工程材料2晶体结构

1、2 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶 材料的性能取决于材料的化学成分和其内部微观的组织结构。物质有气态、固态、液态。 由液态转变为固态的过程称为凝固。2.1纯金属的典型晶体结构纯金属的典型晶体结构 材料的结构是指材料原子的空间组合、分布与排列情况。 三种物态： 固体-晶体和非晶体； 液体； 气体。2.1.1 晶体的基本知识晶体的基本知识原子（离子）的刚球模型原子（离子）的刚球模型原子中心原子中心位置位置固态物质晶 体非晶体 规则排列 无规排列聚集聚集分为 原子（离子或分子）在三维空间排列的物质称为晶体，如天然金刚石、水晶、氯化钠等。 原子（离子或分子）在空间排列的物质则称为非晶体，如松

2、香、石腊、玻璃等。晶体晶体金刚石、金刚石、NaClNaCl、冰、冰 等。等。液体液体非晶体非晶体 ： 蜂蜡、玻璃蜂蜡、玻璃 等。等。一一. .晶体与非晶体晶体与非晶体1) 熔点熔点晶 体：规则排列不规则排列突变突变 有有确定的熔点非晶体：不规则排列不规则排列渐变渐变 无无确定的熔点2) 各向异性各向异性 晶 体 各向异异性非晶体 各向同同性特点：特点： 许多物质的晶体与非晶体间在一定的条件下可以互相转变。如金属液体在高速冷却（大于107/s ）下可得到非晶态金属。 有些物体是晶体与无定形体的混合物，例如某些塑料。单晶体铁弹性 模量E的差异晶体晶体非晶体非晶体晶体晶体非晶体非晶体时间时间温温度度

3、晶体和非晶体熔化曲线晶体和非晶体熔化曲线熔点熔点固态 液态液体液体1. 空间点阵空间点阵：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。2.晶格晶格：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。4.晶格常数晶格常数：晶胞各边的尺寸a、b、c称晶格常数，其大小以 表示；其棱边夹角用、表示。03. 晶胞晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小几何单元。二二. 晶格、晶胞和晶格常数晶格、晶胞和晶格常数5晶系晶系 根据晶格常数和棱夹角关系对所有晶体分析，可把它们的空间点阵分为14种类型，14种点阵归属7种晶系。6晶格尺寸和原子半径晶格尺寸和原子半径 1）晶格尺

4、寸）晶格尺寸 晶格尺寸用晶格常数表示。立方晶格中a=b=c，用一个常数a表示即可。 2) 原子半径原子半径 原子在某种晶格中的原子半径， 等于晶胞中原子密度最大的方向上相 邻两原子的中心之间距离的一半。XYZabc2r2raaar)4/3(2222)22()(rraaa22)4(3ra 6晶格尺寸和原子半径晶格尺寸和原子半径7晶胞原子数晶胞原子数8致密致密度度和和配位数配位数 1）致密度）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. 2）配位数）配位数 晶格中与任一个原子最邻近、等距离的原子数目。指一个晶胞中所含的原子数目。2.1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构一、一、金属的特性

5、和金属的特性和金属键金属键金属的特性金属的特性: :1.良好的导电性和导热性。 绝大多数金属具有超导性，即在温度接近于绝对零度时电阻突然下降，趋近于零。3.良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。 金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在受外力作用而发生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏。4.不透明并呈现特有的金属光泽。 金属中的自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到表面的光能。2.正的电阻温度系数。这主要与金属原子的内部结构以及这主要与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关。原子间的结合方式有关。金属为什么具有这些特性呢金属为什么具有这些特性呢? ? 原子间的吸引力（原子间的吸

