纯金属与合金的晶体结构
合金结晶与纯金属结晶的异同
合金结晶与纯金属结晶的异同结晶是固体物质由液体或气体转变为固体时形成的有序结构过程。
在金属材料中，结晶是其物理和力学性能的重要因素之一。
金属材料的结晶可以分为合金结晶和纯金属结晶两种类型。
本文将从晶体结构、结晶方式、晶界性质和性能特点等方面对合金结晶与纯金属结晶进行比较，以便更好地理解它们的异同。
合金结晶与纯金属结晶在晶体结构方面存在一定的差异。
纯金属结晶的晶体结构主要有面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和密堆积六方（HCP）等。
而合金结晶的晶体结构则取决于合金的成分。
不同的合金成分会导致晶体结构的变化，例如，合金中添加了一些非金属元素会改变晶体结构，使之变为非晶态或形成新的相。
合金结晶与纯金属结晶在结晶方式上也有所不同。
纯金属结晶通常遵循固溶体系的相图，即通过熔化和冷却的方式进行结晶。
而合金结晶则更加复杂，因为合金中存在多个元素，其相互作用和溶解度的变化会影响合金的结晶方式。
合金结晶可以包括共晶、共晶反应、包晶等多种方式。
在晶界性质方面，合金结晶与纯金属结晶也存在差异。
晶界是指晶体中两个晶粒之间的界面，它对材料的性能起着重要作用。
纯金属结晶的晶界通常是高度有序的，晶界能量较低，因此具有较好的力学性能。
而合金结晶的晶界则受到合金成分和结晶方式的影响，晶界的有序性和能量可能会发生变化，从而影响材料的性能。
合金结晶和纯金属结晶在性能特点上也有所不同。
纯金属结晶的晶粒尺寸较大且均匀，因此具有较好的塑性和导电性能。
而合金结晶的晶粒尺寸和分布受到合金成分和结晶方式的影响，可能会出现较大的晶粒和晶界偏析等现象，从而影响材料的力学性能和化学性能。
合金结晶与纯金属结晶在晶体结构、结晶方式、晶界性质和性能特点等方面存在一定的异同。
通过对其进行比较，可以更好地理解合金材料的结晶行为和性能特点，为合金材料的设计和应用提供理论依据。
然而，需要注意的是，合金结晶和纯金属结晶是一个复杂的问题，还有很多细节和特殊情况需要进一步研究和探索。
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™
合金结晶和纯金属结晶的异同
合金结晶和纯金属结晶的异同合金结晶和纯金属结晶是固态金属材料在冷却过程中形成晶体结构的两种不同方式。
虽然它们都涉及到原子的有序排列，但在细节上存在一些差异。
本文将从晶体形成的过程、晶体结构以及性质等方面对合金结晶和纯金属结晶进行比较和分析。
合金结晶和纯金属结晶的形成过程存在一些异同。
合金结晶是由两种或更多种金属元素组成的固态混合物，在冷却过程中形成晶体结构。
纯金属结晶则是由单一金属元素组成的固态材料。
不论是合金还是纯金属，其结晶过程都可以分为凝固和晶体生长两个阶段。
在凝固阶段，金属原子开始有序排列，形成初生晶核。
随着冷却的继续，这些晶核逐渐长大并扩展，直到填满整个材料。
合金结晶和纯金属结晶的晶体结构也存在差异。
纯金属结晶中的金属原子排列规则，通常具有高度的对称性。
常见的金属结晶结构有面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和密堆积六方（HCP）等。
而合金结晶由于含有多种金属元素，其晶体结构往往更为复杂。
合金晶体中金属原子的排列方式取决于不同金属元素之间的相互作用力，可能会形成固溶体、亚稳相或化合物等多种晶体结构。
合金结晶和纯金属结晶的性质也有所差异。
合金的存在可以改变材料的力学性能、热学性质和化学反应性等。
通过调整合金的成分和结构，可以获得不同的材料性能，如提高强度、增加耐腐蚀性等。
纯金属的性质主要取决于其晶体结构和原子间的键合，因此通常具有较高的电导率和热导率，以及良好的延展性和可塑性。
总的来说，合金结晶和纯金属结晶在形成过程、晶体结构和性质等方面存在一些异同。
合金结晶由于含有多种金属元素，其晶体结构较为复杂，而纯金属结晶则具有较高的对称性。
此外，合金的存在可以改变材料的性能，而纯金属的性质主要取决于其晶体结构和原子间的键合。
深入理解合金结晶和纯金属结晶的差异，对于合金材料的设计和应用具有重要意义。
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。
金属的结构与性能
金属的结构与性能⏹纯金属的晶体结构⏹合金的晶体结构纯金属的晶体结构晶体——原子排列长程有序有周期熔点一定材料晶体原子排列长程有序，有周期非晶体——原子排列短程有序，无周期。
性能呈各向异性，一定条件下晶体和非晶体可互相转化。
石英玻璃(非晶体)石英晶体(晶体)一、纯金属的晶体结构（一）晶体的基本概念晶格与晶胞●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1、晶格与晶胞用假想的线将原子中心连接起来所形成的维空间格架。
直线的交点（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。
结点晶体晶胞晶格（空间点阵）晶格与晶胞晶格常数：立方•晶胞各边尺寸a、b、c。
六方•各棱间夹角α、β、γ。
2 晶系：四方●根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。
以上的金属具有立方晶系和六方晶系菱方●90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。
