实际金属的晶体结构.
33 实际金属的晶体结构 一、多晶体结构和亚结构
3.3 实际金属的晶体结构一、多晶体结构和亚结构实际使用的工业金属材料，即使体积很小，其内部的晶格位向也不是完全一致的，而是包含着许许多多彼此间位向不同的、称之为晶粒的颗粒状小晶体。
而晶粒之间的界面称为晶界。
这种实际上由许多晶粒组成的晶体结构称为多晶体结构（polycrystalline structure）。
一般金属材料都是多晶体（图3-12）。
通常测得的金属性能是各个位向不同的晶粒的平均值，故显示出各向同性。
图3—12 多晶体结构示意图实践证明，即使在一个晶粒内部，其晶格位向也并不是象理想晶体那样完全一致，而是存在着许多尺寸更小，位向差也很小的小晶块。
它们相互嵌镶成一颗晶粒。
这些小晶块称为亚结构。
可见，只有在亚结构内部，晶格的位向才是一致的。
二、晶体缺陷实际晶体还因种种原因存在着偏离理想完整点阵的部位或结构，称为晶体缺陷（crystal defect）。
晶体缺陷的存在及其多寡，是研究晶体结构、金属塑性变形的关键问题。
根据其几何特性，晶体的缺陷可分为三类：1．点缺陷——空位和间隙原子实际晶体未被原子占有的晶格结点称为空位；而不占有正常晶格位置而处于晶格空隙之间的原子则称为间隙原子。
在空位或间隙原子的附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使其周围的原子离开了原来的平衡位置，即产生所谓的晶格畸变。
空位和间隙原子都处于不断的运动和变化之中，这对于热处理和化学处理过程都是极为重要的。
2．线缺陷——位错晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象称为位错（dislocation）。
有刃型和螺型两种位错。
刃型位错如图3-13所示。
垂直方向的原子面EFGH中断于水平晶面ABCD上的EF处，就像刀刃一样切入晶体，使得晶体中位于ABCD面的上、下两部分出现错排现象。
EF线称为刃型位错线。
在位错线附近区域，晶格发生畸变，导致ABCD晶面上、下方位错线附近的区域内，晶体分别受到压应力和拉应力。
符号“┴”和“┬”分别表示多出的原子面在晶体的上半部和下半部，分别称为正、负刃型位错。
金属学与热处理第一章 金属的晶体结构
晶体结构特征：
点阵参数： a1=a2=a3=a，
α 1=α 2=α 3=1200
平面轴X1、X2、X3和Z轴的夹角=90 ——四轴坐标系
O
Z轴的单位长度=c，用a、c两个量来度量
点阵参数：α=β=90º, γ=120º; a1=a2=a3≠c， 理想状态：c/a＝1.633
第一章 金属的晶体结构
本章教学目的
建立金属晶体结构的理想模型 揭示金属的实际晶体结构
§1-1 金属
一. 金属的特性和概念
1. 特性
金属通常表现出的特性：良好的导电性、导 热性、塑性、金属光泽、不透明。
2. 概念
(1) 传统意义上的概念。 (2) 严格意义上的概念：具有正的电阻温度系 数的物质，即电阻随温度的升高而增加的物质。
晶向─晶体点阵中，由阵点组成的任一直线，代 表晶体空间内的一个方向，称为晶向。 晶面─晶体点阵中，由阵点所组成的任一平面， 代表晶体的原子平面，称为晶面。
1.晶向指数的标定
晶向指数─用数字符号定量地表示晶向，这种数字符 号称为晶向指数。 以晶胞为基础建立三维坐标体系： z C′ O′ A′ c
γ O β α
晶体有各向异性， 非晶体则各向同性。
各向异性：不同方向上的性能有差异。
3.晶体与非晶体的相互转化性
玻璃
长时间保温
金属 极快速凝固
“晶态玻璃”
“金属玻璃”
非晶新材料的发展：光、电、磁、耐蚀 性、高强度等方面的高性能等。
二.晶体学简介
1.晶体结构模型的建立
（1） 假设：原子为固定不动的刚性小球，每个原子 具有相同的环境。
O′
z B′
C′
金属常见的三种晶体结构
金属常见的三种晶体结构
金属是由原子键紧密排列在一起而形成的固态，它们的结构可以分为三种：非晶态，单斜晶格和立方晶格。
非晶态是一种金属的结构，它和晶态有很大的不同，因为它没有安排成典型排列。
它是由大量低秩排列的原子构成的，没有晶面，且具有较低的密度。
这种结构经常出现在薄膜中，但也有一些金属在处于高温状态时以非晶态存在的特点。
单斜晶格是金属中最普遍的晶体结构。
它的特点是原子被排列在能量最低的八位置中，将空间划分为六个同心圆，将其围绕中心共轭，形成金属化合物中最常见的晶格结构。
该晶体结构非常稳定，在Big Bang中释放出来的原子大多就以单斜晶格结构存在。
另一种金属常见晶体结构是立方晶格结构。
立方晶格由很多个单元格组成，每个小单元中心都有一个原子，形成一个正交的立方晶格，原子的排列形成一个空mid的和的画面，可以把金属想象为一个巨大的正方体，巨大的正方体是由正方体组成的，原子是此晶体结构的组成单位。
总之，金属通常以非晶格、单斜晶格和立方晶格三种晶体结构存在，它们的生成和行为直接关系到金属的特性。
金属的宏观特性及其在特定情况下的表现受它们的晶体结构紧密相关。
理解金属的晶体结构对科学家们的研究和应用非常重要。
2 实际金属的晶体结构
晶界—晶粒与晶粒间的界面。
多晶体在性能上表现为各向同性。
实际金属的结构
§2 晶体缺陷
前面讨论的单晶体是所谓的理想晶体金属不仅是多晶
体，晶体的某些区域总是存在原子或分子的不规则排
