的金属都是由许多结晶位向不同的单晶体组成的聚合体，。实际的金属都是由许多结晶位向不同的单晶体组成的聚合体，称为多晶体，如图称为多晶体，如图2 29b9b所示。每一个小的单晶体叫做晶粒。晶粒与所示。每一个小的单晶体叫做晶粒。晶粒与晶粒之间的界面叫做晶界。晶粒之间的界面叫做晶界。 由于多晶体中各个晶由于多晶体中各个晶粒的内部构造是相同的，粒的内

18、部构造是相同的，只是排列的位向不同，只是排列的位向不同，而各个方向上原子分布而各个方向上原子分布的密度大致平均，故多的密度大致平均，故多晶体表现出晶体表现出各向同各向同性性，也叫，也叫“伪无向性伪无向性”。 机械制造基础 第二章 二、金属的晶体缺陷二、金属的晶体缺陷 晶体缺陷晶体缺陷晶体内部由于结晶条件晶体内部由于结晶条件或加工等方面的影响，使原子排列规则受或加工等方面的影响，使原子排列规则受到破坏，表现出原子排列的不完整性。按到破坏，表现出原子排列的不完整性。按照缺陷的几何特征，可分为以下三类：照缺陷的几何特征，可分为以下三类： 1 1、空位和间隙原子（、空位和间隙原子（点缺陷点缺陷） 在实

19、际晶体结构中，晶格的某些结在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占有，在晶格中便点，往往未被原子所占有，在晶格中便出现了空的结点，这种空着的晶格结点出现了空的结点，这种空着的晶格结点称为称为晶格空位晶格空位。 同时，又有可能在个别晶格空隙处同时，又有可能在个别晶格空隙处出现多余原子。这种不占据正常晶格位出现多余原子。这种不占据正常晶格位置而处在晶格空隙中的原子，称为置而处在晶格空隙中的原子，称为间隙间隙原子原子，如图，如图2-102-10所示。所示。 机械制造基础 第二章 2 2位错位错 （线缺陷线缺陷） 位错位错晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的晶体中某处有一列或若干列原子发

20、生有规律的错排现象。刃型位错是金属晶体中最常见且最简单的位错。错排现象。刃型位错是金属晶体中最常见且最简单的位错。 当晶体中有一个原子平面中断在晶体内部时，这个原子当晶体中有一个原子平面中断在晶体内部时，这个原子平面就像一把刀插在一个完整的晶体内，原子平面中断处的平面就像一把刀插在一个完整的晶体内，原子平面中断处的边缘边缘( (称为位错线称为位错线) )就像刀刃，这种位错称为就像刀刃，这种位错称为刃型位错刃型位错，如图，如图2-112-11所示。所示。 由于原子的错排，由于原子的错排，在位错线周围引起了晶在位错线周围引起了晶格畸变，从而产生了应格畸变，从而产生了应力场。力场。 位错理论对研究位

21、错理论对研究金属的塑性变形机理，金属的塑性变形机理，分析金属材料的力学分析金属材料的力学性能等有着重要的作性能等有着重要的作用用。 机械制造基础 第二章 3 3晶界和亚晶界（晶界和亚晶界（面缺陷面缺陷） 多晶体中，晶粒之间存在着晶界。晶界上原子的排列是不多晶体中，晶粒之间存在着晶界。晶界上原子的排列是不规则的，并受到相邻晶粒位向的影响而取折衷位置，如图规则的，并受到相邻晶粒位向的影响而取折衷位置，如图2-2-1212所示。所示。 由于晶界处原子排列结构的由于晶界处原子排列结构的特点，使晶界表现出与晶内不同特点，使晶界表现出与晶内不同的特征。的特征。 晶界处能量高，易被腐蚀，晶界处能量高，易被腐

22、蚀，熔点也比晶内低，晶界处杂质多，熔点也比晶内低，晶界处杂质多，阻碍位错的运动，使金属不易发阻碍位错的运动，使金属不易发生塑性变形生塑性变形( (常温下，细晶粒金常温下，细晶粒金属的强度比粗晶粒金属高属的强度比粗晶粒金属高) )等。等。 机械制造基础 第二章 亚晶界实际上是由一系列刃亚晶界实际上是由一系列刃型位错所形成的小角度晶界，如型位错所形成的小角度晶界，如图图2-132-13所示。所示。 由于亚晶界处原子排列同样由于亚晶界处原子排列同样要产生晶格畸变，因而要产生晶格畸变，因而亚晶界对亚晶界对金属性能有着与晶界相似的影响金属性能有着与晶界相似的影响。 例如，在晶粒大小一定时，例如，在晶粒大小一定时，亚结构越细