金属材料的结构

[110] (221) [221]
Y
③遇到负指数，“-”号放在 X 该指数的上方。
④晶向具有方向性， -如[110]与[110] 方 向相反。
（3）三种常见晶格的密排面和密排方向
• 单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。
• 单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。
• 原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。 密排面 体心立方晶格 面心立方晶格 数量 密排方向 数量
5、实际金属的晶体结构 ⑴ 单晶体与多晶体 • 单晶体：其内部晶格方位完全一 致的晶体。 • 多晶体 晶粒：实际使用的金属材料是由 许多彼此方位不同、外形不规则
纯铁组织
的小晶体组成，这些小晶体称为
晶粒。（一般10-5-10-4m） 变形金属晶粒尺寸约1~100m，铸造金属可达几mm。
晶 粒 示 意 图

金属晶须
退火态 (105-108/cm2)
加工硬化态
(1011-1012/cm2)

电子显微镜下的位错
透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)
高分辨率电镜下的刃位错 （白点为原子）
电子显微镜下的位错观察
③ 面缺陷—晶界与亚晶界
• 晶界是不同位向晶粒的过渡层。该过渡层处的原子总
是不能规则排列，产生晶格畸变，所以它是晶体中的一种
• 准晶：具有与晶体相似的长程有序的原子排列； 但不具备晶体的平移对称性即无周期性，可以说 是介于晶体和非晶体之间；
• 液晶：二维长程有序。一些有机化合物和高分子 聚合物，在一定温度或浓度的溶液中，既具有液 体的流动性，又具有晶体的各向异性，这就是液 晶。
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2、纯金属的晶体结构
z
c b a
致密度
晶胞中原子本身所占的体积与晶胞体积之比.
常见的金属晶体结构
工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶 体结构，其中最典型的为以下三种： （1）体心立方晶格bcc
（2）面心立方晶格fcc
（3）密排六方晶格hcp
⑴ 体 心 立 方 晶 格
体心立方晶格
体心立方晶格的参数
• 体心立方晶格
晶格常数：a(a=b=c)
{110} {111}
6 4 1
<111> <110>
底面对角线
4 6 3
密排六方晶格 六方底面
体心立方(110)面
面心立方(111)面
密排六方底面
4、金属晶体的特性
（1）有确定的熔点
温度
非晶体
熔点 晶体 时间
晶体和非晶体的熔化曲线
（2）各向异性
Z
不同晶面或晶向原子排列的方式和 密度不同引起性能不同的现象。 Z
1.2 金属材料的晶体结构
一、 金属的特性
与非金属相比，固态金属具有它独特的性能，如 良好的导电性、导热性、延展性（塑性变形能力） 和金属光泽。
思考
这些是金属的特性么？能否据此来区分金属 与非金属呢？
否
1. 有的非金属也可能表现出上述某些特性： 如： 石墨能导电 金刚石导热 无机化合物具有金属光泽； 2. 各种金属晶体之间，这些特征的差别也很大： 鈈、锰的导电能力比银、铜相差近百倍 锑、铬、钒等金属是一种“脆性”金属。
铅锭宏观组织
沿晶断口
• 晶界：晶粒之间的交界面。 晶粒越细小，晶界面积越大。
• 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。
光学金相显示的纯铁晶界
多晶体示意图
⑵ 晶体缺陷
• 理想晶体：是指晶体中原子严格地有规则和完 整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而 成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就 构成理想的单晶体。 • 实际晶体：多晶体+晶体缺陷 • 晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原子排列不 规则和不完整的微观区域，按其几何尺寸特征， 可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
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尽管金属材料都具有相同的原子结合 方式，但不同的金属材料性能还是各不相 同，为什么呢？
物质的性能取决于原子的结合方式和排列方式
两个方面。材料的性能除了与原子的结合方式有关，
还取决于材料的内部结构。
结构即为原子的排列方式和空间分布。
二、 金属的晶体结构
1）晶体与非晶体
2）纯金属的晶体结构 3）金属晶体中的晶面和晶向 4）金属晶体的特点
x
y
d 晶胞
a 原子堆垛模型
b 空间点阵
c 晶格
晶体结构基本概念
空间点阵
将晶体内部的原子（离子）或原子群（离子群）抽象为无 数点子按一定的方式在空间做有规则的周期性分布，这些几何 点子的总体称为空间点阵，这些点称为阵点或节点。
晶格
用一系列假想的平行直线将空间点阵的阵点联结起来，形 成的空间网络称为空间格子，也称晶格。
3 原子半径：r a 4
原子个数：2
配位数： 8
致密度：0.68
常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等
⑵ 面 心 立 方 晶 格
面心立方晶格
面心立方晶格的参数
• 面心立方晶格
晶格常数：a
2 a 原子半径：r
4
原子个数：4
配位数： 12
致密度：0.74
常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等
• 例一.求截距为、1、晶面的指数
截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧 得（010） • 例二.求截距为2、3、 晶面的指数 取倒数为1/2、1/3 、 0, 化为最小
整数加圆括弧得（320）
• 例三.画出（112）晶面 取三指数的倒数1、1、1/2, 化成最 小整数为2、2、1，即为X、Y、Z三坐 标轴上的截距
⑶ 密排六方晶格
密排六方晶格的参数
• 密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
c/a=1.633
1 原子半径 ：r a 2 原子个数：6
配位数： 12
致密度：0.74
常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
3、金属晶体中的晶面和晶向
晶面 通过原子中心的平面 Z
晶向 通过原子中心的直线所代表的方向
求该直线的晶向指数。 将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。

