工程材料学2金属的晶体结构与结晶

§2.1 晶体学基础知识
注意:晶面指数特征与与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面 。
§2.1 晶体学基础知识
晶面族：原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶面的集合。
§2.1 晶体学基础知识
立方晶系常见的晶面 Z
（011）
（110
） （011
（101）
）
（101 ）
Y
（110
） X
§2.1 晶体学基础知识
柱体。
四轴定向：晶面符号一般写为（hkil），指
数的排列顺序依次与a1轴、 a2轴、 a3轴、c轴相对
应，其中a1、a2、a3三轴间夹角为120o，c轴与它 们垂直。它们之间的关系为：i =－（h＋k）。
2.2.3、六方晶系晶面、晶向表示方法
1、晶面指数：
方法同立方晶系， (hkil)为在四个坐标 轴的截距倒数的化简 ，自然可保证关系式 h＋k＋i＝0。底面指 数为(0001)。
铅锭宏观组织
沿晶断口
§2.3 金属材料的实际晶体结构
点缺陷对材料性能的影响
（1）提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡 力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热)。
（2）加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。 ( 3 ) 使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
§2.3 金属材料的实际晶体结构
体心立方晶格为单斜晶系
§2.2 纯金属的典型晶体结构
１．体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？
面心立方晶格为菱方晶系
§2.2 纯金属的典型晶体结构
２．面心立方、密排六方的致密度相同，原子堆积方式的主要差异是什么？
密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB… 面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABC…
晶系。
菱方
正交
立方晶系：a=b=c，===90 单斜
六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，=120
三斜
§2.1 晶体学基础知识
▪ 5. 原子半径：晶胞中原子密度最大 方向上相邻原子间距的一半。
6. 晶胞原子数：一个晶胞内所包含 的原子数目。
7. 配位数：晶格中与任一原子距离 最近且相等的原子数目。
2.2.1 体心立方（Body-Centered Cubic, bcc)
具有bcc结构的金属: β-Ti、V、Cr、α-Fe、β-Zr、Nb、Mo、Ta、W 等。
§2.2 纯金属的典型晶体结构
体心立方结构的晶格参数
晶胞的原子数量： 点阵常数： a 原子半径： 配位数： 8
致密度：
§2.2 纯金属的典型晶体结构
——通常为角上有阵点的最小平行六面体。
§2.1 晶体学基础知识
3. 点阵常数：描述晶胞空
间几何特征的数学参数，即平 行六面体的三个棱边长a、b、c 和及相互间夹角α、β、γ。
§2.1 晶体学基础知识
立方
4. 晶系：根据晶胞参数不同，将晶体
六方
分为七种晶系。 四方 90%以上的金属具有立方晶系和六方
4. 学习难点：
晶面指数与晶向指数的确定,结晶机理。
§2.1 晶体学基础知识
物质由原子组成。原子的结 合方式和排列方式决定了物质的 性能。
固体物质大多为晶体,其原 子排列规则有序。
C60
§2.1 晶体学基础知识
2.1.1 晶体与非晶体
晶体：固态物质的一种聚集方式，原子（或分子、离子） 在三 维空间呈一定的规则周期性排列。
一次结晶：L→S晶态 二次结晶：S晶态或非晶态→S晶态
§2.4 纯金属的结晶和铸锭组织
2．结晶的条件
结晶的热力学驱动力： ΔF = FS－FL＜0
自由能 F
结晶
熔化 ΔF
ΔT越大，自由能差ΔF 越大，结晶的驱动力越 大，结晶的倾向越大。
2.2.3、六方晶系晶面、晶向表示方法 2、晶向指数：
1. 平移晶向(或坐标)，让原点为晶向上一点， 取另一点的坐标，有:
2. 并满足p＋q＋r＝0 ； 3. 化成最小、整数比 u：v：t：w
4. 放在方方括号[uvtw]，不加逗号，负号记在上方 。
§2.2 纯金属的典型晶体结构
密排六方结构的晶格参数
晶胞的原子数量： 点阵常数： a、c， 原子半径： 配位数： 12
致密度：
三种不同结构的晶格参数
