金属与合金的晶体结构
第2章 金属与合金的晶体结构和相图--定稿
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2、晶体缺陷
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3）面缺陷（晶界和亚晶界）
晶界 ：位向不同的相邻晶粒之间的接触界面，属于 面缺陷。
亚晶粒：每个晶粒可分为若干个位向相差很小(一般
θ<1～3o)的亚晶粒。
亚晶界：亚晶粒之间的边界叫亚晶界。
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3）面缺陷：
a）在常温下，晶界对滑移起阻碍作用，即表现为 晶界强度高。
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第2章 金属晶体结构和二元合金相图
金属材料有纯金属和合金两种。纯金属是由一种元素 组成的（如Fe、Cu、Al等）；合金则是以一种金属元素 作为基础，加入其它金属元素或非金属元素，经过熔合 而获得具有金属特性的材料（如碳钢、铜合金等）。因 为合金比纯金属有更好的力学性能和工艺性能，且成本 低，故常用于工业生产。
C（石墨）、Mg、Zn 等
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晶格常数
底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90
（3）密排六方晶格 hcp
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晶胞中的原子个数？ 致密度？
晶格常数：c/a≈1.633； 原子半径：r=1/2a
？
原子个数：12X1/6+2X1/2+3=6 致 密 度：0.74
二、多晶体结构与晶体缺陷
不同的纯金属与合金，由于其内部组织结构不同，性能 也不一样。为了了解金属和合金的性能，就必须了解其内 部构造。
本章要点： ➢ 金属的晶体结构
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➢ 铁和碳的合金称为铁碳合金，钢和铸铁都是 铁碳合金。 ➢ 要掌握各种钢和铸铁加工方法，必须首先了 解铁碳合金中化学成分、组织与性能之间的关 系。
b）容易满足固态相变所需的能量起伏，新相往往 在晶界处形核。
第3讲：金属与合金的晶体结构
纯金属结晶的条件 就是应当有一定的 过冷度（克服界面能）
T
过冷度
T= T0 - Tn
T0
理论结晶温度
}T
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱTn
开始结晶温度
t
冷却曲线
3、 过冷现象
金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温 度T0的现象。 过冷度△T= T0－Tn，过冷是结晶的必要 条件。
同一金属，结晶时冷却速度越大，过冷 度越大，金属的实际结晶温度越低。
多晶体：这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。 其中每个小晶体的外形
多为不规则的颗粒，通 常称为晶粒。 晶粒与晶粒之间的界面
称为晶界。
晶粒（单晶体）
二、晶体的缺陷
晶体中原子完全为规则排列时，称为理想晶体。
实际上，金属由于多种原因的影响，内部总是存在着大 量缺陷。
根据晶体缺陷的几何特点，常分为：
一个空间格架，这种抽象的，用于描述原子在晶体中排列 形式的几何空间格架就叫晶格。
晶格中的每个点称为结点。晶格中各种不同方位的原子面 称为晶面。
2、晶胞 组成晶格的最基本几何单元称为晶胞。实际上整个晶格就是 由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成 的。
3、晶格常数 晶胞的各棱边长为a、b、c和棱边夹角α、β、γ。其中，
2、 长大
晶体的长大过程是液体中原子迁移到固体表面， 使液—固界面向液体中推移的过程。
两种长大方式 —— 平面生长 与 树枝状生长。
平面长大
树枝状长大
三、晶粒大小对金属力学性能的影响
1、概念
1） 晶粒度——衡量晶粒大小的尺度，常以单位截面上晶粒数目或 晶粒的平均直径来表示。
2） 形核率——指单位时间、单位体积中所形成的晶核数目。 3） 长大速度——指单位时间内晶核向周围长大的平均线速度。
金属与合金的晶体结构
三斜晶系
特征 a≠b≠c α ≠β≠γ≠90
简单三斜点阵
单斜晶系
特征 a≠b≠c α =γ=90≠β
简单单斜点阵 底心单斜点阵
正交晶系 简单正交点阵
底心正交点阵
特征 a≠ b≠ c α =β=γ =90
体心正交点阵
面心正交点阵
六方晶系
特征 a1=a2=a3≠c α =β=90，γ =120
简单六方点阵
能量低的，通常在离核近的区域(壳层)运动；能量高的， 通常在离核远的区域运动
二、金属键
共价键 有些同类原子，例如周期表 IVA，VA，VIA族中大多数 元素或电负性相差不大的原 子互相接近时，原子之间不 产生电子的转移，此时借共 用电子对所产生的力结合。
SiO2结构示意图
