第二章 金属的晶体结构与结晶

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1、第二章第二章 金属及合金的结构与结晶金属及合金的结构与结晶2.1金属的结构与结晶金属的结构与结晶 按原子排列的特征，可将固体物质分为按原子排列的特征，可将固体物质分为晶体晶体和和非晶非晶体体两大类。两大类。 晶体晶体： 物质内部的原子是按一定的次序物质内部的原子是按一定的次序有规律排列有规律排列的。如金刚石、石墨等，固态金属一般属于晶体。的。如金刚石、石墨等，固态金属一般属于晶体。 非晶体非晶体：非晶体内部的原子则是无规则排列的，如：非晶体内部的原子则是无规则排列的，如玻璃、松香和沥青等。玻璃、松香和沥青等。（1）结构有序；）结构有序； (1 (1）结构无序；）结构无序；晶体与非晶体的区别：晶

2、体与非晶体的区别：金刚石、金刚石、NaCl、冰、冰 ，固态固态金属等。金属等。石蜡、玻璃石蜡、玻璃l在一定条件下在一定条件下 晶体晶体 非晶体非晶体（2 2）有固定的熔点）有固定的熔点; ; （3 3）性能表现为）性能表现为各向异性各向异性；（2 2）没有固定熔点；）没有固定熔点；(3(3）性能表现为各向同性；）性能表现为各向同性；晶体晶体非晶体非晶体2.1.1 金属的晶体结构o晶格晶格：为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律，可以近为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律，可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点，并将各点用假想的似地将晶体中每一个原子看成是一个点，并将各点用假想的线连接起来，

3、就得到一个空间骨架，简称晶格。线连接起来，就得到一个空间骨架，简称晶格。o晶胞晶胞：即晶格中最小的几何单元。即晶格中最小的几何单元。晶体结构晶体结构晶格晶格晶胞晶胞o晶格参数晶格参数 晶胞中任一点为原点，三条棱边的晶胞中任一点为原点，三条棱边的长长a a，b b，c c三个棱边的夹角三个棱边的夹角 ， ， 称为称为晶胞参数晶胞参数，表征晶胞的形状和大小。，表征晶胞的形状和大小。晶格常数：晶格常数：晶胞中各棱边的长度，以埃晶胞中各棱边的长度，以埃()为单位，为单位，1 =10-10m。通常数值在。通常数值在2.55.0之间。之间。 各种金属元素的主要差别就在于晶格类型和晶格参数各种金属元素的主要

4、差别就在于晶格类型和晶格参数的不同。的不同。 常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格等三种类型。和密排六方晶格等三种类型。1.1.面心立方晶格面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也面心立方晶格的晶胞也是一个是一个立方体立方体，其六个面中，其六个面中心和八个角上各有一个原子。心和八个角上各有一个原子。NoImageo晶胞中的原子数：晶胞中的原子数：4o晶胞中的原子数：晶胞中的原子数：4o原子半径：原子半径：r = a 2 / 4o致密度：致密度：74%属于这类晶格的金属有属于这类晶格的金属有 -Fe 、Cu、Al、Ni等。等。它们都

5、具有它们都具有较好的塑性较好的塑性。面心立方晶格晶胞图面心立方晶格晶胞图2.体心立方晶格（体心立方晶格（bcc） 体心立方的晶胞是一个体心立方的晶胞是一个立方体立方体，其中心和八个角上，其中心和八个角上各有一个原子。各有一个原子。 abc ； 90o晶胞中的原子数：晶胞中的原子数：2o原子半径：原子半径：r = (3 / 4) a o致密度：致密度：68%属于这类晶格的金属有属于这类晶格的金属有-Fe、Cr等。它们都具有等。它们都具有较好的塑性和较大的强度较好的塑性和较大的强度。体心立方晶格晶胞图体心立方晶格晶胞图. .密排六方晶格密排六方晶格 a =bc (c/a=1.633) ； 90 ；

6、 120 密排六方晶格的晶胞是一个密排六方晶格的晶胞是一个六六方柱体方柱体，其上下底面的中心和，其上下底面的中心和十二个角上各有一个原子，且十二个角上各有一个原子，且在六方柱体的中间还有三个原在六方柱体的中间还有三个原子。子。o晶胞中的原子数：晶胞中的原子数：6o原子半径：原子半径：r = a / 2o致密度：致密度：74%属于这类晶格的金属有属于这类晶格的金属有g 、n 等。这类金等。这类金属属塑性较差塑性较差。密排六方晶格晶胞图密排六方晶格晶胞图2.1.2 2.1.2 金属的实际结构和晶体缺陷金属的实际结构和晶体缺陷单晶体：单晶体：当晶体内部的原子都按同一规律同一位向排列，即当晶体内部的原

