金属和合金的晶体结构

关于金属和合金的晶体结构第1页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三结构原子结构原子的空间排列显微组织原子核外电子的排布方式显著影响材料的电、磁、光和热性能，还影响到原子彼此结合的方式，从而决定材料的类型第一章金属和合金的晶体结构第2页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三晶态和非晶态。晶体结构显著影响材料的力学性能。结构原子结构原子的空间排列显微组织第一章金属和合金的晶体结构第3页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三晶粒的大小、合金相的种类、数量和分布等参数。结构原子结构原子的空间排列显微组织第一章金属和合金的晶体结构第4页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第一章金属和合金的晶体结构第5页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第一章金属和合金的晶体结构第6页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第一章金属和合金的晶体结构§1.1金属原子间的键合特点§1.2金属晶体典型结构§1.3合金相结构§1.4金属晶体缺陷第7页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.1金属原子间的键合特点金属的定义金属是具有正的电阻温度系数的物质,通常具有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽第8页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.1金属原子间的键合特点原子结构理论原子原子核质子(10-8cm,1836倍)(10-8cm)(10-12cm)中子(10-8cm,1838倍)

电子

(10-13cm)

(9.1х10-28g)

Example1-1Calculatethenumberofatomsin100gofsilver.(Theatomicmassofsilveris107.868g/mol.Avogadro’snumberis6.02X1023/mol)第9页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.1金属原子间的键合特点金属原子的结构特点第10页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.1金属原子间的键合特点金属原子的结构特点其最外层的电子数很少，一般为1～2个，不超过3个。价电子第11页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.1金属原子间的键合特点当原子靠近到一定程度时，原子间会产生较强的作用力。结合力第12页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三外层电子作用形式稳定的八电子排布结构接受或释放额外电子共有电子§1.1金属原子间的键合特点第13页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.1金属原子间的键合特点金属键共有价电子→电子云→键无方向性和饱和性性能特点：

1)良好的导电性及导热性；

2)正的电阻温度系数；

3)良好的强度及塑性；

4)特有的金属光泽。第14页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.1金属原子间的键合特点金属键离子键共价键得失价电子→正负离子→①高熔点、高硬度、低塑②良好的电绝缘体等第15页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.1金属原子间的键合特点金属键离子键共价键共有电子对→键有饱和性→①高熔点、高硬度、低塑性②电绝缘体等第16页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三范德瓦尔键§1.1金属原子间的键合特点形成：一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为分子键。

特性：分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也低。但其绝缘性良好。第17页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三离子键