列，这就是晶体结构缺陷，以下简称晶体缺陷。
晶体缺陷对金属的性能（物理性能、化学性能、
实际金属的晶体结构
内容：
§1 单晶体与多晶体
§2 晶体缺陷 §3 三种晶体缺陷的特征
§1 单晶体与多晶体
（1）单晶体—晶格位向（或方位） 一致的晶体。
实际金属的结构
单晶体的特性：各向异性现象。 （2）多晶体
一块金属材料中包含着许多 小晶体，每个小晶体内的晶格 位向是一致的。
晶粒—多晶体中每个外形不 规则的小晶体。
机械性能）有很大的影响。
实际金属的结构
晶体结构缺陷的类型
根据晶体缺陷的几何形态特征：
点缺陷
缺陷的 类型
线缺陷
面缺陷
§3 三种晶体缺陷的特征
实际金属的结构
1）点缺陷：晶体在三维方向上尺寸很小的缺陷，有晶格空 位、间隙原子和置换原子。
间歇原子
空位
点缺陷对晶格的影响 点缺陷的存在，破坏 了原子的平衡，使晶格 发生畸变。 点缺陷对晶体性能的影 响 点缺陷的存在将提高 材料的硬度和强度，降 低材料的塑性和韧性。
置换原子
晶体中的点缺陷
2）线缺陷—位错(dislocation)
实际金属的结构
E
EF—位错线
线缺陷：即位错 ( 分为刃型位错和螺旋位错 ) 。它是 指晶体中的原子发生了有规律的错排现象。
实际金属的结构
螺型位错
位错线
F C
D
τ
第二章晶体与晶体结构小结
小结第二章晶体与晶体结构内容:金属的晶体结构：合金的晶体结构实际金属的晶体结构第一节金属的晶体结构晶体与非晶体1. 晶体：指原子呈规则、周期性排列的固体。
常态下金属主要以晶体形式存在。
晶体具有各向异性。
非晶体：原子呈无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。
在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。
2. 区别(a)是否具有周期性、对称性(b)是否长程有序(c)是否有确定的熔点(d)是否各向异性3金属的晶体结构晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。
1）理想晶体——实际晶体的理想化·三维空间无限延续，无边界·严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷。
·原子在其平衡位置静止不动2）理想晶体的晶体学抽象（晶体）空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小组成单元）。
晶体学参数：a,b,c,α,β,γ晶格常数：a,b,c晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。
90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。
立方晶系：a=b=c，α=β=γ=90︒六方晶系：a1=a2=a3≠ c, α=β=90︒, γ=120︒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。
晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。
配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。
致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。
二.常见的金属晶格晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度2 8 68% BCC a=b=c,α=β=γ=90oFCC a=b=c, α=4 12 74%β=γ=900HCP a=b c,a/2 6 12 74% c/a=1.633, α=β=90o, γ=120o第二节实际金属的晶体结构理想晶体+晶体缺陷——实际晶体实际晶体——单晶体和多晶体单晶体：内部晶格位向完全一致，各向同性。
多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成，各向异性。
1金属的晶体结构-2
2 金属结晶的过冷现象 过冷度——实际结晶温度T与理论结晶温度T0 的差称为过冷度 △T=T0-T 。 一定过冷度的存 在是金属结晶的必 要条件。
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3 结晶的基本规律
金属的结晶
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3.1 晶核的形成与长大
1)晶核的形成： 晶核的形成有自发和非自发之分。 2) 晶核的长大： 宏观长大的方式有：平面长大和树枝状长大方式。
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§1-4 金属的结晶与铸锭
金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于固 态金属是晶体，故又把凝固称为结晶。
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1 金属结晶的条件
