金属的晶体结构与结晶1

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1、第三章金属的晶体结构与结晶物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称为结构。C60第三章金属的晶体结构与结晶金属的结构晶态非晶态SiO2的结构晶体与非晶体晶体是指原子呈规则排列的固体。晶体具有固定的熔点。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。第一节金属的晶体结构第一节金属的晶体结构在金属晶体中，原子是按一定的几何规律周期性规则排列的。为了便于研究，人们把金属晶体中的原子近似地设想为刚性小球，并在三维空间中紧密堆积，然后用一些假想的平行直线，将所有质点的中心连接起来，便构成了一个三维

2、的几何格架。这个抽象出来的用于描述原子在晶体中的位置和排列方式的几何格架，称为晶格。晶格中各线的交点称为结点（或阵点）。晶胞从晶格中取一个最小的立体单元（最小的平行六面体）称为晶胞。晶格是晶胞在空间的叠加，晶胞是构成晶格的最基本几何单元。晶胞的选择原则：①能充分反映整个空间点阵的对称性。②晶胞内的棱、角相等的数目最多，且具有尽可能多的直角。③体积要最小。晶格常数在晶胞中取某一点为原点（通常取在左下角后面一结点），建立坐标系，以晶胞的三个棱边作为坐标轴x，y，z（可以是垂直的，也可以不垂直）。以三边的长度a，b，c及相互间夹角α，β，γ六个参数来表示晶胞的大小和形状，其中三棱边的长度a，

3、b，c称为晶格常数，它们反映了晶胞的大小。晶向与晶面的概念晶向：在晶胞中，通过若干原子中心（结点）连接一起的具有不同空间方位的直线——晶向任何两个结点间的连线即构成一个晶向。晶面：在晶胞中，通过若干原子中心构成的二维平面——晶面二、常见的晶格类型体心立方BCCBody-centeredcubic面心立方FCCFace-centeredcubic密堆六方CPHClose-packedhexagonal1、体心立方（BCC）结构特征：每个角顶上各有一个原子,体心中有一个原子a=b=c，α=β=γ＝90°每个晶胞中实际含有的原子数为1+8×1/8=2个常见金属：α-Fe，V，Ta，Nb，Cr

4、，Mo，W等2、面心立方（FCC）特征：每个角顶上各有一个原子,各个面中心有一个原子。a=b=c，α=β=γ＝90°每个晶胞中实际含有的原子数为8×1/8+6×1/2=4个常见金属：Ag，Au，Ni，CuPd，Pt，γ-Fe等3、密堆六方特征：12个顶角各一个原子、上下面中心各一个原子，体内3个原子（位于对称中心处）a=bc,==90，=120通常：c/a=1.633每个晶胞中实际含有的原子数为(1/6)×12+2×(1/2)+3=6个。常见金属：Mg，Zn，Ti，Zr，等三、晶格的致密度致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数，即晶格的致密度是指晶胞中所含原子的体积与该晶胞

5、的体积之比。金属晶体的一个显著特点是其原子趋于最紧密的排列，因而金属晶格中原子排列的紧密程度是反映金属晶体结构特征的一个重要因素。晶体中原子排列的紧密程度常用晶格的致密度表示。表3-1三种常见金属晶格的结构特点第二节实际金属的结构⑴单晶体结构单晶体：结晶位向完全一致的晶体。即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体”。如单晶硅，水晶石，金刚石。单晶体在不同的晶面和晶向的的力学性质不同，这种现象称为各向异性。一、多晶体结构多晶体：由众多外观不规则，位向不同的单晶体（晶粒）组成的晶体结构。一般实际材料均为多晶体。晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些

6、小晶体称为晶粒。晶界：晶粒之间的交界面。晶界上原子排列是不规则的，晶界不一定是平整的。沿晶断口铅锭宏观组织多晶体结构中，一般晶粒尺寸小，如钢铁材料晶粒尺寸一般为10-3～10-1mm左右，必须通过显微镜放大几十倍乃至几百倍以上才能观察到各种晶粒的形态、大小和分布情况，叫做显微组织。光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图同一颗晶粒内还存在着许多尺寸更小、位向差也很小的小晶快，称为亚晶粒，亚晶粒构成的边界成为亚晶界。二、晶体中的缺陷晶体缺陷：正常晶体中原子排列受到破坏——缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，缺陷会引起材料性能的巨大变化，如：理想完整晶体的强度通常是实际晶体的数十倍，甚至数百倍

7、。晶体缺陷的类型：点缺陷线缺陷面缺陷1、点缺陷点缺陷：点缺陷是指长、宽、高三个方向上尺寸都很小(原子尺寸范围内)的缺陷。点缺陷的类型：空位在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位”。间隙原子在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。置换原子在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子占据原有的原子位置。置换原子空位间隙原子大置换原子小置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