第1章 金属的晶体结构

螺型位错
——上部相对于下部晶面发生错动。
——工程技术学院
3）位错密度：单位体积内所包 含的位错线总长度。
= L/V
如：
(m-2)
退火金属的位错密度为 1010~1012 m-2 冷塑性变形的金属的位错密度为 1015~1016 m-2

减少或增加位错密度都可以提
高金属的强度。
——工程技术学院
4）亚晶界
亚晶粒之间的交界面。 ——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。 ——工程技术学院
5）晶界特性
（1）内吸附：杂质在晶界偏 聚，降低强度。
（2）晶界原子扩散速度快， 易氧化和腐蚀。 （3）晶粒有长大减少晶界总 面积来降低晶界能的趋势。 （4）固态相变时优先在母相 晶界上形核。
Y X
1/p：1/q：1/r = h：k：l
（为最小整数比）；
● 去掉比号、以小括号括起来，写为(h k l)。 ——工程技术学院
4、晶向指数
表示晶向在空间位臵的符号。
Z
确定的步骤为：
● 选定晶轴X、Y、Z和a、b、c 为轴单位； ● 平移晶向直线过原点；
Y X
● 在该直线上任取一结点M，将其投影至X、Y、Z轴得截距
r 1 2 a
r
3 4
a
——工程技术学院
3、配位数 晶格中任一原子最邻近、等距离的原子数。
bcc
bcc: 8 fcc:12
hcp:12
fcc
hcp
——工程技术学院
4、致密度（K）
是指晶胞中所含全部原子的体积总和与该晶胞
体积之比：
K = nv / V
式中，n —晶胞中的原子数； v —单个原子的体积； V —晶胞体积。
——工程技术学院
立方
三、典型的金属晶体结构
所有晶体的空间点阵只有14种类型，称为布拉菲点阵。
六方
四方 菱方
最典型、最常见的晶体结构有三种类型:
体心立方结构 bcc
正交
面心立方结构 fcc
单斜
密排六方结构 hcp
——工程技术学院
三斜
1、体心立方结构(bcc)
具有这种晶体结构的金属有Cr、V、Mo、W和α-Fe等。
1、定义 当外部的温度和压强改变时，金
属由一种晶体结构向另一种晶体结构
转变，称之为多晶型转变。 2、特性 当发生多晶型转变时，材料的许 多性能如密度、塑性、强度、磁性、 导电性等将发生突变。 ——Fe、Mn、Ti、Co等具有多晶型性。 ——工程技术学院
第三节 晶体缺陷
（一）定义
原子的排列的不规则性和不完整性。 意义：对晶体材料的性能有很大影 响；特别是对塑性变形、扩散、相 变和强度等起着决定性作用。
4）位错的作用
是一种极为重要的晶体缺陷，对金属强度、塑性变 形、扩散和相变等有显著影响。 （1）促使塑性变形；
（2）提高强度（位错强化或加工硬化），但脆性显著增加。 机制：位错密度升高，导致位错缠结和钉轧，对滑移 的阻力增加，可使金属的塑性变形抗力显著升高。 ——工程技术学院
3、面缺陷
1）分类
外表面: 表面或自由界面；
贡献出价电子的原子 成为正离子，与公有化的 自由电子间产生静电作用 而结合的方式。 2、特性 1）它没有饱和性和方向性； 2）良好的导电性、导热性；
3）正的电阻温度系数；具有良好的塑性。 3、典型材料：各种金属。 ——工程技术学院
四、范德瓦尔斯键
1、定义 一个分子的正电荷部位和另一个分子的负电荷部位 间的微弱静电吸引力将两个分子结合在一起的方式。 也称为分子键。 2、特性 键合较弱，在外力作 用下键易断裂；可在很 大程度上改变材料的性 能；低熔点、高塑性。 3、典型材料： 高分子材料。 ——工程技术学院
（二）分类
点缺陷、线缺陷和面缺陷 ——工程技术学院
1、点缺陷
1）定义：是在空间三维方向上的尺寸都很小的缺陷。 2）产生：结晶、淬火、辐射、冷加工。
3）分类：空位、间隙原子和置换原子。
空位
间隙原子
小置换原子
大置换原子
——工程技术学院
4）运动
点缺陷并非固定不动，而是处在不断改变位置的运动状态。 ① 换位迁移；
② 空位与间隙原子相遇消失（复合）
。
——工程技术学院
5）晶格畸变
由于空位、间隙原子和臵换原子的存在, 使其周围邻 近原子也将偏离其平衡位臵，造成晶格畸变。
——工程技术学院
6）对材料性能的影响

原因：
无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏 离原结点位臵才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。

