第二章金属的晶体结构与结晶

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1、第二章金属的晶体结构与结晶内容金属的晶体结构合金的晶体结构实际金属的晶体结构目的掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备第一节金属的晶体结构一、晶体的基本知识非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）晶体非晶体固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。1、晶体和非晶体原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列；具有一定的熔点，如铁的熔点为1538℃，铜的熔点为10

2、83℃晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性；晶体不同方向上性能不同的性质叫做晶体的各向异性。在一定条件下有规则的几何外形晶体的特点原子在三维空间呈不规则的排列。没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。非晶体的特点为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几个结点上，这种抽象的、用于

3、描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。2、晶体结构的基本概念由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为了便于讨论通常只从晶格中，选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以（晶格常数）棱边长度和棱面夹角来表示晶胞的形状和大小。表

4、示晶面的符号称为晶面指数。在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。表示晶向的符号称为晶向指数。3、立方晶系的晶面、晶向表示方法晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数，即K=nv′/V。式中，n为晶胞所含原子数v′为单个原子体积V为晶胞体积。4、常见金属的晶格类型⑵晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。⑶原子半径。⑷晶胞所含原子数2个原子。体心立方晶

5、格（bcc晶格）⑴原子排列特征体心立方晶格的晶胞如图所示。⑸致密度68%。⑺具有体心立方晶格的金属：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余种金属。⑵晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。⑶原子半径。⑷晶胞所含原子数4个原子。(5)致密度74%。(6)具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。面心立方晶格（fcc晶格）⑴原子排列特征面心立方晶格的晶胞如图所示。第二节金属的实际晶体结构晶体的基本概念金属晶体的缺陷：点缺陷——晶体空格、间隙原子线缺陷——位错面缺陷——晶界、亚

6、晶界一、单晶体和多晶体晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。实际使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。这些小晶体就是晶粒，它们之间的交界即为晶界。由多晶粒构成的晶体称为多晶体。在一个晶粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。二、晶体缺陷实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为三种：点缺陷、线缺陷、面缺陷由于晶体形成条件、

7、原子热运动及其它各种因素的影响，原子规则排列在局部区域受到破坏，呈现出不完整，通常把这种区域称为晶体缺陷1、点缺陷——晶格空位和间隙原子在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。由于空位和间隙原子的存在，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度和体积(固溶强化)。晶体中空位和间隙原子处于不断地运动和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定平衡浓度的空位和间隙原子，空位和

8、间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金属材料的热处理过程极为重要。2、线缺陷——位错晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通常用位错密度表示，位错密度是指单位体积内，位错线的总长度。位错的主要类型有刃型位错和螺旋位错。位错的存在以及位错密度的变化，对金属