§1.1

金屬的晶體結(jié)構(gòu)和組織

1.晶體與非晶體

3.實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

4.晶體中的擴(kuò)散

2.金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與非晶體1.晶體：指原子呈規(guī)則、周期性排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。

非晶體：原子呈無(wú)規(guī)則堆積，和液體相似，亦稱為“過(guò)冷液體”或“無(wú)定形體”。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。2.區(qū)別(a)是否具有周期性、對(duì)稱性(b)是否長(zhǎng)程有序(c)是否有確定的熔點(diǎn)(d)是否各向異性金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)Si2O的結(jié)構(gòu)二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)描述了晶體中原子（離子、分子）的排列方式。1）理想晶體——實(shí)際晶體的理想化·三維空間無(wú)限延續(xù)，無(wú)邊界·嚴(yán)格按周期性規(guī)劃排列，是完整的、無(wú)缺陷?！ぴ釉谄淦胶馕恢渺o止不動(dòng)2）理想晶體的晶體學(xué)抽象空間規(guī)則排列的原子→剛球模型→晶格（剛球抽象為晶格結(jié)點(diǎn)，構(gòu)成空間格架）→晶胞（具有周期性最小組成單元）晶格：用假想的直線將原子中心連接起來(lái)所形成的三維空間格架。直線的交點(diǎn)（即原子中心）稱結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)形成的空間的陣列稱空間點(diǎn)陣。晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元.3）晶胞的描述

晶體學(xué)參數(shù)：a,b,c,α,β,γ晶格常數(shù)：a,b,c4)晶系：根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3c,==90,=120立方六方四方菱方正交單斜三斜5）原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。6)晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。7)配位數(shù)：晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目。8)致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。2.三種典型的金屬晶體晶胞1）體心立方晶胞BCCBodyCenteredCube晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑：原子個(gè)數(shù)：2配位數(shù)：

8致密度：0.68常見(jiàn)金屬：-Fe、Cr、

W、Mo、V、Nb等b）面心立方晶胞FCCFace-CentereCube晶格常數(shù)：a原子個(gè)數(shù)：4配位數(shù)：

12致密度：0.74常見(jiàn)金屬：

-Fe、Ni、Al、

Cu、Pb等c)密排六方晶胞HCPHexagonalClose-Packed晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)a和高c，

c/a=1.633原子個(gè)數(shù)：6配位數(shù)：

12致密度：0.74常見(jiàn)金屬：

Mg、Zn、

Be、Cd等（d）BCC、FCC、HCP晶胞的重要參數(shù)晶胞晶體學(xué)參數(shù)原子半徑晶胞原子數(shù)配位數(shù)致密度FCCa=b=c,α=β=γ=90o

2868%BCCa=b=c,α=β=γ=900

41274%HCPa=b

c,c/a=1.633,α=β=90o,γ=120o

a/261274%3、立方晶系晶面、晶向表示方法晶體中各方位上的原子面稱晶面各方向上的原子列稱晶向1）晶面指數(shù)表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：

⑴確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。

⑵

取三個(gè)截距值的倒數(shù)并按比例化為最小整數(shù)，加圓括弧，形式為（hkl）。XYZ例一、求截距為1,,晶面的指數(shù)。

截距值取倒數(shù)為1,0,0，加圓括弧得（100）例二、求截距為1，2，3晶面的指數(shù)。

取倒數(shù)為1，1/2，1/3，化為最小整數(shù)加圓括弧得(632)例三、畫(huà)出（221）晶面。取三指數(shù)的倒數(shù)1/2，1/2，1，化成最小整數(shù)為1,1,2，即為X，Y，Z三坐標(biāo)軸上的截距。2）晶向指數(shù)表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：⑴

確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，過(guò)原點(diǎn)作所求晶向的平行線。⑵求直線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)值并按比例化為最小整數(shù)，加方括弧。形式為[uvw]。例一、已知某過(guò)原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)為1，1.5，2，求該直線的晶向指數(shù)。

將三坐標(biāo)值化為最小整數(shù)加方括弧得[234]。例二、已知晶向指數(shù)為[110]，畫(huà)出該晶向。

找出1，1，0坐標(biāo)點(diǎn)，連接原點(diǎn)與該點(diǎn)的直線即所求晶向。3）晶面族與晶向族(hkl)與[uvw]分別表示的是一組平行的晶向和晶面。那些指數(shù)雖然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面稱作晶向族或晶面族。分別用{hkl}和<uvw>表示。立方晶系常見(jiàn)的晶面為：{110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY立方晶系常見(jiàn)的晶向?yàn)椋?lt;111>[111][111][111][111]XZY說(shuō)明：①