=====90︒正交●立方晶系：a b c，αβγ90●六方晶系：a1=a2=a3≠c，α=β=90︒，γ=120︒单斜三斜3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。
4 晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。
5 配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。
6晶胞中原子本身6 致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。
K=nv’/V=Vrn 334π⨯(二)、金属中常见的晶格类型体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格（bcc）（fcc）（hcp）(二)、金属中常见的晶格类型 1. 体心立方晶格(Body Centered Cubic Lattice, BCC)晶胞原子数晶格常数：a (a =b =c )1/8×8+1=2体心立方结构(b.c.c)原子半径：a 43r 致密度晶格常数：a (a =b =c )晶胞原子数6=41/8×8+1/2×64c晶格常数：a (a =b ), cc/a=1.633晶胞原子数121/2236c/a 1.6331/6×12+1/2×2+3=6a21r =：原子半径配位数：12K ’/V 07474%致密度：K=nv’/V ≈0.74=74%金属中常见晶格类型的基本参数晶格类型体心立方（bcc ）面心立方（fcc ）密排六方（hcp ）晶胞结构a ＝b ＝ca ＝b ＝c90a ＝b c/a ＝1.633α＝β＝γ＝90℃α＝β＝γ＝90℃α＝β＝90℃γ＝120℃晶胞常数晶胞内原子数原子半径致密度配位数0.680.740.7481212α‐Fe 、Mo 、W 、V 、Cr 、β‐Tiγ‐Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Au 、AgMg 、Cd 、Zn 、Be 、Ca 、α‐Ti典型金属(三)、立方晶系晶面、晶向表示方法●晶体中一系列原子组成的面称晶面●任意两原子之间的连线称为原子列，其方向称为晶向。
金属与合金的微观结构与性质
金属与合金的微观结构与性质引言：金属与合金是我们日常生活中常见的材料。
它们具有独特的微观结构和特殊的性质，对于工业生产和科学研究都具有重要意义。
本文将从微观结构的角度来探讨金属与合金的性质。
一、晶体结构金属与合金的微观结构是由大量的晶体组成的。
晶体是由原子、离子或分子按照规则的排列方式形成的，具有周期性的结构。
金属晶体中的原子由于强大的金属键相互连接，形成了具有高度有序性和密堆性的结构。
这种结构的稳定性和金属的硬度、延展性密切相关。
二、晶格缺陷晶体中不可避免地存在着各种缺陷，如点缺陷、面缺陷和体缺陷。
点缺陷是晶体中原子位置的偏离，它可以分为空位、插入原子和间隙原子。
面缺陷是晶体表面的不平整，常见的有晶界和位错。
体缺陷是晶体内部的缺陷，例如体积不均匀和阻塞。
这些缺陷对金属的性能产生重要影响，并且在材料加工和力学性质等方面表现出不同的行为。
三、晶体的相变相变是晶体结构和性质变化的过程。
金属在加热和冷却过程中会发生相变现象。
最常见的是固态金属的相变，如铁的磁性转变和冷热处理时的晶体结构变化。
相变是金属与合金在制备和应用过程中不可或缺的一部分，对于调控和改善材料性能具有重要价值。
四、合金的形成与调控在金属中添加其他元素可以形成合金。
合金是由两种或多种金属元素混合而成的材料，具有比纯金属更好的性能和更广泛的应用。
通过选择不同的元素成分和比例，可以改变合金的微观结构，从而调控合金的硬度、强度、耐腐蚀性等性质。
合金的形成和调控对于现代工业的发展具有重要意义。
五、金属与合金的物理性质金属和合金具有许多特殊的物理性质，如导电性、热传导性、延展性和吸收能量能力。
这些性质使得金属和合金被广泛应用于电子、能源、交通等领域。
在微观结构的基础上，我们可以解释这些性质背后的原因，并优化材料的性能。
六、金属与合金的力学性质力学性质是评价金属和合金材料性能的重要指标。
金属与合金的硬度、强度、延伸性和韧性等性质与微观结构密切相关。
金属的结晶构造和结晶过程
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一、晶体与非晶体
1、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。有固定熔点。
2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。
长程无序，各向同性。无固定熔点。
3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等） 是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅 酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤 维都是晶体。
➢ 在体心立方晶胞中, 每个角上的原子在晶格中同时 属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个 晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶 胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个。
