金属工艺学课件——金属的晶体结构与结晶

⑴原子排列特征 密排六方晶格的晶胞如图所示。
⑵晶格常数 ⑶原子半径
a b c, c 1.633, 90， 120ห้องสมุดไป่ตู้ a
r 1a 2
⑷晶胞所含原子数 6个原子。
(5)致密度 74%。
(6)具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。
第二节 金属的实际晶体结构
晶体的基本概念 金属晶体的缺陷：
晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几 何规律作周期性地排列 。
非晶体 非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。
（如松香、玻璃、沥青）
晶 体 的
• 原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列； • 具有一定的熔点，如铁的熔点为1538℃，铜的熔 点为1083℃ • 晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶
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。
点缺陷——晶体空格、间隙原子 线缺陷——位错 面缺陷——晶界、亚晶界
一、单晶体和多晶体
晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。 实际使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其 内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶 体组合在一起的多晶体构成。这些小晶体就是晶粒，它们之间 的交界即为晶界。由多晶粒构成的晶体称为多晶体。在一个晶 粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向 差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为 亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。
表1-2 晶系
3、立方晶系的晶面、晶向表示方法
在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。 任意两个原子之间的连线称为原子列，其所 指方向称为晶向。
表示晶面的符号称为晶面指数。
表示晶向的符号称为晶向指数。
晶向指数的确定方法
1)以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系，通过原点作平行于所 求晶向的直线。 2)以相应的晶格常数为单位，求出直线上任意一点的三个坐标值。 3)将所求坐标值化为最简整数，并用方括号括起，即为所求的晶向指数， 例如[101]。
面心立方晶格（fcc晶格）
⑴原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图所示。
⑵晶格常数 a=b=c,α=β=γ=90°。 ⑶原子半径 r 2 a 。
4
⑷晶胞所含原子数 4个原子。 (5)致密度 74%。 (6)具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、 Ag等。
密排六方晶格（hcp晶格）
2、晶体结构的基本概念
为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固 定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心 连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几 个结点上，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，简称晶格。
由于晶体中原子有规则排列且有周期性的 特点，为了便于讨论 通常只从晶格中，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
二、晶体缺陷
实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可 分为三种： 点缺陷、线缺陷、面缺陷
1、点缺陷——晶格空位和间隙原子
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。
如图所示 形式为（hkl）
注意：
1)每一个晶面指数(或晶向指数)泛指晶格 中一系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。
2)立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶 向是相互垂直的。
3)原子排列情况相同但空间位向不同的晶 面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。
3、常见金属的晶格类型
原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两 原子之间距离的一半。 晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的 原子数目。
金属工艺学
第二章 金属的晶体结构与结晶
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 金属的晶体结构
一、晶体的基本知识 1、晶体和非晶体
晶体 固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非
具体晶向指数 如图所示，其 形式为[uvw]
晶面指数的确定方法
1)选坐标，以晶格中某一原子为原点（注意不要把原点放在所求的晶面 上），以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。 2)以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个坐标轴的截距。 3)求三个截距值的倒数。 4)将所得数值化为最简单的整数，并用圆括号括起，即为晶面指数。
在晶体学中，通常取晶胞角上某一结 点作为原点，沿其三条棱边作三个坐 标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，而且 规定坐标原点的前、右、上方为轴的 正方向，反之为反方向，并以（晶格 常数）棱边长度和棱面夹角来表示晶 胞的形状和大小 。
整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间 重复堆积而成的。
2.晶系 按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系，见表 1-2。
特 体具有各向异性；
点 • 在一定条件下有规则的几何外形
晶体不同方向上性能不同的性质叫 做晶体的各向异性。
非
晶 • 原子在三维空间呈不规则的排列。
体 • 没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终
的 变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。
特 点
• 各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向 同性。
致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数， 即K = n v′/ V 。
式中，n为晶胞所含原子数
v′为单个原子体积
V为晶胞体积。
体心立方晶格（bcc晶格）
⑴原子排列特征 体心立方晶格的晶胞如图所示。
⑵晶格常数 a=b=c,α=β=γ=90°。 ⑶原子半径 r 3 a 。
4
⑷晶胞所含原子数 2个原子。 ⑸致密度 68%。 ⑺具有体心立方晶格的金属：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V 、Nb等30余种金属。