晶胞的原 子数量
体心立方
2
点阵 常数
a
原子 半径
配位数 致密度
8
68%
面心立方
4
a
12
74%
密排六方
6
a、c
12
74%
§2.2 纯金属的典型晶体结构 体心立方、面心立方、密排六方晶格的原子密排面、密排晶向比较
§2.3 金属材料的实际晶体结构
a. 刃型位错 (edge dislocation)
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，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。
刃位错的运动
§2.3 金属材料的实际晶体结构
b. 螺型位错(screw dislocation)
非晶体：原子排列没有规律的固体物质。
§2.1 晶体学基础知识
晶体的特点：
晶体
原子排列长程有序 有固定的熔点
物理、化学及机械性能的各向异性 有特定的几何外形
非晶体
随机排列 无固定的熔点
各向同性 无定形
§2.1 晶体学基础知识
2. 晶胞：组成晶格的最基本的几何单元。
晶胞的确定要满足以下原则：①能充分反映整个空间点 阵的对称性，②具有尽可能多的直角，③体积要最小。
工程材料学2金属的晶体结 构与结晶
第二章 金属的晶体结构与结晶
§2.1 晶体学基础知识 §2.2 纯金属的典型晶体结构 §2.3 金属材料的实际晶体结构 §2.4 纯金属的结晶和铸锭组织
学习要求和难点
学习重点：
1. 三种典型晶体结构的原子排列规则及其基本参数。 2. 实际晶体结构的点、线、面缺陷与性能的关系。 3. 结晶条件、结晶过程及细化晶粒的基本方法。
S——位错线总长度（cm）
退火状态下，位错密度常在 106的数量级；
较大的冷塑性变形，位错密 度可达1010--12的数量级；
与整个晶体相比位错的数量还是非常少，所以其存在 不会影响材料的基本晶体特性。
§2.3 金属材料的实际晶体结构
d. 位错对材料性能的影响
金属的塑性变形主要由位错运 动引起，故减少或增加位错密度都 可以提高金属的强度。
§2.1 晶体学基础知识
[111] Z
[111]
[111]
[111]
立方晶系常见的晶向：
Y X
§2.2 纯金属的典型晶体结构 结构特点: 以金属键结合，无方向性，对称性较高的密堆 结构。 90%以上的金属都属于三种典型的晶体结构：
体心立方(bcc)
面心立方(fcc)
密排六方(hcp)
§2.2 纯金属的典型晶体结构
8. 致密度：晶胞中原子本身所占的 体积百分数。
§2.1 晶体学基础知识
2.1.3、立方晶系晶面、晶向表示方法
晶面：晶体中过各原子中心所构成的不同方位的原子平面。 晶向：空间点阵中任两结点的连线的方向，代表了晶体中原
子列的方向。
晶面指数与晶向指数（Miller指数）——在分析晶体特
性时，常涉及晶体中某些特定的原子排列方向和原子平面， 为了便于研究和阐述，用特定数学符号来表征。
晶格中某晶面的上下原子发生错排，如同被刀刃部 分切开并上下扭曲成螺旋形。
上层原子
下层原子
螺位错的运动
§2.3 金属材料的实际晶体结构
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）
§2.3 金属材料的实际晶体结构
c.位错密度ρ ： ρ=S/V
式中 V——晶体的体积（cm3）
熔点低； 耐蚀性差； 易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚； 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； 是相变的优先形核部位； 使变形分散在各晶粒内，提高塑性与韧性。
§2.4 纯金属的结晶和铸锭组织
2.4.1结晶基础知识
1．结晶与凝固的区别
凝固：物质由液态转变为固态。 结晶：物质由一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为 另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程
2、线缺陷(Line Defects)
——在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)， 另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具 体形式就是晶体中的位错（Dislocation）。
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。分为刃型位错 和螺型位错。
纯铁的冷却曲线
T
1538℃
1394℃
}-Fe，bcc
} 912℃
-Fe，fcc
} 770℃
铁磁性
