第2章材料的结构

1、 2.1 晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念1. ：原子在三维空间呈规则的固体原子在三维空间呈规则的固体。2. ：把原子看成空间的几何点，：把原子看成空间的几何点，点所形点所形 成的空间阵列成的空间阵列。3. ：用假想的空间直线，把这些：用假想的空间直线，把这些点连接起来，点连接起来， 所构成的三维空间格架所构成的三维空间格架。4. ：从晶格中取出：从晶格中取出具有代表性的最小几何单元具有代表性的最小几何单元。5. ：描述晶胞的六个参数：描述晶胞的六个参数a、b、c、。 根据这些参数可将晶体分为根据这些参数可将晶体分为7种晶系，见表种晶系，见表2-1。1晶面指数晶面指数 晶体中各种方位上的原

2、子面叫晶体中各种方位上的原子面叫晶面晶面，表示晶，表示晶面的符号叫面的符号叫晶面指数晶面指数。1） 定坐标定坐标：原点不能过所求晶面；：原点不能过所求晶面；2） 求截距求截距：确定晶面在三个坐标轴上：确定晶面在三个坐标轴上 的截距；的截距；3） 变倒数变倒数：将所求截距变为倒数；：将所求截距变为倒数；4） 化为最小整数化为最小整数：hkl；5） 加圆括号加圆括号（hkl）即为晶面指数。）即为晶面指数。例如：定坐标如图例如：定坐标如图 ABCD面面 ABE面面截距：截距： 1，1， 1，1，1/2倒数：倒数： 1，1，0 1，1，2指数：指数： （110） （112）（110）（112）负方向的

3、截距，在其指数上冠以负号。负方向的截距，在其指数上冠以负号。（hkl）代表一组互相平行的晶面。）代表一组互相平行的晶面。hkl代表原子排列完全相同，只是空代表原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶面，称为间位向不同的各组晶面，称为晶面族晶面族。如如100包括（包括（100）（）（010）（）（001）。）。立方晶格中三个重要晶面：立方晶格中三个重要晶面： 100，110，111，见图，见图2-6，P18。 ： 晶体中各个方向上的原子列叫晶体中各个方向上的原子列叫晶向晶向，表，表示晶向的符号叫示晶向的符号叫晶向指数晶向指数。 2晶向指数晶向指数1）定坐标（原点过所求直线）；）定坐标（原点过所

4、求直线）；2）过原点引直线，平行于所求晶向；）过原点引直线，平行于所求晶向；3）求该直线上任一点的坐标值；）求该直线上任一点的坐标值；4）化为最小整数：）化为最小整数：uvw；5）加方括号）加方括号uvw即为晶向指数。即为晶向指数。 例如：例如： 求求AB晶向指数晶向指数。 定坐标如图，定坐标如图， 作作OPAB， 求求P点坐标为点坐标为1，1，0 AB晶向指数为晶向指数为110。 求求OB晶向指数晶向指数。 求求B点坐标为点坐标为1，1，1 OB晶向指数为晶向指数为111。110111注意注意：uvw代表一组互相平行、方向一致的晶代表一组互相平行、方向一致的晶向；向；代表原子排列完全相同，只

5、是空间代表原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶向，称为位向不同的各组晶向，称为晶向族晶向族；三个重要晶向：三个重要晶向：，；在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向是在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。相互垂直的。 如：如：(111) 111，(110) 110。已知图形，会求指数；已知指数，会画图形。已知图形，会求指数；已知指数，会画图形。如：如：已知（已知（123）晶面和）晶面和123晶向，画其图形。晶向，画其图形。小小 结结注意注意: 晶面变倒数；晶向缩小。晶面变倒数；晶向缩小。(123)123 2.3 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构最常见最典型的纯金属的晶体结构有：最常见

6、最典型的纯金属的晶体结构有：体心立方晶格体心立方晶格：BCC (Body Centered Cubic lattice)面心立方晶格面心立方晶格：FCC (Face Centered Cubic lattice)密排六方晶格密排六方晶格：HCP (Hexagonal Close Packed) 1BCC（见图（见图2-7，P19）1) 晶胞尺寸晶胞尺寸：八个原子构成立方体，体中心还有：八个原子构成立方体，体中心还有一个原子。一个原子。a=b=c，= = =90=90。2) 晶胞原子数晶胞原子数：指一个晶胞内所含的原子个数。指一个晶胞内所含的原子个数。 BCC晶胞原子数为：晶胞原子数为：3) 原

