金属材料与热处理课件02金属的晶体结构

第二单元金属的晶体结构硅表面原子排列碳表面原子排列在目前使用的含112种元素的元素周期表中，金属元素共90种，如铁、铜、铝等都是金属元素。金属元素在室温时，除水银（汞）为液态外，其余皆为固态。金属是一种不透明，具有金属光泽、具有良好的导电性、导热性，具有一定的塑性，并具有正的电阻温度系数的物质。模块一纯金属的晶体结构

金属由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了金属的性能。金属的性能是由其组织结构决定的，其中结构指的就是晶体结构。金属的晶体结构就是其内部原子的排列方式，因为金属是晶体，所以称为晶体结构。

一、晶体与非晶体

1、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。长程无序，各向同性。3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤维都是晶体。

有些晶体具有规则的多面体外形，如水晶；有些则没有规则整齐的外形，如金属。晶体有固定的熔点，而非晶体则没有。晶体有一定的熔点且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。

晶体与非晶体在一定条件下可以相互转变：玻璃经长时间加热能变为晶态玻璃；金属从高温液态急冷，可变为非晶态金属；非晶态金属具有高的强度与韧性等一系列突出性能，近年来已为人们所重视。二、金属晶体结构基础知识晶格、晶胞和晶格常数晶体：空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。空间点阵中的点－阵点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。

晶胞：空间点阵中能代表原子排列规律的最小的几何单元称之为晶胞，是构成空间点阵的最基本单元。选取原则：能够充分反映空间点阵的对称性；相等的棱和角的数目最多；具有尽可能多的直角；体积最小。晶格常数三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。晶向与晶面晶向：空间点阵中各阵点列的方向。晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。布拉菲点阵

7个晶系，

14种点阵。大部分（2/3）的金属属于三种典型的晶体结构。立方六方四方菱方正交单斜三斜三、典型晶体结构在元素周期表一共约有110种元素，其中80多种是金属，占2/3。而这80多种金属的晶体结构大多属于三种典型的晶体结构。它们分别是：

1、体心立方晶格（BCC）

2、面心立方晶格（FCC）

3、密排六方晶格（HCP）

1.体心立方晶格（

BCC）原子排列方式常见金属原子个数原子半径配位数致密度间隙半径

体心立方晶胞特征：

晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90°具有体心立方晶格的金属有：钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、α-铁(α-Fe,<912℃)等。体心立方晶格原子个数每个晶胞实际占有的原子个数。（分析时要认真考虑每个原子的空间状况）原子半径晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线,所以原子半径与晶格常数a之间的关系为：致密度晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数)。致密度越大,原子排列紧密程度越大。体心立方晶胞的致密度为：晶胞(或晶格)中有68%的体积被原子所占据,其余为空隙

体心立方晶格原子个数：2配位数：8致密度：0.68常见金属：

-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子球塔原子球塔位于比利时首都布鲁塞尔西北郊的海塞尔高地，是布鲁塞尔十大名胜之一，与伦敦的水晶宫，巴黎的埃菲尔铁塔一同成为世博会留下的永恒纪念……

原子球塔是为1958年布鲁塞尔世界博览会而建的金属结构的纪念性建筑物，比利时著名的建筑大师昂-瓦特凯恩(AndréWaterkeyn)设计。高102米，重达2200吨，包括9个直径18米的球体，与连接圆球的钢管构成相当于放大1650亿倍的α铁的体心立方晶体结构。原子排列方式常见金属原子个数原子半径配位数致密度间隙半径

2、面心立方晶格（

FCC）金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。面心立方晶胞的特征：晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90°具有这种晶格的金属有：铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ-铁(

γ-Fe,912℃～1394℃)等。

面心立方晶格原子个数在面心立方晶胞中,每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8,而每个侧面中心的那个原子则属于两个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为4个。

原子半径

：原子半径原子个数：4配位数：12致密度：0.74常见金属：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常数：a面心立方晶格

3、密排六方晶格（

HCP）原子排列方式常见金属原子个数原子半径配位数和致密度在晶胞的十二个角上各有一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个原子。晶胞内部还有三个原子，所以叫做密排六方晶格。具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等。

密排六方晶胞的特征：晶格常数：用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表达,两相邻侧面之间的夹角为120°,侧面与底面之间的夹角为90°。原子个数原子半径：原子半径原子个数：6配位数：12致密度：0.74常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等晶格常数：底面边长a和高c，

c/a=1.633密排六方晶格

r=a/2

三种常见金属晶格的结构特点晶格类型晶胞中的原子数原子半径致密度常见金属体心立方20.68铬(Cr)、钨(w)、钼(Mo)、钒(V)、α-Fe面心立方40.74铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)γ-Fe密排六方60.74镁(Mg)、锌（Zn）、镉（Cd）