1）结晶热力学条件：
2）结构条件：
热温仪表
3）能量条件：
温 度
热电耦 金属 坩埚
Tm DT
Ti
时间
其中：Tm是金属的熔点，在金属学中常称为理论结晶温 度，Ti是实际结晶温度。
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1). 间隙相 形成间隙相时，金属原子形成与其本身 晶格类型不同的一种新结构，非金属原子处于晶 格的间隙中。例如，钒为体心立方晶格，但它与 碳形成碳化钒（VC）时，钒原子却构成面心立方 晶格，碳原子占据晶格的所有八面体间隙位置 2). 间隙化合物 间隙化合物的晶体结构都很复杂， 有的一个晶胞中就含有几十个到上百个原子。铬、 锰、铁、钴的碳化物及铁的硼化物均属此类，如 在合金钢中常见的有M3C型（如Fe3C），M7C3 型（如Cr7C3），M23C6型（如Cr23C6）和M6C型 （如Fe3W3C、Fe4W2C(Fe3C)-正交晶系等。其中 Fe3C是钢中的一种基本相也是重要的间隙化合物， 称为渗碳体，其晶体结构属正交晶系
一、一些基本概念
合金是指由两种或两种以上的金属元素与非金属元
素经过冶炼、烧结或用其它方法组合而成具有金属
热处理复习题
一、填空题1.分别填出下列铁碳合金组织的符号：奥氏体 A ；铁素体 F ；渗碳体 Fe3C ；珠光体 P ；高温莱氏体 Ld ；低温莱氏体 Ld’。
2.金属晶格的基本类型有体心立方晶格、面心立方晶格与密排六方晶格三种。
3.根据晶体缺陷的几何特点，常将其分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。
4.在固态合金中由于各组元之间相互作用的不同，合金的组织可形成固溶体、金属化合物和机械混合物三种类型。
5.热处理工艺过程由加热、保温和冷却三个阶段组成。
6.按回火温度范围可将回火分为低温回火、中温回火和高温回火三种。
7.所有断裂过程都是由裂纹的形成和扩展两个基本过程组成的。
8.莱氏体是碳的质量分数为wc=4.3％的液态铁碳合金在1148 ℃时的共晶转变的产物，是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
9.形变铝合金可分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。
10.在合金相图中固相线与液相线的距离越大，合金铸造性能越差。
11.影响再结晶后晶粒大小的因素有：加热温度和保温时间、变形程度和加热速度。
12.冷塑性变形后的金属随着加热温度的升高其组织结构会发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的变化。
13.共析钢在等温转变过程中，其高温转变产物有： P 、 S 和 T 。
14.贝氏体分上贝氏体和下贝氏体两种。
15.铁碳合金相图上的ES线，用代号Acm 表示，PSK线用代号A1表示，GS线用代号A3表示。
16.淬火时，最常用的冷却介质是盐水、水和油。
17.奥氏体在l148℃时溶碳能力可达2.11％。
随着温度的下降，溶解度逐渐减小，在727℃时溶碳能力为0.77％。
18.铸铁中碳的以石墨的形式析出的过程称为石墨化。
影响石墨化的因素有化学成分和冷却速度。
19.根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两类。
20.表面热处理的方法有钢的表面淬火和化学热处理。
21.45钢按用途分类属于碳素结构钢，按碳的质量分数分类属于中碳钢，按质量分类属于高级优质。
吉林大学工程材料第1章 金属的晶体结构和结晶
由于金属键无方向性及饱和性，使得大部分金 属都具有紧密排列的趋向，以致其中绝大多数的金 属晶体都属于三种密排的晶格形式。
三、金属晶体中常见的三种晶格类型
度量晶体中原子排列的紧密程度的方法：
常用的有配位数、致密度。
A：配位数： 晶格中任一原子周围所紧邻的最近且 等距的原子数。 （定性的）
B：致密度：
表格 1-3 三种典型晶格的密排面和密排方向
晶格类型 体心立方 面心 密排六方
密排面 ｛１１０｝ ｛１１１｝ 底面
密排方向 〈１１1〉 〈１１0〉 底面对角线
以后我们将看到，金属晶格的密排面及密排方向 的确定，对我们研究金属的特性是有重要意义的。
五、晶体的各向异性
对于同一个完整的晶体，当我们从不同方向 上测量某些量时，(如弹性模量E、强度极限 b、 屈服极限 s 、电阻率、磁导率、线胀系数、耐蚀 性等)，将得到不同的数值。如铁(－Fe) 〈111〉方向E=2.80×105MN／m2 〈100〉方向E=1.30×105MN／m2 这就引出一个新的概念：
晶界这种晶体缺陷的存在，是晶体中不同晶格位向相 邻晶粒之间的过渡所形成的面缺陷（如图1-12a）。
（a）
（b）
图1－12 晶界（a）及亚晶界（b）示意图
而亚晶界这种晶体缺陷，是亚晶粒间所存在的微小 晶格位向差形成的面缺陷（如图1-12b）。可以把 它看作是一种位错的堆积或称“位错墙”。
三、晶体缺陷对金属性能的影响
{111}
1 3 0 . 58 6 a2 3 2 a 2
3a 0.29a 6
〈111〉 <111>
1 2 1 1.16 2 a 3a
6a 0.82a 3
规律 ： 原子间彼此相接触的晶面和晶向为最密排的晶面和晶