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第二章金属的晶体结构本讲稿第一页，共三十六页第一节第一节 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构（P13）w金属键：金属原子间的结合键称为金属键。（带负电的自由电子与带正电的的金属正离子之间产生静电吸引力，使金属原子结合在一起，这就是金属键结合的本质。w金属特性：良好的导电性和导热性；强度高；具有塑性；有固定熔点；各向异性。金属键模型图本讲稿第二页，共三十六页一、晶体结构的基本知识一、晶体结构的基本知识（一）基本概念（P13）1、晶格：晶格：用于描述原子在晶体中排列规律的三维空间几何点阵。（把原子看成是 一个几何质点，把原子之间的相互联系与作用假想为几何直线）本讲稿第三页，共三十六页一、晶体结构的基本知识一、晶体结构的基本知识（一）基本概念（P13）1、晶胞、晶胞：晶格中能够代表晶格特征的最小几何单元。2、晶格参数晶格参数：晶体学中用来描述晶胞大小与形状的几何参数。包括晶胞的三个棱边长度a、b、c和三个棱边夹角、。3、晶格常数晶格常数：决定晶胞大小的三个棱长a、b、c。本讲稿第四页，共三十六页（二）金属中常见的晶格1、体心立方晶格（P14）w晶晶格格参参数数 a=b=c；=90；立方体八个角上各有一个原 子，体 心 处 有 一 个 原 子。每 个 晶 胞 中 原 子 数 为2=1/88+1。w属于体心 立方晶格 的常用金 属：铬、钨、钼、钒、铁、钛、铌 等。本讲稿第五页，共三十六页2、面心立方晶格（P14）w晶晶格格参参数数：a=b=ca=b=c；=90=90；晶胞的八个角上各有一个原子，立方体六个面的面心各有一个原子。每个晶胞中原子数为4=1/88+1/26 w属于面心立方晶格的常用金属：铁、铝、铜、镍等。本讲稿第六页，共三十六页3、密排立方晶格（P14）w晶晶格格参参数数：a=bc；=90、=120；每个晶胞中原子数为：6=1/612+1/22+3。w属于密排六方晶格的常用金属：镁、锌、铍、钛、镉等。本讲稿第七页，共三十六页（三）晶格的致密度（P14）w致密度=原子所占的总体积晶胞的体积w体心立方晶格的致密度=0.68w面心立方晶格的致密度=0.74w密排六方晶格的致密度=0.74本讲稿第八页，共三十六页（四）晶面指数与晶向指数（P16）w晶面晶面：晶体中由物质质点所组成的平面。w晶向晶向：由物质质点所决定的直线。w每一组平行的晶面和晶向都可用一组数字来标定其位向。这组数字分别称为晶面指数和晶向指数。w晶面指数的确定晶面指数的确定：晶面与三个坐标轴截距的倒数取最小整数，用圆括号表示。如（111）、（112）。w晶向指数的确定晶向指数的确定：通过坐标原点直线上某一点的坐标，用方括号表示。如111 本讲稿第九页，共三十六页3、晶面族与晶向族（P16）w晶面族晶面族：晶面指数中各个数字相同但是符号不同或排列顺序不同的所有晶面。这些晶面上的原子排列规律相同，具有相同的原子密度和性质。如110=（110）+（101）+（011）+（101）+（110）+（011）w晶向族晶向族：原子排列密度完全相同的晶向。如=111+111+111+111 本讲稿第十页，共三十六页（五）晶体的各向异性（P17）在晶体中，由于各个晶面和晶向上原子排列密度不同，使原子间的相互作用力也不相同。因此在同一单晶体内不同晶面和晶向上的性能也是不同的。这种现象称为晶体的各向异性这种现象称为晶体的各向异性。本讲稿第十一页，共三十六页（五）晶体的各向异性（P17）w晶体分单晶体和多晶体晶体分单晶体和多晶体 单晶体：晶体内各处晶格位向一致的晶体。多晶体：晶体内晶格位向不相同的晶体。w实际金属是多晶体实际金属是多晶体 本讲稿第十二页，共三十六页（五）晶体的各向异性多晶体结构（P17）本讲稿第十三页，共三十六页二、纯金属的实际晶体结构（一）晶粒与亚晶粒（P17）w晶粒晶粒金属晶体中，晶格位向基本一致，并有边界与邻区分开的区域。