影响
——工程技术学院
2、面心立方结构(fcc)
具有这种晶体结构的金属有Al、Cu、Ni和γ-Fe等。
——工程技术学院
3、密排六方结构(hcp)
具有这种晶体结构的金属有Mg、Zn、Cd、Be等。
——工程技术学院
四、典型晶体的晶胞特征
由于不同晶型的晶体或同一晶格中，相应原子的
排列的情况不同，晶胞特征参数不同，故机械性能及
（5）常温下,晶界对位错运动 起阻碍作用。
显微组织的显示 ——工程技术学院
金属材料的晶粒越细,则单位体积晶界面积越多， 其强度，硬度越高. —— 细晶强化。
金属的晶粒大小与强度的关系
——工程技术学院
（M. Polanyi）和奥罗万（E. Orowan）三
人几乎同时提出晶体中位错的概念：
认为位错在切应力作用下发生运动，依靠 位错的逐渐传递完成了滑移过程。 由于位错的移动只需邻近原子作很小距离 的弹性偏移就能实现，所以滑移所需的临界 切应力大为减小。
——工程技术学院
50年代以后，用透射电镜直接观测到晶体中 位错的存在、运动、增殖等。
Байду номын сангаас
a. 提高了材料的电阻 b.材料的强度提高（固溶强化）； c. 促使原子扩散，热处理的理论基础。
——工程技术学院
2、线缺陷 —— 位错
理论剪切屈服强度（τm）>>
实际剪切屈服强度（τn）
例、Fe的单晶体
τm= 3000MPa， 而τn= 1-10MPa。
——工程技术学院
1934年泰勒（G. I. Taylor）、奥朗依
第一章 金属的晶体结构
重点：
1、金属典型晶体结构 2、晶体缺陷对性能的影响
难点：
1、晶体缺陷及其作用。
——工程技术学院
第一节 原子结合键及特性
——结合键分类：离子键、共价键、金属键、分子键等。
一、离子键
1、定义 由正、负离子间的库仑引力而形成。 2、特性 1）键能最高，结合力很大； 2）性能：强、硬度高、脆性较大。
——工程技术学院
六、晶体的各向异性
机理---由不同晶向上的原子紧密程度不同所致。
1、单晶体：各向异性 如：α-Fe单晶体，<111>晶向，E=290GPa，而<100> 晶向，E=135GPa 2、多晶体：伪各向同性 如： α-Fe 的E = 210GPa 晶粒
晶界 ——工程技术学院
七、多晶型性
2、非晶体
1)定义：原子呈无序或短程有序排列的物质。
2）特性：无固定熔点；各向同性。
——工程技术学院
二、晶体结构与空间点阵
1、晶体结构 是指晶体中原子在三维空间有规律的周期性 的具体排列方式。
原子堆垛模型
——工程技术学院
2、晶格——将晶体的原子几何化成一点，用一系列平行 直线连接起来，构成一空间格架叫晶格。 3、晶胞——从晶格中取出一个能保持点阵几何特征的基 本单元叫晶胞。 晶胞用点阵参数来描述： 各边长度(a、b、c)和各边之间的夹角(α、β、γ)。
作用： 对晶体原子排列紧密程度进行定量比较。
bcc: K=0.68
fcc: K=0.74
hcp: K=0.74
——工程技术学院
总结：
bcc 晶胞原子数 原子半径 配位数 致密度
r
fcc 4
hcp 6
2
2
3 4 a
r
4
a
r
1 2
a
8 0.68
12 0.74
12 0.74
——工程技术学院
五、晶面与晶向
内界面：晶界和亚晶界等。
2）晶体的外表面
a. 晶体的外表面能量高于晶内。 b. 表面吸附：外表面会吸附外来杂质,显著 改变表面能。 应用：食品加工、溶剂回收、三废处理等。
——工程技术学院
3）晶界——晶体结构相同但位向不同的
晶粒之间的交界面。 相邻晶粒取向差小于100,称小角度晶界 取向差大于100以上,称大角度晶界
1、晶面
在晶体中，由一系列原 子所组成的平面。该平面通 过晶体中原子的中心。
2、晶向：
原子在空间排列的方向 称为晶向。该直线通过原子 中心。
——工程技术学院
3、晶面指数
表示晶面在空间位臵的符号。 确定步骤：
Z
●设定一空间坐标系。
●求待标晶面在X、Y、Z轴上的截 距pa、qb、rc，得截距系数p、q、r ； ● 取截距系数的倒数比
相应的其它性能有很大的差异。
1、晶胞原子数
晶胞特 征参数 2、原子半径 3、配位数 4、致密度
——工程技术学院
1、晶胞原子数 一个晶胞内所包含的原子数目。
bcc
fcc
hcp
2
4
6
——工程技术学院
2、原子半径 晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之 间距离的一半。
bcc
fcc
r 2 4 a
hcp
OX0、OY0、OZ0；
● 作OX0/a：OY0/b：OZ0/c = u：v：w（最小整数比）； ● 去掉比号，加中括号，[u v w]即为晶向符号。 ——工程技术学院