金属与合金的晶体结构
第2章 金属与合金的晶体结构和相图--定稿
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2、晶体缺陷
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3）面缺陷（晶界和亚晶界）
晶界 ：位向不同的相邻晶粒之间的接触界面，属于 面缺陷。
亚晶粒：每个晶粒可分为若干个位向相差很小(一般
θ<1～3o)的亚晶粒。
亚晶界：亚晶粒之间的边界叫亚晶界。
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3）面缺陷：
a）在常温下，晶界对滑移起阻碍作用，即表现为 晶界强度高。
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第2章 金属晶体结构和二元合金相图
金属材料有纯金属和合金两种。纯金属是由一种元素 组成的（如Fe、Cu、Al等）；合金则是以一种金属元素 作为基础，加入其它金属元素或非金属元素，经过熔合 而获得具有金属特性的材料（如碳钢、铜合金等）。因 为合金比纯金属有更好的力学性能和工艺性能，且成本 低，故常用于工业生产。
C（石墨）、Mg、Zn 等
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晶格常数
底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90
（3）密排六方晶格 hcp
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晶胞中的原子个数？ 致密度？
晶格常数：c/a≈1.633； 原子半径：r=1/2a
？
原子个数：12X1/6+2X1/2+3=6 致 密 度：0.74
二、多晶体结构与晶体缺陷
不同的纯金属与合金，由于其内部组织结构不同，性能 也不一样。为了了解金属和合金的性能，就必须了解其内 部构造。
本章要点： ➢ 金属的晶体结构
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➢ 铁和碳的合金称为铁碳合金，钢和铸铁都是 铁碳合金。 ➢ 要掌握各种钢和铸铁加工方法，必须首先了 解铁碳合金中化学成分、组织与性能之间的关 系。
b）容易满足固态相变所需的能量起伏，新相往往 在晶界处形核。
第3讲：金属与合金的晶体结构
纯金属结晶的条件 就是应当有一定的 过冷度（克服界面能）
T
过冷度
T= T0 - Tn
T0
理论结晶温度
}T
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱTn
开始结晶温度
t
冷却曲线
3、 过冷现象
金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温 度T0的现象。 过冷度△T= T0－Tn，过冷是结晶的必要 条件。
同一金属，结晶时冷却速度越大，过冷 度越大，金属的实际结晶温度越低。
多晶体：这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。 其中每个小晶体的外形
多为不规则的颗粒，通 常称为晶粒。 晶粒与晶粒之间的界面
称为晶界。
晶粒（单晶体）
二、晶体的缺陷
晶体中原子完全为规则排列时，称为理想晶体。
实际上，金属由于多种原因的影响，内部总是存在着大 量缺陷。
根据晶体缺陷的几何特点，常分为：
一个空间格架，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就叫晶格。
晶格中的每个点称为结点。晶格中各种不同方位的原子面 称为晶面。
2、晶胞 组成晶格的最基本几何单元称为晶胞。实际上整个晶格就是 由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成 的。
3、晶格常数 晶胞的各棱边长为a、b、c和棱边夹角α、β、γ。其中，
2、 长大
晶体的长大过程是液体中原子迁移到固体表面， 使液—固界面向液体中推移的过程。
两种长大方式 —— 平面生长 与 树枝状生长。
平面长大
树枝状长大
三、晶粒大小对金属力学性能的影响
1、概念
1） 晶粒度——衡量晶粒大小的尺度，常以单位截面上晶粒数目或 晶粒的平均直径来表示。
2） 形核率——指单位时间、单位体积中所形成的晶核数目。 3） 长大速度——指单位时间内晶核向周围长大的平均线速度。
金属与合金的晶体结构
三斜晶系
特征 a≠b≠c α ≠β≠γ≠90
简单三斜点阵
单斜晶系
特征 a≠b≠c α =γ=90≠β
简单单斜点阵 底心单斜点阵
正交晶系 简单正交点阵
底心正交点阵
特征 a≠ b≠ c α =β=γ =90
体心正交点阵
面心正交点阵
六方晶系
特征 a1=a2=a3≠c α =β=90，γ =120
