第2章固体结构(3-4)-金属的晶体结构-精品文档
02第二章金属的晶体结构与结晶
02第二章金属的晶体结构与结晶金属晶体结构和结晶是金属学中非常重要的基础知识。
金属的晶体结构是指金属中原子或离子的排列方式，金属的结晶则是指金属从液态或气态转变为固态时，原子或离子按照一定的方式排列形成的晶体。
金属的晶体结构主要有两种：面心立方结构（FCC）和体心立方结构（BCC）。
在面心立方结构中，原子或离子处于正方形的面心位置和体心位置，形成紧密堆积的结构；在体心立方结构中，原子或离子处于正方形的面心位置和立方体中心位置，形成简单堆积的结构。
面心立方结构的特点是具有最高的密度，原子间的相互作用较强，因此具有较高的熔点和较好的导电性能。
典型的面心立方结构金属有铜、铝等。
体心立方结构的特点是具有较低的密度和较大的晶胞，原子间的相互作用较弱，因此具有较低的熔点和较差的导电性能。
典型的体心立方结构金属有铁、钨等。
金属的结晶过程分为凝固和晶体形核两个阶段。
凝固是指金属从液态或气态转变为固态的过程，形核则是指随着温度降低和原子间相互作用增强，形成新的晶胞。
金属的凝固过程受到多种因素的影响，如对流、缺陷和晶界等。
对流是指液态金属在凝固过程中的流动，容易形成非均匀结构；缺陷是指晶体中存在的原子空位或附加原子，对晶体性能有重要影响；晶界是指两个晶粒之间的边界，是金属中弹性较差区域。
金属的结晶方式主要有四种：脱溶结晶、化学结晶、物理结晶和相变结晶。
脱溶结晶是指金属从液态中直接凝固形成晶体，常见于无机盐的结晶；化学结晶是指金属通过化学反应形成固态产物，如金属氧化物的结晶；物理结晶是指金属通过物理方法产生晶体结构，如高温下的拉拔；相变结晶是指金属在相变点附近由液态转变为固态的结晶方式，如冶金过程中的凝固。
金属的晶体结构和结晶对金属的性能和应用有重要影响。
不同的晶体结构和结晶方式会影响金属的导电性、强度、延展性和热处理能力等性能。
因此，深入了解金属的晶体结构和结晶对于金属学的研究和应用具有重要意义。
第2章.金属的晶体结构
（3）分布有序度分 固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。
无序固溶体：是溶质原子占据溶剂晶格结点的位置是随机的，任意 的和不固定的，是溶质原子无规则分布。
有序固溶体：溶质原子只占据溶剂晶格结点的某几个固定位置，从 而形成溶质原子有规则分布在溶剂晶格当中。
2. 固溶体的性能 溶质原子溶入→晶格畸变→位错运动阻力上升→金属塑性变形困难 →强度、硬度升高。
β相化合物 CuZn
γ相化合物 Cu5Zn8 ε相化合物 CuZn3
3.间隙化合物 ( interstitial compounds )
由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金 属元素形成的化合物为间隙化合物。尺寸较大的过渡族元素原子 占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属原子则有规则地嵌入晶 格的间隙之中。根据结构特点，间隙化合物分间隙相和复杂结构 的间隙化合物两种。
3 ． 二元合金： 由两个组元组成的合金称为二元合金 , 例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。
4 ． 相： 在合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同 并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。液态物 质为液相，固态物质为固相。
二、合金的相结构
★ 由于组元相互作用不同，固态合金的相结构有两大类：固溶体和金属化合 物。 （一 ）固溶体 固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之 一相同的固相。 溶剂：与固溶体晶格相同的组元，一般在合金中含量较多； 溶质：以原子状态分布在溶剂晶格中，一般含量较少。
金属键的实质就是金属正离子与电子云之间产生的强烈静电引力同各 正离子间的斥力及电子间的斥力之间的相互平衡。
金属特征 1. 良好的导电、导热性； 2. 正的电阻温度系数； 3. 不透明，有光泽； 4. 具有延展性。
【精选】晶体结构相结构
模型
晶胞
原子数
1）原子排列特征：立方体，八个顶点各有一个原子，中心一个原子。
2）晶格常数：a=b=c，α=β=γ=90°
3）原子半径：r= 3 a 4
4）原子数：8 ×（1/8）﹢1﹦2
5）配位数：8
6）致密度：K﹦0.68﹦68%
7）常用金属：α－Fe、Cr、W、Mo、V、Nb 等
体心立方晶格的参数
12
7）常用金属：Mg、Cd、Zn、Be等
密排六方晶格的参数
常见晶格类型
体心立方 面心立方
密排六方
原子排列
晶胞晶Leabharlann 与晶向金属的三种典型晶格类型比较：
• 面心立方晶格和密排六方晶格中原子排列紧密程度完全 一致，K=0.74，是原子在空间排列最紧密的两种形式。
• 体心立方晶格中排列的紧密程度要差些，K=0.68。
（3）相：合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态， 并以界面互相分开的、均匀的组成部分。
单相合金
两相合金
（4）显微组织：在显微镜下观察到的金
属中各相或各晶粒的形态、数量、 大小和分布的组合。
固态合金中的相分为固溶体 和金属化合物两类。
显微组织示意图
1、固溶体
合金在固态下，组元间能互相溶解而形成的均匀相 溶剂：与固溶体晶格类型相同的组元。 溶质：晶格消失的组元。