在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相互垂直。②遇到負(fù)指數(shù)，“-”號(hào)放在該指數(shù)的上方。--③晶向具有方向性，如[110]與[110]方向相反。XZY(221)[221][110][110]4）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(zhǎng)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。三種常見(jiàn)晶格的密排面和密排方向?yàn)椋好芘琶鏀?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(duì)角線3體心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面三．實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

理想晶體+晶體缺陷——實(shí)際晶體

實(shí)際晶體——單晶體和多晶體

單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致，各向同性。

多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組成，各向異性

1．晶體缺陷：實(shí)際晶體中存在著偏離（破壞）晶格周期性和規(guī)則性的部分

a.點(diǎn)缺陷——晶格結(jié)點(diǎn)處或間隙處，產(chǎn)生偏離理想晶體的變化空位

晶格結(jié)點(diǎn)處無(wú)原子置換原子

晶格結(jié)點(diǎn)處為其它原子占據(jù)間隙原子

原子占據(jù)晶格間隙空位間隙原子大置換原子小置換原子點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。從而強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。

刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)b.線缺陷(位錯(cuò))—二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯(cuò)排

位錯(cuò)：晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯(cuò)。有刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)兩種類型。刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。半原子面在滑移面以上的稱正位錯(cuò)，用“?”表示。半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯(cuò)，用“?”表示。位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。

=S/V(cm/cm3或1/cm2)金屬中的位錯(cuò)密度為104~1012/cm2

。位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。從-關(guān)系可以看出，減少或增加位錯(cuò)密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。電子顯微鏡下的位錯(cuò)透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯(cuò)（白點(diǎn)為原子）c.面缺陷——一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯(cuò)排區(qū)域。分為晶界、亞晶界、表面等

晶界是不同位向晶粒的過(guò)度部位，寬度為5~10個(gè)原子間距，位向差一般為20~40°。位向差很?。?0’~2°)的小晶塊為亞晶粒。亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界也可看作位錯(cuò)壁。四、晶體中的擴(kuò)散1.擴(kuò)散——原子在晶體中移動(dòng)距離超過(guò)其平均原子間距的遷移現(xiàn)象擴(kuò)散→熱激活過(guò)程（以克服晶格約束）2．影響擴(kuò)散的因素：(1)溫度原子能量提高（最主要因素）

D=Doexp(-Q/RT）

Do:擴(kuò)散系數(shù)(cm2/s),

Q：擴(kuò)散激活能

Do，Q與溫度無(wú)關(guān)，決定于晶體的成分和結(jié)構(gòu)溫度提高10-15度，D提高一倍。(2)晶體結(jié)構(gòu)致密度小→克服的能壘小→擴(kuò)散容易(3)表面及晶體缺陷晶格畸變→高能態(tài)原子→激活能?。w擴(kuò)散的0.6-0.7）→擴(kuò)散快100-1000倍§2.2合金的相結(jié)構(gòu)

合金是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金屬與非金屬。組成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu兩相合金所謂相是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開(kāi)的均勻組成部分。顯微組織實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。固態(tài)合金中的相分為固溶體和金屬化合物兩類。1、固溶體組元通過(guò)溶解形成一種成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體A（B）。A：溶劑B：溶質(zhì)①分類a.按溶質(zhì)原子的位置分置換固溶體其中溶質(zhì)原子占據(jù)溶質(zhì)原子點(diǎn)陣位置的固溶體。晶格類型相同,原子半徑相差不大,電化學(xué)性質(zhì)相近.間隙固溶體

溶質(zhì)原子位于溶劑原子點(diǎn)陣的間隙位置中的固溶體，

原子半徑較小。b.按溶解度分有限固溶體無(wú)限固溶體c.按分布有序度分有序固溶體無(wú)序固溶體

②固溶強(qiáng)化

由于溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸變而造成材料硬度升高，塑性和韌性沒(méi)有明顯降低。

溶質(zhì)原子溶入→晶格畸變→位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力上升→金屬塑性變形困難→強(qiáng)度、硬度升高。

2、金屬化合物合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金屬化合物也是合金的重要組成相。鐵碳合金中的Fe3C⑴正常價(jià)化合物—符合正常原子價(jià)規(guī)律。如Mg2Si。⑵電子化合物—符合電子濃度規(guī)律。如Cu3Sn。

電子濃度為價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)的比值。⑶間隙化合物—由過(guò)渡族元素與C、N、