-Fe，bcc
Cooling curve t
§2.3 金属材料的实际晶体结构
2.3.1 单晶体与多晶体
单晶体： 一块晶体材料，其内部的晶体
位向完全一致时，即整个材料是一 个晶体。单晶体具有各向异性的特 性。实用材料中如半导体集成电路 用的单晶硅、专门制造的金须和其 他一些供研究用的材料。
工程上使用的材料绝大多数是多晶体。
§2.3 金属材料的实际晶体结构
晶粒：多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通 常把它们叫做“晶粒”。 晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”，或简称“晶界”。
纯铁内的晶粒与晶界
晶粒的位向
晶粒示意图
§2.3 金属材料的实际晶体结构
晶粒越细小，晶界面积越大。 变形金属晶粒尺寸约1~100m，铸造金属可达几mm。
体心立方晶格中原子排列密度
§2.2 纯金属的典型晶体结构
2.2.2 面心立方（ Face-Centered Cubic, fcc)
具有fcc结构的金属: γ-Fe、Al、β-Co、Ni、Cu、Ag、Au、Pt等。
§2.2 纯金属的典型晶体结构
面心立方结构的晶格参数
晶胞的原子数量： 点阵常数： a 原子半径： 配位数： 12
§2.3 金属材料的实际晶体结构
多晶体： 实际应用的工程材料中，那怕是一
块尺寸很小材料，绝大多数包含着许 许多多的小晶体，每个小晶体的内部 ，晶格位向是均匀一致的，而各个小 晶体之间，彼此的位向却不相同。称 这种由多个小晶体组成的晶体结构称 之为“多晶体”。
§2.3 金属材料的实际晶体结构
伪各向同性：多晶体材料中，尽管 每个晶粒内部象单晶体那样呈现各 向异性，每个晶粒在空间取向是随 机分布，大量晶粒的综合作用，整 个材料宏观上不出现各向异性，这 个现象称为多晶体的伪各向同性。
注意:
1. 晶向指数特征与原点位 置无关；
2. 晶向具有方向性，如 [110]与 [110 方向相反 ；]
3. 每一指数对应一组平行 的晶向。
[110 Z
]
(221 )
X
[110
]
[221
]
Y
§2.1 晶体学基础知识
晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶向的
集合。用尖括号<u v w>表示 。
3、面缺陷(Surface D源自fects)——在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶 粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺 寸大小)的晶体缺陷。包括晶界、亚晶界。
§2.3 金属材料的实际晶体结构
晶界宽度为5~10个原子间距，位向差一 般为20~40°。
§2.3 金属材料的实际晶体结构
晶界对性能的影响：
致密度：
§2.2 纯金属的典型晶体结构
面心立方晶格中原子排列密度
§2.2 纯金属的典型晶体结构
2.2.3 密排六方（Hexagonal Close-packed, hcp)
具有hcp结构的金属: α-Ti、α-Zr、Be、Mg、Zn等。
2.2.3、六方晶系晶面、晶向表示方法
六方晶系：晶胞是边长为a，高为c的六方棱
密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB…
面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABC…
§2.2 纯金属的典型晶体结构
2.2.4 多晶型金属——同素异构
金属在固态下由于温度 的改变而发生晶格改变的 现象称为同素异构转变。
铁的同素异构转变：
纯铁的同素异构转变
912 C
-Fe，fcc
-Fe，bcc
bｃc
fｃc
hｃp
§2.2 纯金属的典型晶体结构
密排六方晶格的密排面、密排晶向
底面对角线
六方底面
§2.2 纯金属的典型晶体结构
思考问题：
１．体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？ ２．面心立方、密排六方的致密度相同，原子堆积方式的 主要差异是什么？
§2.2 纯金属的典型晶体结构
１．体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？
对于一般工程使用的块体金属：
位错之间的交互作用使其移动 受到阻碍，故随着位错密度ρ的增 加金属的强度也一般提高—加工硬 化。
位错线附近异类原子浓度高于 平均水平—固溶强化、弥散强化。
金属晶须
退火态 (105-108/cm2)
加工硬化态 (1011-1012/cm2)
§2.3 金属材料的实际晶体结构