（P18图28）w晶界晶界晶粒之间原子排列不规则的区域。w实际金属晶粒大小除取决于金属种类外，主要取决于结晶条件和热处理工艺。w亚晶粒亚晶粒晶粒内部晶格位向差小于2、3的更小的晶块。w亚晶界亚晶界亚晶粒间的过渡区。本讲稿第十四页，共三十六页（二）晶体中的晶体缺陷（P18）w晶体缺陷晶体缺陷：是指晶体中原子排列不规则的区域。w根据晶体缺陷的几几何何特特点点和对原子排列不规则性的影响范围可分为三大类：1、点缺陷 2、线缺陷 3、面缺陷 本讲稿第十五页，共三十六页1、点缺陷（P18）w以一个点为中心，在它周围造成原子排列不规则，产生晶格畸变和内应力的缺陷。点缺陷类型主要有三种：（1）间隙原子 （2）晶格空位 （3）置换原子在晶格的结点处出现原子直径不同的异类原子的晶体缺陷置换原子示意图本讲稿第十六页，共三十六页1、点缺陷（P18）间隙原子：间隙原子：在晶格的间隙处出现多余原子的晶体缺陷。晶格空位：晶格空位：在晶格的结点处出现缺少原子的晶体缺陷。本讲稿第十七页，共三十六页2、线缺陷（P19）w主要是指各种形式的位错。w位错：位错：是指晶体中某一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。w位错密度：单位体积内 位错线的长 度，（cm-2）本讲稿第十八页，共三十六页3、面缺陷（P19）主要是指晶界晶界和亚晶界亚晶界。它是由于受到其两侧的不同晶格位向的晶粒或亚晶粒的影响而使原子呈不规则排列。本讲稿第十九页，共三十六页第二节 合金的晶体结构一、基本概念（P20）w合金：合金：是指由一种金属元素与另外一种或多种金属或非金属元素，通过熔炼或烧结等方法所形成的具有金属金属性质性质的新金属材料。如：碳素钢（铁、碳）；黄铜（铜、锌）；铅青铜（铜、锌、铅）w组组元元：组成合金的最基本的、能独立存在的物质。组成合金的各个化学元素及稳定的化合物都 是组元。合金中有几种组元就称之为几元合金。碳素钢是二元合金二元合金，铅青铜是三元合金三元合金。本讲稿第二十页，共三十六页第二节第二节 合金的晶体结构合金的晶体结构一、基本概念一、基本概念w合金系：合金系：是指具有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。如各种碳素钢。w相：相：是指在合金中，凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分隔开来的一个均匀区域。在一个相中可以有多个晶粒，但是一个晶粒中只能是同一个相。w合金中有两类基本的相结构，固溶体和金属化合物。固溶体和金属化合物。本讲稿第二十一页，共三十六页第二节第二节 合金的晶体结构合金的晶体结构一、基本概念一、基本概念w显微组织：显微组织：是指在显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小和分布。它可以看作是由各个相组成的。w合金的显微组织可以看作是由各个相所组成的，这些相称为合金组织的相组成物相组成物；也可以看作是基本组织所组成的，这些基本组织称为合金组织的组织组成物组织组成物。合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。本讲稿第二十二页，共三十六页二、合金的相结构（P20）w合金的晶体结构合金的晶体结构：是指合金中各个相的晶体结构，简称相结构相结构。w合金的相结构通常分为两大类：（一）固溶体 （二）金属化合物本讲稿第二十三页，共三十六页（一）固溶体（P20）w固溶体：固溶体：合金结晶成固态时，溶质溶质原子分布在溶剂晶格中形成的一种与溶剂溶剂有相同晶格的相。w固溶体与溶剂具有相同晶体结构。与溶剂具有相同晶体结构。w固溶体的类型：1、间隙固溶体；2、置换固溶体 本讲稿第二十四页，共三十六页1、间隙固溶体（P21）间隙固溶体：间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体。