6、引力（吸引吸引）和排斥力（）和排斥力（排斥排斥）及它们的合力（）及它们的合力（总总）与原子）与原子距离的关系，合力（距离的关系，合力（总总）为零时，原子距离为）为零时，原子距离为a a0 0吸引力（吸引力（吸引吸引）和排斥力（）和排斥力（排斥排斥）平衡，）平衡，原子间相互作用的势能最小原子间相互作用的势能最小0 0，即，即原子间的结合能原子间的结合能。2.1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构1 1、原子间的结合能、原子间的结合能 若改变上述平衡都需要做功，引起能量的升高。若改变上述平衡都需要做功，引起能量的升高。 物质的原子（离子或分子）之间通过某种相互作用，使原子稳定结合在一起物质的原子（离

7、子或分子）之间通过某种相互作用，使原子稳定结合在一起的力称为结合键。结合键对物质的性能有极大影响。的力称为结合键。结合键对物质的性能有极大影响。 结合键的基本类型有离子键离子键、共价键共价键、金属键金属键和分子键分子键。 ，使许多金属离子互相结合在一起，这样形成的化学键即是金属键。 金属键使固态金属具有优良的导电、导热性并能塑性变形。 所形成的化学键，例如金刚石、SiC等结构。2、原子结合键的类型、原子结合键的类型1）金属键）金属键2）共价键）共价键 所形成的化学键。如NaCl晶体内Na+与Cl-之间的结合键。 上述离子键、共价键和金属键的分子或晶体内部原子之间有强烈的吸引作用，结合键较强。4

8、）分子键和氢键）分子键和氢键 （1）分子键）分子键 而引起的短程静电引力形成的结合键，又称范德瓦尔斯键范德瓦尔斯键。（2）氢键）氢键 氢原子与电负性很大的原子结合后，核外电子偏移，因而能和另一个电负性大原子半径小的原子产生而形成的结合键。键的能量约在10千卡/摩尔以下，键的能量比例大致如下： 3）离子键）离子键 范氏键：氢键：共价键=1：10：100。 离子键结合能最高。3、工程材料的键性、工程材料的键性1）金属材料）金属材料 主要是金属键。周期表中过渡族及4A列的一些元素结合 键为金属键和共价键混合型。一些金属间化合物则为金属键与离子键混合型，例如Fe5Zn21 、Al9CO3等。2）陶瓷材

9、料）陶瓷材料 工程陶瓷以离子键和共价键为主要结合键。3）高分子材料）高分子材料 高聚物分子链上主价键为共价键，分子间结合键（次 价键）为范氏键。二二.常见金属晶体的结构常见金属晶体的结构体心立方晶格 面心立方晶格 密排立方晶格1、体心立方晶格、体心立方晶格体心立方晶格中： 原子半径 原子数 个； 配位数等于8 ； 致密度 属这类晶格的金属有-Fe、-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb等。68. 034233arK21881ar)4/3( 体心立方晶格的晶胞如图所示。配配位位数数XYZabc2r2raaar)4/3(2222)22()(rraaa22)4(3ra 2、面心立方晶格、面心立方晶格面心立

10、方晶格的晶胞如图所示。 面心立方晶胞中： 原子半径为 ； 原子数为 ； 配位数为12 ； 致密度为0.74 。 属这类晶格的金属有：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Rh等。4621881ar42配位数配位数3、密排六方晶格、密排六方晶格密排立方晶胞中： 晶格常数用a、c表示。 理想密排时，两者比值c/a1.633 ； 原子数为 ； 原子半径 ； 配位数为12 ； 致密度为0.74 。 属这类晶格的 金属有Mg、Zn、Be、Cd等。632211261ar21配配位位数数 1）晶面）晶面：晶体中各个方位的原子面。 2）晶面指数）晶面指数：用来表示晶面位向的一组数字符号。 确定晶面指数确定晶面

