金屬的結構和結晶

1.1金屬的特征

金屬材料:包括純金屬,合金,指由金屬元素或以金屬元素為主形成的具有一般金屬特性的材料決定材料基本性能的因素:化學成分內(nèi)部結構組織狀態(tài)金屬的特性：良好的導電性導熱性延展性金屬光澤正的電阻溫度系數(shù)其中正電阻溫度系數(shù)是金屬的嚴格定義金屬的結合方式：金屬鍵金屬鍵的性質決定了金屬的宏觀特性導電性正電阻溫度系數(shù)導熱性不透明并且具有光澤延展性1.2金屬的晶體結構1.2.1晶體與非晶體固態(tài)物質按其原子（或分子）聚集狀態(tài)可分為體和非晶體兩大類。在晶體中，原子（或分子）按一定的幾何規(guī)律作周期性地排列。非晶體中原子（或分子）則是無規(guī)則的堆積在一起。（如松香、玻璃、瀝青）

晶體：物理性質突變各向異性非晶體：物理性質變化逐漸過度各向同性晶體與非晶體的本質區(qū)別在內(nèi)部結構而非外形，一定條件下晶體與非晶體可以相互轉化1.2.2純金屬的晶體結構為了便于表明晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律，把每個原子看成是固定不動的剛性小球，并用一些幾何線條將晶格中各原子的中心連接起來，構成一個空間格架，各原子的中心就處在格架的幾個結點上，這種抽象的、用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架，簡稱晶格。

由于晶體中原子有規(guī)則排列且有周期性的特點，為了便于討論

通常只從晶格中，選取一個能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律，這個最小的幾何單元稱為晶胞，整個晶格就是有許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復堆積而成的。在晶體學中，通常取晶胞角上某一結點作為原點，沿其三條棱邊作三個坐標軸X、Y、Z，并稱之為晶軸，而且規(guī)定坐標原點的前、右、上方為軸的正方向，反之為反方向，并以棱邊長度a，b，c和棱面夾角α，β，γ來表示晶胞的形狀和大小。其中a，b，c稱為晶格常數(shù)。金屬晶體三種典型結構1、體心立方晶格體心立方晶格的晶胞它是一個立方體。在晶胞的中心和八個角上各有一個原子，晶胞角上的原子為相鄰的八個晶胞所共有，每個晶胞實際上只占有1／8個原子。而中心的原子為該晶胞所獨有。故晶胞中實際原子數(shù)為8×1／8＋1＝2（個）。具有體心立方晶格的金屬有α-Fe、Cr、Mo、V、W等。2、面心立方晶格面心立方晶格也是一個立方體，在晶胞的每個角上和晶胞的六個面的中心都排一個原子，晶胞角上的原子為相鄰的八個晶胞所共有，而每個面中心的原子為兩個晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子數(shù)為8×1／8＋6×1／2＝4（個）。具有面心立方晶格的金屬有γ-Fe、Cu、Al、Au、Ag、Pb、Ni等。3、密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一個六方柱體，有六個呈長方形的側面和兩個呈六邊形的底面所組成。因此，要用兩個晶格常數(shù)表示。一個是柱體的高度，另一個是六邊形的邊長，在晶胞的每個角上和上、下底面的中心都排列一個原子，另外在晶胞中間還有三個原子。密排六方晶胞每個角上的原子為相鄰的六個晶胞所共有，上、下底面中心的原子為兩個原子所共有，晶胞中三個原子為該晶胞獨有。所以，密排六方晶胞中原子數(shù)為12×1／6＋2×1／2＋3＝6（個）。具有密排六方晶格的金屬有Mg、Zn等。描述晶體結構的一些重要概念晶胞原子數(shù)：一個晶胞內(nèi)所含原子數(shù)目晶格常數(shù)和原子半徑配位數(shù)：某一原子周圍最近的等距離相鄰原子數(shù)致密度：晶胞中原子本身所占的體積與晶胞體積之比體心立方面心立方密排六方晶胞原子數(shù)246原子半徑與晶格常數(shù)根號3a=4r根號2a=4r4r=2a配位數(shù)81212致密度68%74%74%1.2.3金屬晶體中晶面和晶向晶面：金屬晶體中由原子組成的任一平面晶向：由原子列組成組成任一直線方向求晶面指數(shù)1求截距2取倒數(shù)3化整注意：1待定晶面不要通過坐標軸原點2正負號的意義求晶向指數(shù)1引直線2求坐標3化整也可以通過待求晶向上任意兩點坐標值之差求晶向指數(shù)立方晶系中，晶面指數(shù)和晶向指數(shù)相同時，則晶面與晶向垂直1.2.4金屬晶體的各向異性晶體各向異性多晶體材料各向同性1.3晶體缺陷

晶體內(nèi)部的某些局部區(qū)域，原子的規(guī)則排列受到干擾而破壞，不象理想晶體那樣規(guī)則和完整。把這些區(qū)域稱為晶體缺陷。這些缺陷的存在，對金屬的性能（物理性能、化學性能、機械性能）將產(chǎn)生顯著影響，如鋼的耐腐蝕性，實際金屬的屈服強度遠遠低于通過原子間的作用力計算所得數(shù)值。根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可將其分為以下三類：點缺陷線缺陷面缺陷1.3.1點缺陷空位間隙原子雜質原子:置換雜質原子間隙雜質原子點缺陷平衡濃度與溫度有關,又稱熱平衡缺陷金屬晶體中的點缺陷主要是空位1.3.2位錯刃型位錯螺型位錯位錯密度：指單位晶體中位錯線的總長度1.3.3面缺陷外表面堆垛層錯晶界亞晶界孿晶界1.4金屬結晶的基本概念凝固:物質由液態(tài)轉變成固態(tài)的過程。結晶:晶體物質由液態(tài)轉變成固態(tài)的過程。1.4.1液態(tài)金屬結構長程無序短程有序結構起伏能量起伏1.4.2金屬結晶的宏觀現(xiàn)象To時間溫度理論冷卻曲線實際冷卻曲線T1結晶平臺(是由結晶潛熱導致)1過冷現(xiàn)象過冷概念過冷度影響因素2潛熱釋放1.4.3金屬結晶的微觀過程形核長大形核、長大多晶體金屬單晶體金屬1.5形核和長大1.5.1均勻形核和異質形核均勻形核:從過冷液態(tài)金屬中自發(fā)形成晶核的過程異質形核:液態(tài)金屬依附于未溶質點表面形成晶核1.5.2晶體的生長具有非小平面的物質:連續(xù)張大機制,適用于絕大多數(shù)金屬的結晶長大過程小平面型界面:二維形核機制晶體缺陷生長機制純金屬的生長形態(tài)正溫度梯度:平面生長負溫度梯度:枝晶生長若枝晶在三維空間均衡發(fā)展,這時晶粒稱為等軸枝晶金屬的樹枝晶金屬的