例二、已知晶向指
[234]
数为[110],
该晶向。
画出
找出1、1、0坐标点, 连接原点与该点的 直线即所求晶向。
[110]
说明：
[110]
Z
①每一晶面指数(或晶向)泛 指晶格中一系列与之相平 行的一组晶面（晶向）。 ②在立方晶系中，指数相同 的晶面与晶向相互垂直。
态，使晶格发生扭曲，称晶 格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
空位
间隙原子
小置换原子
大置换原子
空位和间隙原子引起的晶格畸变
② 线缺陷—晶体中的位错
• 位错：晶格中一部分晶体相 对于另一部分晶体发生局部 滑移，滑移面上滑移区与未 滑移区的交界线称作位错。分刃型位错和螺型位错。
刃型位错
螺型位错
重要的面缺陷。
• 厚度为5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。
• 亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小， 位向差也很小(10’ ~2 )的小 晶块。（10-8-10-6m）
• 亚晶粒之间的交界面称亚晶界。
亚晶界也可看作位错壁（位错
规则排列形成）。
位 错 壁 亚晶粒 大角度和小角度晶界
晶界及亚晶界的特点：
① 点缺陷 • 空间三维尺寸都
很小的缺陷。

空位


间隙原子
置换原子
• a. 空位：晶格中某些 缺排原子的空结点。 • b. 间隙原子：挤进晶 格间隙中的原子。可 以是基体金属原子，
也可以是外来原子。
体心立方的四面体和八面体间隙
• c. 置换原子： 取代原来原子位置的外来原 子称置换原子。
• 点缺陷破坏了原子的平衡状
Z
c c b a
Y
a
b
Y
X
X 金属的许多性能和金属中发生的许多现象都和 晶体中特定的晶面和晶向有密切关系。
立方晶系晶面、晶向表示方法
⑴晶面表示法
• 晶面指数
• 其确定步骤为：
• ① 确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个 坐标轴上的截距。 • ② 取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数， 加圆括弧，形式为（hkl）。
5）实际金属的晶体结构
1、晶体与非晶体
晶体：原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排 列—长程有序。
非晶体：原子无规则堆积，无序排列，也称为 “过冷液 体”—短程有序。（一定条件下晶体和非晶体可互相转化）
晶体 常态金属、金刚石、 NaCl、冰 等。
Βιβλιοθήκη Baidu
非晶体 石蜡、玻璃、沥青等。
液体
扩充知识
• 微晶：快速凝固的晶态金属或合金的颗粒尺寸要 小得多，仅为微米纳米级尺度，高强度高硬度；
起来，则具有螺旋型特征。
螺型位错
• 位错密度：单位体积内所包含
的位错线总长度。
= S/V(cm/cm3或1/cm2)
金属的位错密度为104~1012/cm2
• 位错对性能的影响：减少（晶
须）或增加位错密度都可以提
高金属的强度。 • 金属材料的一种强化方式： “冷塑性变形法”----增加位 错密度
面心正交
底心正交
简单六方
简单菱方
简单正方
正交 体心正方 简单立方 体心立方 面心立方 单斜
90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 立方晶系：a=b=c，===90 六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，=120
三斜
描述金属晶体结构的一些重要概念
晶胞原子数 一个晶胞内所含的原子数目。注意相邻晶胞的共有原子的 计算方法。 原子半径 晶胞中最近邻的两个原子之间（平衡）距离的一半。 配位数 晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。
价电子云
金属键示意图
金属材料
以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征：
