合金晶体结构和结晶讲义
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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。 晶体中的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。
第一节 金属与合金的晶体结构
纯铝
松香
晶体
非晶体
纯铁
纯铜 玻璃
沥青
第一节 金属与合金的晶体结构
（二）、晶格、晶胞、晶格常数
1、晶格 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。 2、晶胞
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
第一节 金属与合金的晶体结构
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
控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同 时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结 构材料，都是以固溶体为基体的合金。
2、金属化合物
金属化合物的晶格类型与形成 化合物各组元的晶格类型完全不 同，一般可用化学分子式表示。 钢中渗碳体（Fe3C）是由铁原子 和碳原子所组成的金属化合物， 它具有复杂的晶格形式。
四、合金的相结构
由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合 物两大类。 1、固溶体
合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。
第一节 金属与合金的晶体结构
不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶 体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬 度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度 升高的现象，称为固溶强化。
原子半径：r
已知：
3 4
a
晶胞原子数 2
体心立方结构的原子半径
3
晶胞体积为a3， 晶胞内含有2个原子
K
234π a3
3 4
a
0 . 6 8
所以它的致密度是：
第一节 金属与合金的晶体结构
晶格常数：a(a=b=c)
3 原子半径：4
a
原子个数：2
致密度：0.68
属于该类晶格的常见金属有α-Fe(<912oC)、δ-Fe
第一节 金属与合金的晶体结构
三、晶体的缺陷
晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰 而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称
为晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理
性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响，如钢的 耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的 作用力计算所得数值。 根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类： 点缺陷、线缺陷和面缺陷。
单晶体：其内部晶格方位完 全一致的晶体。 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构 晶粒：实际使用的金属材料 是由许多彼此方位不同、外形 不规则的小晶体组成.
第一节 金属与合金的晶体结构 单晶体的各向异性
❖ 同一晶体的不同晶面和晶向上的性能不同
铁的单晶体及其各方向上弹性模量
（E）示意图
第一节 金属与合金的晶体结构
第一节 金属源自文库合金的晶体结构 1、点缺陷——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。
空位
间隙原子
置换原子
第一节 金属与合金的晶体结构
第一节 金属与合金的晶体结构
3、晶格常数 以棱边长度
a、 b、 c
和棱面夹角
来表示晶胞的形状和大小 。
、 、 r
第一节 金属与合金的晶体结构
（三）、金属中常见晶格 由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故 大多数金属属于以下三种晶格类型。
1、体心立方晶格(bbc)
第一节 金属与合金的晶体结构
2、线缺陷——位错
线缺陷是指在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向 上尺寸很小的缺陷，呈线状分布，其具体形式是各种类型 的位错。较简单的一种是“刃型位错”.
第一节 金属与合金的晶体结构
刃位错的形成
刃位错滑移_立体图
第一节 金属与合金的晶体结构
第一节 金属与合金的晶体结构
地毯挪动
第一节 金属与合金的晶体结构
第一节 金属与合金的晶体结构
金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。当它呈细小 颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，
这一现象称为弥散强化。金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多
合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。 绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的混合物，其性质取 决于固溶体与金属化合物的数量、大小、形态和分布状况。
原子半径 ：r = a
2
原子个数：6 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
第一节 金属与合金的晶体结构
三种典型的金属晶格类型 体心立方晶格 铬、钨、钼、钒等 面心立方晶格 铝、铜、铅、金等 密排立方晶格 镁、锌、铍、镉、α钛等
第一节 金属与合金的晶体结构
二、实际金属的晶体结构
第一节 金属与合金的晶体结构
3、面缺陷——晶界和亚晶界 实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。 晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处 于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下 则较低，晶界容易被腐蚀等。
第一节 金属与合金的晶体结构
第二章 金属的晶体结构与结晶
第一节 金属与合金的晶体结构
❖ 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 一金、属晶与体合的金基的本晶知体识结构
（一）、晶体与非晶体
固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。
(>1400oC)、Cr、W、Mo、V等
第一节 金属与合金的晶体结构 2、面心立方晶格（fcc）
第一节 金属与合金的晶体结构
原子半径：
r 2a
22
4
晶胞原子数 4
致密度：0.74
第一节 金属与合金的晶体结构
