金属工艺学—金属的晶体结构与结晶

二、晶体缺陷 实际晶体中存在的晶体缺陷， 实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可 分为三种： 点缺陷、线缺陷、 分为三种： 点缺陷、线缺陷、面缺陷
1、点缺陷——晶格空位和间隙原子 点缺陷 晶格空位和间隙原子
在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据， 在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这 空位。 种空着的位置称为空位 种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原 这种不占有正常的晶格位置， 子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称 为间隙原子。 间隙原子。
非 晶 体 的 特 点
• 原子在三维空间呈不规则的排列。 原子在三维空间呈不规则的排列。 不规则的排列 没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软， • 没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终 变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。 变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。 • 各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向 各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向 同性。 同性。
晶向指数的确定方法
以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系， 1) 以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系 ， 通过原点作平行于所 求晶向的直线。 求晶向的直线。 2)以相应的晶格常数为单位，求出直线上任意一点的三个坐标值。 以相应的晶格常数为单位，求出直线上任意一点的三个坐标值。 将所求坐标值化为最简整数，并用方括号括起，即为所求的晶向指数， 3) 将所求坐标值化为最简整数， 并用方括号括起 ，即为所求的晶向指数 ， 例如[101] 例如[101]。
3、面缺陷 、
面缺陷是指二维尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金属晶 面缺陷是指二维尺度很大而另一尺度很小的缺陷。 体中的面缺陷主要有晶界 亚晶界。 晶界和 体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界。 晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。如图（ 所示 所示。 晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。如图（a)所示。 亚晶粒之间的交界称为亚晶界。如图(b)所示。 亚晶粒之间的交界称为亚晶界。如图(b)所示。 (b)所示 晶界、亚晶界处具有许多特殊性能。 晶界、亚晶界处具有许多特殊性能。
3、常见金属的晶格类型
原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两 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。 原子之间距离的一半。 晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的 晶胞中所含原子数 是指一个晶胞内真正包含的 原子数目。 原子数目。 致密度（ ）是指晶胞中原子所占体积分数， 致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数， 即K = n v′/ V 。 式中， 为晶胞所含原子数 式中，n为晶胞所含原子数 v′为单个原子体积 为单个原子体积 V为晶胞体积。 为晶胞体积。 为晶胞体积
位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、 位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑 疲劳等都起着重要影响。 性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错 的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（ 的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加 工硬化），就是由于位错密度的增加所致。 ），就是由于位错密度的增加所致 工硬化），就是由于位错密度的增加所致。
密排六方晶格（hcp晶格） 密排六方晶格（hcp晶格） 晶格
密排六方晶格的晶胞如图所示。 ⑴原子排列特征 密排六方晶格的晶胞如图所示。
⑵晶格常数 ⑶原子半径
a = b ≠ c,
r=
1 a 2
c = 1.633, α = β = 90°，γ = 120°. a
个原子。 ⑷晶胞所含原子数 6个原子。 74% (5)致密度 74%。 (6)具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、 (6)具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。 具有密排六方晶格的金属 Ti等
面心立方晶格（fcc晶格） 面心立方晶格（fcc晶格） 晶格
面心立方晶格的晶胞如图所示。 ⑴原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图所示。
a=b=c,α=β=γ=90 90° ⑵晶格常数 a=b=c,α=β=γ=90°。 ⑶原子半径
r= 2 a 4。来自个原子。 ⑷晶胞所含原子数 4个原子。 74% (5)致密度 74%。 (6)具有面心立方晶格的金属： (6)具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、 具有面心立方晶格的金属 Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、 Ag等 Ag等。
如 图 所 示 形式为（ ） 形式为（hkl）
注意： 注意：
每一个晶面指数( 或晶向指数) 1) 每一个晶面指数 ( 或晶向指数 ) 泛指晶格 中一系列与之相平行的一组晶面（或晶向） 中一系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。 立方晶系中， 2) 立方晶系中 ， 凡是指数相同的晶面与晶 向是相互垂直的。 向是相互垂直的。 3) 原子排列情况相同但空间位向不同的晶 或晶向）统称为一个晶面（或晶向） 面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。