11、指数按下面三个步骤进行：通过原子中心的平面。通过原子中心的平面。四四. 金属晶体中金属晶体中晶面晶面和和晶向晶向的表示方法的表示方法1.立方晶系的立方晶系的晶面晶面表示方法表示方法xyzo求法：求法：定原点定原点 求截距求截距 化最小整数化最小整数 加（）加（） 取倒数取倒数例：例：X 轴坐标轴坐标 1Y 轴坐标轴坐标 1Z 轴坐标轴坐标 11 1 1( ) 1 1 1晶面指数晶面指数2. 实际上表示所有相互平行的晶面（实际上表示所有相互平行的晶面（ h k l )求法：求法：定原点定原点 求截距求截距 化最小整数化最小整数 加（）特点：特点：1. 直接表示任意晶面直接表示任意晶面 取倒数取倒

12、数例：例：X 轴坐标轴坐标 1Z 轴坐标轴坐标 1 1 ( ) 1 1 0Y 轴坐标轴坐标 1晶面指数晶面指数绘出 晶面) 2 1 1 ( ) 4 3 3 (和 ) 4 3 3 () 2 1 1 ( ) 41 31 31- () 21 1- 1 ( ) 43 1 1- (取倒数化简定原点定原点 求截距求截距 化最小整数化最小整数 加（） 取倒数取倒数1）晶向晶向：晶体中，任意两个原子之间连线所指的方向。用晶向指 数表示。2）确定晶向指数的方法如下：通过原子中心的直线所指的方向。通过原子中心的直线所指的方向。2.立方晶系的立方晶系的晶晶向向表示方法表示方法求法：求法：定原点定原点 建坐标建坐标

13、化最小整数化最小整数 加加 求坐标求坐标例：例：oxyzX 轴坐标轴坐标 1Y 轴坐标轴坐标 1Z 轴坐标轴坐标 11 1 1 111晶向指数晶向指数xyzo求法：求法：定原点定原点 建坐标建坐标 化最小整数化最小整数 加加 求坐标求坐标例：例：111X 轴坐标轴坐标 0Y 轴坐标轴坐标 0Z 轴坐标轴坐标 10 0 1 001晶向指数晶向指数 求法：定原点定原点 建坐标建坐标 化最小整数化最小整数 加加 求坐标求坐标例：例：111X 轴坐标轴坐标 1Y 轴坐标轴坐标 -1Z 轴坐标轴坐标 11 -1 1001111 111 3. 实际上表示所有相互平行、方向一致的晶向实际上表示所有相互平行、

14、方向一致的晶向u v w特点：特点：1. 直接表示任意两点连线的方向直接表示任意两点连线的方向2. 只表示方向，不表示长短只表示方向，不表示长短晶向指数晶向指数xyzo100绘出100、 晶向101101绘出231、 晶向 1233123131 1 3223123132晶向指数晶向指数31绘出100、 晶向101101 12323131 1 3223131 32- 1 323132 123绘出231、 晶向 123技巧：技巧：当晶向指数中有大于当晶向指数中有大于1的数时，的数时，外延晶胞，直接求点外延晶胞，直接求点将指数化为分数将指数化为分数100晶向指数晶向指数课堂练习：课堂练习：001 0

15、10 100110112011 (001) (010) (100)(110)011 (112)110)110(2. 一个晶向指数代表一系列相互平行、方向相同的晶向。1. 立方晶系，数字相同，仅正负号、数字排序不同的属同一晶向族。3. 一个晶向族代表一系列性质地位相同的晶向。例：111111 111 111 111111111 111= 100001010100001010= 晶向族：晶向族与晶面族晶向族与晶面族2. 一个晶面指数代表一系列相互平行的晶面晶面族：1. 对于立方晶系，数字相同，仅正负号、数字排序不同的属同一晶面族3. 一个晶面族代表一系列性质地位相同的晶面例：(110)101()0

16、11()101()011()101()110()011 (= 110 )011() 110()110()101(111)111() 111 ()111() 111()111()111 ()111(= 111 晶向指数与晶面指数的关系晶向指数与晶面指数的关系指数数字相同的晶向与晶面相互垂直 仅仅 对于立方晶系而言对于立方晶系而言例：110 与 (110)100 与 (100)111 与 (111)五五. 晶体的各向异性晶体的各向异性单晶体铁弹性模量E的差异2.2 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构2.2.1 多晶体多晶体 位向不同、外形不规则的小晶体称为晶粒晶粒； 晶粒与晶粒之间的交界称为晶界