简单六方点阵
能量低的，通常在离核近的区域(壳层)运动；能量高的， 通常在离核远的区域运动
二、金属键
共价键 有些同类原子，例如周期表 IVA，VA，VIA族中大多数 元素或电负性相差不大的原 子互相接近时，原子之间不 产生电子的转移，此时借共 用电子对所产生的力结合。
SiO2结构示意图
离子键 当两种电负性相差大的原 子(如碱金属元素与卤族元 素的原子)相互靠近时，其 中电负性小的原子失去电 子，成为正离子，电负性 大的原子获得电子成为负 离子，两种离子靠静电引 力结合在一起形成离子键。
三、三种典型的金属晶体结构
晶胞的大小显然取决于三条棱的长度a，b和c，而晶胞的形 状则取决于这些棱之间的夹角α、β和γ 按照晶胞的大小和形状的特点，共有7种晶系
由7种晶系可以形成多少种空间点阵呢？ 似乎每种晶系包括4种点阵，即简单点阵、底心点阵、面 心点阵和体心点阵。7种晶系总共似乎可以形成4×7=28种 点阵。 按照“每个阵点的周围环境相同”的要求，最先是布拉菲 （A. Bravais）用数学方法证明了只能有14种空间点阵。通 常人们所说的点阵就是指布拉菲点阵。
KnV1V2a 3 43r323 4a(343a)30.68
2.面心立方
图 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
第2章 金属及合金相的晶体结构
1. 面心立方结构
面心立方结构金属：γ-Fe, Al, Cu, Ni, Au, Ag和Pt等。
结构符号A1，Pearson符号cF4。 每个晶胞含4个原子。
面心原子shared by 2 cells: 6 x 1/2 = 3 顶角原子shared by 8 cells: 8 x 1/8 = 1
略受压缩的八面体间隙； 八面体间隙中心位于棱边中心和面心 八面体间隙半径: r=1/2(a-2R)
r≈0.155 R 晶胞含6 (6×1/2+12×1/4 )个八面体间隙。 平均1个原子3有个八面体间隙。
非正四面体间隙。 四面体间隙半径: r= (a√5/4-R)
r≈0.291 R 晶胞含12 (4 ×6 ×1/2)个四面体间隙。 平均1个原子含6个四面体间隙。
ZA, ZB 为A、B组元价电子数， VB为B组元摩尔分数。
1933年，Bernal 建议称之为电子化合物。 Massalski认为称其为电子相更恰当。
§2.12正常价化合物
正离子价电子数正好能使负离子具有稳定的电子层结构，即 AmBn化合物中，meC=n(8-eA), 结合一般是离子键。 eA和eC分别是正和负离子在非电离状态下的价电子数。
§2.13 拓扑密堆积相(TCP相)
在很多化合物结构中，原子尺寸起主要作用，并倾向于紧密堆 垛，称为拓朴密堆相，包括间隙化合物、Laves、σ相等。
间隙化合物
由原子半径r比较大的过渡金属（M）与r比较小的H, B, C, N, O, 等非金属组成的化合物，非金属原子占据金属原子结构间隙。 具有金属光泽和导电性的高熔点、高硬度较脆的化合物。
§2.9间隙固溶体
面心立方结构
r=0.414R
r=0.225R
工程材料02(金属与合金的晶体结构)
金属材料的性能特点一般地，金属材料与非金属材料相比，金属材料具有良好的力学性能，而且工艺性能也较好。
即使都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能也会有很大的差异。
造成这些性能差异的主要原因是材料内部结构不同，因此掌握金属与合金的内部结构特点，对于合理选材具有重要意义。
金属材料是靠原子间金属键结合起来的。
金属键——金属材料内部，呈一定规律排列的正离子与公有化的自由电子靠库仑力结合起来，这种结合力即为金属键。
（正离子+公有电子云、无方向性、非饱和性）金属材料的性能特点：1、良好的导电、导热性。
2、正的电阻温度系数3、良好的塑性4、不透明、有金属光泽第一节晶体的基本知识金属材料一般都是晶体，具有晶体的特性。
一、晶体——内部原子呈规则排列的物质。
晶体材料（单晶体）的特性：①具有固定的熔点。
②具有规则的几何外形。
③具有“各向异性”。
二、晶格、晶胞和晶格常数1、晶格——描述晶体中原子排列规律的空间点阵。
将原子的振动中心抽象为一几何点，再用直线的连接表示原子之间的相互作用。
2、晶胞——由于晶格排列具有周期性，研究晶格时，取出能代表晶格特征的最小基本单元即称为晶胞。
3、晶格常数——用来描述晶胞大小与形状的几何参数。
三条棱长：a、b、c三条棱的夹角：α、β、γ对于简单立方晶胞：棱长a=b=c 夹角α= β= γ= 90°第二节纯金属的晶体结构一、典型的晶格类型各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，往往呈现出不同的物理、化学及力学性能。