共价键金属键结构特点

方向性不明显，配位数大

方向性明显，配位数小，密度小

无方向性，配位数大，密度大

力学性能

强度高，劈裂性良好，硬度大

强度高，硬度大

有各种强度，有塑性

热力性质

熔点高，膨胀系数小，熔体中有离子存在

熔点高，膨胀系数小，熔体中有的含有分子

有各种熔点，导热性好，液态的温度范围宽

电学性质

绝缘体，熔体为导体

绝缘体，熔体为非导体

导电体（自由电子）

光学性质

与各构成离子的性质相同，对红外线的吸收强，多是无色或浅色透明的

折射率大，同气体的吸收光谱很不同

不透明，有金属光泽

§1.1金属原子间的键合特点结合键的特性第18页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三问题：金属原子为什么趋于规则排列？第19页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.1金属原子间的键合特点结合力与结合能以双原子模型为例（NaCl）吸引力：正离子与负离子（电子云）间静电引力，长程力排斥力：正离子间，电子间的作用力，短程力结合力＝吸引力＋排斥力;结合能＝吸引能＋排斥能第20页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.1金属原子间的键合特点WhereFcisthecoulombicforceofattractionbetweentwooppositelychargedions,ristheseparationdistancebetweenthecentersoftheions,Zisthevalenceofthechargedion,qisthechargeofasingleelectron(0.16x10-18C),andk0isaproportionalityconstant(9x109V.m/C)第21页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.1金属原子间的键合特点WhereFcisrepulsiveforce,andareexperimentallydeterminedconstantsforagivenionpair.第22页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.1金属原子间的键合特点结合力与结合能第23页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.1金属原子间的键合特点结合力与结合能原子间必须保持一定的平衡距离，这是固态金属中的原子趋于规则排列的重要原因。第24页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.1金属原子间的键合特点第25页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.1金属原子间的键合特点Example1-2CalculatecoulombicforceofattractionbetweenNa+andCl-inNaCl(rNa+=0.098nm,rCl-=0.181nm,1V.C=1J)Whatistherepulsiveforceinthiscase?第26页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.2金属晶体典型结构第27页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三材料的原子排列非晶态原子排列短程有序或无序§1.2金属晶体典型结构非晶体的特点是：①结构无序；②物理性质表现为各向同性；③没有固定的熔点；④热导率（导热系数）和膨胀性小；第28页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.2金属晶体典型结构第29页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三晶体基元在三维空间呈规律性排列长程有序单个的原子、离子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。晶体的主要特点是：①结构有序；②物理性质表现为各向异性；③有固定的熔点；④在一定条件下有规则的几何外形。§1.2金属晶体典型结构第30页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三空间点阵是一个几何概念，它由一维、二维或三维规则排列的阵点组成。§1.2金属晶体典型结构第31页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三刚球模型→用刚球代表空间排列的原子晶格→刚球抽象为质点，构成空间格架晶胞→保持点阵几何特征的基本单元§1.2金属晶体典型结构第32页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三布拉菲在1948年根据“每个阵点环境相同”的要求，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲点阵，分属7个晶系。§1.2金属晶体典型结构第33页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三晶系轴(棱边)之间的夹角三斜晶系单斜晶系斜方晶系正方晶系菱方晶系六方晶系立方晶系§1.2金属晶体典型结构第34页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三晶体结构构成晶体的基元在三维空间的具体的排列方式=空间点阵+基元§1.2金属晶体典型结构第35页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三晶胞中所含原子数

晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。

配位数是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。

致密度

是指晶胞中原子所占体积分数，即K=nv′/V。式中，n为晶胞所含原子数、v′为单个原子体积、V为晶胞体积。

原子半径

原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。

§1.2金属晶体典型结构第36页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三三种典型晶体结构体心立方面心立方密排六方第37页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三体心立方晶格参数Cr、V、Mo、W和α-Fe等30多种§1.2金属晶体典型结构第38页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三体心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构第39页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三体心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构第40页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.2金属晶体典型结构第41页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三体心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构第42页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.2金属晶体典型结构第43页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三面心立方晶格参数Al、Cu、Ni和γ-Fe等约20种§1.2金属晶体典型结构第44页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三面心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构第45页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三面心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构第46页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第47页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三面心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构第48页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三面心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构第49页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三面心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构第50页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三密排六方晶格参数Mg、Zn、Cd、Be等20多种§1.2金属晶体典型结构第51页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三密排六方晶格参数§1.2金属晶体典型结构第52页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三密排六方晶格参数§1.2金属晶体典型结构第53页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三密排六方晶格参数§1.2金属晶体典型结构第54页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.2金属晶体典型结构第55页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三晶面及晶向的原子密度

不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的。下页的两个表给出了体心立方晶格和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上的原子排列方式和紧密程度。§1.2金属晶体典型结构第56页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第57页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第58页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三堆垛方式第59页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三堆垛方式第60页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第61页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三晶向1.2材料的原子排列§1.2金属晶体典型结构第62页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三晶向指数1.2材料的原子排列晶向指数的确定方法①建立以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系。②定出该晶向上任两点的坐标。③用末点坐标减去始点坐标。④将相减后所得结果约成互质整数，加一方括号。§1.2金属晶体典型结构第63页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三晶面及晶面指数晶面指数的确定方法①在以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系中取该晶面在各坐标轴上的截距。②取截距的倒数。③将倒数约成互质整数，加一圆括号。§1.2金属晶体典型结构第64页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三六方晶系§1.2金属晶体典型结构第65页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三多晶型转变1.3金属的典型晶体结构当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为多晶型转变，又称为同素异构转变第66页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第67页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第68页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三合金两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质组元组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素。相是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分§1.3合金相结构第69页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三固溶体中间相(金属化合物)间隙固溶体置换固溶体相§1.3合金相结构第70页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三固溶体§1.3合金相结构合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。与固溶体结构相同的组元为溶剂，另一组元为溶质。第71页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三固溶体的分类⑴按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。