晶面 晶向
体心立方晶格
（1）晶向指数的确定方法
1）选定晶胞中的任一结点为坐标原点，并以该点连接的三条棱边作为 坐标轴，即ox、oy、oz（反向为负）。
2）以晶格常数为单位,求出该直线上任意一点的三个坐标值。 3）将所求坐标值化为最简单整数，
并加方括号，即为所求的晶向 指数，晶向指数的一般形式写
金属的晶体结构与结晶.pptx
(2)晶格、晶胞、晶格常数 ➢用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称 为晶格。 ➢在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元， 称之为晶胞。 ➢描述晶胞大小与形状的几何参数称为晶格常数。
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3.1 金属的结构
二、常见金属的晶体结构
1、体心立方晶格
体心立方晶胞如图所示。在晶胞的八个角上各有 一个金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有 一个原子，所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格 的金属有铬、钒、钨、钼和α-铁等。
➢铸件：铸造后不再经塑性加工的产品。 ➢铸锭：铸造后还要经塑性加工的产品。
金属铸锭呈现三个不同外形的晶粒区，即表面细 晶粒区、柱状晶粒区和等轴晶粒区。
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3.4 合金的晶体结构
一、表面细晶粒区（外壳层）
浇铸时，由于激冷，使过冷度增大，模壁凹凸不平，促进形核， 在极短的时间内形成大量的晶核，组织致密，但很薄。细晶粒区 的成分均匀，强度高，韧性好。
形核率N 、长大速度第G15与页过/共冷31页度T 的关系
3.2 纯金属的结晶
（2）变质处理
变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细 小的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加 晶核的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。
（3）振动处理
金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电 磁振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成 碎晶而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作 用，以增大形核率。
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3.4 合金的晶体结构
固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种： ➢置换固溶体
溶质原子代替溶剂原子占据溶剂晶格中的某些结 点位置而形成的固溶体，称为置换固溶体，如图所 示。 按溶质溶解度不同，置换固溶体又可分为有限固溶 体和无限固溶体。
—金属的晶体结构
二、金属的晶格类型
金属的晶格类型是指金属中原子排列的规律。 为了更清楚地表示金属中原子排列的规律，可将 原子简化为一个质点，再用假想的线将它们连接 起来，这样就形成了一个能反映原子排列规律的 空间格架，称为晶格。
晶格是由许多形状、大小相同的小几何单元重 复堆积而成的。我们把其中能够完整地反映晶体 晶格特征的最小几何单元称为晶胞。
3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
二、金属的同素异晶转变 纯铁的同素异晶转变反应式:
δ - Fe 1394 °γ C- Fe
bcc
fcc
912α°C- Fe
bcc
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
纯铁的冷却曲线
1534℃
1394℃ δ - Fe γ - Fe
晶胞是一个立方体，原子位于立方 体的八个顶点和六个面的中心
3、密排六方晶格(hcp)
密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6 （个）。密排六方晶格的金属有Mg 、Zn 。
晶胞是一个正六棱柱，原子排列除 排列于柱体的每个顶点和上、下两个底 面的中心外，正六棱柱的中心还有三个 原子。
晶界的过渡结构示意图
晶界结构
亚晶界结构示意图
亚晶界结构
第二节 纯金属的结晶
主要内容 凝固与结晶的概念 结晶的现象与规律 同素异晶(构)转变
金属结晶录像（单击）
转炉炼钢
一、 凝固与结晶的概念
1.凝固 物质由液态转变成固态的过程。
2.结晶 晶体物质由液态转变成固态的过程。
微观上：物质中的原子由近程有序排列向远 程有序排列转变的过程。
金属的晶体结构最新版本
一、晶体结构的基本知识 （一）基本概念（P13）
1、晶格：用于描 述原子在晶体中 排列规律的三维 空间几何点阵。 （把原子看成是 一个几何质点， 把原子之间的相 互联系与作用假 想为几何直线）
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1、晶胞：晶格中能
够 最代小表几晶何格单特元一征。的、晶体结构的基本知识 2、晶格参数：（晶体一）基本概念（P13）