17、晶界。1）单晶体）单晶体2）多晶体）多晶体 内部晶格位向完全一致的晶体称为单晶体单晶体。具有各自异性。单晶体示意图纯铁显微组织纯铁显微组织 由许多晶粒组成的晶体称为多晶体多晶体。 一般金属材料都是多晶体。一般金属材料都是多晶体。 在实际金属晶体的一个晶粒内部，其晶格也并不像理想晶体那样完全一致，而是存在着许多尺寸更小、位向差也很小(23)的小晶块，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒(或称亚组织)。 在亚晶粒内部，晶格的位向是一致的。两相邻亚晶粒间的边界称为亚晶界。3）亚组织）亚组织2.2.2 晶体缺陷晶体缺陷点缺陷点缺陷在三个方向上尺寸都很小线缺陷线缺陷在二个方向上尺寸很小面缺陷面缺

18、陷在一个方向上尺寸很小 晶体中原子排列偏离完整性的区域，即晶格的不完整部位称晶体缺陷晶体缺陷。一一.点缺陷点缺陷 晶体中存在空位、间隙原子、置换原子都是晶格的点缺陷，它们会导致“晶格畸变”的现象。局部点阵畸变原子热振动克服约束，迁移到新的位置空位、间隙原子部分原子获得足够高的能量形成引起点缺陷对晶体性能的影响点缺陷对晶体性能的影响 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。 从而使晶体屈服强度、硬度提高，电阻增加。二二. 线缺陷线缺陷位错位错 位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错位错。分为刃型位错和螺型位错。刃型位错：刃型

19、位错：刃位错的形成刃位错的形成形成畸变区多出(或少了)半排原子面用(或)表示 刃位错刃位错正：上压下拉负：上拉下压 称为主要为正应力特征类型负刃型位错刃型位错：刃型位错：半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ”表示。正刃型位错螺型位错螺型位错原子面部分错动一个原子间距螺位错螺位错 不吻合过渡区形成畸变区纯剪切应力区 形成 称作金属强度与位错密度的关系金属强度与位错密度的关系 位错也引起晶格畸变。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体的强度，大量的位错又可使其强度提高。 位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。

20、= S/V (cm/cm3或1/cm2) 金属的位错密度在1041012/cm2 生产中一般采用增加位错的办法提高材料的强度。生产中一般采用增加位错的办法提高材料的强度。 三三. 面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界 亚晶界：指亚晶粒之间形成的交界面。是一系列刃型位错所形成的小角晶界。 晶界：是指不同位向晶粒的过渡部位，即晶粒之间的交界面。宽度为510个原子间距，位向差一般为3040亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2 )的小晶块。 晶界处原子的不规则排列，即晶格处于畸变状态，使晶界处能量高出晶粒内部能量，因此晶界与晶粒内部有着一系列不同的特性。晶界特点晶界特点 晶界阻碍位错运动

21、，使强度和硬度提高，晶粒越细，晶界越多，强度越高；晶粒越细，金属的塑性变形能力越大，塑性越好。 即细即细晶强化。晶强化。 当金属暴露在腐蚀环境里，晶界容易被腐蚀；当金属暴露在腐蚀环境里，晶界容易被腐蚀； 晶界处的熔点较晶粒内低；晶界处的熔点较晶粒内低； 当金属内部发生相变时，晶界处是优先成核的位置；当金属内部发生相变时，晶界处是优先成核的位置； 原子在晶界上扩散比在晶粒内部快；原子在晶界上扩散比在晶粒内部快； 由于晶界处对晶体的滑移由于晶界处对晶体的滑移(即位错移动即位错移动)起阻碍作用，使这里不起阻碍作用，使这里不易产生塑性变形，故晶界处的硬度、强度均较晶内为高；易产生塑性变形，故晶界处的硬

