金属的晶体结构讲解

2020年9月28日
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由于空位、置换原子和间隙原子的存在 ， 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。
晶体中的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。
述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。
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2、晶胞
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 ，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。
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（四）、晶体结构的致密度
晶体结构的致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之
比，可用来原子排列的紧密程度进行定量比较。
在体心立方晶胞中，含有2个原子。这2个原子的体积为2×（4 ／3）πr3，式中r为原子半径 。故体心立方晶格的致密度为： 2 个原子的体积与晶胞体积之比等于0.68 。
不同含碳量钢的显微组织
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（二）、晶体缺陷
晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列 受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完
整。把这些区域称为晶体缺陷。这些缺陷的
存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、 机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性， 实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作 用力计算所得数值。
的小单晶体组合在一起构成，叫多晶体。这些小晶 体就是晶粒，它们之间的交界即为晶界。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。
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多晶体示意图
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第二讲 金属的晶体结构
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一、金属与合金的晶体结构
• 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
• 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
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一、晶体的基本知识
（一）、晶体与非晶体
这表明在体心立方晶格中，有68％的体积被所占据，其余为空
隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为0.74 。
显然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，当铁由面心 立方晶格变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀。
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（五）、晶面指数和晶向指数
晶面指数：取晶面与坐标轴截距的倒数，并化 简为最小整数，用圆括号顺序表示。 （x y z） 晶面族: {x y z}
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3、密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面 和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数表示。 一个是柱体的高度c，另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角 上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三 个原子。
密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、 下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞 独有。所以，密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝ 6（个）。具有密排六方晶格的金属有Mg 、Zn 。
有 aFe、Cr 等。
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2、面心立方晶格
面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上 和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原 子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为 两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为8×1 ／8＋6×1／2＝4（个）。
具有面心立方晶格的金属有rFe、Al 等。
3、晶格常数
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，并以棱边长度 a、 b、 c和棱面夹角
、 、 r 来表示晶胞的形状和大小 。
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（三）、金属中常见晶格
由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列 的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。
固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体 和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定 的几何规律作周期性地排列 。非晶体中原子（或分子） 则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）
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（二）、晶格、晶胞、晶格常数
1、晶格
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
根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分 为以下三类：
点缺陷 线缺陷 面缺陷
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1、点缺陷——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。
1、体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中 心和八个角上各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的 八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1／8个原子。 而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为 8×1 ／ 8 ＋ 1 ＝ 2 （ 个 ） 。 具 有 体 心 立 方 晶 格 的 金 属
晶向指数：通过原点直线上某点的坐标，用方括 号顺序表示。 [x y z] 晶向族: <x y z>
密排面： 密排方向：
Fig 铁的单晶体（晶胞）及其各方
向上弹性模量（E）示意图
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二、实际金属的晶体结构
（一）、金属材料都是多晶体
我们把晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。
单晶体只有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用 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
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