1.3金属的晶体结构与结晶

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1、第一节金属与合金的晶体结构内容: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由于金属材料仍占工程材料的大部分，金属材料知识是本课程的重点。金属材料的性能与其晶体结构（如体心立方，面心立方，密排六方）和晶体缺陷结构（空位，间隙原子，位错，晶界等）密切相关，同时也和金属结晶后的晶粒度有关。一、晶体的基本知识（一）、晶体与非晶体固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。非晶体中原子

2、（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）自然界中晶莹剔透的金刚石和水晶属于晶体，但普通玻璃光亮透明，但它属于非晶体。而金属和合金虽然不透明，但它们在通常条件下都是晶体。（二）、晶格、晶胞、晶格常数1、晶格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、晶胞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

3、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。3、晶格常数在晶体学中，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，并以棱边长度和棱面夹角来表示晶胞的形状和大小。（三）、金属中常见晶格由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。1、体心立方晶格bcc体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中心和八个角上各有一个原

4、子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1／8个原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为8×1／8＋1＝2（个）。具有体心立方晶格的金属有、等。2、面心立方晶格面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋6×1／2＝4（个）。具有面心立方晶格的金属有、等。3、密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常

5、数表示。一个是柱体的高度c，另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子。密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞独有。所以，密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6（个）。具有密排六方晶格的金属有Mg、Zn。（四）、晶体结构的致密度晶体结构的致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比，可用来原子排列的紧密程度进行定量比较。在体心立方晶胞中，含有2个原子。这2个原子的体积为2×（4／3）πr3，式中r为原子半径。

6、故体心立方晶格的致密度为：2个原子的体积与晶胞体积之比等于0.68。这表明在体心立方晶格中，有68％的体积被所占据，其余为空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为0.74。显然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，当铁由面心立方晶格变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀。三、实际金属的晶体结构（一）、金属材料都是多晶体我们把晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。单晶体只有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用的金属材料，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

7、些小晶体就是晶粒，它们之间的交界即为晶界。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）、晶体的缺陷晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：点缺陷线缺陷面缺陷1、点缺陷——空位和间

8、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