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第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)2.2金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)2.3合金的晶體結(jié)構(gòu)2.4金屬的結(jié)晶[本章內(nèi)容][重點(diǎn)掌握]1.有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的基本概念：晶體，晶格，晶粒，單晶體;三種常見(jiàn)的金屬晶格;實(shí)際晶體的缺陷；2[一般要求]2.二元合金的基本概念：相、組織、組元、合金等；

3.合金相結(jié)構(gòu)的基本類(lèi)型：固溶體及金屬化合物，以及這些合金相結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與性能特點(diǎn);4.金屬的結(jié)晶、結(jié)晶過(guò)程;晶核的形成、長(zhǎng)大規(guī)律及其影響因素。晶格的致密度，晶體的各向異性[重點(diǎn)掌握]3固態(tài)物質(zhì)的性能與原子在空間的排列情況有著密切的關(guān)系。固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）的聚集狀態(tài)不同分為晶體與非晶體。（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。如金剛石、石墨和一切固態(tài)金屬及其合金等。2.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、晶體與非晶體

4晶體的特點(diǎn)：①原子在三維空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列。②具有一定的熔點(diǎn)，如鐵的熔點(diǎn)為1538℃，銅的熔點(diǎn)為1083℃。③晶體的性能隨著原子的排列方位而改變，即單晶體具有各向異性。如金剛石、石墨和一切固態(tài)金屬及其合金等。金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)Si2O的結(jié)構(gòu)5（2）非晶體：原子呈無(wú)規(guī)則雜亂地堆積在一起而形成的物質(zhì)，和液體相似，亦稱(chēng)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。如塑料、玻璃、瀝青等。金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)Si2O的結(jié)構(gòu)6非晶體的特點(diǎn)：①原子在三維空間呈不規(guī)則的排列。②沒(méi)有固定熔點(diǎn)，隨著溫度的升高將逐漸變軟，最終變?yōu)橛忻黠@流動(dòng)性的液體。如塑料、玻璃、瀝青等。③各個(gè)方向上的原子聚集密度大致相同，即具有各向同性。金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)Si2O的結(jié)構(gòu)7（3）二者的區(qū)別為：(a)是否具有周期性、對(duì)稱(chēng)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2.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。·原子在其平衡位置靜止不動(dòng)8（2）理想晶體的晶體學(xué)抽象①晶格為了清楚的表明原子在空間的排列規(guī)律，人為地將原子看作一個(gè)點(diǎn)，再用一些假想線條，將晶體中各原子的中心連接起來(lái)，便形成了一個(gè)空間格子，這種抽象的、用于描述原子在晶體中規(guī)則排列方式的空間幾何圖形稱(chēng)為結(jié)晶格子，簡(jiǎn)稱(chēng)晶格。晶格中直線的交點(diǎn)稱(chēng)為結(jié)點(diǎn)。9

②晶胞晶體中原子的排列具有周期性變化的特點(diǎn)，因此只要在晶格中選取一個(gè)能夠完全反映晶格特征的最小的幾何單元進(jìn)行分析，便能確定原子排列的規(guī)律。晶格中能代表原子排列規(guī)律的最基本幾何單元稱(chēng)為晶胞。實(shí)際上整個(gè)晶格就是由許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復(fù)堆積而成的。10③晶格常數(shù)

為了研究晶體結(jié)構(gòu)的需要，在結(jié)晶學(xué)中規(guī)定用晶格常數(shù)來(lái)表示晶胞的幾何形狀和大小。晶胞的各棱邊長(zhǎng)為a、b、c，稱(chēng)為晶格常數(shù)。當(dāng)晶格常數(shù)a=b=c，棱邊夾角α=β=γ=90°時(shí)，這種晶胞稱(chēng)為簡(jiǎn)單立方晶胞。113.常見(jiàn)的金屬晶格類(lèi)型體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格。12體心立方晶格的晶胞是一個(gè)立方體，立方體的八個(gè)頂角和立方體中心各有一個(gè)原子。晶胞中原子數(shù)可參照如下的計(jì)算方法：晶胞每個(gè)結(jié)點(diǎn)上原子為相鄰的8個(gè)晶胞共有，加上晶胞中心一個(gè)原子，故每個(gè)晶胞原子數(shù)n=8×1/8+1=2(個(gè))。屬于體心立方晶格類(lèi)型的金屬有α-Fe（912℃以下的鈍鐵）、鉻、鉬、鎢等。體心立方晶格：13面心立方晶格和晶胞也是一個(gè)立方體，立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面中心各有一個(gè)原子。晶胞中原子數(shù)可參照如下計(jì)算方法：晶胞每個(gè)結(jié)點(diǎn)上的原子為相鄰的8個(gè)晶胞所共有，而每個(gè)面中心的原子卻為兩個(gè)晶胞所共有，所以，每個(gè)晶胞中的原子數(shù)為n=8×1/8+6×1/2=4(個(gè))。屬于面心立方晶格類(lèi)型的金屬有γ-Fe（1394－912℃的鈍鐵）、鋁、銅、銀等。面心立方晶格