体心立方晶格
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原子半径
❖晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。 体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对 角线, 所以原子半径与晶格常数a之间的关系 为：
1 538℃
1 394℃
912℃
Lቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
δ－Fe
γ －Fe
α－Fe
(体心)
(面心)
(体心)
转变发生于固态 特点：在一定温度下进行
晶格类型发生变化
形核 ＋ 长大
局部
整体
三、金属的同素异晶转变
纯铁的同素异构转变曲线
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三、金属的同素异晶转变
❖ 金属的同素异晶有一定的转变温度并放出结晶潜 热。
❖ 金属的同素异晶转变具有较大的过冷倾向。
长。
二、金属的结晶过程
晶粒大小及其控制
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细晶强化的基本原理 ↑v形核， ↓v长大
细晶强化的方法 -- 增大过冷度∆T (中、小型零件) ↑形核率， ↓v长大 -- 变质处理 ↑形核率 -- 震动、搅拌结晶 ↓v长大， ↑形核率
2金属及合金的结构
类型
包括空位、间隙原子、杂质或溶质原 子，以及由它们组成的复杂点缺陷，如空 位对、空位团和空位—溶质原子对等。
点缺陷的形成
out
点缺陷的平衡浓度
点缺陷的运动
22
点缺陷的运动
晶体中的点缺陷并不是固定不动的，而是处于不断 的运动过程中。 由于热激活，某个原子有可能获得足够的能量而 跳入空位中，即发生空位迁移 出于热运动，晶体中的间隙原子也可由—个间隙 位臵迁移到另一个间隙位臵;也会落入邻近的空位， 而使两者都消失,即发生复合. 由于能量起伏，其他地方可能又会出现新的空位 和间隙原子，以保持该温度下平衡浓度不变。
最近邻
0.74
0.68
0.74
致密度
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。
out
5
晶体的原子堆垛方式和间隙
纯金属最密排结构
原子密排面在空间一层一层平行地堆垛→晶体结构
out
6
间隙数
FCC:
Interstitial Site
合金
两种或两种以上金属元素，或金属元素 与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方 法组合而成并具有金属特性的物质 元就是组成合金的元素。
组元 组成合金最基本的独立的物质，通常组 相
out
是合金中具有同一聚集状态、相同晶体 结构，成分和性能均一，并以界面相互 10 分开的组成部分→固溶体和中间相
合金组元之间的相互作用及其所形成的合金相的性质主要 是由它们各自的电化学因素、原子尺寸因素和电子浓度三个 因素控制的。
动理论与实际相差甚远.
27
螺型位错的运动 方向始终垂直位 错线和柏氏矢量
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第二节 金属的实际晶体结构
线缺陷是指在晶体中呈线状分布，即一个方向上尺寸很大， 而另两个方向上很小的缺陷。常见的线缺陷是各种类型的位错。 所谓位错，就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有 规律的错排现象。金属晶体内存有大量的各种类型位错，其中 “刃型位错”是一种比较简单的位错，如图２-７。
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第二节 金属的实际晶体结构
（２）亚晶界。在每个晶粒内，其晶格位向并不像理想晶体那样完全 一致，而是存在许多尺寸很小，位向差也很小（一般２°～３°） 的小晶块，这些小晶块称为“亚晶粒”，两相邻亚晶粒的界面称 为“亚晶界”。亚晶界实际上是由一系列刃型位错所组成的小角 度晶界，如图２-９所示。
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第三节 合金的晶体结构
一、合金的基本概念
合金是指由两种或两种以上的金属元素（或金属与非金属元 素）组成的，具有金属特性的新物质。
组成合金最基本的、独立的物质称为组元（简称元）。通常 组元是指组成合金的元素，例如普通黄铜的组元是铜和锌，铁碳 合金的组元是铁和碳。一般来说，稳定的化合物也可以作为组成 合金的组元。按组元数目，合金分为二元合金、三元合金和多元 合金等。
由于晶体中原子排列具有周期性变化的特点，因此，可以从 晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元，从中找 出晶体特征及原子排列规律。这个组成晶格的最基本几何单元称 为晶胞，如图２-１（ｃ）所示。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。
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第一节 纯金属的晶体结构
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第二节 金属的实际晶体结构
二、晶体中的缺陷