3、密排六方晶格
第一节 金属与合金的晶体结构
❖ 密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633 1
第一节 金属与合金的晶体结构
纯铝
松香
晶体
非晶体
纯铁
纯铜 玻璃
沥青
第一节 金属与合金的晶体结构
（二）、晶格、晶胞、晶格常数
1、晶格 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。 2、晶胞
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
第一节 金属与合金的晶体结构
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
控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同 时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结 构材料，都是以固溶体为基体的合金。
2、金属化合物
金属化合物的晶格类型与形成 化合物各组元的晶格类型完全不 同，一般可用化学分子式表示。 钢中渗碳体（Fe3C）是由铁原子 和碳原子所组成的金属化合物， 它具有复杂的晶格形式。
四、合金的相结构
由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合 物两大类。 1、固溶体
合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。
第一节 金属与合金的晶体结构
不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶 体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬 度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度 升高的现象，称为固溶强化。
原子半径：r
已知：
3 4
a
晶胞原子数 2
体心立方结构的原子半径
3
晶胞体积为a3， 晶胞内含有2个原子
K
234π a3
3 4
a
0 . 6 8
所以它的致密度是：
第一节 金属与合金的晶体结构
晶格常数：a(a=b=c)
3 原子半径：4
a
原子个数：2
致密度：0.68
属于该类晶格的常见金属有α-Fe(<912oC)、δ-Fe
第一节 金属与合金的晶体结构
三、晶体的缺陷
晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰 而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称
为晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理
性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响，如钢的 耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的 作用力计算所得数值。 根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类： 点缺陷、线缺陷和面缺陷。
单晶体：其内部晶格方位完 全一致的晶体。 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构 晶粒：实际使用的金属材料 是由许多彼此方位不同、外形 不规则的小晶体组成.
第一节 金属与合金的晶体结构 单晶体的各向异性
❖ 同一晶体的不同晶面和晶向上的性能不同
铁的单晶体及其各方向上弹性模量
（E）示意图
第一节 金属与合金的晶体结构
第一节 金属源自文库合金的晶体结构 1、点缺陷——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。
空位
间隙原子
置换原子
第一节 金属与合金的晶体结构
第一节 金属与合金的晶体结构
3、晶格常数 以棱边长度
a、 b、 c
和棱面夹角
来表示晶胞的形状和大小 。
、 、 r
第一节 金属与合金的晶体结构
（三）、金属中常见晶格 由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故 大多数金属属于以下三种晶格类型。
1、体心立方晶格(bbc)
第一节 金属与合金的晶体结构
2、线缺陷——位错
线缺陷是指在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向 上尺寸很小的缺陷，呈线状分布，其具体形式是各种类型 的位错。较简单的一种是“刃型位错”.
第一节 金属与合金的晶体结构
刃位错的形成
刃位错滑移_立体图
第一节 金属与合金的晶体结构
第一节 金属与合金的晶体结构
地毯挪动
第一节 金属与合金的晶体结构
第一节 金属与合金的晶体结构
金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。当它呈细小 颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，
这一现象称为弥散强化。金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多
合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。 绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的混合物，其性质取 决于固溶体与金属化合物的数量、大小、形态和分布状况。
原子半径 ：r = a
2
原子个数：6 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
第一节 金属与合金的晶体结构
三种典型的金属晶格类型 体心立方晶格 铬、钨、钼、钒等 面心立方晶格 铝、铜、铅、金等 密排立方晶格 镁、锌、铍、镉、α钛等
第一节 金属与合金的晶体结构
二、实际金属的晶体结构
第一节 金属与合金的晶体结构
3、面缺陷——晶界和亚晶界 实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。 晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域，该处晶体的晶格处 于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下 则较低，晶界容易被腐蚀等。
第一节 金属与合金的晶体结构
第二章 金属的晶体结构与结晶
第一节 金属与合金的晶体结构
❖ 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 一金、属晶与体合的金基的本晶知体识结构
（一）、晶体与非晶体
固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。
(>1400oC)、Cr、W、Mo、V等
第一节 金属与合金的晶体结构 2、面心立方晶格（fcc）
第一节 金属与合金的晶体结构
原子半径：
r 2a
22
4
晶胞原子数 4
致密度：0.74
第一节 金属与合金的晶体结构
3、密排六方晶格
第一节 金属与合金的晶体结构
❖ 密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633 1