除少数金属具有复杂晶格外，大多数晶体结构比较简单，典型的晶格结构主要有以下三种：1、体心立方晶格（bcc）2、面心立方晶格（fcc）3、密排六方晶格（hcp）1、体心立方晶格（bcc ）晶格常数： a = b = c ；α=β=γ= 90°密排方向（原子排列最紧密的方向）：立方体的对角线方向原子半径：属于bcc 晶格的金属主要有：α-Fe 、Cr 、W 、Mo 、V 等ar 432、面心立方晶格（fcc ）晶格常数： a = b = c ；α=β=γ= 90°密排方向：立方体表面的对角线方向原子半径：属于fcc 晶格的金属主要有：γ-Fe 、Cu 、Al 、Au 、Ag 等。
第一章 金属与合金的晶体结构
晶格－描述晶体中原子排列规律的空间格架。
晶胞－空间点阵中最小的几何单元。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际 排列。 特征：a 可能存在局部缺陷； b 可有无限多种。
空间点阵相同，是否晶体结构相同？
2 晶胞
（1）晶胞：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则： a 能够充分反映空间点阵的对称性； b 相等的棱和角的数目最多； c 具有尽可能多的直角；
（c）
配位数＝12；致密度＝0.74
3、密排六方晶格：记为HCP 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，由六个呈长 方体的侧面和两个呈六边形的底面所组成，如图所示。 属于这种晶格类型的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。
两个晶格常数：正六边形边长a；上下两底面之间的距离c。 轴比：c/a 配位数：12；致密度：0.74（与面心立方相同）
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
说明： a 指数意义：代表一组平行的晶面； b 0的意义：面与对应的轴平行； c 平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反； d 晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距 完全相同），空间位向不同的各组晶面。用{hkl}表示。 e 若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0; f 若晶面与晶向垂直，则u=h, k=v, w=l。
金属特性：导电性、导热性好；正电阻温度系数；好的延 展 性；有金属光泽等。
（4）分子键与分子晶体
原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
第二章金属与合金的晶体结构和二元合金相图教材
金属的结构
Si2O的结构
2、晶格与晶胞
晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的 三维空间格架。直线的交点（即原子中心）称结点。 由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。
晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元 .
晶 体 晶 格 晶 胞 示 意 图
晶格常数：晶胞各边的
尺寸 a、b、c。各棱间
位 错 壁
亚晶粒
大角度和小角度晶界
晶界的特点：
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，因而实际使用 的金属力求获得细晶粒。
⑥ 是相变的优先形核部位。
第二节 金属的结晶与同素异晶转变
物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 结晶： 液体 --> 晶体 凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc
1394 C
912 C
912 C
-Fe，fcc
-Fe，bcc
2、固态转变的特点
固态下的相变也是一个形核和长大的过程，但有
着与结晶不同之处，其特点为：
（1）形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶 内缺陷、特定晶面等）。
（2）由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。 （3）固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应
属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族
元素。
形成间隙固溶体的一般规律 为r质/r剂<0.59。
Hale Waihona Puke ⑶ 固溶体的溶解度
金属与合金的晶体结构