离子键 当两种电负性相差大的原 子(如碱金属元素与卤族元 素的原子)相互靠近时，其 中电负性小的原子失去电 子，成为正离子，电负性 大的原子获得电子成为负 离子，两种离子靠静电引 力结合在一起形成离子键。
三、三种典型的金属晶体结构
晶胞的大小显然取决于三条棱的长度a，b和c，而晶胞的形 状则取决于这些棱之间的夹角α、β和γ 按照晶胞的大小和形状的特点，共有7种晶系
由7种晶系可以形成多少种空间点阵呢？ 似乎每种晶系包括4种点阵，即简单点阵、底心点阵、面 心点阵和体心点阵。7种晶系总共似乎可以形成4×7=28种 点阵。 按照“每个阵点的周围环境相同”的要求，最先是布拉菲 （A. Bravais）用数学方法证明了只能有14种空间点阵。通 常人们所说的点阵就是指布拉菲点阵。
KnV1V2a 3 43r323 4a(343a)30.68
2.面心立方
图 面心立方晶胞示意图 （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图
第2章 金属及合金相的晶体结构
1. 面心立方结构
面心立方结构金属：γ-Fe, Al, Cu, Ni, Au, Ag和Pt等。
结构符号A1，Pearson符号cF4。 每个晶胞含4个原子。
面心原子shared by 2 cells: 6 x 1/2 = 3 顶角原子shared by 8 cells: 8 x 1/8 = 1
略受压缩的八面体间隙； 八面体间隙中心位于棱边中心和面心 八面体间隙半径: r=1/2(a-2R)
r≈0.155 R 晶胞含6 (6×1/2+12×1/4 )个八面体间隙。 平均1个原子3有个八面体间隙。
非正四面体间隙。 四面体间隙半径: r= (a√5/4-R)
r≈0.291 R 晶胞含12 (4 ×6 ×1/2)个四面体间隙。 平均1个原子含6个四面体间隙。
ZA, ZB 为A、B组元价电子数， VB为B组元摩尔分数。
1933年，Bernal 建议称之为电子化合物。 Massalski认为称其为电子相更恰当。
§2.12正常价化合物
正离子价电子数正好能使负离子具有稳定的电子层结构，即 AmBn化合物中，meC=n(8-eA), 结合一般是离子键。 eA和eC分别是正和负离子在非电离状态下的价电子数。
§2.13 拓扑密堆积相(TCP相)
在很多化合物结构中，原子尺寸起主要作用，并倾向于紧密堆 垛，称为拓朴密堆相，包括间隙化合物、Laves、σ相等。
间隙化合物
由原子半径r比较大的过渡金属（M）与r比较小的H, B, C, N, O, 等非金属组成的化合物，非金属原子占据金属原子结构间隙。 具有金属光泽和导电性的高熔点、高硬度较脆的化合物。
§2.9间隙固溶体
面心立方结构
r=0.414R
r=0.225R
工程材料02(金属与合金的晶体结构)
金属材料的性能特点一般地，金属材料与非金属材料相比，金属材料具有良好的力学性能，而且工艺性能也较好。
即使都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能也会有很大的差异。
造成这些性能差异的主要原因是材料内部结构不同，因此掌握金属与合金的内部结构特点，对于合理选材具有重要意义。
金属材料是靠原子间金属键结合起来的。
金属键——金属材料内部，呈一定规律排列的正离子与公有化的自由电子靠库仑力结合起来，这种结合力即为金属键。
（正离子+公有电子云、无方向性、非饱和性）金属材料的性能特点：1、良好的导电、导热性。
2、正的电阻温度系数3、良好的塑性4、不透明、有金属光泽第一节晶体的基本知识金属材料一般都是晶体，具有晶体的特性。
一、晶体——内部原子呈规则排列的物质。
晶体材料（单晶体）的特性：①具有固定的熔点。
②具有规则的几何外形。
③具有“各向异性”。
二、晶格、晶胞和晶格常数1、晶格——描述晶体中原子排列规律的空间点阵。
将原子的振动中心抽象为一几何点，再用直线的连接表示原子之间的相互作用。
2、晶胞——由于晶格排列具有周期性，研究晶格时，取出能代表晶格特征的最小基本单元即称为晶胞。
3、晶格常数——用来描述晶胞大小与形状的几何参数。
三条棱长：a、b、c三条棱的夹角：α、β、γ对于简单立方晶胞：棱长a=b=c 夹角α= β= γ= 90°第二节纯金属的晶体结构一、典型的晶格类型各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，往往呈现出不同的物理、化学及力学性能。
除少数金属具有复杂晶格外，大多数晶体结构比较简单，典型的晶格结构主要有以下三种：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 ）晶格常数： a = b = c ；α=β=γ= 90°密排方向（原子排列最紧密的方向）：立方体的对角线方向原子半径：属于bcc 晶格的金属主要有：α-Fe 、Cr 、W 、Mo 、V 等ar 432、面心立方晶格（fcc ）晶格常数： a = b = c ；α=β=γ= 90°密排方向：立方体表面的对角线方向原子半径：属于fcc 晶格的金属主要有：γ-Fe 、Cu 、Al 、Au 、Ag 等。
第一章 金属与合金的晶体结构
晶格－描述晶体中原子排列规律的空间格架。
晶胞－空间点阵中最小的几何单元。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际 排列。 特征：a 可能存在局部缺陷； b 可有无限多种。
