金属工艺学课件——金属的晶体结构与结晶

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, c 1.633, 90， 120. a
r 1a 2
⑷晶胞所含原子数 6个原子。
(5)致密度 74%。
(6)具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。
第二节 金属的实际晶体结构
晶体的基本概念 金属晶体的缺陷：
表1-2 晶系
3、立方晶系的晶面、晶向表示方法
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，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。
晶向指数的确定方法
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。 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。 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]。
特 体具有各向异性；
点 • 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 做晶体的各向异性。
非
晶 • 原子在三维空间呈不规则的排列。
体 • 没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终
的 变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。
特 点
• 各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向 同性。
金属工艺学
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、力 学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习 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
晶体 固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非
在晶体学中，通常取晶胞角上某一结 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、右、上方为轴的 正方向，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 。
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。
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，见表 1-2。
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。
（如松香、玻璃、沥青）
晶 体 的
• 原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列； • 具有一定的熔点，如铁的熔点为1538℃，铜的熔 点为1083℃ • 晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶
点缺陷——晶体空格、间隙原子 线缺陷——位错 面缺陷——晶界、亚晶界
一、单晶体和多晶体
晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。 实际使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其 内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶 体组合在一起的多晶体构成。这些小晶体就是晶粒，它们之间 的交界即为晶界。由多晶粒构成的晶体称为多晶体。在一个晶 粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向 差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为 亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。
二、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、面缺陷
1、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，这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。
面心立方晶格（fcc晶格）
⑴原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图所示。
⑵晶格常数 a=b=c,α=β=γ=90°。 ⑶原子半径 r 2 5)致密度 74%。 (6)具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、 Ag等。
密排六方晶格（hcp晶格）
如图所示 形式为（hkl）
注意：
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）。
2)立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶 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 面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。
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 原子数目。
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，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，对金属材料的 热处理过程极为重要。
具体晶向指数 如图所示，其 形式为[uvw]
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 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。 3)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。
2、晶体结构的基本概念
为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固 定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心 连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几 个结点上，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，简称晶格。
由于晶体中原子有规则排列且有周期性的 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、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
致密度（K）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。
体心立方晶格（bcc晶格）
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°。 ⑶原子半径 r 3 a 。
4
⑷晶胞所含原子数 2个原子。 ⑸致密度 68%。 ⑺具有体心立方晶格的金属：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V 、Nb等30余种金属。