良好的导电、导热性： 正的电阻温度系数： 金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自由电子 的定向运动，从而使电阻升高。 不透明，有金属光泽： 自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子 吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道 跳回低能轨道时，将吸收的可见光能量辐射出来，产生金 属光泽。 具有延展性： 金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发 生相对位移时，其结合键不会被破坏，从而具有延展性。
Y X
Y X
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例如： • 单晶铁的弹性模量在〈111〉方向上为2.9X105MPa， 而在〈100〉方向上只有1.35X105MPa。 • 体心立方晶格的金属最易拉断或劈裂的晶面为 {100}面。
多晶体材料的伪等向性 实际使用的金属材料大都是多晶体，内部由 许许多多晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向 不同，因而宏观上各个方向上的性能趋于相同， 晶体的各向异性就显现不出来了。
晶胞
为了研究空间点阵的排列特点，从点阵中取出一个反映点 阵特征的基本单元（通常是一个平行六面体）作为其组成单元， 这个平行六面体称为晶胞。
晶格参数
晶胞各棱边的尺寸 a、b、c； 各棱边间的夹角用、、表示。
晶体分为七大晶系，十四个空间点阵：
立方
六方 简单三斜 简单单斜 底心单斜 简单正交 体心正交 四方 菱方
因此，只根据以上的一些特性来区分金属和非金属 是不够充分的。
3. 金属的特征：正的电阻温度系数
金属为何具有上述这些特性呢？
主要是与金属原子的内部结构以及原子间的 结合方式有关。
正离子
金属键
金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金 属原子结合成固体时，彼此失去最外层子电子（过渡族元 素也失去少数次外层电子），成为正离子，而失去的外层 电子穿梭于正离子之间，成为公有化的自由电子云或电子 气，而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力 （库仓引力），这种结合方式称为金属键。
基本概念
合金：由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元
素，也可以是非金属元素）组成的有金属特征的金属 材料。
思考
金属与非金属组成的是不是一定就是合金？
Fe + C
Fe(C)合金（钢） Fe3C (化合物）
• 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出 半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这种线 缺陷称为刃型位错。 多余半原子面的底边即为位错线。
位错线周围引起晶格畸变，阻碍变形。
刃型位错
刃位错的形成
• 螺型位错：如图所示晶体右边的上部原子相对于下
部原子向后错动一个原子间距，即右边上部相对于
下部晶面发生错动。若将错动区的原子用线连接
⑵ 晶向表示法
• 晶向指数。其确定步骤为：
• 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，求直线 上任一点的坐标值 并按比例化为最小 整数，加方括弧。
形式为[uvw]。
• 例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，
• 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，故实际使用时力求 获得细晶粒。（细晶强化） • ⑥ 是相变的优先形核部位
显微组织的显示
三、合金的晶体结构
思考
纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性 能较差，如何改善？