空间点阵相同，是否晶体结构相同？
2 晶胞
（1）晶胞：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则： a 能够充分反映空间点阵的对称性； b 相等的棱和角的数目最多； c 具有尽可能多的直角；
（c）
配位数＝12；致密度＝0.74
3、密排六方晶格：记为HCP 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，由六个呈长 方体的侧面和两个呈六边形的底面所组成，如图所示。 属于这种晶格类型的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。
两个晶格常数：正六边形边长a；上下两底面之间的距离c。 轴比：c/a 配位数：12；致密度：0.74（与面心立方相同）
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
说明： a 指数意义：代表一组平行的晶面； b 0的意义：面与对应的轴平行； c 平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反； d 晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距 完全相同），空间位向不同的各组晶面。用{hkl}表示。 e 若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0; f 若晶面与晶向垂直，则u=h, k=v, w=l。
金属特性：导电性、导热性好；正电阻温度系数；好的延 展 性；有金属光泽等。
（4）分子键与分子晶体
原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
第二章金属与合金的晶体结构和二元合金相图教材
金属的结构
Si2O的结构
2、晶格与晶胞
晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的 三维空间格架。直线的交点（即原子中心）称结点。 由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。
晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元 .
晶 体 晶 格 晶 胞 示 意 图
晶格常数：晶胞各边的
尺寸 a、b、c。各棱间
位 错 壁
亚晶粒
大角度和小角度晶界
晶界的特点：
① 原子排列不规则。 ② 熔点低。 ③ 耐蚀性差。
④ 易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。
⑤ 阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用 的金属力求获得细晶粒。
⑥ 是相变的优先形核部位。
第二节 金属的结晶与同素异晶转变
物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 结晶： 液体 --> 晶体 凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc
1394 C
912 C
912 C
-Fe，fcc
-Fe，bcc
2、固态转变的特点
固态下的相变也是一个形核和长大的过程，但有
着与结晶不同之处，其特点为：
（1）形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶 内缺陷、特定晶面等）。
（2）由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。 （3）固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应
属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族
元素。
形成间隙固溶体的一般规律 为r质/r剂<0.59。
Hale Waihona Puke ⑶ 固溶体的溶解度
金属与合金的晶体结构
金属与合金的晶体结构一、引言金属与合金是一类重要的材料，它们具有优异的物理和化学性质，广泛应用于工业和科学领域。
金属与合金的晶体结构是影响其性能的重要因素之一。
本文将介绍金属与合金的晶体结构，包括晶体的组成、晶体的类型以及晶体的排列方式等。
二、金属晶体结构金属晶体结构由金属原子组成。
金属原子通常具有较大的离子半径和较小的电负性，因此它们倾向于形成金属键。
金属晶体结构可以分为以下几种类型：1. 面心立方结构（FCC）面心立方结构是最常见的金属晶体结构之一。
在面心立方结构中，金属原子分别位于晶格的每个面的中心以及每个顶点。
这种结构具有高度的对称性和密堆积性，因此具有较高的韧性和塑性。
2. 体心立方结构（BCC）体心立方结构是另一种常见的金属晶体结构。
在体心立方结构中，金属原子分别位于晶格的每个面的中心以及晶格的中心。
这种结构相对于面心立方结构来说，具有更高的密度和较低的韧性。