金属与合金的晶体结构一、引言金属与合金是一类重要的材料，它们具有优异的物理和化学性质，广泛应用于工业和科学领域。
金属与合金的晶体结构是影响其性能的重要因素之一。
本文将介绍金属与合金的晶体结构，包括晶体的组成、晶体的类型以及晶体的排列方式等。
二、金属晶体结构金属晶体结构由金属原子组成。
金属原子通常具有较大的离子半径和较小的电负性，因此它们倾向于形成金属键。
金属晶体结构可以分为以下几种类型：1. 面心立方结构（FCC）面心立方结构是最常见的金属晶体结构之一。
在面心立方结构中，金属原子分别位于晶格的每个面的中心以及每个顶点。
这种结构具有高度的对称性和密堆积性，因此具有较高的韧性和塑性。
2. 体心立方结构（BCC）体心立方结构是另一种常见的金属晶体结构。
在体心立方结构中，金属原子分别位于晶格的每个面的中心以及晶格的中心。
这种结构相对于面心立方结构来说，具有更高的密度和较低的韧性。
3. 密堆积六方结构（HCP）密堆积六方结构是一种较少见的金属晶体结构。
在密堆积六方结构中，金属原子分别位于晶格的每个面的中心以及每个顶点，形成六边形的密堆积结构。
这种结构具有较高的密度和较低的韧性。
三、合金晶体结构合金是由两种或更多种金属元素组成的混合物。
合金晶体结构可以由金属元素的晶体结构类型以及原子比例决定。
1. 固溶体固溶体是最常见的合金晶体结构之一。
在固溶体中，主要金属元素和溶质金属元素形成固溶体溶解体，原子之间的排列方式与纯金属相似。
固溶体可以分为完全固溶体和部分固溶体两种类型。
完全固溶体中，溶质原子完全溶解在主要金属晶体中；而在部分固溶体中，溶质原子只能部分溶解在主要金属晶体中。
2. 亚稳相亚稳相是指在合金中形成的相对于平衡相来说具有较低稳定性的晶体结构。
在亚稳相中，原子之间的排列方式发生改变，导致晶体结构和性能发生变化。
亚稳相的形成主要受到合金元素的浓度和固溶度限制的影响。
3. 间隙化合物间隙化合物是指合金中形成的一种特殊结构，其中金属原子和非金属原子之间的排列方式具有较高的有序性。
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第二章金属与合金的晶体结构
第一节纯金属的晶体结构
一、晶体结构的基本知识
1、晶体与非晶体
晶体——原子规则排列的集合体
非晶体——原子无规则堆积的集合体
晶体特征：固定的熔点，各向异性
2、晶格与晶胞
晶格：把晶体中原子看成几何点，用假象的直线连接后得到的三维格架晶胞：晶格中能全面反映原子排列规律的最小几何单元
3、晶面与晶向晶格常数：晶胞的棱边长度
晶面：晶格中各方位的原子面
晶向：任意两个原子连线所指的方向
第二节纯金属的实际晶体结构
α-Fe [100] E=135000N/mm2
[111] E=290000 N/mm2
实际测定 E=210000 N/mm2
一、多晶体结构
单晶体：各部分位向完全一致的晶体（各向异性）多晶体：许多位向不同的单晶体的聚合体（各向同性）晶粒：多晶体中外形不规则的小晶体晶界：晶粒之间的界面
二、晶体缺陷
1、点缺陷——空位和间隙原子
点缺陷→导致晶格畸变→强度↑，硬度↑
空位和间隙原子都处于运动和变化之中，是原子扩散主
要方式之一。
温度↑，空位↑
2、线缺陷——位错
位错——整排原子有规律错排位错密度ρ=L / V (cm-2)
增加或减小，可以提高强度
3、面缺陷——晶界、亚晶界晶界处：晶格畸变→强度高
原子能量高→熔点低，易腐蚀，原子扩散快
晶粒细→晶界面积大→强度高
亚晶界：晶粒内小位向差（1-2°）的晶块（亚晶粒亚结构）边界
第三节合金的晶体结构合金的基本概念
合金：由两种或两种以上金属，或金属与非金属组成，具有金属性质的物质。
组元：组成合金的基本物质。
相：结构相同，成分相近，与其它部分有界面分开的部分
单相合金：固态下由一个固相组成的合金
多相合金：固态下由两个以上固相组成的合金
组织：相的聚合体。
( 单相组织，多相组织，)
二、合金的相结构
合金相结构——固溶体和金属化合物。
1、固溶体
固溶体：一种元素的原子溶入另一种元素中形成的合金相。
溶剂——保持原晶体结构的元素溶质——失去原晶体结构的元素
有限固溶体：溶解度有一定限度——有限互溶
无限固溶体：溶解度无一定限度——无限互溶（晶体结构相同原子直径相近）固溶体分类：
置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点
间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格的间隙中
固溶强化——溶质溶入固溶体，导致晶格畸变，引起强度和硬度升高
(仍保持良好的塑性和韧性)
2、金属化合物
特征：
•有金属性质
•晶体结构不同于任何组元
•成分可用分子式表示Fe3C
性能：硬，脆，熔点高
弥散强化（第二相强化）：
当金属化合物以细小颗粒均布于固溶体上，
可使合金的强度↑↑，硬度↑↑，耐磨性↑↑
调整合金性能的途径：
•改善固溶体溶解度
•改变化合物形状、数量、大小、分布。