都是有限固溶体，也是无序固溶体。本讲稿第二十五页，共三十六页2、置换固溶体、置换固溶体(P21)w置换固溶体：置换固溶体：溶质原子代替溶剂原子占据着溶剂晶格结点位置而形成的固溶体。w置换固溶体可 以是有限固溶 体也可以是无无 限固溶体限固溶体。A：溶剂；B：溶质a)无序固溶体b)有序固溶体本讲稿第二十六页，共三十六页2、置换固溶体(P21)w有限固溶体有限固溶体:固溶体的溶解度是有限的。w无无限限固固溶溶体体：固溶体的溶解度是无限的。（组成固溶体的两种元素随比例不同可以互为溶质或溶剂。）w形成无限固溶体的必要条件：必要条件：是溶剂与溶质的晶体结构相同。本讲稿第二十七页，共三十六页2、置换固溶体、置换固溶体(P21)w无序固溶体无序固溶体:溶质原子的分布是无序的。w有序固溶体有序固溶体:溶质原子的分布是有序的。w固固溶溶体体的的有有序序化化:无序固溶体向有序固溶体的转变过程。硬度和脆性增加，塑性下降。本讲稿第二十八页，共三十六页4、影响溶解度的主要因素（P22）w溶溶解解度度:溶质在固溶体中的极限浓度称为溶质在固溶体中的溶解度。w影响溶解度的主要因素影响溶解度的主要因素:1)温度 2)原子直径因素 3)晶体结构因素本讲稿第二十九页，共三十六页5、固溶体的性能（P22）w固溶强化：固溶强化：溶入溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象。固溶强化是金属材料的一种重要的强化途径。w固溶体的性能：固溶体的性能：一般来说，固溶体是一个硬度不高、塑性较好的一个相。本讲稿第三十页，共三十六页（二）金属化合物（中间相）（P23）w在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除了形成固溶体外，还将出现新相。w这个新相可能是一种新的固溶体，也可能是一种化合物。如：Fe3C、FeS。w金属化合物金属化合物:具有金属性质的化合物。（其晶体结构不同于任一组元）本讲稿第三十一页，共三十六页金属化合物的性能金属化合物的性能（P23）w金属化合物性能金属化合物性能:一般都具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。w金属化合物若以细小的粒状均匀分布在固溶体相的基体上会使合金的强度、硬度进一步提高，这种现象称为第二相弥散强化第二相弥散强化。w在合金中，金属化合物的多少、形态、大小、分布等对合金的性能有不同的影响。本讲稿第三十二页，共三十六页金属化合物的种类金属化合物的种类（P23）1 1、正常价化合物、正常价化合物:这类化合物符合正常的原 子价规律，成分固定并有严格分子式的 金属化合物。2 2、电子化合物、电子化合物:这类化合物不遵守原子价规 律而服从电子浓度规律。其晶体结构主 要取决于电子浓度。本讲稿第三十三页，共三十六页金属化合物的种类（P23）3 3、间隙化合物、间隙化合物:间隙化合物一般是由原子半径较大的过渡族金属元素和原子半径较小的非金属元素组成的化合物。(非金属元素有规则的嵌入金属元素晶格的间隙中）a)当非金属原子直径与金属原子直径比值小于0.59时，形成简单晶格的间隙化合物简单晶格的间隙化合物，称间隙相间隙相.b)当非金属原子直径与金属原子直径比值大于0.59时，则不能产生间隙相，而形成复杂结构的间隙化复杂结构的间隙化合物合物.本讲稿第三十四页，共三十六页间隙相、复杂结构的间隙化合物、间隙固溶体的区别1、晶体结构晶体结构:间隙固溶体的晶体结构与溶剂相同；而间隙相和复杂结构的间隙化合物的晶体结构不同于任一组元，间隙相具有简单的晶体结构。2、性能性能:间隙固溶体硬度低、塑性好，通常作为基体基体使用；间隙相和复杂结构的间隙化合物都具有高熔点、高硬度。（尤其是间隙相）通常作为弥散强化弥散强化相相。本讲稿第三十五页，共三十六页作业（作业（P25）第1题第3题第8题本讲稿第三十六页，共三十六页