22、度、强度均较晶内为高； 晶界处的电阻率也较晶内为大。晶界处的电阻率也较晶内为大。2.3 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变 金属材料的凝固是最典型的结晶。凝固与结晶凝固与结晶 凝固凝固是是指从液态经冷却逐渐变硬为固态的过程，固化后的物质为非晶体。 结晶结晶指具有固定的熔点和凝固点，凝固后形成晶体物质的过程。 晶体晶体液体液体结晶结晶 熔融液体的粘度和冷却速度影响到凝固后得到晶体还是非晶体。1）熔融液体的粘度熔融液体的粘度 粘度表征流体中发生相对运动的阻力。图31。dxdvsf 液体的粘度极小时，原子的迁移能力极强，绝大多数能凝固为晶体。反之不利于结晶。例如玻璃、塑料等。 凝固时的

23、冷却速度愈大，降温快，特快的冷却速度，原子扩散受到制约，使形核困难，凝固后易得到非晶体。 如金属冷却速度大于106/s时，可获得非晶态金属。xfs凝固状态的影响因素凝固状态的影响因素2）熔融液体的冷却速度熔融液体的冷却速度2.3.1 纯金属的结晶纯金属的结晶冷却曲线冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度理论结晶温度开始结晶温度开始结晶温度 T过冷度过冷度T= T0 - Tn纯金属结晶的条件就是纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度应当有一定的过冷度（克服界面能克服界面能）一一. 冷却曲线与过冷度冷却曲线与过冷度 过冷度T理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之差：T T0Tn 冷却速度越大过冷度越大。即

24、实际结晶温度低于理论结晶温度。 2）结晶时会放出结晶潜热。）结晶时会放出结晶潜热。1）过冷现象）过冷现象结晶时的现象结晶时的现象一一.冷却曲线与过冷度冷却曲线与过冷度 形核途径有： A. 自发形核：晶核由液体中近程有序的原子集团形成； B. 非自发形核(异质形核)：晶核依附固态物质表面形成。 1）形核）形核2）长大）长大 形核过程是：孕育期晶胚晶核平面、均匀长大、树枝状长大二二. 结晶过程结晶过程均匀长大均匀长大树枝状长大树枝状长大最常见的长大方式最常见的长大方式 物质中的物质中的自由能自由能自动向外界释放自动向外界释放出其多余的能量。出其多余的能量。 温度低于温度低于T0，液体将结晶；，液体

25、将结晶； 温度高于温度高于T0，晶体将熔化。，晶体将熔化。 结晶时，还受结晶时，还受结构条件结构条件影响。影响。 同一物质的液体和晶体，其自由同一物质的液体和晶体，其自由能相同时的温度为理论结晶温度能相同时的温度为理论结晶温度T0。三三. 结晶的条件结晶的条件2.3.2 金属同素异构转变金属同素异构转变 同一种金属元素在不同条件同一种金属元素在不同条件下具有不同的晶体结构，当温度下具有不同的晶体结构，当温度等外界条件变化时，晶格类型会等外界条件变化时，晶格类型会发生转变，称为发生转变，称为同素异构转变同素异构转变。 纯铁具有同素异构转变，纯铁具有同素异构转变，可以形成体心立方和面心立方可以形成体心立方和面心立方两种晶格的同素异晶体。两种晶格的同素异晶体。 1.晶粒度晶粒度 晶粒度表示晶粒大小，由平面截面单位面积内所包含晶粒个数或晶粒平均直径来表示晶粒的大小来表示。其它金属也有各自的晶粒度标准。2.4 晶粒大小的控制晶粒大小的控制2.4.1 晶粒度的概念晶粒度的概念YB27中对结构钢规定了八个级。晶粒度晶粒度1 12 23 34 45 56 67 78 8单位面积晶粒数单位面积晶粒数（个（个/mm/mm2 2）1632641282