7、子都按同一规律同一位向排列，即晶格晶格位向位向完全一致时，此晶体称为完全一致时，此晶体称为单晶体单晶体。 如单晶如单晶Si半导体。半导体。一、多晶体结构一、多晶体结构多晶体材料：多晶体材料：是指一块金属材料中包含着许多是指一块金属材料中包含着许多小晶小晶体体，每个小晶体内的，每个小晶体内的晶格位向是一致的晶格位向是一致的，而各小晶，而各小晶体之间体之间彼此方位不同彼此方位不同。 光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图多晶体示意图晶界晶界l晶粒：晶粒：彼此方位不同、外形不规则彼此方位不同、外形不规则的小晶体。的小晶体。l晶界：晶界：晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。 晶粒越细

8、小，数量越多，晶界面积晶粒越细小，数量越多，晶界面积越大。越大。晶粒（单晶体）晶粒（单晶体）l多晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。由多晶粒组成的晶体结构。多晶体的性能在各个方向基本上是一致的多晶体的性能在各个方向基本上是一致的 实际金属中存在着大量的晶体缺陷实际金属中存在着大量的晶体缺陷 按几何形态可分三类：按几何形态可分三类： 点、线、面缺陷点、线、面缺陷。二、晶体缺陷二、晶体缺陷 在实际应用的金属材料中，总是不可避免地存在在实际应用的金属材料中，总是不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域。着一些原子偏离规则排列的不完整性区域。晶体缺陷：晶体缺陷：实际晶体中原子排列不规则的区

9、域。实际晶体中原子排列不规则的区域。（1）点缺陷）点缺陷点缺陷是指点状的，即在所有方向上尺寸都很小的晶体缺陷。 （空位、间隙原子或置换原子）a 空位是结晶时晶格上应被原子占据的结点未被占据；b有的原子不在晶格结点上，挤入晶格间隙中，形成间隙原子C还有原子被其他异类原子所替换，形成置换原子。点缺陷对性能的影响：点缺陷对性能的影响： 使晶格发生扭曲（称为使晶格发生扭曲（称为晶格畸变晶格畸变），从而引起），从而引起性性能变化能变化，使金属的，使金属的电阻率增加，强度、硬度电阻率增加，强度、硬度提高提高，塑塑性、韧性性、韧性下降下降。（2 2）线缺陷）线缺陷 位错位错 晶体中一列或数列原子发生有规则的

10、错排。（刃型位错和晶体中一列或数列原子发生有规则的错排。（刃型位错和螺型位错。）螺型位错。） 刃型位错刃型位错螺形位错螺形位错（3 3）面缺陷）面缺陷 晶界和亚晶界上的原子排列，从一种位向过晶界和亚晶界上的原子排列，从一种位向过渡到另一种位向。在这个过渡层中的原子排列是不规则的，晶渡到另一种位向。在这个过渡层中的原子排列是不规则的，晶格发生畸变。格发生畸变。 （晶界、亚晶界）（晶界、亚晶界）晶界处晶格畸变晶界处晶格畸变强度高强度高, 熔点低，易腐蚀熔点低，易腐蚀结晶结晶是由一种是由一种相相（液相）转变为另一种（液相）转变为另一种相相（固（固相）的过程，因而是相）的过程，因而是相变过程相变过程。

11、一次结晶：一次结晶：一是从一是从液态液态到到固态固态晶体的过程；晶体的过程；二次结晶：二次结晶：从固态从固态晶体晶体到另一种固态到另一种固态晶体晶体的过程。的过程。 2.1.32.1.3金属的结晶过程金属的结晶过程1. 冷却曲线只有当温度下降到只有当温度下降到Tn时，才开时，才开始结晶。始结晶。曲线上曲线上水平阶段水平阶段是由于结晶时是由于结晶时放出放出结晶潜热结晶潜热引起的引起的.曲线上曲线上水平阶段水平阶段所对应的所对应的温度温度称称实际结晶温度实际结晶温度Tn。2.2.过冷过冷 过冷度过冷度: 理论结晶温度与实际结晶温度的差值理论结晶温度与实际结晶温度的差值 称为过冷度。称为过冷度。 即