第72页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三间隙固溶体第73页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三置换固溶体第74页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三⑵按溶质原子在固体中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。第75页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三⑶按溶质原子在固溶体内分布是否有规则，固溶体分为有序固溶体和无序固溶体两种。

第76页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三置换固溶体的固溶度第77页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三④晶体结构类型相同第78页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第79页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三固溶体的性能通过形成固溶体而产生晶格畸变，使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的重要方式之一。固溶体的综合力学性能较好，常作为结构合金的基体相。

第80页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三§1.3合金相结构固溶体金属化合物正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有严格的化合比，成分固定不变。它的结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同，如分子式具有AB型的正常价化合物其晶体结构为NaCl型，多为离子化合物。第81页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第82页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物是指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的化合物。电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。第83页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第84页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，将形成具有简单晶体结构的金属间化合物第85页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三化学式类型钢中可能遇到的间隙相化学式晶格类型M4XFe4N，Nb4C，Mn4C面心立方M2XFe2N，Cr2N，W2C，Mo2C密排六方MXTaC，TiC，ZrC，VCTiN，ZrN，VNMoN，CrN，WC面心立方体心立方简单六方MX2VC2，CeC2，ZrH2，TiH2，LaC2面心立方第86页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时，将形成具有复杂晶体结构的金属间化合物，间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一些。第87页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三类型简单结构间隙化合物复杂结构间隙化合物化学式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23C6Fe3C硬度HV28502840201020501550173014801650～800熔点/℃30803472±2026503680±5039802785±5252715771227第88页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三点缺陷线缺陷面缺陷点缺陷的特点是在空间三维方向上的尺寸都很小，约为几个原子间距，又称零维缺陷⑴空位⑵间隙原子⑶置换原子，§1.4金属晶体缺陷第89页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三点缺陷第90页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三点缺陷线缺陷面缺陷线缺陷就是各种类型的位错。它是指晶体中的原子发生了有规律的错排现象。其特点是原子发生错排的范围只在一维方向上很大，是一个直径为3～5个原子间距，长数百个原子间距以上的管状原子畸变区。§1.4金属晶体缺陷第91页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三点缺陷线缺陷面缺陷晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面两类，其中的内界面又有晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。§1.4金属晶体缺陷第92页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三线缺陷第93页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三线缺陷第94页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三线缺陷第95页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第96页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三柏氏矢量的主要特性：第97页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三柏氏矢量的主要特性：第98页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三柏氏矢量的主要特性：第99页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三柏氏矢量的主要特性：第100页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三柏氏矢量的主要特性：★可以表示晶体滑移的方向和大小。★位错线和柏氏矢量构成的平面定义为滑移面。第101页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，即式中，ρ为位错密度（m-2）；ΣL为位错线的总长度（m）；V为体积（m3）。第102页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第103页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三线缺陷第104页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三线缺陷第105页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三面缺陷由于表面上的原子与晶体内部的原子相比其配位数较少，使得表面原子偏离正常位置，在表面层产生了晶格畸变，导致其能量升高。将这种单位表面面积上升高的能量称为比表面能，简称表面能。表面能也可以用单位长度上的表面张力（N／m）表示。第106页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三面缺陷第107页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三面缺陷第108页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三面缺陷第109页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三晶带和晶带轴平行于或者相交于同一直线的一组晶面组成一个晶带，而该直线叫做晶带轴。第110页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第111页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第112页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第113页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三第114页，讲稿共125页，2023年5月2日，星期三在多相组织中，具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界。第115