哈工大-第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)

第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)《金屬材料及熱處理》主講人劉海哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間材料與環(huán)境工程實驗室86412462，86418720第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.1晶體學(xué)基礎(chǔ)2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)2.3合金相結(jié)構(gòu)2.4晶體缺陷2.1晶體學(xué)基礎(chǔ)2.1.1材料原子的鍵合特征2.1.2材料原子的排列方式2.1.3關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

2.1.4晶面指數(shù)和晶向指數(shù)2.1.5晶帶和晶面族2.1.1材料原子的鍵合特征結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)原子的空間排列顯微組織2.1.1材料原子的鍵合特征2.1.1材料原子的鍵合特征外層電子作用形式穩(wěn)定的八電子排布結(jié)構(gòu)接受或釋放額外電子共有電子2.1.1材料原子的鍵合特征金屬鍵離子鍵共價鍵2.1.1材料原子的鍵合特征金屬的特性:具有正的電阻溫度系數(shù)具有良好的導(dǎo)電性具有良好的導(dǎo)熱性具有良好的延展性具有光澤金屬鍵離子鍵共價鍵共有價電子→電子云→鍵無方向性和飽和性→①原子趨向于規(guī)則排列②金屬有良好的導(dǎo)電性、塑性等2.1.1材料原子的鍵合特征金屬鍵離子鍵共價鍵得失價電子→正負(fù)離子①高熔點、高硬度、低塑性②良好的電絕緣體等2.1.1材料原子的鍵合特征金屬鍵離子鍵共價鍵共有電子對→鍵有飽和性①高熔點、高硬度、低塑性②電絕緣體等2.1.1材料原子的鍵合特征金屬鍵離子鍵共價鍵共有電子對→鍵有飽和性→①高熔點、高硬度、低塑性②電絕緣體等2.1.1材料原子的鍵合特征范德瓦爾鍵2.1.1材料原子的鍵合特征2.1晶體學(xué)基礎(chǔ)2.1.1材料原子的鍵合特征2.1.2材料原子的排列方式2.1.3關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

2.1.4晶面指數(shù)和晶向指數(shù)2.1.5晶帶和晶面族2.1.2材料原子的排列方式玻璃態(tài)2.1.2材料原子的排列方式原子排列從總體上是無規(guī)則的，近鄰原子排列有一定的規(guī)律,這叫做“短程有序”非晶態(tài)玻璃態(tài)2.1.2材料原子的排列方式原子排列從總體上是無規(guī)則的，近鄰原子排列有一定的規(guī)律,這叫做“短程有序”非晶態(tài)在整個材料內(nèi)部原子排列都是有一定規(guī)律的,這叫做“長程有序”晶態(tài)2.1.2材料原子的排列方式2.1晶體學(xué)基礎(chǔ)2.1.1材料原子的鍵合特征2.1.2材料原子的排列方式2.1.3關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

2.1.4晶面指數(shù)和晶向指數(shù)2.1.5晶帶和晶面族2.1.3關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

2.1.3關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

空間點陣基元晶體結(jié)構(gòu)基元2.1.3關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

+空間點陣晶體結(jié)構(gòu)基元2.1.3關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

+空間點陣是一個幾何概念，它由一維、二維或三維規(guī)則排列的陣點組成。單個的原子、離子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。2.1.3關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

保持點陣幾何特征的基本單元2.1.3關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

將陣點用一系列平行直線連接起來，構(gòu)成一個空間格架。晶格晶胞布拉菲在1948年根據(jù)“每個陣點環(huán)境相同”的要求，用數(shù)學(xué)分析法證明晶體的空間點陣只有14種，稱為布拉菲點陣，分屬7個晶系。空間點陣雖然只有14種，但晶體結(jié)構(gòu)則是多種多樣、千變?nèi)f化的。2.1.3關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

晶系軸(棱邊)之間的夾角三斜晶系單斜晶系斜方晶系正方晶系菱方晶系六方晶系立方晶系2.1.3關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

2.1晶體學(xué)基礎(chǔ)2.1.1材料原子的鍵合特征2.1.2材料原子的排列方式2.1.3關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

2.1.4晶面指數(shù)和晶向指數(shù)2.1.5晶帶和晶面族2.1.4晶面指數(shù)和晶向指數(shù)晶向2.1.4晶面指數(shù)和晶向指數(shù)晶體中任意兩個原子間連線所指的方向叫晶向

