金属和合金的晶体结构

1、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,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,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,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,第一章 金属和合金的晶体结构,第一章 金属和合金的晶体结构,第一章 金属和合金的晶体结构,1.1 金属原子间的键

2、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,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,1.1 金属原子间的键合特点,原子结构理论,Example1-1 Calculate the number of atoms in 100g of silver. (The atomic mass of silver is 107.868g/mol. Avogadros number is 6.02X1023/mol),1.1 金属原子间的键合特点,金属原子的结构特点,1.1 金属原子

3、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12个，不超过3个。,价电子,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,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,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。,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 高熔点、高硬度、低塑 良好的电绝缘体等,1.1 金属原子间的

4、键合特点,金属键,离子键,共价键,共有电子对键有饱和性 高熔点、高硬度、低塑性 电绝缘体等,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。,1.1 金属原子间的键合特点,结合键的特性,问题：金属原子为什么趋于规则排列？,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,1

5、.1 金属原子间的键合特点,Where Fc is the coulombic force of attraction between two oppositely charged ions, r is the separation distance between the centers of the ions, Z is the valence of the charged ion, q is the charge of a single electron(0.16x10-18C),and k0 is a proportionality constant(9x109V.m/C),1.1 金

6、属原子间的键合特点,Where Fc is repulsive force, and are experimentally determined constants for a given ion pair.,1.1 金属原子间的键合特点,结合力与结合能,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。,1.1 金属原子间的键合特点,1.1 金属原子间的键合特点,Example1-2 Calculate coulombic force of attraction between Na+ and Cl- in NaCl (r

7、Na+=0.098nm, rCl-=0.181nm, 1V.C=1J) What is the repulsive force in this case?,1.2 金属晶体典型结构,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：结构无序；物理性质表现为各向同性；没有固定的熔点；热导率（导热系数）和膨胀性小；,1.2 金属晶体典型结构,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：结构有序；物理性质表现为各向异性；有固定的熔点；在一定条件下有规则的几何外形。,1.2 金属晶体典型结构

8、,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,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,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,1.2 金属晶体典型结构,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,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

9、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 = n v/ 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,三种典型晶体结构,体心立方,面心立方,密排六方,体心立方晶格参数,Cr、V、Mo、W和-Fe等30多种,1.2 金属晶体典型结构,体心立方晶格参数,1.2 金属晶体典型结构,体心立方晶格参数,1.2 金属晶体典型结构,1.2 金属晶体典型结构,体心立方晶格参数,1.2 金属晶体典型结构,1.2 金属晶体典型结构,面心立方晶格参数,Al、Cu、Ni

10、和-Fe等约20种,1.2 金属晶体典型结构,面心立方晶格参数,1.2 金属晶体典型结构,面心立方晶格参数,1.2 金属晶体典型结构,面心立方晶格参数,1.2 金属晶体典型结构,面心立方晶格参数,1.2 金属晶体典型结构,面心立方晶格参数,1.2 金属晶体典型结构,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,密排六方晶格参数,1.2 金属晶体典型结构,密排六方晶格参数,1.2 金属晶体典型结构,密排六方晶格参数,1.2 金属晶体典型结构,1.2 金属晶体典型结构,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

11、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,堆垛方式,堆垛方式,晶向,1.2材料的原子排列,1.2 金属晶体典型结构,晶向指数,1.2材料的原子排列,晶向指数的确定方法 建立以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系。 定出该晶向上任两点的坐标。 用末点坐标减去始点坐标。 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,晶面及晶面指数,晶面指数的确定方法 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。 取截距的倒数。 将倒数约成互质整数，加一圆括号。,1.2 金属晶体典型结构,六方晶系

12、,1.2 金属晶体典型结构,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,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,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,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

13、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。,固溶体的分类,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。,间隙固溶体,置换固溶体, 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。, 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。,置换固溶体的固溶度,晶体结构类型相同,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。,1.3 合金相结构,固溶体,金属化合

14、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。,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。,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,正常价化合物,电子化合物,间隙相,间隙化合物,当非金

15、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。,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 空位 间隙原子 置换原子，,1.4 金属晶体缺陷,点缺陷,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35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

16、缺陷,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,线缺陷,线缺陷,线缺陷,柏氏矢量的主要特性：,柏氏矢量的主要特性：,柏氏矢量的主要特性：,柏氏矢量的主要特性：,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。,位错密度 可用单位体积中位错线总长度来表示，即,式中，为位错密度（m-2）；L为位错线的总长度（m）；V为体积（m3）。,线缺陷,线缺陷,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，

17、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（Nm）表示。,面缺陷,面缺陷,面缺陷,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。,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。,Example: Determine the number of vacancies needed for a BCC iron lattice to have a density of 7.87g/cm3. The lattice parameter of the iron is 2

18、.866x10-8cm. The atomic mass of iron is 55.847g/mol. Avogadros number is 6.02x1023/mol.,where nV is the number of vacancies per cm3; n is the number of lattice points per cm3; Q is the energy required to produce a vacancy, in cal/mol; R is the gas constant, 1.987cal/molK; and T is the temperature in degrees Kelvi