晶体中原子完全为规则排列时，称为理想晶体。实际上，金 属由于许多因素（如结晶条件、原子热运动及加工条件等）的影 响，使某些区域的原子排列受到干扰和破坏，内部总是存在着大 量缺陷。根据晶体缺陷的几何特征，可将其分为以下３类：
点缺陷是指在长、宽、高三个方向上尺寸都很小的一种缺陷， 最常见的是空位和间隙原子，如图２-６所示。
可以由给定组元按不同比例配制出一系列不同成分的合金， 这一系列合金就构成了合金系。例如各种牌号的碳钢就是由不同 铁、碳含量的合金所构成的铁碳合金系。
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第三节 合金的晶体结构
二、合金的相结构
根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态合金的相 结构可分为固溶体和金属化合物两大类。
合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相，称为 固溶体。形成固溶体后，晶格类型保持不变的组元称溶剂，晶格 消失的组元称溶质。固溶体的晶格类型与溶剂组元相同。
晶体中位错的多少可用单位体积中所包括的位错线的总长度 表示，称为位错密度，即
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第二节 金属的实际晶体结构
面缺陷是指呈面状分布，即在两个方向上的尺寸很大，而在 第三个方向上尺寸很小的缺陷。这类缺陷主要有晶界和亚晶界。 （１）晶界。工业上使用的金属材料一般都是多晶体。多晶体中两个 相邻晶粒之间的位向不同，所以晶界处实际上是原子排列逐渐从 一种位向过渡到另一种位向的过渡层，该过渡层的原子排列是不 规则的。相邻晶粒的位向差一般为３０°～４０°，晶界宽度为 ５～１０个原子间距，如图２-８所示。
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第一节 纯金属的晶体结构
体心立方晶格的晶胞是一个立方体，原子分布在立方体的８ 个结点及中心处，如图２-２所示。
面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，原子分布在立方体的 ８个结点及各面的中心处，如图２-３所示。
密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱体，晶胞的３个棱边长 度犪＝犫＝犮，晶胞棱边夹角α＝β＝９０°、γ＝１２０°，其晶 格常数用正六边形底面的边长犪和晶胞的高度犮表示。在密排六 方晶胞的１２个结点上和上、下底面的中心处各排列有一个原子， 此外柱体中心处还包含着３个原子，如图２-４所示。
第一节 纯金属的晶体结构
一、晶体与非晶体
固态物质按其原子的排列特征可分为晶体与非晶体。凡原子 按一定规律排列的固态物质，称为晶体。如金刚石、石墨及固态 金属与合金。而少数固态物质，如松香、沥青、玻璃、塑料等是 非晶体。对两者比较可以看出，晶体具有如下特点： （１）原子在三维空间呈规则、周期性重复排列，如图２-１（ａ）所 示； （２）具有一定的熔点，如纯铁的熔点为１５３８℃，铝的熔点为６ ６０℃； （３）晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异 性。
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第二节 金属的实际晶体结构
一、单晶体与多晶体
晶体内部晶格位向完全一致的晶体称为单晶体，单晶体具有 各向异性的特征。在工业生产中，只有通过特殊制作才能获得单 晶体，如半导体元件、磁性材料、高温合金材料等。
实际使用的工业金属材料，即使体积很小，其内部仍包含了 许多颗粒状的小晶体。每个小晶体的内部，晶格方位都是基本一 致的，而各个小晶体之间彼此的方位都不相同的，如图２-５所示。 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。这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为 多晶体。一般金属材料都是多晶体。
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第一节 纯金属的晶体结构
金属晶体除具有上述晶体所共有的特征外，还具有金属光泽、 良好的导电性、导热性和延展性，尤其是金属晶体还具有正的电 阻温度系数，这是金属晶体与非金属晶体的根本区别。
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第一节 纯金属的晶体结构
二、晶体结构的基本知识
为了形象描述晶体内部原子排列的规律，可将原子抽象为 几何点，并用一些假想线条将几何点在三维方向连接起来，这样 构成的空间格子称为晶格，如图２-１（ｂ）所示。晶格中的每一 个点称为结点。
不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。结晶学中
规定，晶胞的大小以其各棱边尺寸a、b、c表示，称为晶格常数，
所占体积的百分比，用 来表示原子在晶格中排列的紧密程度。
三、金属中常见的晶格类型
各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，故呈现出不同的 物理、化学及力学性能。除少数金属具有复杂晶格外，大多数金 属的晶体结构都比较简单，其中常见的有以下３种：