晶向指數(shù)晶向指數(shù)的確定方法①建立以晶胞的邊長作為單位長度的右旋坐標(biāo)系。②定出該晶向上任兩點的坐標(biāo)。③用末點坐標(biāo)減去始點坐標(biāo)。④將相減后所得結(jié)果約成互質(zhì)整數(shù)，加一方括號。2.1.4晶面指數(shù)和晶向指數(shù)

通常以[uvw]表示晶向指數(shù)的普遍形式。若晶向指數(shù)指向坐標(biāo)軸的負(fù)方向時，則在晶向指數(shù)這一數(shù)字上冠以負(fù)號。晶面及晶面指數(shù)晶面指數(shù)的確定方法①在以晶胞的邊長作為單位長度的右旋坐標(biāo)系中取該晶面在各坐標(biāo)軸上的截距。②取截距的倒數(shù)。③將倒數(shù)約成互質(zhì)整數(shù)，加一圓括號。2.1.4晶面指數(shù)和晶向指數(shù)

通常以（hkl）表示晶向指數(shù)的普遍形式。若所求晶面在坐標(biāo)軸的截距為負(fù)值，則在相應(yīng)指數(shù)上冠以負(fù)號。六方晶系2.1.4晶面指數(shù)和晶向指數(shù)2.1晶體學(xué)基礎(chǔ)2.1.1材料原子的鍵合特征2.1.2材料原子的排列方式2.1.3關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

2.1.4晶面指數(shù)和晶向指數(shù)2.1.5晶帶和晶面族2.1.5晶帶和晶面族2.1.5晶帶和晶面族晶帶——平行或相交于同一直線的一組晶面構(gòu)成一個晶帶，這組晶面叫做共帶面，而該直線叫做晶帶軸。

晶面與晶向相對關(guān)系的判斷：1）若與[uvw]相同，則晶面與晶向垂直；2）共帶面內(nèi)任意晶面（hkl）與晶帶軸指數(shù)[uvw]有如下關(guān)系：3）兩個非平行晶面的共帶軸指數(shù)為：

六、晶面族在同一晶體結(jié)構(gòu)中，有些晶面雖然在空間的位向不同，但其原子排列情況完全相同，這些晶面屬于一個晶面族，其晶面指數(shù)用{hkl}表示在立方晶系中有下列晶面族：2.1.5晶帶和晶面族第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.1晶體學(xué)基礎(chǔ)2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)2.3合金相結(jié)構(gòu)2.4晶體缺陷2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)三種典型晶體結(jié)構(gòu)體心立方面心立方密排六方體心立方晶格參數(shù)2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)具有該種晶體結(jié)構(gòu)的金屬有Cr、V、Mo、W和α-Fe等30多種體心立方晶格參數(shù)2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)晶胞原子數(shù)：體心立方晶格參數(shù)2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)原子半徑——晶胞中原子密度最大的方向[111]上相鄰原子間平衡距離的一半。配位數(shù)：8致密度：

體心立方晶格參數(shù)2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)面心立方晶格中的間隙面心立方晶格參數(shù)2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)具有該種晶體結(jié)構(gòu)的金屬有Al、Cu、Ni和γ-Fe等約20種面心立方晶格參數(shù)2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)晶胞原子數(shù)：面心立方晶格參數(shù)2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)原子半徑——晶胞中原子密度最大的方向[111]上相鄰原子間平衡距離的一半。配位數(shù)：12致密度：

面心立方晶格參數(shù)2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)面心立方晶格中的間隙面心立方晶格參數(shù)2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)面心立方晶格中的間隙密排六方晶格參數(shù)2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)具有該種晶體結(jié)構(gòu)的金屬有Mg、Zn、Cd、Be等20多種密排六方晶格參數(shù)2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)晶胞原子數(shù)：配位數(shù)：12致密度：密排六方晶格參數(shù)1.3金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)原子半徑——晶胞中原子密度最大的方向[111]上相鄰原子間平衡距離的一半密排六方晶格參數(shù)2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)堆垛方式⑷三種常見晶格的密排面和密排方向單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度。單位長度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。密排面數(shù)量密排方向數(shù)量體心立方晶格{110}6<111>4面心立方晶格{111}4<110>6密排六方晶格六方底面1底面對角線3多晶型轉(zhuǎn)變1.3金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)外部的溫度和壓強(qiáng)改變時，有些金屬會由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，稱之為多晶型轉(zhuǎn)變，又稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變多晶型性有些金屬，如Fe、Mn、Ti、Co等，具有兩種或幾種晶體結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為多晶型。Fe的多晶型轉(zhuǎn)變