3. 密堆积六方结构（HCP）密堆积六方结构是一种较少见的金属晶体结构。
在密堆积六方结构中，金属原子分别位于晶格的每个面的中心以及每个顶点，形成六边形的密堆积结构。
这种结构具有较高的密度和较低的韧性。
三、合金晶体结构合金是由两种或更多种金属元素组成的混合物。
合金晶体结构可以由金属元素的晶体结构类型以及原子比例决定。
1. 固溶体固溶体是最常见的合金晶体结构之一。
在固溶体中，主要金属元素和溶质金属元素形成固溶体溶解体，原子之间的排列方式与纯金属相似。
固溶体可以分为完全固溶体和部分固溶体两种类型。
完全固溶体中，溶质原子完全溶解在主要金属晶体中；而在部分固溶体中，溶质原子只能部分溶解在主要金属晶体中。
2. 亚稳相亚稳相是指在合金中形成的相对于平衡相来说具有较低稳定性的晶体结构。
在亚稳相中，原子之间的排列方式发生改变，导致晶体结构和性能发生变化。
亚稳相的形成主要受到合金元素的浓度和固溶度限制的影响。
3. 间隙化合物间隙化合物是指合金中形成的一种特殊结构，其中金属原子和非金属原子之间的排列方式具有较高的有序性。
2金属及合金的结构
类型
包括空位、间隙原子、杂质或溶质原 子，以及由它们组成的复杂点缺陷，如空 位对、空位团和空位—溶质原子对等。
点缺陷的形成
out
点缺陷的平衡浓度
点缺陷的运动
22
点缺陷的运动
晶体中的点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断 的运动过程中。 由于热激活，某个原子有可能获得足够的能量而 跳入空位中，即发生空位迁移 出于热运动，晶体中的间隙原子也可由—个间隙 位臵迁移到另一个间隙位臵;也会落入邻近的空位， 而使两者都消失,即发生复合. 由于能量起伏，其他地方可能又会出现新的空位 和间隙原子，以保持该温度下平衡浓度不变。
最近邻
0.74
0.68
0.74
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。
out
5
晶体的原子堆垛方式和间隙
纯金属最密排结构
原子密排面在空间一层一层平行地堆垛→晶体结构
out
6
间隙数
FCC:
Interstitial Site
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 元就是组成合金的元素。
组元 组成合金最基本的独立的物质，通常组 相
out
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 10 分开的组成部分→固溶体和中间相
合金组元之间的相互作用及其所形成的合金相的性质主要 是由它们各自的电化学因素、原子尺寸因素和电子浓度三个 因素控制的。
动理论与实际相差甚远.
27
螺型位错的运动 方向始终垂直位 错线和柏氏矢量
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶第一节 金属的晶体结构自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。
晶体与非晶体的区别表现在许多方面。
晶体物质的基本质点（原子等）在空间排列是有一定规律的，故有规则的外形，有固定的熔点。
此外，晶体物质在不同方向上具有不同的性质，表现出各向异性的特征。
在一般情况下的固态金属就是晶体。
一、晶体结构的基础知识（1）晶格与晶胞为了形象描述晶体内部原子排列的规律，将原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点连接起来，这样构成的空间格子称为晶格（图2-1）晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞（图2-1），它具有很高对称性。
（2）晶胞表示方法不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。
结晶学中规定，晶胞大小以其各棱边尺寸a 、b 、c 表示，称为晶格常数。
晶胞各棱边之间的夹角分别以α、β、γ表示。
当棱边a b c ==，棱边夹角90αβγ===︒时，这种晶胞称为简单立方晶胞。
（3）致密度金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。
二、三种典型的金属晶格1、体心立方晶格晶胞示意图见图2-2a。
它的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，其致密度为0.68。
属于该晶格类型的常见金属有Cr、W、Mo、V、α-Fe等。
2、面心立方晶格晶胞示意图见图2-2b。
它的晶胞也是一个立方体，立方体的8个顶角和立方体的6个面中心各有一个原子，其单位晶胞原子数为4个，其致密度为0.74（原子排列较紧密）。
属于该晶格类型的常见金属有Al、Cu、Pb、Au、γ-Fe等。
3、密排六方晶格它的晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个顶角和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，晶胞示意图见图2-2c。
其单位晶胞原子数为6个，致密度也是0.74。