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1、点缺陷（P18）
以一个点为中心，在它周围造成原子排列不规则，产生 晶格畸变和内应力的缺陷。点缺陷类型主要有三种： （1）间隙原子 （2）晶格空位 （3）置换原子
在晶格的结点处 出现原子直径不 同的异类原子的 晶体缺陷
置换原子示意图
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1、点缺陷（P18）
☆间隙原子：在晶 格的间隙处出现多 余原子的晶体缺陷。 ☆晶格空位：在晶 格的结点处出现缺 少原子的晶体缺陷。
晶向族：原子排列密度完全相同的晶向。如 <111>=[111]+[111]+[111]+[111]
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（五）晶体的各向异性
（P17）
在晶体中，由于各个晶面和晶向上原子排列密度不 同，使原子间的相互作用力也不相同。因此在同一单晶 体内不同晶面和晶向上的性能也是不同的。这种现象称 为晶体的各向异性。
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作业（P25）
第1题 第3题 第8题
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第二节 合金的晶体结构 一、基本概念
显微组织：是指在显微镜下看到的相和晶粒的 形态、大小和分布。它可以看作是由各个相组 成的。
合金的显微组织可以看作是由各个相所组成的， 这些相称为合金组织的相组成物；也可以看作 是基本组织所组成的，这些基本组织称为合金 组织的组织组成物。合金的力学性能不仅取决 于它的化学成分，更取决于它的显微组织。
第2章固体结构-金属的晶体结构
体心立方（ bcc，body-centered cubic） 面心立方（ fcc，face-centered cubic） 密排六方（ hcp，hexagonal close-packed）
体心立方（bcc，body-centered cubic）
K nv V
式中，n为晶胞原子数，v原子体积，V晶胞体积。
体心立方配位数为8
KnVv234a(343a)3 0.68
面心立方配位数为12
KnVv434a(342a)3 0.74
密排六方配位数为12 Knv634(a2)3 0.74
V 3 2a3
体心立方 面心立方 密排六方
原子半径 原子数
r 3a
2
4
r 2a
4
4
r 1a
6
2
配位数 致密度
8
0.68
12
0.74
12
0.74
思考题
分别画出面心立方晶格和体心立方晶格{100}, {110}, {111}晶面上原子排列示意图。
2.2 晶体中的原子堆垛方式
面心立方和密排六方结构的致密度均为0.74，是纯金属 中最密集的结构； 面心立方与密排六方虽然晶体结构不同，但配位数与致 密度却相同，为搞清其原因，必须研究晶体中原子的堆垛 方式； 面心立方与密排六方的最密排面原子排列情况完全相同， 但堆垛方式不一样。
ABCA ABA
图 面心立方晶格密排面的堆垛方式
图 密排六方晶格密排面的堆垛方式
2.3 晶体结构中的间隙
四面体间隙的数目
n461 12 2
四面体间隙半径
rB
5a 4
3a 4
第二章 金属的结构与结晶
第二章金属的结构与结晶第一节金属的晶体结构一、晶体与非晶体非晶体：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。
晶体：凡原子呈有序、有规则排列的物质，金属的固态、金刚石、明矾晶体等。
性能：晶体有固定的熔、沸点，呈各向异性，非晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。
二、晶体结构的概念：1、晶格和晶胞：表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格。
能完整地反映晶格特征的最小几何单元，称为晶胞。
2、晶面和晶向：在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。
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。
由于在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，因此原子结合力也就不同，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。
三、金属晶格的类型：1、体心立方晶格：它的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。
如：铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、钼（Mo）及α-Fe2、面心立方晶格：它的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。
如：铝（Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及γ-Fe3、密排六方晶格：它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内。
属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、铍（Be）、镉（Cd）、及锌（Zn）等。
第二节纯金属的结晶金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。