7、子半径原子半径：指晶胞中原子密度最大方向上相邻两个原指晶胞中原子密度最大方向上相邻两个原 子之间距离的一半子之间距离的一半，与晶格常数有关。，与晶格常数有关。 BCC原子半径为：原子半径为： 4) 配位数配位数：指晶格中任一原子周围所具有的最近且等距指晶格中任一原子周围所具有的最近且等距 的原子数的原子数。 BCC配位数为：配位数为：8 5）致密度致密度： BCC： 即晶格中有即晶格中有68体积被原子占据，其余为空隙。体积被原子占据，其余为空隙。6）具有）具有BCC的的金属金属：-Fe 、Cr、Mo、W、V。 2FCC（见图（见图2-8，P19） 1) 晶胞尺寸晶胞尺寸：八个原子构成立方体，每

8、个面心上：八个原子构成立方体，每个面心上还各有一个原子。还各有一个原子。 a=b=c，=90。2）晶胞原子数晶胞原子数：3）原子半径原子半径： 4）配位数配位数：12。5）致密度致密度：6）具有）具有FCC的的金属金属：-Fe、Al、Cu、Ni、Pb。 3HCP（见图（见图2-10，P20） 1）晶胞尺寸晶胞尺寸：由：由12个原子构成简单六方体，上下两个原子构成简单六方体，上下两个六方面中心还各有一个原子，两个六方面之间还有个六方面中心还各有一个原子，两个六方面之间还有三个原子，晶格常数比值三个原子，晶格常数比值c/a=1.633时，排列最紧密时，排列最紧密。2）晶胞原子数晶胞原子数：3）原子

9、半径原子半径： 4）配位数配位数：125）致密度致密度：6）属于这种晶格的属于这种晶格的金属金属：Mg、Zn、Cd、Be。 1多晶体多晶体 晶格位向完全一致，为晶格位向完全一致，为。而实际使用的金属是由很多小晶体组成的，各而实际使用的金属是由很多小晶体组成的，各小晶体的晶格位向不同，称为小晶体的晶格位向不同，称为。见图。见图2-16，P22。2晶体缺陷晶体缺陷（晶格不完整的部位）（晶格不完整的部位） 实际晶体结构中，存在着许多缺陷，按几实际晶体结构中，存在着许多缺陷，按几何特点分为三类：点、线、面缺陷。何特点分为三类：点、线、面缺陷。 2.4 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构：没有原子的结

10、点；：没有原子的结点；：位于晶格：位于晶格间隙中的原子；间隙中的原子；：取代结点上原子的：取代结点上原子的外来原子。外来原子。1）：指空间三维尺寸都很小的缺陷。：指空间三维尺寸都很小的缺陷。：晶体中一列或数列原子发生有规律的错排现象。：晶体中一列或数列原子发生有规律的错排现象。位错也引起晶格畸变，对性能影响也很大。位错也引起晶格畸变，对性能影响也很大。2）：指二维尺寸小，第三维尺寸大的缺陷。：指二维尺寸小，第三维尺寸大的缺陷。 刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错主要有：主要有：晶粒间交界：晶粒间交界(原子排列不规则原子排列不规则,畸变大畸变大,见见图图2-17)：每个晶粒内部是由位向差很小的小晶

11、块组成，：每个晶粒内部是由位向差很小的小晶块组成， 小晶块称为小晶块称为亚晶粒亚晶粒(亚晶粒间位向差只有亚晶粒间位向差只有1-2)，亚，亚晶粒间的交界为晶粒间的交界为亚晶界亚晶界。是由位错堆积而成的，见。是由位错堆积而成的，见图图2-18。3）：指二维尺寸大，第三维尺寸小的缺陷。：指二维尺寸大，第三维尺寸小的缺陷。1合金的基本概念合金的基本概念 ：是指由两种或两种以上元素组成的具有是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。金属特性的物质。如：黄铜，如：黄铜，Cu、Zn合金；合金；碳钢，碳钢，Fe、C合金。合金。：组成合金最基本的独立物质组成合金最基本的独立物质（组成合金（组成合金的元素

12、、稳定化合物）。的元素、稳定化合物）。 ：成分结构相同并以界面分开的均匀部分。成分结构相同并以界面分开的均匀部分。 ：在显微镜下所看到的相的分布形态。在显微镜下所看到的相的分布形态。 2.5 合金的晶体结构合金的晶体结构 指溶质组元溶于溶剂晶格中，并保持溶剂组指溶质组元溶于溶剂晶格中，并保持溶剂组元晶格类型而形成的均匀固体。元晶格类型而形成的均匀固体。按溶质在溶剂晶格中的位置不同可分为：按溶质在溶剂晶格中的位置不同可分为：置换固溶体置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体。成的固溶体。例如：黄铜。例如：黄铜。 按溶质原子与溶剂原子的相对

