金属的结构和结晶

1.1金属的特征

金属材料:包括纯金属,合金,指由金属元素或以金属元素为主形成的具有一般金属特性的材料决定材料基本性能的因素:化学成分内部结构组织状态金属的特性：良好的导电性导热性延展性金属光泽正的电阻温度系数其中正电阻温度系数是金属的严格定义金属的结合方式：金属键金属键的性质决定了金属的宏观特性导电性正电阻温度系数导热性不透明并且具有光泽延展性1.2金属的晶体结构1.2.1晶体与非晶体固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）

晶体：物理性质突变各向异性非晶体：物理性质变化逐渐过度各向同性晶体与非晶体的本质区别在内部结构而非外形，一定条件下晶体与非晶体可以相互转化1.2.2纯金属的晶体结构为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几个结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。

由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为了便于讨论

通常只从晶格中，选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞，整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以棱边长度a，b，c和棱面夹角α，β，γ来表示晶胞的形状和大小。其中a，b，c称为晶格常数。金属晶体三种典型结构1、体心立方晶格体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中心和八个角上各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1／8个原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为8×1／8＋1＝2（个）。具有体心立方晶格的金属有α-Fe、Cr、Mo、V、W等。2、面心立方晶格面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋6×1／2＝4（个）。具有面心立方晶格的金属有γ-Fe、Cu、Al、Au、Ag、Pb、Ni等。3、密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数表示。一个是柱体的高度，另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子。密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞独有。所以，密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6（个）。具有密排六方晶格的金属有Mg、Zn等。描述晶体结构的一些重要概念晶胞原子数：一个晶胞内所含原子数目晶格常数和原子半径配位数：某一原子周围最近的等距离相邻原子数致密度：晶胞中原子本身所占的体积与晶胞体积之比体心立方面心立方密排六方晶胞原子数246原子半径与晶格常数根号3a=4r根号2a=4r4r=2a配位数81212致密度68%74%74%1.2.3金属晶体中晶面和晶向晶面：金属晶体中由原子组成的任一平面晶向：由原子列组成组成任一直线方向求晶面指数1求截距2取倒数3化整注意：1待定晶面不要通过坐标轴原点2正负号的意义求晶向指数1引直线2求坐标3化整也可以通过待求晶向上任意两点坐标值之差求晶向指数立方晶系中，晶面指数和晶向指数相同时，则晶面与晶向垂直1.2.4金属晶体的各向异性晶体各向异性多晶体材料各向同性1.3晶体缺陷

晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：点缺陷线缺陷面缺陷1.3.1点缺陷空位间隙原子杂质原子:置换杂质原子间隙杂质原子点缺陷平衡浓度与温度有关,又称热平衡缺陷金属晶体中的点缺陷主要是空位1.3.2位错刃型位错螺型位错位错密度：指单位晶体中位错线的总长度1.3.3面缺陷外表面堆垛层错晶界亚晶界孪晶界1.4金属结晶的基本概念凝固:物质由液态转变成固态的过程。结晶:晶体物质由液态转变成固态的过程。1.4.1液态金属结构长程无序短程有序结构起伏能量起伏1.4.2金属结晶的宏观现象To时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台(是由结晶潜热导致)1过冷现象过冷概念过冷度影响因素2潜热释放1.4.3金属结晶的微观过程形核长大形核、长大多晶体金属单晶体金属1.5形核和长大1.5.1均匀形核和异质形核均匀形核:从过冷液态金属中自发形成晶核的过程异质形核:液态金属依附于未溶质点表面形成晶核1.5.2晶体的生长具有非小平面的物质:连续张大机制,适用于绝大多数金属的结晶长大过程小平面型界面:二维形核机制晶体缺陷生长机制纯金属的生长形态正温度梯度:平面生长负温度梯度:枝晶生长若枝晶在三维空间均衡发展,这时晶粒称为等轴枝晶金属的树枝晶金属的