属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。
2 金属和合金的晶体结构
面心立方结构 fcc 密排六方结构 hcp
单斜
三斜
二、典型的金属晶体结构
§1纯金属的结构
1.体心立方晶格：bcc（body centred cubic）
具有bcc结构的金属： -Fe、Cr、W、Mo、V、 Nb等。
a
体心立方晶体模型
体心立方晶格
a
原子半径: 晶胞原子数: 配位数: 致密度:
r ( 3 / 4) a
空位
置换原子
晶体中的点缺陷
2）线缺陷—位错(dislocation)
§2实际金属的结构
E
EF—位错线
§2实际金属的结构
位错对晶格规律性的影响
在位错线附近，原子的错排使晶格发生畸变。
位错对晶体性能的影响
位错的存在可降低晶体
的强度。当位错大量产生后， 又可提高强度，同时使晶体 的塑性和韧性降低。
位错对晶体强度的影响
3）面缺陷：
§2实际金属的结构
晶体中存在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上的尺寸相 对较大，呈面状分布的缺陷。有晶界、亚晶界和相界等。
>10 ＜10
晶界示意图
亚晶界示意图
晶界等面缺陷对晶体性能的影响
晶界等面缺陷能同时提高晶体的强度和塑性。 细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段
总结：
实际的金属是一个多晶体，内部存在晶体缺陷。 空位
三、实际金属的结构
1.单晶体—晶格位向（或方 位）一致的晶体。 单晶体的特性：各向异性 现象。
§2实际金属的结构
原因：各晶面和各晶向上 原子排列的密度不一致。
z
0 x
y
2.多晶体
§2实际金属的结构
一块金属材料中包含着许多 小晶体，每个小晶体内的晶格 位向是一致的。
金属和合金的晶体结构.pptx
其最外层的电子数很 少，一般为1～2个， 不超过3个。
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价电子
§1.1 金属原子间的键合特点
结合力
当原子靠近到一定程 度时，原子间会产生 较强的作用力。
第11页/共125页
§1.1 金属原子间的键合特点
外 层 稳定的八电子排布结构 电 子 接受或释放额外电子 作 用 共有电子 形 式
材料的原子排列
非晶态
原子排列短程有序或无序
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ຫໍສະໝຸດ ；④热导率 （导热系数）和膨胀性 小；
第27页/共125页
§1.2 金属晶体典型结构
第28页/共125页
§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
堆垛方式
第59页/共125页
第60页/共125页
§1.12.材2 金料属的晶原体典子型排结列构
晶向
第61页/共125页
§1.12.2材金料属的晶体原典子型排结列构
晶向指数
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。
第16页/共125页
§1.1 金属原子间的键合特点
结合键的特性
结构特点
离子键 方向性不明显，配位数大
共价键
方向性明显， 配位数小，密度小
金属键
无方向性，配位 数大，密度大
力学性能 热力性质 电学性质 光学性质
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
金属与合金晶体结构与特征
金属与合金的晶体结构和特征
间隙半径
若在晶胞空隙中放入刚 性球, 则能放入球的最大 半径为空隙半径。体心 立方晶胞中有两种空隙。 四面体空隙 其半径为: r四=0.29r原子 八面体空隙 其半径为: r八=0.15r原子
金属与合金的晶体结构和特征
2、面心立方晶格（ FCC）
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
金属与合金的晶体结构和特征
原子排列方式
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°
金属与合金的晶体结构和特征
金属与合金的晶体结构和特征
常见金属
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。
金属与合金的晶体结构和特征
原子半径
金属与合金的晶体结构和特征
配位数
12
金属与合金的晶体结构和特征
致密度
0.74（74%）
金属与合金的晶体结构和特征
第二节 金属的晶体结构
金属与合金的晶体结构和特征
➢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。
金属与合金的晶体结构和特征
一、 典型晶体结构及其几何特征
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）
第二章 金属学的基本知识
§ 2.1 金属与合金的晶体结构
合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫相。合金中相
与相之间有明显的界面。液态合金通常为单相液体。合金在固态下，