：14密排六方晶格的晶胞是在正六方柱體的十二個(gè)結(jié)點(diǎn)和上、下兩底面的中心處各排列一個(gè)原子，另外，中間還有三個(gè)原子。該晶胞要用兩個(gè)晶格常數(shù)表示，一個(gè)是六邊形的邊長(zhǎng)a，另一個(gè)是柱體的高度c。當(dāng)軸比ｃ／ａ為1.633時(shí)，原子排列最緊密。密排六方晶胞中的原子數(shù)n=12×1/6+2×1/2＋3=6(個(gè))。密排六方晶格：15（1）多晶體結(jié)構(gòu)

2.2金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)晶體內(nèi)部的晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶體稱(chēng)為單晶體。

由許多小晶體組成的晶體稱(chēng)為多晶體，這些小晶體稱(chēng)為晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱(chēng)為晶界。

16雖然每個(gè)晶粒具有各向異性，但不同方向的金屬性能是很多位向不同晶粒的平均性能，故多晶體材料表現(xiàn)為各向同性。17（2）晶體缺陷

晶體中原子規(guī)律排列受到破壞的某些區(qū)域，稱(chēng)為晶體缺陷。晶體缺陷按其幾何特征分為晶體缺陷產(chǎn)生晶格畸變，會(huì)使金屬的強(qiáng)度和硬度有所提高。

點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷18①點(diǎn)缺陷

點(diǎn)缺陷是指長(zhǎng)、寬、高尺寸都很小的缺陷。常見(jiàn)的點(diǎn)缺陷是空位和間隙原子。在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，晶格的某些結(jié)點(diǎn)往往未被原子所占有，這種空著的位置稱(chēng)為空位；與此同時(shí)，又有可能在個(gè)別晶格空隙處出現(xiàn)多余原子，這種不占有正常晶格位置而處在晶格空隙中的原子，稱(chēng)為間隙原子。在空位和間隙原子附近，由于原子間作用力的平衡被被壞，使其周?chē)影l(fā)生靠攏或撐開(kāi)，因此晶格發(fā)生歪曲（亦稱(chēng)晶格畸變），使金屬的強(qiáng)度提高，塑性下降。19

②線缺陷

線缺陷是在空間的一個(gè)方向上尺寸很大，其余兩個(gè)方向上尺寸很小的一種缺陷。晶體中的線缺陷通常是指各種類(lèi)型的位錯(cuò)。所謂位錯(cuò)就是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。這種錯(cuò)排有許多類(lèi)型，常見(jiàn)的是刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。20③面缺陷面缺陷是在兩個(gè)方向的尺寸很大，第三個(gè)方向的尺寸很小而呈面狀的缺陷。這類(lèi)缺陷主要指晶界和亞晶界。21晶界工業(yè)上使用的金屬材料一般都是多晶體。多晶體中兩個(gè)相鄰晶粒之間的位向不同，所以晶界處實(shí)際上是原子排列逐漸從一種位向過(guò)渡到另一種位向的過(guò)渡層，該過(guò)渡層的原子排列是不規(guī)則的，如圖所示。由于過(guò)渡層原子排列不規(guī)則，使晶格處于歪扭畸變狀態(tài)，因而在常溫下會(huì)對(duì)金屬塑性變形起阻礙作用，從宏觀上來(lái)看，晶界處表現(xiàn)出有較高的強(qiáng)度和硬度。晶粒越細(xì)小，晶界越多，它對(duì)塑性變形的阻礙作用就越大，金屬的強(qiáng)度、硬度也就越高。22亞晶界實(shí)驗(yàn)證明，晶粒內(nèi)部的晶格位向也不是完全一致的。實(shí)際上每個(gè)晶粒皆是由許多位向差很小（2°～3°）的小晶塊互相嵌鑲而成的，這些小晶塊稱(chēng)為亞組織（亦稱(chēng)嵌鑲塊或亞結(jié)構(gòu)）。亞組織之間的邊界稱(chēng)為亞晶界。亞晶界實(shí)際上是由一系列刃型位錯(cuò)所組成的小角度晶界，如圖所示。由于亞晶界處原子排列也是不規(guī)則的，使晶格產(chǎn)生了畸變，因此，亞晶界作用與晶界相似，對(duì)金屬?gòu)?qiáng)度也有著重要影響，亞晶界越多，強(qiáng)度也越高。23