三、同素异构转变某些金属在固态下的晶体结构是不固定的，而是随着温度、压力等因素的变化而变化，如铁、钛等，这种现象称为同素异晶转变，也称为重结晶。下面以铁为例子来说明同素异晶转变：α-Fe---------γ-Fe-------------δ—Fe-----------LBCC（912℃）FCC（1394℃）BCC金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。铁的同素异构转变模块二合金的相结构合金：是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。例如碳钢是铁和碳组成的合金。组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称为元。一般的说，组元就是组成合金的元素。例如铜和锌就是黄铜的组元。一、基本概念合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。如Fe-C系，Fe-Cr系等。2相相：是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间具有明显的界面。3组织：由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合体。如单相、两相、多相合金。金属及的组织一般应用显微镜才能看到，所以常称显微组织。组织：组织是指金相显微镜下观察到的材料的微观形貌特征。合金中的各种相是组成合金的基本单元，而合金组织则是合金中各种相的综合体。一种合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。金属通过热处理可以在不改变化学成分的前提下获得不同的组织，从而获得不同的力学性能。合金中的相按结构可分为：固溶体和金属化合物。

合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。二、固溶体

固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B),其中A为溶剂,B为溶质。例如，铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示,亦可表示为Cu(Zn)。

2、分类

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。按溶质原子在溶剂中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。按溶质原子在固溶体中分布是否有规律，固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。在一定条件(如成分、温度等)下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体。这种转变叫做有序化。间隙固溶体置换固溶体Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体Cu-Ni无限固溶体Cu-Zn有限固溶体固溶体化合物（上）完全互溶的固态Cu-Ni合金单相固溶体；（下）WZn>39%的Cu-Zn合金中由固溶体和化合物CuZn两相组成。3.固溶体的性能无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原子的存在都会使晶格发生畸变，使其性能不同于原纯金属。由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变形抗力增大，使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。它是强化金属材料的重要途径之一。固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。固溶强化

纯铜的Rm为220MPa,硬度为40HBW,断面收缩率Z为70%。当加入1%镍形成单相固溶体后,强度升高到390MPa,硬度升高到70HBW,而断面收缩率仍有50%。所以固溶体的综合力学性能很好,常常作为合金的基体相。固溶体与纯金属相比,物理性能有较大的变化,如电阻率上升,导电率下降,磁矫顽力增大。随着溶质原子的溶入，金属电阻升高，而且固溶体的电阻值与温度关系不大，工程上应用的精密电阻和电热材料等都广泛应用固溶体合金，如热处理炉用的Fe-Cr-Al和Cr-Ni电阻丝等多是固溶体合金。三、金属化合物若新相的晶体结构不同于任一组成元素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质，属于化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的β相（CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等。在这些化合物中，Fe3C和β相均具有相当程度的金属键及一定的金属性质，是一种金属物质，称为金属化合物。包括：正常价化合物、电子化合物（电子相）、间隙化合物。而FeS、MnS具有离子键，没有金属性质，属于一般的化合物，因而又称为非金属化合物。在合金中，金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，而非金属化合物是合金原料或熔炼过程带来的，数量少且对合金性能影响很坏，因而一般称为非金属夹杂物。金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，高硬度、低塑性，硬而脆。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。金属化合物是工具钢、高速钢等钢中的重要组成相。四、合金的组织类型合金的组织类型一般分为两种，即单相固溶体型和机械混合物型。大多数合金的组织都属于机械混合物型,通过调整固溶体中溶质含量和金属化合物的数量、大小、形态及分布状况，可以使合金的力学性能在较大范围内变动，以满足工程上不同的使用要求。模块三金属的晶体缺陷在晶体内部原子排列并不是完全规则的，在局部一定尺寸范围内原子排列不规则的现象称为晶体缺陷。晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用。就好象维纳斯的“无臂”之美更深入人心，晶体缺陷赋予材料丰富内容。一、单晶体与多晶体如果晶体中所有原子排列位向一致，这个晶体称为单晶体。单晶体具有各向异性。单晶体只有通过特殊的方法才能制取，如航空发动机中的单晶叶片。多晶体：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。多晶体具有各向同性。点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。包括空位、间隙原子、异类原子等。线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。二、晶体缺陷一、点缺陷由于原子热振动造成的。1、点缺陷的类型空位与间隙原子2.点缺陷的产生及其运动（1）点缺陷的产生平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。（2）点缺陷的运动（迁移、复合－浓度降低；聚集－浓度升高－塌陷）3、点缺陷与材料行为（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。）（2）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小。）力学性能（屈服强度提高。）二、线缺陷（位错）

位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（2～4个数量级）。1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。之后，用SEM直接观察到了晶体中的位错。位错