由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合 金。
组成合金各相的成分、结构、形态、性能和各相的组合情况构成
了合金的组织。组织是合金的内部情景，还包括晶粒的大小、形状、 种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布，可以用肉眼或借助各
固溶体，如图2-10(b)所示。
由于溶剂晶格的间隙有限，因此间隙固溶体都是有限固溶体。形成间 隙固溶体的条件是溶质原子与溶剂原子的比值r溶质/r溶剂≤0. 59。因此
形成间隙固溶体的溶质元素都是一些原子半径小的非金属元素，如氢、
硼、碳、氮、氧等。
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
应当指出，所形成的固溶体虽然仍保持着溶剂金属的晶格类型， 但由于溶质与溶剂原子尺寸的差别，必然会造成晶格的畸变，如图 2-11。晶格畸变使合金的强度、硬度和电阻升高。这种通过溶人 溶质元素使固溶体的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强 化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制
态的金属和合金。晶体具有一定的熔点，并具有各向异性的特征。
晶体中的原子排列情况如图2-1(a)所示。 2.晶体结构的基本知识 (1)晶格为了便于描述晶体中原子排列的规律及几何形状，人 为地将原子看作一个点，再用一些假想的线条，将原子的中心
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
连接起来，使之构成一个空间格子，如图2-1 ( b)。这种抽象 的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间格子叫做“晶格”。 晶格中的每个点叫做晶格结点。 (2)晶胞由于晶体中原子排列具有周期性特点，因此在研究晶 体结构时，为方便起见，通常只从晶格中选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，这个 最小的几何单元称为晶胞，如图2-1 (c)。实际上整个晶格就是 由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。晶 胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a,b,c及棱边夹角α,β,γ来
第二章金属与合金的晶体结构及铁碳相图
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ.2 实际金属的晶体结构
2.2.2金属的结晶
1.结晶的基本概念 物质由液态转变为固态的过程称为凝固，如果通过凝固形成
晶体，则又称为结晶。晶体物质都有一个平衡结晶温度(熔 点)，液体只有低于这一温度时才会结晶，固体高于这一温度 时才能发生熔化。在平衡结晶温度，液体与晶体同时共存， 处于平衡状态。而非晶体物质无固定的凝固温度，凝固总是 在某一温度范围逐渐完成。 纯金属的实际结晶过程可用冷却曲线来描述。冷却曲线是描 述温度随时间而变化的曲线，是用热分析法测绘的。从图26的冷却曲线可以看出，液态金属随时间冷却到某一温度时， 在曲线上出现了一个平台，这个平台所对应的温度就是
1.单晶体和多晶体 晶体内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体，金属的单
晶体只能靠特殊的方法制得。实际使用的金属材料都是由许 多晶格位向不同的微小晶体组成的，每个小晶体都相当于一 个单晶体，内部的晶格位向是一致的，而小晶体之间的位向 却不相同。这种外形呈多面体颗粒状的小晶体称为晶粒;晶粒 与晶粒之间的界面称为晶界；由许多晶粒组成的晶体称为多 晶体，如图2-5所示，实际金属就是多晶体。 2.晶体缺陷 第一节介绍的金属晶体内部原子规则有序地排列是理想晶体 的状态。实际上金属由于结晶或其他加工等条件的影响，内 部原子排列并不是理想的，存在着大量的晶体缺陷(点缺陷、 线缺陷和面缺陷)。这些缺陷的存在，对金属性能会产生显著 的影响。
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2.2 实际金属的晶体结构
(2)晶核的长大 如图2-7所示，当第一批晶核形成后液体中的原子便不断
地向晶核沉积长大，与此同时又有新的晶核生成并长大， 形核与长大这两个过程是同时在进行着的，直至每个晶核 长大到互相接触，而每个长大了的晶核也就成为了一个晶 粒。
纯金属与合金的晶体结构
图2—4 立方晶格中的几个晶向
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图2—5 体心立方晶胞返回来自图2—6 面心立方晶胞
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图2—7密排六方晶胞
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2.1.1晶体结构
1.晶体与非晶体