第三节 纯金属的结晶与铸锭
• • • • • 凝固与结晶的基本概念 冷却曲线和过冷现象 金属的结晶过程 晶粒大小对金属力学性能的影响 金属的铸态组织
一、 凝固与结晶的基本概念
凝固 物质由液态转变成固态的过程。 物质由液态转变成固态的过程。 结晶 如果凝固的固态物质是原子（或分子） 如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规 则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。 则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。 物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列 物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列 近程有序排列向远程有序 的过程。 的过程。
晶体 固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非 固态物质按其原子（或分子）
晶体两大类。在晶体中，原子（或分子） 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 非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。 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） 如松香、玻璃、沥青）
具体晶向指数 如图所示， 如图所示，其 形式为[uvw] 形式为
晶面指数的确定方法
1)选坐标，以晶格中某一原子为原点（注意不要把原点放在所求的晶面 选坐标，以晶格中某一原子为原点（ 以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。 上），以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。 2)以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个坐标轴的截距。 以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个坐标轴的截距。 3)求三个截距值的倒数。 求三个截距值的倒数。 4)将所得数值化为最简单的整数，并用圆括号括起，即为晶面指数。 4)将所得数值化为最简单的整数，并用圆括号括起，即为晶面指数。 将所得数值化为最简单的整数
晶 体 的 特 点
• 原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列； 原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列； 规则的周期性重复排列 • 具有一定的熔点，如铁的熔点为 具有一定的熔点 如铁的熔点为1538℃，铜的熔 一定的熔点， ℃ 点为1083℃ 点为 ℃ • 晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶 晶体的性能随着原子的排列方位而改变， 体具有各向异性 各向异性； 体具有各向异性； • 在一定条件下有规则的几何外形 在一定条件下有规则的几何外形 晶体不同方向上性能不同的性质叫 晶体的各向异性。 做晶体的各向异性
体心立方晶格（bcc晶格） 体心立方晶格（bcc晶格） 晶格
体心立方晶格的晶胞如图所示。 ⑴原子排列特征 体心立方晶格的晶胞如图所示。
⑵晶格常数 a=b=c,α=β=γ=90°。 a=b=c,α=β=γ=90 90° ⑶原子半径
3 r= a 4
。
个原子。 ⑷晶胞所含原子数 2个原子。 ⑸致密度 68%。 。 具有体心立方晶格的金属： ⑺具有体心立方晶格的金属：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V 、 、 、 、 、 余种金属。 、Nb等30余种金属。 等 余种金属
第二章 金属的晶体结构与结晶
• 内容
金属的晶体结构 合金的晶体结构 实际金属的晶体结构
• 目的
掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、 掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力 学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习 学性能及工艺性能的影响， 做好理论知识的准备
第一节 金属的晶体结构
一、晶体的基本知识 1、晶体和非晶体
使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、 由于空位和间隙原子的存在 ，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻 增加。晶体中空位和间隙原子处于不断地运动和变化之中，在一定温度下， 增加。晶体中空位和间隙原子处于不断地运动和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定平衡 浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式， 浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金属材料的 热处理过程极为重要。 热处理过程极为重要。
整个晶格就是有许多大小、 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。 同的晶胞在空间重复堆积而成的。
2.晶系 按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系， 按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系，见表 1-2。
表1-2 晶系
3、立方晶系的晶面、晶向表示方法 、立方晶系的晶面、 在晶体中， 在晶体中，由一系列原子所组成的平面称 为晶面。 任意两个原子之间的连线称为原子列， 任意两个原子之间的连线称为原子列， 其所指方向称为晶向。 表示晶面的符号称为晶面指数。 表示晶向的符号称为晶向指数。
由于晶体中原子有规则排列且有周期性的 特点， 通常只从晶格中， 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、 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， 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 在晶体学中， 在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点 作为原点， 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、 坐标原点的前、右、上方为轴的正方向 反之为反方向， 晶格常数） ，反之为反方向，并以（晶格常数） 棱边长度和棱面夹角来表示晶胞的形 状和大小 。