一、纯金属的冷却曲线及过冷度。
用热分析法进行研究：图2—1纯金属的冷却曲线(理论) 纯金属的冷却曲线(实际)实际结晶温度（T1）低于理论结晶温度（To）这一现象称为“过冷现象”。
理论结晶温度和实际结晶温度之差称这“过冷度”（△T=To—T1）。
金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。
冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。
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体心立方晶胞示意图 （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图
面心立方（fcc，face-centered cubic）
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
密排六方（hexagonal close-packed，hcp）
密排六方晶胞示意图 （a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图
4
12
0.74
密排六方
1 r a 2
6
12
0.74
思考题
分别画出面心立方晶格和体心立方晶格{100}, {110}, {111}晶面上原子排列示意图。
2.2 晶体中的原子堆垛方式
面心立方和密排六方结构的致密度均为0.74，是纯金属
中最密集的结构；
面心立方与密排六方虽然晶体结构不同，但配位数与致 密度却相同，为搞清其原因，必须研究晶体中原子的堆垛 方式； 面心立方与密排六方的最密排面原子排列情况完全相同，
但堆垛方式不一样。
ABCA
ABA
图 面心立方晶格密排面的堆垛方式
图 密排六方晶格密排面的堆垛方式
2.3 晶体结构中的间隙
四面体间隙的数目
1 n46 12 2
四面体间隙半径
rB
5a 3a 4 4
八面体间隙的数目
1 1 n 6 12 6 2 4
八面体间隙半径
面心立方配位数为12
4 2 3 4 ( a ) nv K 3 34 0 .74 V a
密排六方配位数为12
4 a3 6 ( ) nv K 3 2 0 .74 3 V 32 a
原子半径 体心立方
原子数 2
配位数 8
致密度 0.68
3 r a 4
2 r a 4
面心立方
一、晶胞中的原子数
密排六方
体心立方
面心立方
1 n 8 12 8
1 1 1 1 n 8 6 4 n 12 2 3 6 8 2 6 2
二、点阵常数与原子半径
体心立方 面心立方 密排六方
r
3a 4
r
2a 4
a r 2
三、配位数与致密度
配位数和致密度定量地表示原子排列的紧密程度。
化学元素周期表中，金属元素占80余种 常见的金属晶体结构有：
体心立方（ bcc，body-centered cubic）
面心立方（ fcc，face-centered cubic）
密排六方（ hcp，hexagonal close-packed）
体心立方（bcc，body-centered cubic）
a 3a rB 2 4
四面体间隙的数目
n 8
四面体间隙半径
3a 2a rB 4 4
八面体间隙的数目
1 n112 4 4
八面体间隙半径
a 2a rB 2 4
面心立方结构中间隙的刚球模型八面体间隙
面心立方结构中间隙的刚球模型四面体间隙
几点说明:
3 3
3 . 591 2 2 . 863 V % 100 % 1 . 34 % 3 2 2 . 863
这表明铁在加热到一定温度时出现收缩
本节小结
1、典型金属的晶体结构 bcc, fcc, hcp 晶胞中的原子数 点阵常数与原子半径 配位数和致密度 2、晶体中的原子堆垛方式 3、晶体中的间隙 4、晶体的多晶型性
配位数（coordination number，CN）：晶体结构中任一
原子周围最近且等距离的原子数。 致密度（K）：晶胞中原子所占的体积分数，
nv K V
式中，n为晶胞原子数，v原子体积，V晶胞体积。
体心立方配位数为8
4 3 3 2 ( a ) nv K 3 34 0 .68 V a
(1)fcc和hcp都是密排结构，而bcc则是比较“开放”的结
构，因为它的间隙较多。因此，碳、氮、氢、氧、硼等原
子半径较小的元素（即间隙原子）在bcc金属中的扩散速 率往往比在fcc及hcp金属中高得多。
(2)fcc和hcp金属中的八面体间隙大于四面体间隙，故这些 金属中的间隙原子往往位于八面体间隙中。 (3)fcc和hcp中的八面体间隙远大于bcc中的八面体或四面 体间隙，因而间隙原子在fcc和hcp中的固溶度往往比在 bcc中大得多。
Hale Waihona Puke 2.4 晶体的多晶型性
多晶型性：有些固态金属在不同温度和压力 下具有不同的晶体结构。 转变的产物称为同素异构体。 在多晶型性转变过程中伴随有体积的突变。 同素异构转变对于金属能否通过热处理来改 变性能具有重要意义。
思考题
试计算体心立方铁受热而变为面心立方铁时出现的体 积变化。在转变温度下，体心立方铁的点阵参数是2.863埃， 而面心立方铁的点阵参数是3.591埃。
第二章 固体结构
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 晶体学基础 金属的晶体结构 合金相结构 离子晶体结构 共价晶体结构 聚合物的晶态结构 非晶态结构
第二节 金属的晶体结构
2.1 典型金属的晶体结构 2.2 晶体中的原子堆垛方式 2.3 晶体中的间隙 2.4 晶体的多晶型性
2.1 典型金属的晶体结构