1、合金的基本概念2.3合金的晶體結(jié)構(gòu)

1）合金合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。如黃銅是銅和鋅的組成合金；碳鋼是鐵和碳組成的合金；硬鋁是鋁、銅、鎂組成的合金等。合金不僅具有純金屬的基本特性，同時(shí)還具備了比純金屬更好的力學(xué)性能和特殊的物理、化學(xué)性能。另外，由于組成合金的各元素比例可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從而使合金的性能隨之發(fā)生一系列變化，滿(mǎn)足了工業(yè)生產(chǎn)中各類(lèi)機(jī)械零件的不同性能要求。24由二個(gè)或二個(gè)以上的組元按不同比例配制的一系列不同成分的合金，稱(chēng)為一個(gè)合金系，簡(jiǎn)稱(chēng)系。由兩個(gè)組元構(gòu)成的稱(chēng)為二元系，由三個(gè)組元構(gòu)成的稱(chēng)為三元系等。另外，也可由構(gòu)成元素來(lái)命名，如鐵碳合金。2）組元

組成合金獨(dú)立的、最基本的物質(zhì)稱(chēng)為組元，簡(jiǎn)稱(chēng)元。組元大多數(shù)是元素，如鐵碳合金中的鐵元素和碳元素是組元；銅鋅合金中的銅元素和鋅元素也是組元。有時(shí)穩(wěn)定的化合物也可作為組元，如Fe3C等。合金的組元通常是純?cè)兀部梢允欠€(wěn)定化合物。

3）合金系254）相相是指在合金（金屬組織）中化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和物理性能相同并且與其它部分由界面分開(kāi)的均勻組成部分。其中包括固溶體、金屬化合物及純物質(zhì)（如石墨）。265）組織

組織是指用肉眼或借助顯微鏡能觀察到的具有某種形態(tài)特征的合金組成物。其實(shí)質(zhì)是一種或多種相按一定的方式相互結(jié)合所構(gòu)成的整體的總稱(chēng)。只由一種相組成的組織稱(chēng)為單相組織；由幾種相組成的組織稱(chēng)為多相組織。它直接決定合金的性能。金屬材料的組織不同，其性能也就不同。27將金屬試樣的磨面經(jīng)適當(dāng)處理后用肉眼或借助放大鏡觀察的組織，稱(chēng)為宏觀組織；將用適當(dāng)方法（如浸蝕）處理后的金屬試樣的磨面復(fù)型或制成的薄膜置于光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡下觀察到的組織，稱(chēng)為顯微組織。282、合金的晶體結(jié)構(gòu)根據(jù)構(gòu)成合金各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金的相可分為固溶全和金屬化合物兩大類(lèi)。根據(jù)合金中各組元之間的相互作用不同，可分為