第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.1晶體學(xué)基礎(chǔ)2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)2.3合金相結(jié)構(gòu)2.4晶體缺陷2.3合金相結(jié)構(gòu)合金兩種或兩種以上金屬元素，或金屬元素與非金屬元素，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)組元組成合金最基本的獨立的物質(zhì)，通常組元就是組成合金的元素。相是合金中具有同一聚集狀態(tài)、相同晶體結(jié)構(gòu)，成分和性能均一，并以界面相互分開的組成部分合金的組元之間以不同的比例混合，形成的固相晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元的晶體結(jié)構(gòu)相同，這種相稱為固溶體。與固溶體結(jié)構(gòu)相同的組元叫做溶劑，其他組元稱為溶質(zhì)。2.3合金相結(jié)構(gòu)固溶體中間相(金屬化合物)相1.固溶體的分類按溶質(zhì)原子在晶格中所占的位置分：1）置換固溶體——溶質(zhì)原子位于溶劑晶格的結(jié)點位置。2）間隙固溶體——溶質(zhì)原子填入溶劑原子的間隙處。按固溶度分類：1）有限固溶體——在一定條件下，溶質(zhì)組元在固溶體中的濃度有一定限度，超過這一限度就不再溶解，此時固溶體稱為有限固溶體。大部分固溶體屬于有限固溶體。2）無限固溶體——此種固溶體的溶質(zhì)能以任意比溶入溶劑，溶解度可達(dá)100%，如Cu-Ni（fcc晶體結(jié)構(gòu)）。2.3.1固溶體間隙固溶體置換固溶體2.固溶體的結(jié)構(gòu)

1）晶格畸變由于溶質(zhì)與溶劑原子半徑不同，因而正在溶質(zhì)原子附近的局部范圍內(nèi)形成彈性應(yīng)力場，造成晶格畸變。2）溶質(zhì)偏聚與短程有序研究表明，當(dāng)同種原子的結(jié)合力較大時溶質(zhì)原子傾向于成群地聚在一起，形成許多偏聚區(qū)；當(dāng)異種原子結(jié)合力較大時，溶質(zhì)原子在固溶體中的分布呈短程有序。3）長程有序某些具有短程有序的固溶體，當(dāng)其成分接近一定原子比時（如1：1），可在低于某一臨界溫度時，轉(zhuǎn)變?yōu)殚L程有序結(jié)構(gòu)，這種固溶體稱為有序固溶體。

2.3.2合金相結(jié)構(gòu)兩組元A和B組成合金時，除了可以形成固溶體之外，如果溶質(zhì)含量超過其溶解度時，可能形成新相，其成分處于A在B中或

B在A中最大溶解度之間，故稱中間相。在該化合物中，除離子鍵、共價鍵外，金屬鍵也參與作用，因而具有一定金屬性質(zhì)，故稱金屬間化合物。1.4合金相結(jié)構(gòu)固溶體金屬化合物正常價化合物電子化合物間隙相間隙化合物符合化合物原子價規(guī)律的金屬間化合物。它們具有嚴(yán)格的化合比，成分固定不變。它的結(jié)構(gòu)與相應(yīng)分子式的離子化合物晶體結(jié)構(gòu)相同，如分子式具有AB型的正常價化合物其晶體結(jié)構(gòu)為NaCl型，多為離子化合物。正常價化合物電子化合物間隙相間隙化合物是指按照一定價電子濃度的比值組成一定晶格類型的化合物。電子化合物的熔點和硬度都很高，而塑性較差，是有色金屬中的重要強(qiáng)化相。正常價化合物電子化合物間隙相間隙化合物

當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值小于0.59時，將形成具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的金屬間化合物.