13、分布不同又分按溶质原子与溶剂原子的相对分布不同又分为：为： 1）无序固溶体）无序固溶体 溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无规律的。规律的。2）有序固溶体）有序固溶体 溶质原子占据溶剂晶格的一定位置。溶质原子占据溶剂晶格的一定位置。 间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子占据溶剂晶格间隙而形成的固溶体。溶质原子占据溶剂晶格间隙而形成的固溶体。 例如：例如：C - -Fe = F，见图，见图2-20，P23。形成条件：只有当形成条件：只有当r溶质溶质/r溶剂溶剂0.59时，才能形成时，才能形成间隙固溶体。间隙固溶体。固溶体的溶解度固溶体的溶解度 指溶质原子在固溶体

14、中的极限浓度。指溶质原子在固溶体中的极限浓度。按按溶解度溶解度不同，固溶体又可分为：不同，固溶体又可分为：1）有限固溶体）有限固溶体 具有有限溶解度的固溶体。具有有限溶解度的固溶体。 如黄铜：如黄铜：Zn39%出现化合物。出现化合物。 2）无限固溶体）无限固溶体 溶质能以任意比例溶入溶剂的固溶体。溶质能以任意比例溶入溶剂的固溶体。 如如Cu-Ni合金：浓度合金：浓度50%的为溶剂。的为溶剂。 影响固溶体溶解度的因素：影响固溶体溶解度的因素：1) 晶体结构因素晶体结构因素：溶质与溶剂晶格：溶质与溶剂晶格结构类型相同，溶解结构类型相同，溶解 度度。2) 原子尺寸因素原子尺寸因素：溶剂原子半径：溶剂

15、原子半径rA与溶质原子半径与溶质原子半径rB的的 相对差相对差（rA-rB）/rA15%有利于固溶，溶解度有利于固溶，溶解度。3) 电负性因素电负性因素：两元素间的：两元素间的电负性差越小，越易形成固电负性差越小，越易形成固 溶体，溶解度溶体，溶解度。 电负性大小看其在周期表中的位置：同一周期的元电负性大小看其在周期表中的位置：同一周期的元 素，电负性随原子序数素，电负性随原子序数而而；同一族的元素，电负；同一族的元素，电负 性随原子序数性随原子序数而而。所以，。所以，元素在周期表中相距越元素在周期表中相距越 远，电负性相差远，电负性相差，越不利于形成固溶体，溶解度，越不利于形成固溶体，溶解度

16、4) 电子浓度因素电子浓度因素：电子浓度越高，溶解度越小。电子浓度越高，溶解度越小。 电子浓度电子浓度为合金中价电子数目与原子数目的比值。为合金中价电子数目与原子数目的比值。 固溶体的性能固溶体的性能 ：由于溶质原子的溶入，产生晶格畸由于溶质原子的溶入，产生晶格畸变，使固溶体强度、硬度升高的现象。变，使固溶体强度、硬度升高的现象。 如：铜中加入如：铜中加入1%的镍的镍固溶体，抗拉强度由固溶体，抗拉强度由220MPa提高到提高到390MPa，硬度由，硬度由40HB提高到提高到70HB，断面收缩率由，断面收缩率由70%降到降到50%。 产生原因产生原因：溶质原子使溶剂晶格发生畸变及对：溶质原子使溶

17、剂晶格发生畸变及对位错的钉扎作用，阻碍了位错的运动。位错的钉扎作用，阻碍了位错的运动。 ：溶质溶质，电阻，电阻，电阻温度系数，电阻温度系数 合金中各组元之间发生相互作用而形成的一种合金中各组元之间发生相互作用而形成的一种新相，叫新相，叫金属化合物金属化合物。具有较高的熔点、硬度具有较高的熔点、硬度和脆性。和脆性。根据形成条件和结构特点不同可分为：根据形成条件和结构特点不同可分为： 正常价化合物正常价化合物：符合一般化合物原子价规律，：符合一般化合物原子价规律，成分固定并可用化学式表示，如成分固定并可用化学式表示，如MnS。 电子化合物电子化合物：符合电子浓度规律的化合物。：符合电子浓度规律的化

18、合物。 一定的电子浓度形成一定晶格类型的化合物一定的电子浓度形成一定晶格类型的化合物（见表（见表2-3，P24） 间隙化合物间隙化合物：由过渡族金属元素与由过渡族金属元素与C、N、H、B等原子半径较小的非金属元素形成的化合物等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。当当r非非/r金金0.59时，形成具有复杂结构的化合物，时，形成具有复杂结构的化合物，称为称为间隙化合物间隙化合物。 （见图（见图2-21，P25，Fe3C的晶体结构）的晶体结构）化合物的性能化合物的性能：。在材料中作为强化相分布在基体上，提高材料在材料中作为强化相分布在基体上，提高材料强度，叫强度，叫。第二相呈第二相呈，性能，性能，避免；呈，避免；呈，硬，硬度