1）固溶體

2）金屬化合物

3）機(jī)械混合物

(1)置換固溶體

(2)間隙固溶體

291）固溶體

溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑晶格類(lèi)型的合金相，稱(chēng)為固溶體。例如鐵碳合金中，α鐵中溶入碳原子而形成的鐵素體即為固溶體。根據(jù)溶質(zhì)元素在溶劑晶格中所占位置的不同，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體兩類(lèi)。置換固溶體就是溶質(zhì)原子替換了溶劑晶格某結(jié)點(diǎn)上的原子而形成的（如圖示）。30間隙固溶體就是溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格的單間隙之中而形成的（如圖示）。因晶格中的空隙位置是有限的，所以間隙固溶體是有限固溶體。由于溶質(zhì)原子的溶入，會(huì)引起固溶體晶格發(fā)生畸變，晶格畸變使合金變形阻力增大，從而提高了合金的強(qiáng)度和硬度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為固溶強(qiáng)化。它是提高材料力學(xué)性能的重要途徑之一。例如，我國(guó)的低合金強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，就是利用錳、硅等元素來(lái)強(qiáng)化鐵素體，從而使材料的力學(xué)性能大為提高。312、金屬化合物金屬化合物是合金組元之間相互發(fā)生作用而形成具有金屬特性的一種新相，其晶格類(lèi)型和性能完全不同于合金中的任一組元，一般可用分子式來(lái)表示，如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其中Fe3C稱(chēng)滲碳體，是鋼中重要組成相，具有復(fù)雜斜方晶格。

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金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬度高，脆性大。當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性均提高，而塑性和韌性降低。金屬化合物是許多高合金的重要組成相，與固溶體適當(dāng)配合可以提高合金的綜合力學(xué)性能。3、機(jī)械混合物機(jī)械混合物是合金中的一類(lèi)復(fù)相混合物組織，不同的相均可互相組合形成機(jī)械混合物。各相在機(jī)械混合物中仍保持原有的晶格和性能，機(jī)械混合物的性能介于組成的相性能之間，工業(yè)上大多數(shù)合金均由混合物組成，如鋼、鑄鐵、鋁合金等。332.4金屬的結(jié)晶一.結(jié)晶與凝固的區(qū)別二.純金屬的冷卻曲線和過(guò)冷現(xiàn)象三.純金屬的結(jié)晶過(guò)程四.金屬晶粒的大小與控制霧凇34一、結(jié)晶與凝固的區(qū)別凝固：L→S

S可以是非晶結(jié)晶：一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）過(guò)渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變過(guò)程。一次結(jié)晶：L→S晶態(tài)二次結(jié)晶：S→S晶態(tài)35二、純金屬的冷卻曲線和過(guò)冷現(xiàn)象金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過(guò)程稱(chēng)為結(jié)晶。純金屬的結(jié)晶是在固定的溫度下進(jìn)行的。1.冷卻曲線金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱(chēng)冷卻曲線。曲線上水平階段所對(duì)應(yīng)的溫度稱(chēng)實(shí)際結(jié)晶溫度T1。曲線上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱引起的。a.當(dāng)溫度T>T0時(shí)，

液相穩(wěn)定b.當(dāng)溫度T<T0時(shí)，

固相穩(wěn)定c.當(dāng)溫度T=T0時(shí)，

平衡狀態(tài)

T0：理論結(jié)晶溫度（熔點(diǎn)或平衡結(jié)晶溫度）,在該溫度下,液體和晶體處于動(dòng)平衡狀態(tài)。362.過(guò)冷與過(guò)冷度

液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開(kāi)始結(jié)晶的現(xiàn)象稱(chēng)過(guò)冷。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差

T稱(chēng)過(guò)冷度。T=T0–T1過(guò)冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過(guò)冷度越大。

純金屬的冷卻曲線37三、純金屬的結(jié)晶過(guò)程1、結(jié)晶的基本過(guò)程純金屬的結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)不斷形成晶核和晶核不斷長(zhǎng)大的過(guò)程。液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時(shí)聚時(shí)散，稱(chēng)為晶坯。在T0以下，經(jīng)一段時(shí)間后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯將會(huì)長(zhǎng)大，稱(chēng)為晶核。晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)，又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失。每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。382、晶核的形成方式

形核有兩種方式，即均勻形核和非均勻形核。由液體中排列規(guī)則的原子團(tuán)形成晶核稱(chēng)均勻形核(自發(fā)形核)。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱(chēng)非均勻形核(非自發(fā)形核)

。非均勻形核更為普遍。393、晶核的長(zhǎng)大方式

晶核的長(zhǎng)大方式有兩種，即平面長(zhǎng)大和