間隙相是一些合金工具鋼和硬質(zhì)合金中重要的強(qiáng)化相，另外，可用作特殊的表面處理。正常價化合物電子化合物間隙相間隙化合物當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值大于0.59時，將形成具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的金屬間化合物，間隙化合物種類很多，F(xiàn)e3C是鐵碳合金中重要的組成相，具有復(fù)雜的正交晶格，晶胞中有12個Fe原子，4個C原子。間隙化合物也具有很高的熔點和硬度，脆性較大，也是鋼中重要的強(qiáng)化相之一。但與間隙相相比，間隙化合物的熔點和硬度以及化學(xué)穩(wěn)定性都要低一些。鐵碳合金中的Fe3CAl-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基軸承合金中的電子化合物第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.1晶體學(xué)基礎(chǔ)2.2金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)2.3合金相結(jié)構(gòu)2.4晶體缺陷2.4晶體缺陷點缺陷線缺陷面缺陷點缺陷的特點是在空間三維方向上的尺寸都很小，約為幾個原子間距，又稱零維缺陷點缺陷1.點缺陷的種類點缺陷主要有三種：空位、間隙原子、置換原子。點缺陷2.點缺陷的性質(zhì)點缺陷是一種平衡缺陷，在一定溫度下有一平衡濃度。對于置換原子或異類間隙原子，這一平衡濃度為固溶度或溶解度。3.點缺陷對金屬性能的影響1）點缺陷造成晶格畸變，使金屬屈服強(qiáng)度升高，電阻增大，體積膨脹等；2）點缺陷的存在加速了金屬中的擴(kuò)散過程，凡與擴(kuò)散有關(guān)的相變、化學(xué)熱處理、高溫下塑性變形和斷裂等都與點缺陷的存在和運(yùn)動密切相關(guān)。點缺陷線缺陷面缺陷線缺陷就是各種類型的位錯。它是指晶體中的原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。其特點是原子發(fā)生錯排的范圍只在一維方向上很大，是一個直徑為3～5個原子間距，長數(shù)百個原子間距以上的管狀原子畸變區(qū)。2.4晶體缺陷線缺陷1.刃型位錯特征：1）刃型位錯有一額外半原子面；2）位錯線是一個具有一定寬度的細(xì)長的晶格畸變管道，其中既有正應(yīng)變，又有切應(yīng)變。對于正刃型位錯，滑移面之上晶格受到壓應(yīng)力；負(fù)刃型位錯與之相反3）位錯線與晶體滑移方向垂直，即為錯運(yùn)動方向垂直于位錯線。刃型位錯刃位錯的形成線缺陷2.螺型位錯特征：1）螺型位錯無額外半原子面；2）螺型位錯線是一個具有一定寬度的細(xì)長的晶格畸變管道，其中只有切應(yīng)變，沒有正應(yīng)變。3）位錯線與滑移方向平行，位錯線運(yùn)動方向與位錯線垂直。線缺陷線缺陷線缺陷3.柏氏矢量1）柏氏矢量的確定方法柏氏矢量是由柏格斯在1939年提出的，用來表征位錯性質(zhì)及位錯區(qū)晶格畸變特征的一個矢量。柏氏矢量的確定方法如下：a在實際晶體中，從距位錯一定距離的任一原子M出發(fā)，以至相鄰原子為一步，沿逆時針方向環(huán)繞位錯線做一閉和回路；b在完整晶體中以同樣的方法和步驟做相同回路，此時回路沒有封閉；c由完整晶體的回路終點Q到起點M引一矢量，使回路閉和，即為柏氏矢量M(Q)QM→b線缺陷3.柏氏矢量2）柏氏矢量的特征a．可用來判斷位錯類型：位錯線與柏氏矢量垂直——刃型位錯

位錯線與柏氏矢量平行——螺型位錯b．柏氏矢量的大小表示位錯區(qū)晶格畸變總量大??；c．柏氏矢量用來表示晶體滑移的方向和大?。夯品较驗榘厥鲜噶糠较?，滑移大小為柏氏矢量大小。M(Q)QM→b線缺陷4.混合位錯

在實際晶體中，位錯線一般是彎曲的，而柏氏矢量只有一個，此時位錯線與柏氏矢量呈一定角度，稱為混合型位錯。

A——刃型位錯B——螺型位錯C——混合型位錯AbBC線缺陷5.位錯對金屬性能的影響位錯滑移是金屬變形的重要機(jī)制。位錯對金屬性能的影響與位錯密度有關(guān)，通常把單位體積中所包含的位錯線總長度稱為位錯密度，即

位錯密度m未強(qiáng)化純金屬（退火態(tài)）加工硬化態(tài)（1011~1012cm/cm3）金屬晶須理論強(qiáng)度強(qiáng)度金屬強(qiáng)度與位錯密度的關(guān)系

點缺陷線缺陷面缺陷晶體的面缺陷包括晶體的外表面（表面或自