在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体。如 普通玻璃、松香、树脂等。凡原子呈有序、有规则排列的物 体称为晶体，如金刚石、石墨等。金属在固态下一般均属于 晶体。
晶体与非晶体，由于原子排列方式不同，它们的性能差异 很大。晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性；非晶体没 有固定熔点，表现为各向同性。
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2.1.1晶体结构
2.晶格与晶胞
晶体内部原子在空间是按一定的几何规律排列的。为了便 于理解与研究，我们把原子看成是一个小球，金属晶体就 是由这些小球有规律地堆积而成的，如图2—1所示。 为了清楚地表示晶体中原子排列的规律，可以将原子简化 成一个点，用假想的线将这些点连接起来，构成有明显规 律性的空间格架。这种表示原子在晶体中排列规律的空间 格架叫做晶格，如图2—2a所示。晶格是由许多形状、大小 相同的最小几何单元重复堆积而成的。这种能够完整地反 映晶格特征的最小几何单元称为晶胞，如图2—2b所示。
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2.2合金的晶体结构
2.2.2合金的结构
根据合金中各组元之间结合方式的不同，合金的组织可分为固 溶体、金属化合物和混合物三类。
1.固溶体 （1）间隙固溶体 （2）置换固溶体
2.金属化合物 3.混合物
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2.1.1晶体结构
3.晶面和晶向
在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。图2—3所 示为一些简单立方晶格的晶面。通过两个或两个以上原子中 心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向，如 图2—4所示。由于在晶体的各个晶面和晶向上原子排列的疏 密程度不同，原子密度及原子间结合力大小也就不同，从而 在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有 各向异性的原因。
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第二章金属与合金的晶体结构
第一节纯金属的晶体结构
一、晶体结构的基本知识
1、晶体与非晶体
晶体——原子规则排列的集合体
非晶体——原子无规则堆积的集合体
晶体特征：固定的熔点，各向异性
2、晶格与晶胞
晶格：把晶体中原子看成几何点，用假象的直线连接后得到的三维格架晶胞：晶格中能全面反映原子排列规律的最小几何单元
3、晶面与晶向晶格常数：晶胞的棱边长度
晶面：晶格中各方位的原子面
晶向：任意两个原子连线所指的方向
第二节纯金属的实际晶体结构
α-Fe [100] E=135000N/mm2
[111] E=290000 N/mm2
实际测定 E=210000 N/mm2
一、多晶体结构
单晶体：各部分位向完全一致的晶体（各向异性）多晶体：许多位向不同的单晶体的聚合体（各向同性）晶粒：多晶体中外形不规则的小晶体晶界：晶粒之间的界面
二、晶体缺陷
1、点缺陷——空位和间隙原子
点缺陷→导致晶格畸变→强度↑，硬度↑
空位和间隙原子都处于运动和变化之中，是原子扩散主
要方式之一。
温度↑，空位↑
2、线缺陷——位错
位错——整排原子有规律错排位错密度ρ=L / V (cm-2)
增加或减小，可以提高强度
3、面缺陷——晶界、亚晶界晶界处：晶格畸变→强度高
原子能量高→熔点低，易腐蚀，原子扩散快
晶粒细→晶界面积大→强度高
亚晶界：晶粒内小位向差（1-2°）的晶块（亚晶粒亚结构）边界
第三节合金的晶体结构合金的基本概念
合金：由两种或两种以上金属，或金属与非金属组成，具有金属性质的物质。
组元：组成合金的基本物质。
相：结构相同，成分相近，与其它部分有界面分开的部分
单相合金：固态下由一个固相组成的合金
多相合金：固态下由两个以上固相组成的合金
组织：相的聚合体。
( 单相组织，多相组织，)
二、合金的相结构
合金相结构——固溶体和金属化合物。
1、固溶体
固溶体：一种元素的原子溶入另一种元素中形成的合金相。
溶剂——保持原晶体结构的元素溶质——失去原晶体结构的元素
有限固溶体：溶解度有一定限度——有限互溶
无限固溶体：溶解度无一定限度——无限互溶（晶体结构相同原子直径相近）固溶体分类：
置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点
间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格的间隙中
固溶强化——溶质溶入固溶体，导致晶格畸变，引起强度和硬度升高
(仍保持良好的塑性和韧性)
2、金属化合物
特征：
•有金属性质
•晶体结构不同于任何组元
•成分可用分子式表示Fe3C
性能：硬，脆，熔点高
弥散强化（第二相强化）：
当金属化合物以细小颗粒均布于固溶体上，
可使合金的强度↑↑，硬度↑↑，耐磨性↑↑
调整合金性能的途径：
•改善固溶体溶解度
•改变化合物形状、数量、大小、分布。